LiPo baterie pro elektronické ceníky: průvodce výběrem

Jak vybrat lithiovou polymerovou baterii pro elektronické cenové štítky: kapacita, rozměry a životnost

Elektronický cenový štítek může strávit téměř celý den ve stavu spánku a poté požádat svou baterii o krátký proudový impuls pro bezdrátovou komunikaci, aktualizaci e-ink displeje nebo LED upozornění. Tento neobvyklý režim zatížení činí výběr baterie pro ESL složitějším než pouhé shodování napětí a kapacity.

Baterie, která dobře funguje v nositelném zařízení, nemusí poskytnout stejnou životnost v digitálním cenovém štítku. Konstruktér ESL musí vzít v úvahu proud ve stavu spánku, frekvenci aktualizací, proudové impulzy, provozní teplotu, dostupný prostor a způsob výměny nebo nabíjení baterie.

Lithium-polymerní baterie mohou být vhodnou volbou pro tenké, dobíjecí nebo funkčně bohaté elektronické cenové štítky. Nicméně nejsou automaticky nejlepším řešením pro každý návrh ESL. Mnoho konvenčních štítků stále používá primární lithiové baterie s oxidem manganu kvůli jejich nízkému samovybíjení a dlouhé životnosti při skladování.

Správné rozhodnutí začíná skutečným provozním profilem ESL.

Jaký typ baterie se používá v elektronickém cenovém štítku?

Většina elektronických cenových štítků využívá displej na principu e-paperu v kombinaci s mikrořadičem s nízkou spotřebou energie a bezdrátovým komunikačním systémem, například Bluetooth Low Energy nebo proprietárním sub-GHz protokolem.

Protože displej e-paper uchovává obraz i bez trvalého přívodu energie, může štítek po dlouhou dobu zůstat v režimu spánku. Energie je potřebná především tehdy, když štítek přijímá data, aktualizuje svůj displej, rozsvítí LED diodu nebo komunikuje s bránou.

Obvykle se uvažují dvě kategorie baterií.

Primární lithiové baterie

Primární lithiové baterie s oxidem manganu, včetně mincových článků a tenkých článků v pouzdře typu „pouch“, se široce používají v nízkovýkonových elektronických cenových štítcích (ESL), které jsou navrženy tak, aby fungovaly několik let bez nutnosti nabíjení.

Hlavní výhody zahrnují:

• Nízké samovybíjení

• Dlouhá životnost

• Jednoduchá napájecí architektura

• Žádný obvod pro nabíjení

• Dobrá vhodnost pro zřídka aktualizované displeje

Hlavním omezením je, že baterii nakonec musí být vyměněna nebo štítek musí být vyřazen z provozu.

Přebíjecí lithiové polymerové baterie

Přebíjecí lithiové polymerové baterie jsou vhodnější v případě, že má elektronický cenový štítek definovanou metodu nabíjení nebo pokud jeho funkce vyžadují více energie, než je typické u tradičních nízkovýkonových štítků.

Typické aplikace zahrnují:

• Přebíjecí elektronické cenové štítky

• Velké nebo často aktualizované displeje

• Štítky s častou aktivitou LED

• Interaktivní štítky s tlačítky nebo senzory

• Opakovaně použitelné štítky pro logistiku a skladování

• ESL systémy s podporou sluneční energie nebo nabíjené kontaktovým způsobem

• Ultratenká zařízení se speciálním vnitřním uspořádáním

Přebíjecí LiPo článek obvykle má jmenovité napětí 3,7 V nebo 3,85 V, v závislosti na jeho chemii a specifikaci nabíjecího napětí. Integrovaný obvod pro nabíjení, ochranný obvod a rozsah napájecího napětí systému musí být navrženy tak, aby odpovídaly vybranému článku.

Dále je důležité nepovažovat článek za baterii pouze na základě jeho obalu. Tenký pružný vakový článek může být přebíjecí lithiový polymerový článek nebo nepřebíjecí lithiový mangan-dioxidový článek. Tyto produkty mají různé napětí, požadavky na nabíjení a charakteristiky životnosti.

Kdy dává lithiový polymerový článek smysl pro ESL?

Lithiový polymerový článek nabízí nejvyšší hodnotu tehdy, když jsou důležitější tvar, tloušťka a možnost přebíjení než dosažení nejdelší možné bezdozorové životnosti z primárního článku.

