LiPo-Akkus für elektronische Regalbeschriftungen: Auswahl-Leitfaden

So wählen Sie eine Lithium-Polymer-Batterie für elektronische Regalbeschriftungen aus: Kapazität, Größe und Lebensdauer

Ein elektronisches Regalbeschriftungsetikett verbringt möglicherweise nahezu den gesamten Tag im Ruhezustand und fordert dann plötzlich seine Batterie auf, kurzzeitig Strom für die drahtlose Kommunikation, ein E-Paper-Update oder eine LED-Warnung bereitzustellen. Dieses ungewöhnliche Lastprofil macht die Auswahl der Batterie für ESL komplizierter als lediglich eine Spannung und Kapazität abzugleichen.

Eine Batterie, die in einem tragbaren Gerät gut funktioniert, bietet möglicherweise nicht dieselbe Lebensdauer in einem digitalen Preisschild. Der ESL-Entwickler muss den Ruhestrom, die Aktualisierungshäufigkeit, den Impulsstrom, die Betriebstemperatur, den verfügbaren Platz sowie die Art und Weise berücksichtigen, wie die Batterie ausgetauscht oder wieder aufgeladen wird.

Lithium-Polymer-Akkus können eine gute Wahl für dünne, wiederaufladbare oder funktionsreiche elektronische Regalbeschriftungen sein. Sie sind jedoch nicht automatisch die beste Lösung für jedes ESL-Design. Viele herkömmliche Beschriftungen verwenden weiterhin Primär-Lithium-Mangandioxid-Batterien aufgrund ihrer geringen Selbstentladung und langen Lagerlebensdauer.

Die richtige Entscheidung beginnt mit dem tatsächlichen Betriebsprofil der ESL.

Welche Art von Batterie wird in einer elektronischen Regalbeschriftung verwendet?

Die meisten elektronischen Regalbeschriftungen verwenden ein E-Paper-Display in Kombination mit einem stromsparenden Mikrocontroller und einem drahtlosen Kommunikationssystem wie Bluetooth Low Energy oder einem proprietären Sub-GHz-Protokoll.

Da E-Paper ein Bild ohne kontinuierliche Stromversorgung behält, kann das Etikett längere Zeit im Schlafmodus verbleiben. Strom wird hauptsächlich benötigt, wenn das Etikett Daten empfängt, sein Display aktualisiert, eine LED blinkt oder mit einem Gateway kommuniziert.

Zwei Batteriekategorien werden üblicherweise in Betracht gezogen.

Primär-Lithium-Batterien

Primäre Lithium-Manganoxid-Batterien, einschließlich Münzzellen und dünner Säckchenzellen, werden häufig in energiesparsamen elektronischen Preisschildern (ESLs) eingesetzt, die für mehrere Jahre Betrieb ohne Aufladung konzipiert sind.

Zu ihren Hauptvorteilen zählen:

• Niedrige Selbstentladung

• Lange Haltbarkeit

• Einfache Stromversorgungsarchitektur

• Keine Ladeschaltung

• Gute Eignung für seltene Displayaktualisierungen

Die wesentliche Einschränkung besteht darin, dass die Batterie letztlich ausgetauscht oder das Schild außer Betrieb genommen werden muss.

Wiederaufladbare Lithium-Polymer-Batterien

Wiederaufladbare Lithium-Polymer-Batterien eignen sich besser, wenn das ESL über ein definiertes Ladeverfahren verfügt oder wenn seine Funktionen mehr Energie erfordern als ein herkömmliches energiesparmes ESL.

Typische Anwendungen umfassen:

• Wiederaufladbare elektronische Preisschilder

• Große oder häufig aktualisierte Displays

• Schilder mit häufiger LED-Aktivität

• Interaktive Etiketten mit Tasten oder Sensoren

• Wiederverwendbare Logistik- und Lageretiketten

• Solarunterstützte oder kontaktgeladene ESL-Systeme

• Ultradünne Geräte mit individuellem internem Layout

Eine wiederaufladbare LiPo-Zelle weist in der Regel eine Nennspannung von 3,7 V oder 3,85 V auf, abhängig von ihrer Chemie und ihrer Ladespannungsspezifikation. Die Lade-ICs, die Schutzschaltung und der Systemspannungsbereich müssen auf die ausgewählte Zelle abgestimmt sein.

