Литиево-полимерни батерии за електронни етикети за рафтове: Ръководство за избор

Как да изберете литиево-полимерна батерия за електронни етикети на рафтове: капацитет, размер и срок на служба

Електронният етикет на рафт може да прекара почти целия ден в спящ режим, след което да поиска от батерията си кратък импулс ток за безжична комуникация, актуализация на е-хартия или LED-сигнал. Този необичаен режим на натоварване прави подбора на батерия за ESL по-сложен от просто съвпадение на напрежение и капацитет.

Батерията, която работи добре в носимо устройство, може да не осигури същия срок на служба в цифров ценов етикет. Проектирането на ESL изисква от дизайнера да вземе предвид тока в спящ режим, честотата на актуализации, импулсния ток, работната температура, наличното пространство и начина, по който батерията ще се заменя или презарежда.

Литиево-полимерните батерии могат да са добра избор за тънки, презареждащи се или функционално богати електронни етикети за рафтове. Всъщност те не са автоматично най-доброто решение за всяка конструкция на електронен етикет за рафтове. Много конвенционални етикети все още използват първични литиево-манганови диоксидни батерии поради ниската им саморазрядка и дългия срок на съхранение.

Правилното решение започва с действителния работен профил на електронния етикет за рафтове.

Какъв тип батерия се използва в електронен етикет за рафтове?

Повечето електронни етикети за рафтове използват e-бумажен дисплей в комбинация с микроконтролер с ниско енергопотребление и безжична комуникационна система, като например Bluetooth Low Energy или собствен под-ГХц протокол.

Тъй като e-бумажният дисплей запазва изображението си без непрекъснато захранване, етикетът може да остава в спящ режим в продължение на дълги периоди. Енергията се изисква предимно когато етикетът получава данни, обновява своя дисплей, мига с LED индикатор или комуникира с шлюз.

Обикновено се разглеждат две категории батерии.

Първични литиеви батерии

Първични батерии от литий-манганов диоксид, включително монетни клетки и тънки торбички, се използват широко в електронни ценови етикети с ниско енергопотребление, проектирани за няколкогодишна работа без презареждане.

Основните им предимства включват:

• Нисък саморазряд

• Дълъг срок на годност

• Проста архитектура на захранването

• Липса на верига за презареждане

• Добра пригодност за рядко обновяване на дисплея

Основното ограничение е, че батерията трябва в крайна сметка да бъде заменена или етикетът трябва да бъде изваден от употреба.

Презаредими литиево-полимерни батерии

Презаредимите литиево-полимерни батерии са по-подходящи, когато електронният ценови етикет има определен метод за презареждане или когато неговите функции изискват повече енергия от традиционния етикет с ниско енергопотребление.

Типични приложения включват:

• Презаредими електронни ценови етикети

• Големи или често обновявани дисплеи

• Етикети с честа активност на LED

• Интерактивни етикети с бутони или сензори

• Многократно използваеми етикети за логистика и складове

• ESL системи със слънчево подпомагане или контактно зареждане

• Ултраневрони устройства с персонализиран вътрешен дизайн

Презаредимият LiPo акумулатор обикновено има номинално напрежение от 3,7 V или 3,85 V, в зависимост от химичния си състав и спецификацията за напрежението при зареждане. ИС за зареждане, защитната верига и диапазонът на работното напрежение на системата трябва да се проектират според избрания акумулатор.

Също така е важно да не се идентифицира акумулаторът само по опаковката му. Тънкият, гъвкав плик-акумулатор може да е презаредим литиево-йонен полимерен акумулатор или непрезаредим литиево-манганов диоксиден акумулатор. Тези продукти имат различни напрежения, изисквания за зареждане и характеристики на експлоатационния живот.

Кога литиево-полимерният акумулатор е подходящ за ESL?

Литиево-полимерният акумулатор предлага най-голяма стойност, когато формата, дебелината и възможността за презареждане са по-важни от постигането на максимално дълъг автономен експлоатационен живот с първичен акумулатор.

