Hearables und Wearables

Mehr Gestaltungsfreiräume dank Mikrobatterien

4. Juli 2018, 16:00 Uhr | Matthias Dorsch (Varta)
Varta Microbattery
Kleine Anwendung, viel Power: Mikrobatterien liefern Energie für Wearables und Herables.
© Bragi

Die Entwicklung von Hearables und Wearables steht fast noch am Anfang. Erkennbar sind jedoch klare Trends der Nutzer: Sie wollen hohe Funktionalität, mehr Nutzungs- und Anwendungsmöglichkeiten, einfachen Gebrauch sowie ergonomisches Design. Das bleibt nicht ohne Folgen für deren Stromversorgung.

Ausgestattet mit verschiedenen Sensoren wie Beschleunigungsmesser, Temperaturfühler, optischen Sensoren und Mikrofon werden insbesondere bei den intelligenten Hearables in naher Zukunft neben den bereits gängigen Bereichen – Fitness und Entertainment – neue Anwendungen entstehen. Schlagworte wie Fitness-Coaching, Integration von virtuellen Assistenten und sogar die frühzeitige Warnung vor Krankheiten deuten an, was künftig möglich sein wird. Hearables könnten auch den Gemütszustand ihres Trägers überwachen oder im Notfall automatisch Hilfe rufen.

Damit ist klar, wie hoch die Anforderungen an die Energiequelle sind: Entscheidend sind Schnellladefähigkeit und hohe Belastbarkeit sowie eine kompakte und robuste Konstruktion, gepaart mit extremer Leistungsfähigkeit und Sicherheit.

In Hearables nimmt die Batterie rund 80 Prozent des gesamten Gerätevolumens ein. Zu großen Teilen bestimmt sie somit das Design, die Größe und die Nutzungsdauer eines Gerätes. Gestaltung und Leistungsfähigkeit der Batterie beeinflussen also das gesamte Produkt. Unter den Lithium-Ionen-Akkumulatoren haben Pouchzellen verschiedene Nachteile. Sie zeigen eine geringe Energiedichte, sind mechanisch empfindlich und hohe Entladeströme sind nicht möglich. Wiederaufladbare Lithium-Ionen-Knopfzellen hingegen kombinieren die mechanische Widerstandsfähigkeit von Knopfzellen mit moderner Lithium-Technologie. Ihr Zellen-Design sichert eine hohe Energiedichte. Darüber hinaus liefern sie zuverlässig Leistung in kleinem Formfaktor und haben sehr gute Entladeeigenschaften.

Bei Hearables scheint es keine Grenzen für den Nutzerwunsch nach immer leichteren und schlankeren Geräten zu geben. Allerdings ist deren Formfaktor durch die Größe des menschlichen Ohrs vorgegeben. In der Elektronik hat die ständige Größenreduzierung elektronischer Schaltkreise nach dem Mooreschen Gesetz den Schaltungsentwicklern im Laufe der Zeit geholfen, immer mehr aus immer weniger Raum herauszuholen. Im Bereich der Energiespeicherung bestimmt jedoch die Chemie und nicht die Elektronik das Tempo der Größenreduzierung, und es gibt in der Chemie keine Entsprechung des Moore­schen Gesetzes. Dennoch liefern Innova­tionen in der Batterietechnologie weiterhin Antworten auf die Nachfrage von OEMs nach kompakterer Energiespeicherung. Verbesserungen bei Knopfzellen ermöglichen selbst bei den kleinsten elektronischen Geräten längere Laufzeiten zwischen den Ladevorgängen als je zuvor.

Von Pouch- zur Knopfzelle

Die Lithium-Ionen-Chemie für wiederaufladbare Batterien bietet ein besseres Verhältnis von Energiekapazität zu Volumen sowie von Energiekapazität zu Gewicht als jede andere Batteriechemie in der Massenproduktion. Deshalb enthalten alle tragbaren Produkte mit hohen Anforderungen an eine kleine Bauweise und ein geringes Gewicht Lithium-Ionen-Akkus, zum Beispiel Mobiltelefone oder Tablet-PCs.

In der Vergangenheit standen OEMs jedoch extremen Schwierigkeiten bei der Verkleinerung von Lithium-Ionen-Batterien für den Einsatz in den Geräten gegenüber, die wesentlich kleiner als ein Handy sein sollten. Hersteller von drahtlosen Headsets mit Bluetooth beispielsweise verwendeten eine benutzerdefinierte Lithium-Ionen-Batterie-Anordnung, in der die Zelle mit Aluminiumfolie umschlossen war, um einen Pouch zu bilden. Die Verbindung zum Host-Gerät übernahmen lose Drähte. Diese komplexe Anordnung war relativ sperrig und auf der Produktionslinie schwierig zu handhaben. Sie erfordert manuelle Montage und ist daher von Natur aus anfällig für inkonsistente Qualität und Schäden.

Darüber hinaus ist ein Gehäuse im Pouchstil nicht robust und anfällig gegenüber vorzeitigem Ausfall, wenn es Erschütterungen und Vibrationen ausgesetzt ist. Dies ist beispielsweise bei Kopf- oder Ohrhörern unerwünscht, die vom Benutzer häufig fallen gelassen oder bei Sport- oder Fitnessaktivitäten benutzt werden. Schließlich stellt ein auftragsspezifisches, für einen Kunden einzigartiges Teil ein höheres Supply-Chain-Risiko dar als ein Standardteil, das für viele Kunden in hohen Stückzahlen produziert und gelagert wird. Eine Alternative sind Lithium-Ionen-Batterien in der Zellform eines Knopfes, wie zum Beispiel die CoinPower-Zelle von Varta (siehe S. 3).

Die Zellen eigenen sich insbesondere für den Headset-Markt, im dem verschiedenen Marken um die längste Sprechzeit mit einer einzigen Ladung kämpfen. Die Sprechzeit hängt sowohl von der Gesamtenergiekapazität der Gerätebatterie als auch von den Leistungsverlusten der Geräteschaltung ab. Darüber hinaus bietet eine Knopfzelle mit hoher Kapazität weitere Vorteile: Einfache Montage in Endgeräte – aufgrund ihres starken und festen Edelstahlgehäuses fast ohne Risiko für Schäden – sowie hohe Präzision in der mechanischen Konstruktion der Batterieanordnung, hohe Toleranz gegenüber Stößen und Vibration, wieder aufgrund des starken Stahlgehäuses der Zelle. 

Varta Microbattery
Cosinuss One ist ein Fitnesstracker, der mehrere ital-parameter überwacht. Die Energie liefert eine wiederaufladbare Lithium-Ionen-Knopfzelle.
© Cosinuss

  1. Mehr Gestaltungsfreiräume dank Mikrobatterien
  2. Sicherheit durch Current Interruption Device
  3. CoinPower: Klein und leistungsstark

Verwandte Artikel

VARTA Microbattery GmbH