LiPo-batterier til elektroniske hyldemærker: En vejledning til valg

Hvordan vælge en lithium-polymer-batteri til elektroniske hyldemærker: Kapacitet, størrelse og levetid

Et elektronisk hyldemærke kan bruge næsten hele dagen i dvale, og derefter bede batteriet om at levere et kort strømstød til trådløs kommunikation, en e-papir-opdatering eller en LED-advarsel. Dette usædvanlige belastningsmønster gør valget af batteri til ESL mere kompliceret end blot at matche en spænding og en kapacitet.

Et batteri, der yder godt i et bærbart device, kan måske ikke give samme levetid i et digitalt prisskilt. ESL-designeren skal tage højde for dvalestrømmen, opdateringsfrekvensen, pulsstrømmen, driftstemperaturen, det tilgængelige rum samt hvordan batteriet udskiftes eller genoplades.

Lithium-polymerbatterier kan være et godt valg til tynde, genopladelige eller funktionsrige elektroniske hyldemærker. De er dog ikke automatisk den bedste løsning til alle ESL-designs. Mange konventionelle mærker bruger stadig primære lithium-mangandioxidbatterier på grund af deres lave selvudladning og lange opbevaringslevetid.

Den rigtige beslutning starter med ESL’s faktiske driftsprofil.

Hvilken type batteri bruges i et elektronisk hyldemærke?

De fleste elektroniske hyldemærker bruger en e-paper-display kombineret med en lavstrøms mikrocontroller og et trådløst kommunikationssystem såsom Bluetooth Low Energy eller et proprietært sub-GHz-protokol.

Da e-paper beholder et billede uden kontinuerlig strømforsyning, kan mærket forblive i dvalemodus i længere perioder. Strøm kræves hovedsageligt, når mærket modtager data, opdaterer sit display, blinker en LED eller kommunikerer med en gateway.

To batterikategorier overvejes ofte.

Primære lithiumbatterier

Primære litium-manganoxidbatterier, herunder møntceller og tynde posetypeceller, anvendes bredt i lavtydels-ESL’er, der er designet til flere års drift uden opladning.

Deres primære fordele omfatter:

• Lav selvafladning

• Lang holdbarhed

• Enkel strømarchitektur

• Ingen opladningskreds

• God egnethed til sjældne displayopdateringer

Den primære begrænsning er, at batteriet til sidst skal udskiftes, eller mærket skal tages ud af drift.

Genopladelige litiumpolymerbatterier

Genopladelige litiumpolymerbatterier er mere velegnede, når ESL’en har en defineret opladningsmetode eller når dets funktioner kræver mere energi end et traditionelt lavtydels-mærke.

Typiske anvendelser inkluderer:

• Genopladelige elektroniske prismærker

• Store eller hyppigt opdaterede displays

• Mærker med hyppig LED-aktivitet

• Interaktive mærker med knapper eller sensorer

• Genbrugelige logistik- og lageretiketter

• ESL-systemer med solstøtte eller kontaktoplading

• Ekstremt tynde enheder med en brugerdefineret intern layout

En genopladelig LiPo-celle har typisk en nominel spænding på 3,7 V eller 3,85 V, afhængigt af dens kemiske sammensætning og opladningsspændingspecifikation. Opladnings-IC’en, beskyttelseskredsløbet og systemets spændingsområde skal udformes i overensstemmelse med den valgte celle.

Det er også vigtigt ikke at identificere en batteri udelukkende ud fra dets emballage. Et tyndt, fleksibelt possebatteri kan være en genopladelig litium-ionpolymercelle eller en ikke-genopladelig litium-mangandioxidcelle. Disse produkter har forskellige spændinger, opladningskrav og levetidskarakteristika.

Hvornår giver et litium-polymerbatteri mening for en ESL?

Et litium-polymerbatteri tilbyder den største værdi, når form, tykkelse og genopladbarhed er mere vigtige end at opnå den længst mulige servicelevetid uden tilsyn fra en primærcelle.