Структурата на торбичката позволява на батерията да използва правоъгълни или иначе труднодостъпни вътрешни пространства по-ефективно в сравнение с монетообразни клетки с фиксиран диаметър. Клетката може също така да се доставя с персонализирани кабели, конектори, табове, защитни вериги и температурни сензори.

LiPo трябва да се разглежда, когато:

• ЕСL включва контакти за зареждане, док за зареждане или събиране на енергия

• Корпусът е твърде тънък или нерегулярен за стандартни монетообразни клетки

• Етикетът се обновява по-често от конвенционален ценови етикет

• Дизайнът включва LED-ове, сензори, бутони или други интерактивни функции

• Очаква се батерията да се презарежда през целия експлоатационен живот на продукта

• Стандартна батерия не може да използва наличното вътрешно пространство ефективно

За ESL, който трябва да работи пет, десет или повече години без зареждане, първичната литиева химия може все още да е по-практичната опция. Презаредима LiPo клетка не трябва да се избира само защото се побира в корпуса.

1. Започнете с наличното пространство

Дебелината често е първото механично ограничение при електронните етикети за рафтове. Батерията се намира зад или до дисплея, докато корпусът трябва да остане достатъчно тънък, за да се побере в стандартните рафтови релси.

Проектът трябва да взема предвид не само номиналните размери, показани на чертежа на елемента.

Предвиждайте място за допуск по дебелина и разширение

Пакетният елемент не бива да се компресира силно между задната капак и e-хартия модула. Дебелината на елемента варира в зависимост от производствения допуск, степента на зареждане, температурата и стареенето.

Необходимият допуск трябва да се уточни с доставчика на батерии, като се използва действителната спецификация на елемента. Фиксиран процент не трябва да се прилага към всяка батерия, тъй като поведението при разширение зависи от химичния състав на елемента, капацитета, конструкцията и работните условия.

Механичният проект трябва да:

• Избягва директно налягане върху e-хартия дисплея

• Държи елемента на разстояние от остри пластмасови ребра и винтови гнезда

• Осигурява зазор около ръбовете и запечатаната област на пакетния елемент

• Предотвратяване на движение без ригидно компресиране на клетката

• Поддържане на проводниците и контактните площадки срещу повтарящо се дърпане или вибрации

• Вземане под внимание на изваждането и замяната на батерията по време на сервизно обслужване

За фиксиране на батерията могат да се използват пяна, контролирани лепкави области или подходяща батерийна кутия. Избраният материал трябва да е съвместим с пакета на клетката и с очаквания температурен диапазон.

Не избирайте батерията само въз основа на размера на екрана

По-големият екран обикновено изисква повече енергия за всяко обновяване, но размерът на екрана не е единственият фактор. Две етикета с еднакъв размер на дисплея може да имат много различни изисквания към мощността поради протокола на радиовръзката, честотата на обновяване, поведението на LED индикаторите и фърмуера.

Окончателните размери на батерията трябва да се определят въз основа на пълния механичен монтаж и измеренията на профила на мощността.

Сценарий за проектиране на ESL	Типична насока за проектиране на батерия	Основни точки за проверка
Компактен презареждан възел	Тънък едноклетъчен LiPo с персонализирани кабели или табове	Минимална дебелина, метод на зареждане и пиков ток
Среден възел с чести актуализации	Едноклетъчен LiPo с по-голям капацитет	Енергия за обновяване на дисплея, радиосъбития и използваем капацитет
Голям или интерактивен възел	По-голям LiPo или решение с успоредни клетки	LED натоварване, честота на актуализация, защитна верига и време за зареждане
Възел за студено съхранение	Клетка за ниски температури или алтернативна първична химия	Импулсно напрежение, работни характеристики при разреждане и ограничения при зареждане
Етикет за дълъг срок на експлоатация без зареждане	Първичните литиеви батерии често са предпочитани	Саморазреждане, импулсна способност и стратегия за подмяна

Тази таблица е отправна точка за проектиране, а не препоръка за капацитет. Капацитетът трябва да се изчисли въз основа на измереното потребление на устройството.