Es ist außerdem wichtig, eine Batterie nicht allein anhand ihres Gehäuses zu identifizieren. Eine dünne, flexible Beutelbatterie kann entweder eine wiederaufladbare Lithium-Ionen-Polymer-Zelle oder eine nicht wiederaufladbare Lithium-Manganoxid-Zelle sein. Diese Produkte weisen unterschiedliche Spannungen, Ladeanforderungen und Lebensdauermerkmale auf.

Wann ist eine Lithium-Polymer-Batterie für ein ESL sinnvoll?

Eine Lithium-Polymer-Batterie bietet den größten Nutzen, wenn Form, Dicke und Wiederaufladbarkeit wichtiger sind als die Erzielung einer möglichst langen wartungsfreien Betriebsdauer einer Primärzelle.

Die Beutelstruktur ermöglicht es der Batterie, rechteckige oder anderweitig schwierig zugängliche Innenspaces effizienter zu nutzen als eine festgelegte Münzzelle mit konstantem Durchmesser. Die Zelle kann zudem mit kundenspezifischen Leitungen, Steckverbindern, Anschlusslaschen, Schutzschaltungen und Temperatursensoren geliefert werden.

LiPo sollte in Betracht gezogen werden, wenn:

• Das ESL Ladekontakte, eine Ladestation oder Energy-Harvesting umfasst

• Das Gehäuse zu dünn oder unregelmäßig für Standard-Münzzellen ist

• Das Etikett häufiger aktualisiert wird als ein herkömmliches Preisschild

• Das Design LEDs, Sensoren, Tasten oder andere interaktive Funktionen enthält

• Erwartet wird, dass die Batterie während der Nutzungsdauer des Produkts mehrfach aufgeladen wird

• Eine Standardbatterie den verfügbaren Innenspace nicht effizient nutzen kann

Für ein ESL, das fünf, zehn oder mehr Jahre ohne Aufladung betrieben werden soll, bleibt primäre Lithium-Chemie möglicherweise die praktischere Option. Eine wiederaufladbare LiPo-Zelle sollte nicht allein deshalb gewählt werden, weil sie in das Gehäuse passt.

1. Beginnen Sie mit dem verfügbaren Raum

Die Dicke ist oft die erste mechanische Einschränkung bei einem elektronischen Regal-Etikett. Die Batterie befindet sich hinter oder neben dem Display, während das Gehäuse schlank genug bleiben muss, um in Standard-Regal-Schienen zu passen.

Das Design sollte mehr als nur die nominalen Abmessungen berücksichtigen, die auf einer Zellzeichnung angegeben sind.

Sorgen Sie für Spielraum bezüglich der Dicke und für Ausdehnung

Eine Pouch-Zelle darf nicht stark zwischen der Rückseite des Gehäuses und dem E-Paper-Modul zusammengedrückt werden. Die Zelldicke variiert je nach Fertigungstoleranz, Ladezustand, Temperatur und Alterung.

Die erforderliche Toleranz sollte mit dem Batterielieferanten anhand der konkreten Zellspezifikation vereinbart werden. Ein fester Prozentsatz darf nicht pauschal auf jede Batterie angewendet werden, da das Ausdehnungsverhalten von der Zellchemie, der Kapazität, dem Aufbau und den Betriebsbedingungen abhängt.

Das mechanische Design sollte:

• Direkten Druck auf das E-Paper-Display vermeiden

• Die Zelle von scharfen Kunststoffrippen und Schraubenbuchsen fernhalten

• Freiraum rund um die Kanten und den Versiegelungsbereich der Pouch-Zelle vorsehen

• Bewegung verhindern, ohne die Zelle starr zu komprimieren

• Drähte und Anschlüsse gegen wiederholtes Ziehen oder Vibration stützen

• Batterieentfernung und -austausch während der Wartung berücksichtigen

Schaumstoff, gezielte Klebebereiche oder eine geeignete Batteriehalterung können zur Befestigung der Batterie verwendet werden. Das gewählte Material muss mit der Zellfolie und dem vorgesehenen Temperaturbereich verträglich sein.

