Baterías LiPo para etiquetas electrónicas de estantería: guía de selección

Cómo elegir una batería de polímero de litio para etiquetas electrónicas de estantería: capacidad, tamaño y vida útil

Una etiqueta electrónica de estantería puede pasar casi todo el día en estado de reposo y luego solicitar a su batería una breve ráfaga de corriente para comunicación inalámbrica, actualización de tinta electrónica o alerta LED. Este patrón de carga inusual hace que la selección de baterías para ESL sea más compleja que simplemente coincidir con un voltaje y una capacidad.

Una batería que funciona bien en un dispositivo wearable puede no ofrecer la misma vida útil en una etiqueta digital de precios. El diseñador de ESL debe considerar la corriente de reposo, la frecuencia de actualización, la corriente de impulso, la temperatura de funcionamiento, el espacio disponible y la forma en que se reemplazará o recargará la batería.

Las baterías de polímero de litio pueden ser una buena opción para etiquetas electrónicas de estantería delgadas, recargables o con muchas funciones. Sin embargo, no son automáticamente la mejor solución para todo diseño de ESL. Muchas etiquetas convencionales siguen utilizando baterías primarias de dióxido de manganeso y litio debido a su baja autodescarga y larga vida útil en almacenamiento.

La decisión adecuada comienza con el perfil operativo real del ESL.

¿Qué tipo de batería se utiliza en una etiqueta electrónica de estantería?

La mayoría de las etiquetas electrónicas de estantería utilizan una pantalla e-paper combinada con un microcontrolador de bajo consumo y un sistema de comunicación inalámbrica, como Bluetooth Low Energy o un protocolo propietario sub-GHz.

Como la tecnología e-paper conserva una imagen sin necesidad de alimentación continua, la etiqueta puede permanecer en modo de reposo durante largos períodos. La energía se requiere principalmente cuando la etiqueta recibe datos, actualiza su pantalla, enciende un LED o se comunica con una pasarela.

Se suelen considerar dos categorías de baterías.

Baterías primarias de litio

Baterías primarias de dióxido de manganeso y litio, incluidas las pilas tipo moneda y las pilas tipo bolsa delgadas, se utilizan ampliamente en etiquetas electrónicas de bajo consumo diseñadas para funcionar varios años sin recarga.

Sus principales ventajas incluyen:

• Baja autodescarga

• Larga vida útil

• Arquitectura de alimentación sencilla

• Sin circuito de recarga

• Buena adecuación para actualizaciones de pantalla poco frecuentes

La principal limitación es que la batería debe reemplazarse eventualmente o bien la etiqueta debe retirarse del servicio.

Baterías recargables de polímero de litio

Las baterías recargables de polímero de litio son más adecuadas cuando la etiqueta electrónica dispone de un método de recarga definido o cuando sus funciones exigen más energía que una etiqueta tradicional de bajo consumo.

Aplicaciones típicas incluyen:

• Etiquetas electrónicas recargables

• Pantallas grandes o actualizadas con frecuencia

• Etiquetas con actividad LED frecuente

• Etiquetas interactivas con botones o sensores

• Etiquetas reutilizables para logística y almacenes

• Sistemas ESL asistidos por energía solar o cargados por contacto

• Dispositivos ultradelgados con una disposición interna personalizada

Una celda recargable de polímero de litio (LiPo) tiene generalmente un voltaje nominal de 3,7 V o 3,85 V, según su química y su especificación de voltaje de carga. El circuito integrado de carga (IC), el circuito de protección y el rango de voltaje del sistema deben diseñarse en función de la celda seleccionada.

También es importante no identificar una batería únicamente por su empaque. Una batería flexible y delgada en formato de bolsa puede ser una celda recargable de ion-litio de polímero o una celda no recargable de dióxido de manganeso y litio. Estos productos presentan distintos voltajes, requisitos de carga y características de vida útil.

¿Cuándo resulta adecuada una batería de polímero de litio para un sistema ESL?

Una batería de polímero de litio ofrece el mayor valor cuando la forma, el grosor y la posibilidad de recarga son más importantes que lograr la máxima duración posible sin supervisión, tal como la ofrecida por una celda primaria.

Su estructura de tipo bolsa permite que la batería utilice espacios internos rectangulares u otros espacios difíciles de forma más eficaz que una pila tipo moneda de diámetro fijo. La celda también puede suministrarse con cables personalizados, conectores, lengüetas, circuitos de protección y sensores de temperatura.