Jeho taštičková konstrukce umožňuje baterii efektivněji využívat obdélníkové nebo jinak nepravidelné vnitřní prostory ve srovnání s pevným průměrem mincového článku. Buňka může být také dodávána s přizpůsobenými vodiči, konektory, přívody, ochrannými obvody a teplotními čidly.

LiPo by měla být zvážena, pokud:

• ESL zahrnuje nabíjecí kontakty, nabíjecí dokovací stanici nebo sběr energie

• Pouzdro je příliš tenké nebo nepravidelné pro standardní mincové články

• Štítek se obnovuje častěji než konvenční cenovka

• Návrh zahrnuje LED diody, senzory, tlačítka nebo jiné interaktivní funkce

• Očekává se, že baterie bude během životnosti výrobku znovu nabíjena

• Standardní baterie nemůže efektivně využít dostupný vnitřní prostor

Pro ESL, která má fungovat pět, deset nebo více let bez nabíjení, může být primární lithiová chemie stále praktičtější volbou. Nabíjecí LiPo buňka by neměla být vybrána pouze proto, že se vejde do pouzdra.

1. Začněte s dostupným prostorem

Tloušťka je často prvním mechanickým omezením u elektronického ceníku na polici. Baterie je umístěna za displejem nebo vedle něj, zatímco pouzdro musí zůstat dostatečně tenké, aby se vešlo do standardních policových lišt.

Návrh by měl zohlednit více než jen jmenovité rozměry uvedené na výkresu článku.

Umožněte místo pro tolerance tloušťky a roztažnost

Pouzdro typu pouch nesmí být mezi zadní krytkou a modulem e-paper těsně stlačeno. Tloušťka článku se mění v závislosti na výrobní toleranci, stavu nabití, teplotě a stárnutí.

Požadovaná rezerva by měla být dohodnuta s dodavatelem baterií na základě skutečné specifikace článku. Pevné procento by nemělo být uplatněno na každou baterii, protože chování při roztažnosti závisí na chemii článku, kapacitě, konstrukci a provozních podmínkách.

Mechanický návrh by měl:

• Vyhnout se přímému tlaku na displej e-paper

• Udržet článek daleko od ostrých plastových žeber a míst pro šrouby

• Zajistit volný prostor kolem okrajů a těsnicí oblasti pouzdra typu pouch

• Zabránit pohybu bez tuhého stlačení článku

• Podporovat vodiče a klapky proti opakovanému tažení nebo vibracím

• Zvážit vyjmutí a výměnu baterie během údržby

K upevnění baterie lze použít pěnu, řízené lepicí plochy nebo vhodný držák baterie. Zvolený materiál musí být kompatibilní s obalem článku a očekávaným rozsahem teplot.

Nevybírat baterii pouze na základě velikosti displeje

Větší displej obvykle vyžaduje více energie na každé obnovení, avšak velikost displeje není jediným faktorem. Dva štítky se stejnou velikostí displeje mohou mít značně odlišné požadavky na výkon kvůli svému rádiovému protokolu, frekvenci aktualizace, chování LED a firmwaru.

Konečné rozměry baterie by měly být stanoveny na základě kompletního mechanického uspořádání a naměřeného výkonového profilu.

Scénář návrhu ESL	Typický směr návrhu baterie	Hlavní body k ověření
Kompaktní dobíjecí štítek	Tenký jednobuňkový LiPo s vlastními vývody nebo přívody	Minimální tloušťka, způsob nabíjení a maximální proud
Středně velký štítek s častými aktualizacemi	Jednobuňkový LiPo vyšší kapacity	Energie potřebná k obnově displeje, události rádia a využitelná kapacita
Velký nebo interaktivní štítek	Větší LiPo nebo řešení s paralelními buňkami	Zátěž LED, frekvence aktualizací, ochranný obvod a doba nabíjení
Štítek pro chladové skladování	Buňka pro nízké teploty nebo alternativní primární chemie	Pulzní napětí, výkon při vybíjení a omezení nabíjení
Štítek s dlouhou životností bez nabíjení	Primární lithiová baterie je často upřednostňována	Samovybíjení, pulzní schopnost a strategie výměny

Tato tabulka je výchozím bodem pro návrh, nikoli doporučením kapacity. Kapacita musí být vypočtena na základě naměřené spotřeby zařízení.