Die Batterie nicht allein anhand der Bildschirmgröße auswählen

Ein größerer Bildschirm erfordert in der Regel mehr Energie pro Aktualisierung, doch die Bildschirmgröße ist nicht der einzige Faktor. Zwei Etiketten mit derselben Displaygröße können aufgrund ihres Funkprotokolls, ihrer Aktualisierungsfrequenz, ihres LED-Verhaltens und ihrer Firmware sehr unterschiedliche Strombedarfe aufweisen.

Die endgültigen Batteriemaße sollten sich auf das vollständige mechanische Layout und das gemessene Leistungsprofil stützen.

ESL-Entwurfsszenario	Typische Richtung für die Batteriekonstruktion	Wesentliche Punkte zur Überprüfung
Kompaktes, wiederaufladbares Etikett	Dünner Einzelzellen-LiPo mit kundenspezifischem Anschlusskabel oder Anschlusstabs	Mindeststärke, Ladeverfahren und Spitzenstrom
Mittleres Etikett mit häufigen Aktualisierungen	Einzelzellen-LiPo mit höherer Kapazität	Energie für Displayaktualisierungen, Funkereignisse und nutzbare Kapazität
Großes oder interaktives Etikett	Größerer LiPo oder Lösung mit parallelgeschalteten Zellen	LED-Last, Aktualisierungsfrequenz, Schutzschaltung und Ladezeit
Etikett für Kaltlagerung	Zelle mit niedriger Betriebstemperatur oder alternative Primärchemie	Impulsspannung, Entladeleistung und Ladebeschränkungen
Langzeit-Etikett ohne Aufladung	Primärlithiumbatterie wird häufig bevorzugt	Selbstentladung, Impulsfähigkeit und Austauschstrategie

Diese Tabelle ist ein Ausgangspunkt für das Design, keine Kapazitätsempfehlung. Die Kapazität muss anhand des gemessenen Verbrauchs des Geräts berechnet werden.

2. Einen realistischen Leistungshaushalt erstellen

Der durchschnittliche Strom eines ESL kann extrem niedrig erscheinen, doch der Durchschnittstrom allein zeigt nicht, ob die Batterie jedes Display-Update unterstützen kann.

Ein ordnungsgemäßer Leistungshaushalt sollte Folgendes umfassen:

• MCU-Ruhestrom

• Radio-Standby- und Empfangsstrom

• Übertragungsstrom

• E-Papier-Aktualisierungsstrom und -dauer

• LED-Strom und Blinkdauer

• Sensor- oder Tastenaktivität

• Verluste des Spannungsreglers

• Stromverbrauch der Batterieschutzschaltung

• Ruhestrom der Ladeschaltung

• Erwartete Aktualisierungsfehler und erneute Übertragungen

Der tägliche Verbrauch kann wie folgt geschätzt werden:

Tägliche Kapazitätsnutzung = Schlafverbrauch + Kommunikationsverbrauch + Display-Aktualisierungsverbrauch + Zubehörverbrauch

Für ein einzelnes Ereignis:

Ereignisverbrauch in mAh = Ereignisstrom in mA × Ereignisdauer in Stunden × Ereignisse pro Tag

Die geschätzte Last über die vorgesehene Einsatzdauer sollte dann angepasst werden für:

• Verfügbare Kapazität bei der System-Abschaltspannung

• Kapazitätsminderung bei niedrigen Temperaturen

• Zellalterung

• Selbstentladung

• Verlusten bei der Umwandlung

• Produktionsstreuung

• Eine technische Reserve

Berechnen Sie die Batterielebensdauer nicht einfach aus der Nennkapazität geteilt durch den mittleren Strom und brechen Sie dort ab. Diese Methode vernachlässigt den spannungsbedingten Einbruch bei Stromstößen, die Temperatur sowie die Kapazität, die unterhalb der minimalen Betriebsspannung des Systems nicht verfügbar ist.

Ein funktionierendes Prototyp-Messverfahren durchführen

Komponentendatenblätter sind in der frühen Entwurfsphase hilfreich, doch die endgültige Akkuauswahl sollte auf Messungen an einem realen ESL-Prototyp beruhen.