Dens posestruktur gør det muligt for batteriet at udnytte rektangulære eller på anden måde udfordrende indre rum mere effektivt end en fastdiameter-møntcelle. Cellen kan også leveres med tilpassede kabler, forbindere, færdige tilslutninger, beskyttelseskredsløb og temperatursensorer.

LiPo bør overvejes, når:

• ESL'en inkluderer opladningskontakter, en opladningsdock eller energiopsamling

• Kapslen er for tynd eller uregelmæssig til almindelige møntceller

• Mærkeskiltet opdateres mere hyppigt end et konventionelt prisskilt

• Designet inkluderer LED'er, sensorer, knapper eller andre interaktive funktioner

• Batteriet forventes at blive genopladet i produktets levetid

• Et standardbatteri kan ikke udnytte det tilgængelige indre rum effektivt

For en ESL, der forventes at fungere i fem, ti eller flere år uden opladning, kan primær litiumkemi stadig være den mere praktiske løsning. En genopladelig LiPo-celle bør ikke vælges udelukkende fordi den passer i kapslen.

1. Start med det tilgængelige rum

Tykkelse er ofte den første mekaniske begrænsning ved et elektronisk hyldemærke. Batteriet er placeret bagved eller ved siden af displayet, mens kabinettet skal forblive så slankt, at det kan passe i standard hylderæle.

Designet bør tage højde for mere end de nominelle mål, der fremgår af en celletegning.

Giv plads til tykkelses tolerance og udvidelse

En pouch-celle bør ikke presses stramt mellem bagsiden og e-papirmodulet. Celle-tykkelsen varierer med fremstillings tolerance, ladestatus, temperatur og aldring.

Den krævede tilladelse bør aftales med batterileverandøren ud fra den faktiske celle-specifikation. En fast procentdel bør ikke anvendes på alle batterier, da udvidelsesadfærd afhænger af celle-kemi, kapacitet, konstruktion og driftsforhold.

Det mekaniske design bør:

• Undgå direkte tryk på e-papir-displayet

• Holde cellen væk fra skarpe plastikribber og skruemuffer

• Sørge for frihed rundt om pouch-kanten og forseglingsområdet

• Forhindre bevægelse uden at komprimere cellen stift

• Støtte ledninger og fæstningstabs mod gentagne træk eller vibration

• Overvej batteriudskiftning og -montering under vedligeholdelse

Svampemateriale, kontrollerede klæbearer eller en passende batteriramme kan bruges til at fastgøre batteriet. Det valgte materiale skal være kompatibelt med cellepungen og det forventede temperaturområde.

Vælg ikke batteriet udelukkende ud fra skærmstørrelsen

En større skærm kræver normalt mere energi pr. opdatering, men skærmstørrelse er ikke den eneste faktor. To etiketter med samme displaystørrelse kan have meget forskellige strømkrav på grund af deres radioprotokol, opdateringsfrekvens, LED-opførsel og firmware.

De endelige batterimål skal baseres på den komplette mekaniske layout og den målte strømprofil.

ESL-designscenario	Typisk batteridesignretning	Hovedpunkter, der skal verificeres
Kompakt, genopladeligt mærke	Tynd enkeltcelle LiPo med brugerdefineret ledning eller færdige tilslutninger	Minimumstykkelse, opladningsmetode og maksimal strøm
Medium mærke med hyppige opdateringer	Enkeltcelle LiPo med højere kapacitet	Energi til displayopdatering, radiohændelser og brugbar kapacitet
Stort eller interaktivt mærke	Større LiPo eller løsning med parallelforbundne celler	LED-belastning, opdateringsfrekvens, beskyttelseskredsløb og opladningstid
Mærke til kølelager	Battericelle til lav temperatur eller alternativ primær kemisk sammensætning	Pulsspænding, afladningsydelse og opladningsbegrænsninger
Etiket for lang levetid uden opladning	Primære litiumbatterier foretrækkes ofte	Selvudladning, pulsstyrke og udskiftningstrategi

Denne tabel er et udgangspunkt for designet, ikke en anbefaling af kapacitet. Kapaciteten skal beregnes ud fra den målte forbrugsmængde i enheden.