2. Sestavte realistický rozpočet výkonu

Průměrný proud ESL může vypadat extrémně nízko, avšak samotný průměrný proud neukazuje, zda baterie dokáže podporovat každou aktualizaci displeje.

Správný rozpočet výkonu by měl zahrnovat:

• Proud spánku MCU

• Pohotovostní a přijímací proud rádia

• Proud přenosu

• Proud obnovy e-papíru a doba obnovy

• Proud LED a doba blikání

• Aktivita senzoru nebo tlačítka

• Ztráty napěťového regulátoru

• Spotřeba obvodu ochrany baterie

• Klidový proud nabíjecího obvodu

• Očekávané selhání aktualizací a opakované přenosy

Denní spotřebu lze odhadnout jako:

Denní využití kapacity = spotřeba ve spánku + spotřeba komunikace + spotřeba obnovování displeje + spotřeba příslušenství

Pro jednotlivou událost:

Spotřeba události v mAh = proud události v mA × doba trvání události v hodinách × počet událostí za den

Odhadovaná zátěž během plánované provozní doby je poté nutné upravit pro:

• Využitelnou kapacitu při napětí vypínání systému

• Snížení kapacity při nízkých teplotách

• Stárnutí článků

• Samovýboj

• Ztrát při přeměně

• Výrobní rozptyl

• Technickou rezervu

Životnost baterie nesmíte vypočítat pouze jako poměr jmenovité kapacity a průměrného proudu a dále nepokračovat. Tato metoda ignoruje pokles napětí související s pulzy, teplotu a kapacitu, která zůstává nepoužitelná pod minimálním provozním napětím systému.

Změřte funkční prototyp

Datové listy komponentů jsou užitečné v rané fázi návrhu, avšak konečný výběr baterie by měl být založen na měřeních provedených na skutečném ESL prototypu.

Použijte analyzátor výkonu nebo přístroj pro záznam proudu k zaznamenání:

• Proud hlubokého spánku

• Událostí připojení brány

• Běžné aktualizace displeje

• Plnoobrazovkové nebo vícebarevné aktualizace

• Provozu LED

• Selhání komunikace a událostí opakovaného pokusu

• Provozu při minimální a maximální teplotě

Toto měření často odhaluje krátkodobé zátěže, které chybí v původní tabulce.

3. Zkontrolujte proud pulzu a napětí na konci životnosti

Rozhlasové přijímače ESL a displeje s elektronickým papírem generují krátké proudové pulzy. I když je celková energie spotřebovaná každým pulzem malá, napětí baterie se může kvůli vnitřnímu odporu článku dočasně snížit.

Problém se stává závažnějším, pokud:

• Je baterie studená

• Zbývající kapacita je nízká

• Článek stárne

• Proud aktualizace je vysoký

• Ochranný obvod nebo konektor přidává odpor

Pokud klesne napětí pod prahovou hodnotu uzamčení při podnapětí mikrořídící jednotky (MCU), může se štítek během aktualizace resetovat. Poté se může znovu spustit, znovu připojit a opakovat stejnou operaci, čímž spotřebuje ještě více energie.

Hodnocení baterie by proto mělo zahrnovat:

• Stejnosměrný vnitřní odpor

• Napětí při očekávané pulzní zátěži

• Délka pulsu

• Mezní napětí systému

• Práh MCU pro pokles napětí

• Odpor konektorů a vodičů

• Výkon při nízkém stavu nabití

• Výkon při nejnižší provozní teplotě

Větší jmenovitá kapacita nemusí nutně vyřešit problém s pulzní zátěží. Stejně důležité mohou být konstrukce článku, návrh elektrod, teplota a odpor obvodu.

4. Upozornění na tvrzení o životnosti

Nárok na životnost baterie ESL je platný pouze tehdy, jsou-li stanoveny provozní podmínky.