Verwenden Sie einen Leistungsanalysator oder ein stromloggendes Instrument, um Folgendes aufzuzeichnen:

• Stromaufnahme im Tiefschlafmodus

• Gateway-Verbindungsereignisse

• Eine normale Displayaktualisierung

• Eine Vollbild- oder Mehrfarbaktualisierung

• LED-Funktion

• Fehlgeschlagene Kommunikationsversuche und Wiederholungsereignisse

• Betrieb bei minimaler und maximaler Temperatur

Diese Messung enthüllt häufig kurzzeitige Lastspitzen, die in der ursprünglichen Tabellenkalkulation fehlen.

3. Prüfen Sie den Impulsstrom und die End-of-Life-Spannung

ESL-Funkgeräte und E-Paper-Displays erzeugen kurze Stromstöße. Auch wenn die Gesamtenergie, die jeder Stoß verbraucht, gering ist, kann die Batteriespannung aufgrund der Zellimpedanz vorübergehend absinken.

Das Problem wird gravierender, wenn:

• Die Batterie kalt ist

• Die verbleibende Kapazität gering ist

• Die Zelle gealtert ist

• Der Aktualisierungsstrom hoch ist

• Die Schutzschaltung oder der Stecker zusätzlichen Widerstand verursacht

Falls die Spannung unter die Unterspannungs-Sperrschwelle des Mikrocontrollers fällt, kann das Etikett während einer Aktualisierung zurückgesetzt werden. Es startet dann möglicherweise neu, stellt erneut eine Verbindung her und wiederholt denselben Vorgang – wodurch noch mehr Energie verbraucht wird.

Die Batteriebewertung sollte daher Folgendes umfassen:

• Gleichstrom-Innenwiderstand

• Spannung unter der erwarteten Impulsbelastung

• Pulsdauer

• System-Abschaltspannung

• MCU-Brownout-Schwelle

• Steckverbinder- und Leitungswiderstand

• Leistung bei niedrigem Ladezustand

• Leistung bei der niedrigsten Betriebstemperatur

Eine größere Nennkapazität löst ein Impulsproblem nicht zwangsläufig. Zellaufbau, Elektrodendesign, Temperatur und Schaltkreiswiderstand können ebenso wichtig sein.

4. Service-Lebensdauer-Angaben sorgfältig prüfen

Eine ESL-Angabe zur Batterielebensdauer ist nur gültig, wenn die Betriebsbedingungen definiert sind.

Eine Aussage wie „bis zu zehn Jahre“ sollte spezifizieren oder zumindest auf Folgendem beruhen:

• Anzahl der Aktualisierungen pro Tag

• Anzeigetyp und Anzahl der Farben

• Frequenz der drahtlosen Kommunikation

• LED-Verbrauch

• Betriebstemperatur

• Netzwerkbedingungen

• Ruhestrom

• Batteriemischung

• System-Abschaltspannung

Wiederaufladbare Lithium-Polymer-Zellen unterliegen einer Selbstentladung und einer Kalenderalterung, selbst wenn sie nicht häufig zyklisiert werden. Ihre Langzeitlagerfähigkeit hängt von Temperatur, Ladezustand und Zellkonstruktion ab. Es ist daher nicht sicher anzunehmen, dass jede LiPo-Zelle eine jährliche Selbstentladungsrate von nur ein oder zwei Prozent aufweist.

Für ein mehrjähriges Projekt sollten Sie vom Lieferanten Lagerungs-, Speicher- und Alterungsdaten für die vorgeschlagene Zelle anfordern. Ergebnisse beschleunigter Tests sollten gemeinsam mit den tatsächlichen Einsatzbedingungen bewertet werden.

Falls keine Lademöglichkeit vorhanden ist und die Hauptanforderung eine möglichst lange wartungsfreie Lebensdauer ist, vergleichen Sie das LiPo-Konzept vor der endgültigen Architekturfestlegung mit einer geeigneten Primärlithium-Lösung.

5. Kältekettenbetrieb frühzeitig berücksichtigen

Elektronische Regalbeschriftungen, die in gekühlten Auslagen und Tiefkühlbereichen eingesetzt werden, stellen eine andere Batterieherausforderung dar.

Bei niedrigen Temperaturen steigt der Zellwiderstand und die verfügbare Kapazität sinkt. Der Spannungsabfall während einer Funkübertragung oder eines E-Paper-Refreshs kann so groß werden, dass das System zurückgesetzt wird – selbst wenn die Batterie noch nutzbare Energie enthält.