Se debe considerar el uso de LiPo cuando:

• El sistema electrónico de etiquetado (ESL) incluye contactos de carga, una estación de carga o recolección de energía

• La carcasa es demasiado delgada o irregular para pilas tipo moneda estándar

• La etiqueta se actualiza con mayor frecuencia que una etiqueta de precio convencional

• El diseño incluye LED, sensores, botones u otras funciones interactivas

• Se espera que la batería se recargue durante la vida útil del producto

• Una batería estándar no puede aprovechar eficientemente el espacio interno disponible

Para un ESL previsto para funcionar cinco, diez o más años sin necesidad de carga, la química primaria de litio puede seguir siendo la opción más práctica. No se debe seleccionar una celda recargable de LiPo únicamente porque encaje en la carcasa.

1. Comience con el espacio disponible

El grosor suele ser la primera restricción mecánica en una etiqueta electrónica para estanterías. La batería se ubica detrás o al lado de la pantalla, mientras que la carcasa debe mantenerse lo suficientemente delgada como para ajustarse a los rieles estándar de las estanterías.

El diseño debe tener en cuenta más que las dimensiones nominales indicadas en el plano de la celda.

Dejar margen para la tolerancia de grosor y la expansión

Una celda tipo bolsa no debe comprimirse firmemente entre la cubierta trasera y el módulo de tinta electrónica. El grosor de la celda varía según la tolerancia de fabricación, el estado de carga, la temperatura y el envejecimiento.

El margen requerido debe acordarse con el proveedor de baterías utilizando la especificación real de la celda. No debe aplicarse un porcentaje fijo a todas las baterías, ya que el comportamiento de expansión depende de la química de la celda, su capacidad, su construcción y sus condiciones de funcionamiento.

El diseño mecánico debe:

• Evitar presión directa sobre la pantalla de tinta electrónica

• Mantener la celda alejada de nervios plásticos afilados y de salientes para tornillos

• Proporcionar holgura alrededor de los bordes y del área de sellado de la bolsa

• Evitar el movimiento sin comprimir rígidamente la celda

• Sostener los cables y las pestañas frente a tracciones repetidas o vibraciones

• Considerar la extracción y sustitución de la batería durante el mantenimiento

Se puede utilizar espuma, zonas adhesivas controladas o una bandeja de batería adecuada para fijarla. El material elegido debe ser compatible con la bolsa de la celda y con el rango de temperaturas previsto.

No seleccionar la batería únicamente según el tamaño de la pantalla

Una pantalla más grande suele requerir más energía por actualización, pero el tamaño de la pantalla no es el único factor. Dos etiquetas con el mismo tamaño de pantalla pueden tener requisitos de potencia muy distintos debido a su protocolo de radio, frecuencia de actualización, comportamiento de los LED y firmware.

Las dimensiones finales de la batería deben basarse en el diseño mecánico completo y en el perfil medido de consumo de energía.

Escenario de diseño de ESL	Dirección típica del diseño de baterías	Puntos principales que verificar
Etiqueta compacta y recargable	Polímero de litio delgado de una sola celda con cableado o pestañas personalizadas	Espesor mínimo, método de carga y corriente máxima
Etiqueta mediana con actualizaciones frecuentes	Polímero de litio de mayor capacidad de una sola celda	Energía para la actualización de la pantalla, eventos de radio y capacidad utilizable
Etiqueta grande o interactiva	Polímero de litio más grande o solución de celdas en paralelo	Carga LED, frecuencia de actualización, circuito de protección y tiempo de carga
Etiqueta para almacenamiento en frío	Celda de baja temperatura o química primaria alternativa	Tensión de impulso, rendimiento en descarga y restricciones de carga
Etiqueta de larga duración sin carga	Batería primaria de litio, frecuentemente preferida	Autodescarga, capacidad de impulso y estrategia de sustitución

Esta tabla es un punto de partida para el diseño, no una recomendación de capacidad. La capacidad debe calcularse a partir del consumo medido del dispositivo.

2. Elaborar un presupuesto energético realista

La corriente media de un ESL puede parecer extremadamente baja, pero la corriente media por sí sola no indica si la batería puede soportar cada actualización de la pantalla.

Un presupuesto energético adecuado debe incluir:

• Corriente de reposo de la MCU

• Corriente de espera y recepción de la radio

• Corriente de transmisión

• Corriente de actualización y duración del papel electrónico

• Corriente del LED y tiempo de parpadeo

• Actividad del sensor o del botón

• Pérdidas del regulador de voltaje

• Consumo del circuito de protección de la batería

• Corriente de reposo del circuito de carga

• Fallos de actualización esperados y retransmisiones

El consumo diario se puede estimar como:

Uso diario de la capacidad = consumo en modo reposo + consumo de comunicación + consumo de actualización de la pantalla + consumo de accesorios

Para un evento individual:

Consumo del evento en mAh = corriente del evento en mA × duración del evento en horas × número de eventos por día

La carga estimada durante el período de servicio previsto debe ajustarse entonces para tener en cuenta:

• Capacidad utilizable a la tensión de corte del sistema

• Reducción de la capacidad a bajas temperaturas

• Envejecimiento de las celdas

• Auto-descarga

• Pérdidas por conversión

• Variaciones en la producción

• Un margen de ingeniería

No calcule la vida útil de la batería dividiendo la capacidad nominal entre la corriente media y deteniéndose ahí. Ese método ignora la caída de tensión relacionada con los pulsos, la temperatura y la capacidad que permanece inutilizable por debajo de la tensión mínima de funcionamiento del sistema.