Prohlášení jako například „až deset let“ by mělo upřesnit – nebo alespoň vycházet – z následujících parametrů:

• Počet aktualizací za den

• Typ displeje a počet barev

• Frekvence bezdrátové komunikace

• Využití LED

• Provozní teplota

• Podmínky sítě

• Proud ve spánkovém režimu

• Chemie baterie

• Mezní napětí systému

Přebíjecí lithiové polymerové články podléhají samovybíjení i kalendářnímu stárnutí i tehdy, není-li jejich cyklování časté. Jejich dlouhodobá retence závisí na teplotě, stavu nabití a konstrukci článku. Proto je nebezpečné předpokládat, že každý LiPo článek má roční míru samovybíjení pouze jedno až dvě procenta.

Pro projekty s víceletým časovým horizontem požádejte dodavatele o údaje o retenci, skladování a stárnutí navrhovaného článku. Výsledky urychlených testů by měly být posouzeny ve spojení s reálnými podmínkami aplikace.

Pokud neexistuje žádná metoda nabíjení a hlavním požadavkem je co nejdelší bezúdržbový život, porovnejte návrh LiPo s vhodným primárním lithiovým řešením ještě před dokončením architektury.

5. Zvažte provoz v chladovém řetězci již v rané fázi

Elektronické štítky na policích používané v chlazených výlohách a v oblastech mrazených potravin představují jiný výzvu pro baterie.

Při nízkých teplotách stoupá impedance článku a klesá dostupná kapacita. Pokles napětí během rádiového přenosu nebo obnovy e-ink displeje může být tak velký, že dojde k resetování systému, i když baterie stále obsahuje využitelnou energii.

I dobíjecí lithiové-iontové baterie mají při nízkých teplotách důležitá omezení nabíjení. Standardní LiPo článek nesmí být nabíjen při teplotě nižší než je uvedeno výrobcem. Systém může vyžadovat:

• Článek certifikovaný pro nízké teploty

• Nabíječku se snímačem teploty a funkcí zablokování nabíjení

• Snížený nabíjecí proud

• Jinou chemii baterie

• Firmware, který omezuje události s vysokým zatížením při studené baterii

• Větší napěťová rezerva nad mezním napětím MCU

Pro aplikace ve zmrazovačích testujte kompletní štítky v teplotní komoře. Kapacitní údaje při pokojové teplotě nepředpovídají chování při krátkodobém zatížení za nízkých teplot přesně.

6. Posuďte konstrukci článku bez spoléhání na jeden štítek

Konstrukce se skládanými elektrodami může být u tenkých článků užitečná a může zajistit dobré rozměrové řízení. Konstrukce s navinutými elektrodami je také široce používaná a při správném návrhu a výrobě může spolehlivě fungovat.

Je příliš jednoduché předpokládat, že každý článek se skládanou konstrukcí je lepší než každý článek s navinutou konstrukcí.

Namísto toho porovnejte skutečné technické parametry a zkušební údaje pro:

• Tolerance tloušťky

• Stejnosměrný vnitřní odpor

• Chování při krátkodobém zatížení

• Život cyklu

• Chování při ukládání

• Zvětšení rozměrů za stanovených podmínek

• Vybíjení za nízkých teplot

• Ukládání za vysoké teploty

• Konzistenci mezi šaržemi

Správná konstrukce je ta, která splňuje elektrické a mechanické požadavky ESL při zachování stálé kvality výroby.

7. Potvrďte požadavky na bezpečnost a dopravu

Dodržení požadavků by mělo být naplánováno ještě před tím, než budou definitivně stanoveny rozměry baterie a její elektrický návrh.

Požadavky se liší podle trhu a podle toho, zda je článek dodáván samostatně, instalován v zařízení nebo sestaven do chráněného bateriového balení. Mezinárodní normy a zkoušky mohou zahrnovat:

• UN 38.3 pro zkoušky dopravy lithiových baterií

• IEC 62133-2 pro přenosné uzavřené sekundární lithiové články a baterie

• UL 1642 pro lithiové články v příslušných aplikacích

• UL 2054 pro určitá domácí a komerční bateriová balení

• Regionální požadavky platné pro kompletní produkt ESL

Zpráva o testování jednoho modelu článku automaticky nepokrývá upravenou konstrukci, jinou kombinaci článků nebo nově navržený bateriový modul. Potvrďte, že dokumenty odpovídají přesně té baterii, která je dodávána pro daný projekt.