Wiederaufladbare Lithium-Ionen-Batterien weisen ebenfalls wichtige Ladeeinschränkungen bei niedrigen Temperaturen auf. Eine Standard-LiPo-Zelle darf nicht unterhalb der vom Hersteller spezifizierten Temperatur geladen werden. Das System erfordert möglicherweise:

• Eine für niedrige Temperaturen zugelassene Zelle

• Ein Ladegerät mit Temperaturerkennung und Ladesperre

• Verminderten Ladestrom

• Eine andere Batteriechemie

• Firmware, die energieintensive Vorgänge bei kalter Batterie begrenzt

• Einen größeren Spannungspuffer oberhalb der MCU-Abschaltspannung

Für Gefrierschrank-Anwendungen vollständige Etiketten in einer Temperaturkammer testen. Raumtemperatur-Kapazitätsdaten können die Kaltimpuls-Leistung nicht genau vorhersagen.

6. Zellkonstruktion bewerten, ohne sich auf ein einziges Etikett zu verlassen

Gestapelte Elektrodenkonstruktion kann für dünne Zellen nützlich sein und möglicherweise eine gute Maßhaltigkeit bieten. Gewickelte Konstruktion wird ebenfalls weit verbreitet eingesetzt und kann bei sachgemäßer Auslegung und Fertigung zuverlässig funktionieren.

Es ist zu einfach anzunehmen, dass jede gestapelte Zelle besser ist als jede gewickelte Zelle.

Vielmehr sind die tatsächlichen Spezifikationen und Prüfdaten zu vergleichen für:

• Dickentoleranz

• Gleichstrom-Innenwiderstand

• Impuls-Leistung

• Lebensdauer

• Lagerverhalten

• Quellung unter festgelegten Bedingungen

• Entladen bei niedrigen Temperaturen

• Lagerung bei hoher Temperatur

• Konsistenz zwischen Chargen

Die richtige Konstruktion ist diejenige, die die elektrischen und mechanischen Anforderungen des ESL mit konsistenter Fertigungsqualität erfüllt.

7. Sicherheits- und Transportanforderungen bestätigen

Die Einhaltung der Vorschriften sollte geplant werden, bevor die Batterieabmessungen und das elektrische Design festgelegt werden.

Die Anforderungen variieren je nach Markt und danach, ob die Zelle separat versandt, in Geräte eingebaut oder zu einem geschützten Batteriepack zusammengebaut wird. Gängige Normen und Prüfungen können umfassen:

• UN 38.3 für die Transportprüfung von Lithiumbatterien

• IEC 62133-2 für tragbare, versiegelte sekundäre Lithiumzellen und -batterien

• UL 1642 für Lithiumzellen in relevanten Anwendungen

• UL 2054 für bestimmte Haushalts- und Gewerbebatteriepacks

• Regionale Anforderungen an das vollständige ESL-Produkt

Ein Prüfbericht für ein Zellmodell deckt eine modifizierte Konstruktion, eine andere Zellkombination oder ein neu entwickeltes Batteriepack nicht automatisch ab. Stellen Sie sicher, dass die Dokumente genau mit der für das Projekt gelieferten Batterie übereinstimmen.

Die Batteriespezifikation sollte außerdem folgendes definieren:

• Maximale LadeSpannung

• Lade- und Entladestrom

• Schutzgrenzen

• Betriebs- und Lagerungstemperatur

• Zellen- und Pack-Kennzeichnung

• Steckverbinderpolarität

• Anforderungen an Kabel und Anschlussbleche

• Produktions-Rückverfolgbarkeit

8. Fragen an einen ESL-Batterielieferanten

Bevor Prototypen bestellt werden, geben Sie dem Lieferanten mehr als nur die gewünschte Spannung und Kapazität bekannt.

Eine nützliche ESL-Batterieanfrage sollte Folgendes enthalten:

1. Verfügbare Abmessungen des Batteriefachs

2. Maximal zulässige Dicke

3. Nennspannungs- und Betriebsspannungsbereich

4. Gemessener Ruhestrom

5. Maximaler Impulsstrom und Dauer

6. Anzahl der Aktualisierungen pro Tag

7. Funkprotokoll

8. Displaygröße und Farbkonfiguration

9. Betriebsprofil für LED oder Sensor

10. Betriebs- und Lagerungstemperatur

11. Vorgesehene Nutzungsdauer

12. Ladeverfahren, falls zutreffend

13. Steckverbinder-, Kabel-, Laschen- und Polaritätsanforderungen

14. Erforderliche Zertifizierungen und Zielmärkte

15. Prototyp- und jährliche Produktionsmengen

Die frühzeitige Bereitstellung dieser Informationen erleichtert die Entscheidung, ob eine Standardzelle geeignet ist oder ob eine kundenspezifische Batterie gerechtfertigt ist.