2. Opbyg en realistisk strømbudget

Gennemsnitsstrømmen i en ESL kan se ekstremt lav ud, men gennemsnitsstrømmen alene viser ikke, om batteriet kan understøtte hver enkelt displayopdatering.

Et korrekt strømbudget skal omfatte:

• MCU-søvnstrøm

• Radio i standby- og modtagestrøm

• Udsendelsesstrøm

• E-papir-opdateringsstrøm og -varighed

• LED-strøm og blinktid

• Sensor- eller knapaktivitet

• Spændingsregulator-tab

• Batteribeskyttelseskredsløbets forbrug

• Opladningskredsløbets hvilestrøm

• Forventede opdateringsfejl og genoverførsler

Dagligt forbrug kan estimeres som:

Daglig kapacitetsforbrug = soveforbrug + kommunikationsforbrug + displayopdateringsforbrug + tilbehørsforbrug

For en enkelt begivenhed:

Begivenhedsforbrug i mAh = begivenhedens strøm i mA × begivenhedens varighed i timer × begivenheder pr. dag

Den estimerede belastning over den tilsigtede levetid skal derefter justeres for:

• Brugbar kapacitet ved systemets afbrydningspænding

• Kapacitetsreduktion ved lav temperatur

• Cellealdring

• Selvudladning

• Konverteringstab

• Produktionsvariation

• En ingeniørreserve

Beregn ikke batterilevetiden ud fra nominel kapacitet divideret med gennemsnitsstrømmen og stop der. Denne metode ignorerer spidsrelateret spændingsfald, temperatur samt den kapacitet, der forbliver utilgængelig under systemets minimale driftsspænding.

Mål en fungerende prototype

Komponentdatasheets er nyttige i den tidlige designfase, men den endelige batterivalg bør baseres på målinger fra en rigtig ESL-prototype.

Brug en strømanalyser eller et strømlogningsinstrument til at registrere:

• Strømforbrug i dyp-søvn-tilstand

• Gateway-forbindelseshændelser

• En normal displayopdatering

• En fuldskærms- eller flerfarvet opdatering

• LED-funktion

• Mislykkede kommunikations- og genforsøgshændelser

• Drift ved minimums- og maksimumstemperaturer

Denne måling afslører ofte korte belastninger, der mangler i det oprindelige regneark.

3. Kontroller pulsstrømmen og levetidsafslutnings-spændingen

ESL-radioer og e-papir-display skaber korte strømpulser. Selv når den samlede energi, der bruges af hver puls, er lille, kan batterispændingen falde midlertidigt på grund af celleimpedansen.

Problemet bliver mere alvorligt, når:

• Batteriet er koldt

• Den resterende kapacitet er lav

• Cellen er ældet

• Opdateringsstrømmen er høj

• Beskyttelseskredsløbet eller forbindelseskontakten tilfører modstand

Hvis spændingen falder under MCU’s spændingsnedsætningslås-tilstandstærskel, kan etiketten nulstilles under en opdatering. Den kan derefter genstarte, genoprette forbindelsen og gentage den samme handling, hvilket forbruger endnu mere energi.

Batterivurdering bør derfor omfatte:

• DC-indre modstand

• Spænding under den forventede pulstung

• Pulsvarighed

• Systemets afbrydelsesspænding

• MCU-brownout-tærskel

• Forbindelses- og ledningsmodstand

• Ydelse ved lav ladningstilstand

• Ydelse ved den laveste driftstemperatur

En større nominel kapacitet løser ikke nødvendigvis et pulsproblem. Cellekonstruktion, elektrodedesign, temperatur og kredsløbsmodstand kan være lige så vigtige.

4. Behandl påstande om levetid med forsigtighed

En ESL-påstand om batterilevetid er kun gyldig, når driftsbetingelserne er defineret.

En udtalelse som «op til ti år» skal specificere, eller i det mindste være baseret på:

• Antal opdateringer pr. dag

• Displaytype og antal farver

• Trådløs kommunikationsfrekvens

• Brug af LED

• Driftstemperatur

• Netværksforhold

• Søvnstrøm

• Batterikemi

• Systemets afbrydelsesspænding

Genopladelige litiumpolymerceller oplever selvudladning og kalenderaldring, selv når de ikke gennemgår mange ladningscyklusser. Deres langtidsholdbarhed afhænger af temperatur, ladestatus og cellekonstruktion. Det er derfor usikkert at antage, at hver LiPo-celle har en årlig selvudladningsrate på kun én eller to procent.