2. Създаване на реалистичен енергиен бюджет

Средният ток на една ESL може да изглежда изключително нисък, но средният ток сам по себе си не показва дали батерията може да осигури всяко актуализиране на дисплея.

Правилният енергиен бюджет трябва да включва:

• Ток на MCU в режим на сън

• Ток в режим на готовност и прием на радиото

• Ток при предаване

• Ток за обновяване на е-хартията и продължителност на обновяването

• Ток за LED и време на проблясване

• Активност на сензор или бутон

• Загуби в регулатора на напрежението

• Потребление на веригата за защита на батерията

• Спокоен ток на зарядната верига

• Очаквани неуспехи при обновяване и повторни предавания

Дневното потребление може да се изчисли като:

Дневно използване на капацитета = консумация при спящ режим + консумация при комуникация + консумация при обновяване на дисплея + консумация от периферни устройства

За отделно събитие:

Консумация за събитие в mAh = ток за събитието в mA × продължителност на събитието в часове × брой събития на ден

Оценената натовареност през планирания експлоатационен период след това трябва да се коригира за:

• Полезен капацитет при напрежението на прекъсване на системата

• Намаляване на капацитета при ниски температури

• Стареене на клетките

• Саморазряд

• Загуби при преобразуването

• Производствени вариации

• Инженерен резерв

Не изчислявайте живота на батерията, като разделите номиналния капацитет на средния ток и спрете дотук. Този метод пренебрегва падането на напрежението, свързано с импулсите, температурата и капацитета, който остава недостъпен под минималното работно напрежение на системата.

Измерете работещ прототип

Документите с технически характеристики на компонентите са полезни по време на ранния етап на проектиране, но окончателният избор на батерия трябва да се основава на измервания от реален ESL прототип.

Използвайте анализатор на мощността или уред за регистриране на ток, за да запишете:

• Ток в дълбок режим на сън

• Събития на свързване към шлюз

• Нормално актуализиране на дисплея

• Пълно екранно или многоцветно актуализиране

• Работа на LED-елементите

• Неуспешни комуникации и събития на повторен опит

• Работа при минимална и максимална температура

Това измерване често разкрива краткотрайни натоварвания, които липсват в първоначалния електронен таблиц.

3. Проверка на тока на импулса и напрежението в края на живота

Радиото ESL и е-хартиените дисплеи създават кратки импулсни токове. Дори когато общата енергия, използвана от всеки импулс, е малка, напрежението на батерията може да спадне временно поради импеданса на клетката.

Проблемът става по-сериозен, когато:

• Батерията е студена

• Оставащата капацитетност е ниска

• Клетката е остаряла

• Токът за актуализация е висок

• Защитната верига или конекторът добавят съпротивление

Ако напрежението падне под прага на блокиране при ниско напрежение на MCU, етикетът може да се рестартира по време на актуализация. След това може да стартира отново, да се свърже повторно и да повтаря същата операция, като потребява още повече енергия.

Затова оценката на батерията трябва да включва:

• Вътрешно съпротивление на постояннотоковата верига

• Напрежение при очаквана импулсна натовареност

• Продължителност на импулса

• Напрежение за изключване на системата

• Праг на намаляване на напрежението за MCU

• Съпротивление на съединителя и кабелите

• Работа при ниско ниво на заряд

• Работа при най-ниската работна температура

По-голямата номинална капацитет не задължително решава проблема с импулсната натовареност. Конструкцията на клетката, дизайна на електродите, температурата и съпротивлението на веригата могат да са еднакво важни.

4. Обръщайте внимание на твърденията за срок на експлоатация

Твърдението за срок на експлоатация на батерия ESL е валидно само ако са определени работните условия.