Häufig gestellte Fragen

Welche Batterie eignet sich am besten für ein elektronisches Regal-Etikett?

Es gibt keine einzige beste Batterie für jedes ESL. Primärzellen mit Lithium-Mangan-Dioxid-Chemie werden häufig für langlebige Etiketten mit geringer Aktualisierungsrate eingesetzt. Wiederaufladbare Lithium-Polymer-Batterien eignen sich besser für dünne, wiederaufladbare, häufig aktualisierte oder funktionsreiche ESL-Designs.

Kann eine Lithium-Polymer-Batterie ein ESL zehn Jahre lang versorgen?

Dies darf nicht ohne anwendungsspezifische Tests angenommen werden. Die Lebensdauer hängt von der Zellchemie, der Kapazität, der Selbstentladung, der Temperatur, dem Ruhestrom, der Aktualisierungshäufigkeit und der Impulsleistung ab. Ein wiederaufladbares LiPo-System erfordert zudem eine realistische Lade- oder Wartungsstrategie.

Wie wird die Batteriekapazität eines ESL berechnet?

Die Kapazität sollte aus dem gemessenen Ruhestrom, drahtlosen Ereignissen, Display-Aktualisierungen, LEDs und anderen Lasten berechnet werden. Das Ergebnis muss dann Verluste, Alterungseffekte, Temperaturauswirkungen, nutzbare Kapazität bei der Abschaltspannung sowie eine technische Reserve berücksichtigen.

Warum führt ein ESL während einer Display-Aktualisierung einen Reset durch?

Eine häufige Ursache ist ein vorübergehender Spannungseinbruch unter Impulsbelastung. Kalte Temperaturen, eine gealterte Batterie, ein hoher Innenwiderstand, dünne Leitungen oder Kontaktwiderstände können die Versorgungsspannung unter das minimale Betriebsspannungsniveau des MCU senken.

Kann eine Standard-LiPo-Zelle in einem Gefrierschrank-ESL eingesetzt werden?

Nur wenn die Zelle für die erforderliche Temperatur zugelassen und getestet ist. Die Entladeleistung bei niedrigen Temperaturen sowie Ladebeschränkungen müssen beide berücksichtigt werden. Für manche Kühlketten-Projekte eignen sich möglicherweise spezielle Niedertemperaturzellen oder Primärlithium-Chemien besser.

Fazit

Die Auswahl einer Lithium-Polymer-Batterie für ein elektronisches Regal-Etikett ist eine systemtechnische Engineering-Entscheidung. Die Kapazität ist wichtig, doch ebenso entscheidend sind Toleranzen bei der Dicke, Impulsstrom, Abschaltspannung, Temperatur, Alterung und Lade-Strategie.

Für ein dünnes wiederaufladbares ESL kann eine kundenspezifische LiPo-Zelle die verfügbare Innenspanne besser nutzen und die mechanische Integration vereinfachen. Für ein konventionelles Etikett, das über viele Jahre hinweg ohne Aufladung betrieben werden soll, bietet eine Primär-Lithium-Batterie möglicherweise ein geeigneteres Verhältnis aus Lebensdauer und Wartungskosten.

Cowon unterstützt Projekte zu elektronischen Regal-Etiketten-Batterien mit Standard- und kundenspezifischen Batterielösungen – darunter Zellgrößen-Evaluation, Kabel, Steckverbinder, Anschlussbleche, Schutzschaltungen sowie anwendungsspezifische Batteriekonfigurationen.

Um eine ESL-Batterie zu bewerten, senden Sie uns bitte die verfügbare Batteriebaugröße, den Spannungsbereich, die Aktualisierungsfrequenz, die Betriebstemperatur sowie die erwartete jährliche Stückzahl. Unser Team hilft Ihnen gerne dabei, die Anforderungen zu prüfen und eine geeignete Batterielösung zu empfehlen.