For et flerårigt projekt skal leverandøren anmodes om oplysninger om holdbarhed, lagring og aldring for den foreslåede celle. Accelererede testresultater bør gennemgås sammen med de faktiske anvendelsesforhold.

Hvis der ikke findes en opladningsmetode, og hovedkravet er den længst mulige vedligeholdelsesfrie levetid, skal LiPo-designet sammenlignes med en passende primær litiumløsning, inden arkitekturen fastlægges.

5. Overvej køleketens drift tidligt

Elektroniske hyldemærker, der bruges i kølevisninger og frosne-varer-områder, stiller en anden batteriudfordring.

Ved lave temperaturer stiger celleimpedansen, og den tilgængelige kapacitet falder. Spændingsfaldet under en radiosendelse eller en e-papir-opdatering kan blive så stort, at systemet nulstilles, selvom batteriet stadig indeholder brugbar energi.

Genopladelige litium-ion-batterier har også vigtige opladningsbegrænsninger ved lave temperaturer. En standard LiPo-celle bør ikke oplades under den temperatur, som producenten har specificeret. Systemet kan kræve:

• En celle, der er godkendt til lavtemperaturbrug

• En oplader med temperaturfølsomhed og opladningsblokering

• Reduceret opladningsstrøm

• En anden batterikemi

• Firmware, der begrænser højbelastningshændelser, når batteriet er koldt

• En større spændingsmargin over MCU-afbrydningspunktet

Til fryseranvendelser skal komplette mærker testes i en temperaturkammer. Kapacitetsdata fra stuetemperatur kan ikke prædiktere koldpulsydelsen præcist.

6. Vurder cellekonstruktion uden at stole på ét mærke

Stablede elektrodekonstruktioner kan være nyttige til tynde celler og kan muligvis give god dimensional kontrol. Vundne konstruktioner bruges også bredt og kan fungere pålideligt, når de er korrekt designet og fremstillet.

Det er for simplistisk at antage, at alle stablede celler er bedre end alle vundne celler.

Sammenlign i stedet faktiske specifikationer og testdata for:

• Tykkeltolerance

• DC-indre modstand

• Pulsydelse

• Cyklus liv

• Opbevaringsadfærd

• Svulm under specificerede betingelser

• Udladning ved lave temperaturer

• Opbevaring ved høj temperatur

• Konsistens mellem partier

Den rigtige konstruktion er den, der opfylder ESL’s elektriske og mekaniske krav med konsekvent produktionssikkerhed.

7. Bekræft sikkerheds- og transportkrav

Overholdelse bør planlægges, inden batteriets dimensioner og elektriske design fastlægges.

Kravene varierer afhængigt af markedet og af, om cellen sendes separat, monteres i udstyr eller samles i en beskyttet batteripakke. Almindelige standarder og tests kan omfatte:

• UN 38.3 for test af transport af litiumbatterier

• IEC 62133-2 for bærbare, forseglede sekundære litiumceller og -batterier

• UL 1642 for litiumceller i relevante anvendelser

• UL 2054 for visse husstands- og erhvervsbatteripakker

• Regionale krav, der gælder det komplette ESL-produkt

En testrapport for én cellemodel dækker ikke automatisk en ændret konstruktion, en anden cellekombination eller en nydesignet batteripakke. Bekræft, at dokumenterne svarer præcist til det batteri, der leveres til projektet.

Batterispecifikationen skal også definere:

• Maksimal opladningspænding

• Opladnings- og afladningsstrøm

• Beskyttelsesgrænser

• Drifts- og opbevaringstemperatur

• Celle- og pakkeidentifikation

• Stikpolaritet

• Krav til ledninger og fæstningstabs

• Produktionssporenhed

8. Spørgsmål, man bør stille en ESL-batterileverandør

Før bestilling af prototyper skal leverandøren gives mere end den ønskede spænding og kapacitet.