Израз като „до десет години“ трябва да уточнява или поне да се основава на:

• Брой актуализации на ден

• Тип на дисплея и брой цветове

• Честота на безжичната комуникация

• Използване на LED

• Работна температура

• Мрежови условия

• Ток в спящ режим

• Химия на батерията

• Напрежение за изключване на системата

Презаредимите литиево-полимерни клетки претърпяват саморазряд и стареене по календар, дори когато не се циклират често. Дългосрочното им запазване зависи от температурата, степента на заряд и конструкцията на клетката. Следователно е небезопасно да се предполага, че всяка литиево-полимерна клетка има годишен процент на саморазряд само от един или два процента.

За проект с продължителност няколко години поискайте от доставчика данни за запазване, съхранение и стареене за предложената клетка. Резултатите от ускорените изпитания трябва да се анализират заедно с реалните условия на приложение.

Ако няма метод за презареждане и основното изискване е максимално възможен поддръжан без поддръжка живот, сравнете литиево-полимерния дизайн с подходящо първично литиево решение, преди окончателно да се определи архитектурата.

5. Обмислете рано операцията на студената верига

Електронните етикети за рафтове, използвани в охладени дисплеи и зони за замразени храни, представляват различен предизвикателство за батериите.

При ниски температури импедансът на клетката нараства, а наличният капацитет намалява. Напрежението може да спадне значително по време на радиопредаване или обновяване на e-бумага, което дори при още използваема енергия в батерията може да доведе до рестартиране на системата.

Презаредимите литиево-йонни батерии също имат важни ограничения при зареждане при ниски температури. Стандартна LiPo клетка не трябва да се зарежда при температури под тази, посочена от производителя ѝ. Системата може да изисква:

• Клетка, която е сертифицирана за работа при ниски температури

• Зарядно устройство с датчик за температура и функция за блокиране на зареждането

• Намален заряден ток

• Различна химия на батерията

• Фирмуер, който ограничава събитията с високо натоварване, когато батерията е студена

• По-голяма напрежение маржа над прага за изключване на MCU

За приложения във фризери тествайте пълните етикети в температурна камера. Данните за капацитет при стайна температура не могат да предскажат точно производителността при кратковременни ниски температури.

6. Оценявайте конструкцията на клетката, без да разчитате само на един етикет

Конструкцията с наслоени електроди може да е полезна за тънки клетки и може да осигурява добра контролираност на размерите. Конструкцията с навити електроди също се използва широко и може да работи надеждно, когато е правилно проектирана и произведена.

Твърде опростено е да се предполага, че всяка клетка с наслоени електроди е по-добра от всяка клетка с навити електроди.

Вместо това сравнявайте действителните спецификации и тестовите данни за:

• Толеранса по дебелина

• Вътрешно съпротивление на постояннотоковата верига

• Импулсна производителност

• Цикъл живот

• Поведение при съхранение

• Раздуване при зададени условия

• Разряд при ниски температури

• Съхранение при висока температура

• Последователност между партиди

Правилната конструкция е тази, която отговаря на електрическите и механичните изисквания на ESL с последователно качество на производството.

7. Потвърждавайте изискванията за безопасност и транспортиране

Съответствието трябва да се планира преди окончателното определяне на размерите и електрическата конструкция на батерията.

Изискванията се различават в зависимост от пазара и от това дали клетката се доставя отделно, инсталирана в оборудване или сглобена в защитен батериен блок. Общи стандарти и изпитания могат да включват:

• UN 38.3 за изпитания на транспортирането на литиеви батерии

• IEC 62133-2 за преносими запечатани вторични литиеви клетки и батерии

• UL 1642 за литиеви клетки в съответните приложения

• UL 2054 за определени домакински и търговски батерийни блокове

• Регионални изисквания, приложими за целия ESL продукт

Изпитателният протокол за един модел клетка не покрива автоматично модифицирана конструкция, различна комбинация от клетки или новопроектиран батериен блок. Потвърдете, че документите съответстват точно на батерията, доставена за проекта.