Specifikace baterie by měla také stanovit:

• Maximální napětí pro nabíjení

• Nabíjecí a vybíjecí proud

• Mezní hodnoty ochrany

• Provozní a úložní teplota

• Identifikaci článků a bateriového modulu

• Polaritu konektorů

• Požadavky na vodiče a přívody

• Sledovatelnost výroby

8. Otázky, které je třeba položit dodavateli baterií ESL

Před objednáním prototypů poskytněte dodavateli více informací než jen požadované napětí a kapacitu.

Užitečná žádost o baterii ESL by měla obsahovat:

1. Rozměry dostupného prostoru pro baterii

2. Maximální povolená tloušťka

3. Jmenovité a provozní rozsah napětí

4. Naměřený klidový proud

5. Maximální proudový impuls a jeho trvání

6. Počet aktualizací za den

7. Radiový protokol

8. Velikost displeje a konfigurace barev

9. Provozní profil LED nebo senzoru

10. Provozní a úložní teplota

11. Plánovaná životnost

12. Způsob nabíjení, pokud je použitelný

13. Požadavky na konektor, vodič, kontakt a polaritu

14. Požadované certifikace a trhy určení

15. Množství prototypů a roční výrobní množství

Poskytnutí těchto informací v rané fázi usnadňuje rozhodnutí, zda je vhodná standardní buňka nebo zda je ospravedlněná výroba vlastní baterie.

Nejčastější dotazy

Jaká je nejvhodnější baterie pro elektronický štítek na polici?

Pro štítky s dlouhou životností a nízkou frekvencí aktualizací se často používají primární lithiové baterie s oxidem manganu. Pro tenké, dobíjecí, často aktualizované nebo funkčně bohatší návrhy štítků jsou vhodnější dobíjecí lithiové polymerové baterie.

Může lithiová polymerová baterie napájet elektronický štítek na deset let?

Nelze to předpokládat bez aplikace-specifického testování. Doba provozu závisí na chemii článku, kapacitě, samovybíjení, teplotě, proudovém odběru v režimu spánku, frekvenci aktualizací a výkonu při pulzním zatížení. Dobíjecí systém LiPo také vyžaduje realistickou strategii dobíjení nebo údržby.

Jak se vypočítává kapacita baterie pro elektronický štítek?

Kapacita by měla být vypočtena na základě naměřeného klidového proudu, bezdrátových událostí, obnovování displeje, LED a dalších zátěží. Výsledek musí dále zahrnovat ztráty, stárnutí, teplotní vlivy, použitelnou kapacitu při mezním napětí a technickou rezervu.

Proč se ESL resetuje během aktualizace displeje?

Běžnou příčinou je dočasný pokles napětí při pulzní zátěži. Nízká teplota, stárnutí baterie, vysoký vnitřní odpor, tenké vodiče nebo odpor spojek mohou snížit napájecí napětí pod minimální provozní úroveň MCU.

Lze standardní LiPo článek použít v ESL pro mrazničku?

Pouze tehdy, je-li článek určen a otestován pro požadovanou teplotu. Je nutné zvážit jak schopnost vybíjení za nízkých teplot, tak omezení nabíjení. Některé projekty chladového řetězce mohou být lépe vybaveny specializovaným článkem pro nízké teploty nebo primární lithiovou chemií.

Závěrečné myšlenky

Výběr lithiové polymerové baterie pro elektronický štítek na polici je inženýrské rozhodnutí na úrovni celého systému. Důležitá je kapacita, ale také tolerance tloušťky, proudový impulz, mezní napětí, teplota, stárnutí a strategie nabíjení.

Pro tenký dobíjecí ESL může vlastní LiPo článek lépe využít vnitřní prostor a zjednodušit mechanickou integraci. Pro konvenční štítek, který má fungovat mnoho let bez nabíjení, může primární lithiová baterie nabídnout vhodnější rovnováhu mezi životností a náklady na údržbu.

Cowon podporuje projekty baterií pro elektronické štítky na polici standardními i přizpůsobenými bateriemi, včetně posouzení velikosti článku, vodičů, konektorů, přívodních plošek, ochranných obvodů a aplikace-specifické konfigurace baterie.

Chcete-li vyhodnotit baterii pro ESL, zašlete nám dostupný prostor pro baterii, rozsah napětí, frekvenci aktualizací, provozní teplotu a očekávané roční množství. Náš tým vám pomůže požadavky zkontrolovat a doporučit vhodné řešení baterie.