En brugbar ESL-batterianmodning skal omfatte:

1. Tilgængelige mål for batterirummet

2. Maksimal tilladt tykkelse

3. Nominel og driftsspændingsområde

4. Målt hvilestrøm

5. Maksimal pulsstrøm og varighed

6. Antal opdateringer pr. dag

7. Radioprotokol

8. Displaystørrelse og farvekonfiguration

9. Driftsprofil for LED- eller sensorer

10. Drifts- og opbevaringstemperatur

11. Forventet levetid

12. Opladningsmetode, hvis relevant

13. Stik, ledning, kontaktflade og polaritetskrav

14. Krævede certificeringer og destinationsmarkeder

15. Prototype- og årlige produktionsmængder

At give denne information tidligt gør det nemmere at afgøre, om en standardcelle er velegnet, eller om en brugerdefineret batteriløsning er berettiget.

Ofte stillede spørgsmål

Hvilket batteri er det bedste til et elektronisk hyldemærke?

Der findes ikke ét enkelt bedste batteri til alle ESL’er. Primære litium-manganoxidbatterier anvendes bredt til ESL’er med lang levetid og lav opdateringsfrekvens. Genopladelige litiumpolymerbatterier er mere velegnede til tynde, genopladelige, ofte opdaterede eller funktionsrige ESL-designs.

Kan et litiumpolymerbatteri drive et ESL i ti år?

Det bør ikke antages uden applikationsspecifik testning. Driftstiden afhænger af cellekemi, kapacitet, selvudladning, temperatur, hvilestrøm, opdateringsfrekvens og pulsydelse. Et genopladeligt LiPo-system kræver også en realistisk opladnings- eller vedligeholdelsesstrategi.

Hvordan beregnes ESL-batterikapaciteten?

Kapaciteten skal beregnes ud fra den målte sovestrøm, trådløse begivenheder, displayopdateringer, LED-lygter og andre belastninger. Resultatet skal derefter inkludere tab, aldring, temperaturpåvirkning, brugbar kapacitet ved afbrydnings-spændingen samt en ingeniørreserve.

Hvorfor nulstiller en ESL under en displayopdatering?

En almindelig årsag er et midlertidigt spændningsfald under pulsbelastning. Kold temperatur, en ældet batteri, høj indre modstand, tynde kabler eller kontaktmotstand kan føre til, at forsynings-spændingen falder under MCU’s minimale driftsniveau.

Kan en standard LiPo-celle anvendes i en fryser-ESL?

Kun hvis cellen er certificeret og testet til den krævede temperatur. Evnen til at afgive strøm ved lav temperatur samt begrænsninger for opladning skal begge overvejes. Nogle køle-kædeprojekter kan være bedre tjent med en specialiseret lavtemperatur-celle eller primær lithium-kemi.

Afsluttende tanker

Valg af en litium-polymere batteri til et elektronisk hyldemærke er en systemniveau-teknisk beslutning. Kapacitet er vigtig, men lige så vigtige er tolerancen for tykkelse, pulskurrent, frakoblingspænding, temperatur, aldring og opladningsstrategi.

For et tyndt genopladeligt ESL kan en specialfremstillet LiPo-celle udnytte det indvendige rum bedre og forenkle den mekaniske integration. For et konventionelt mærke, der forventes at fungere i mange år uden opladning, kan et primært litiumbatteri muligvis levere en mere passende balance mellem levetid og vedligeholdelsesomkostninger.

Cowon støtter projekter med elektroniske hyldemærker og batterier med både standard- og specialfremstillede batteriløsninger, herunder evaluering af cellestørrelse, ledninger, kontakter, kontaktflader, beskyttelseskredsløb og batterikonfigurationer til specifikke anvendelser.

For at evaluere et ESL-batteri skal du sende os de tilgængelige batterirum, spændingsområde, opdateringsfrekvens, driftstemperatur og den forventede årlige mængde. Vores team kan hjælpe med at gennemgå kravene og anbefale en passende batteriløsning.