Спецификацията на батерията трябва също да определя:

• Максимално напрежение при зареждане

• Ток за зареждане и разреждане

• Граници на защитата

• Работна и складова температура

• Идентификация на клетките и батерийния блок

• Полярност на конектора

• Изисквания към проводниците и табовете

• Проследяване на производството

8. Въпроси, които трябва да зададете на доставчик на ESL батерии

Преди поръчване на прототипи предоставете на доставчика повече информация от желаното напрежение и капацитет.

Полезна заявката за ESL батерия трябва да включва:

1. Налични размери на батерийното отделение

2. Максимално допустима дебелина

3. Номинален и работен обхват на напрежението

4. Измерен ток в спящ режим

5. Максимален импулсен ток и продължителност

6. Брой актуализации на ден

7. Радиопротокол

8. Размер на дисплея и конфигурация на цветовете

9. Работен профил на LED или сензор

10. Работна и складова температура

11. Предназначен срок на експлоатация

12. Метод на зареждане, ако е приложимо

13. Изисквания към конектора, кабела, контактната лента и полярността

14. Задължителни сертификати и пазари на предназначение

15. Прототип и годишни количества за производство

Предоставянето на тази информация в ранен етап улеснява определянето дали стандартна клетка е подходяща или дали е оправдано използването на персонализирана батерия.

Често задавани въпроси

Коя батерия е най-добра за електронна етикетна табелка?

Няма една-единствена най-добра батерия за всички ESL. Първичните литиево-манганови диоксидни батерии се използват широко за етикетни табелки с дълъг срок на служба и рядко обновяване. Презаредимите литиево-полимерни батерии са по-подходящи за тънки, презаредими, често обновявани или функционално богати ESL конструкции.

Може ли литиево-полимерна батерия да захранва ESL в продължение на десет години?

Това не трябва да се приема като даденост без приложно-специфично тестване. Срокът на служба зависи от химията на клетката, капацитета, саморазреждането, температурата, тока в спящ режим, честотата на обновяване и импулсната производителност. Презаредимата LiPo система също изисква реалистична стратегия за зареждане или поддръжка.

Как се изчислява капацитетът на батерията за ESL?

Капацитетът трябва да се изчислява въз основа на измерения ток в режим на сън, безжични събития, обновявания на дисплея, светодиоди и други натоварвания. Резултатът след това трябва да включва загуби, стареене, температурни ефекти, използваем капацитет при напрежението на отсичане и инженерен резерв.

Защо ESL устройството се рестартира по време на обновяване на дисплея?

Честа причина е временен спад на напрежението при импулсно натоварване. Ниската температура, остаряла батерия, високо вътрешно съпротивление, тънки кабели или съпротивление на конекторите могат да намалят напрежението на захранването под минималното работно ниво на MCU.

Може ли стандартна LiPo клетка да се използва в ESL устройство за замразител?

Само ако клетката е сертифицирана и тествана за изискваната температура. Трябва да се вземат предвид както способността за разреждане при ниски температури, така и ограниченията при зареждане. За някои проекти в студената верига може да е по-подходяща специализирана клетка за ниски температури или първична литиева химия.

Окончателни мисли

Изборът на литиево-полимерна батерия за електронна етикетна табелка е инженерно решение на системно ниво. Важна е капацитетът, но също така и допускът по дебелина, импулсният ток, напрежението на изключване, температурата, стареенето и стратегията за зареждане.

За тънка презареждаща се ESL персонализирана LiPo клетка може да използва по-ефективно вътрешното пространство и да опрости механичната интеграция. За конвенционална табелка, която трябва да работи много години без презареждане, първична литиева батерия може да осигури по-подходящ баланс между срок на служба и разходи за поддръжка.

Cowon поддържа проекти за батерии за електронни етикетни табелки със стандартни и персонализирани батерийни решения, включително оценка на размера на клетката, кабели, конектори, контактни ленти, защитни вериги и батерийни конфигурации, специфични за приложението.

За оценка на батерия за ESL изпратете ни наличното пространство за батерия, диапазона на напрежение, честотата на актуализации, работната температура и очакваното годишно количество. Екипът ни може да прегледа изискванията и да препоръча подходящо батерийно решение.