Medir un prototipo funcional

Las hojas de datos de los componentes son útiles durante las primeras etapas del diseño, pero la selección final de la batería debe basarse en mediciones realizadas con un prototipo real de ESL.

Utilice un analizador de potencia o un instrumento de registro de corriente para registrar:

• Corriente en modo de reposo profundo

• Eventos de conexión de la pasarela

• Una actualización normal de la pantalla

• Una actualización de pantalla completa o multicolor

• Funcionamiento de los LED

• Eventos de comunicación fallida y reintentos

• Funcionamiento a temperaturas mínima y máxima

Esta medición suele revelar cargas breves que faltan en la hoja de cálculo inicial.

3. Comprobar la corriente de impulso y el voltaje al final de la vida útil

Las radios ESL y las pantallas de tinta electrónica generan pulsos cortos de corriente. Aunque la energía total consumida por cada pulso sea pequeña, el voltaje de la batería puede caer temporalmente debido a la impedancia de la celda.

El problema se vuelve más grave cuando:

• La batería está fría

• La capacidad restante es baja

• La celda ha envejecido

• La corriente de actualización es alta

• El circuito de protección o el conector añaden resistencia

Si el voltaje cae por debajo del umbral de bloqueo por subvoltaje de la MCU, la etiqueta puede reiniciarse durante una actualización. Luego podría reiniciarse, volver a conectarse y repetir la misma operación, consumiendo aún más energía.

La evaluación de la batería debe incluir, por lo tanto:

• Resistencia interna de corriente continua (CC)

• Tensión bajo la carga de impulso esperada

• Duración del Pulso

• Tensión de corte del sistema

• Umbral de caída de tensión (brownout) de la unidad de control microelectrónico (MCU)

• Resistencia de los conectores y los cables

• Rendimiento a bajo nivel de carga

• Rendimiento a la temperatura operativa más baja

Una capacidad nominal mayor no resuelve necesariamente un problema de impulso. La construcción de la celda, el diseño de los electrodos, la temperatura y la resistencia del circuito pueden ser igualmente importantes.

4. Tratar con precaución las afirmaciones sobre la vida útil

Una afirmación sobre la duración de la batería ESL es válida únicamente cuando se definen las condiciones de funcionamiento.

Una declaración como «hasta diez años» debe especificar, o al menos basarse en:

• Número de actualizaciones por día

• Tipo de pantalla y número de colores

• Frecuencia de comunicación inalámbrica

• Uso de LED

• Temperatura de funcionamiento

• Condiciones de red

• Corriente de reposo

• Química de la batería

• Tensión de corte del sistema

Las pilas recargables de polímero de litio experimentan autodescarga y envejecimiento por calendario incluso cuando no se someten a ciclos con frecuencia. Su retención a largo plazo depende de la temperatura, el estado de carga y el diseño de la pila. Por lo tanto, no es seguro suponer que cada pila LiPo presenta una tasa anual de autodescarga de solo uno o dos por ciento.

Para un proyecto de varios años, solicite al proveedor los datos de retención, almacenamiento y envejecimiento de la pila propuesta. Los resultados de las pruebas aceleradas deben revisarse junto con las condiciones reales de aplicación.

Si no hay ningún método de carga y el requisito principal es la vida útil más larga posible sin mantenimiento, compare el diseño LiPo con una solución de litio primaria adecuada antes de finalizar la arquitectura.

5. Considere temprano la operación en cadena de frío

Las etiquetas electrónicas para estantes utilizadas en vitrinas refrigeradas y zonas de alimentos congelados plantean un desafío distinto para las baterías.

A bajas temperaturas, la impedancia de la celda aumenta y la capacidad disponible disminuye. La caída de tensión durante una transmisión por radio o una actualización de tinta electrónica puede ser lo suficientemente grande como para reiniciar el sistema, incluso cuando la batería aún contiene energía utilizable.

Las baterías recargables de iones de litio también tienen restricciones importantes de carga a bajas temperaturas. Una celda estándar LiPo no debe cargarse por debajo de la temperatura especificada por su fabricante. El sistema puede requerir:

• Una celda calificada para bajas temperaturas

• Un cargador con detección de temperatura e inhibición de carga

• Una corriente de carga reducida

• Una química distinta para la batería

• Firmware que limita los eventos de alta carga cuando la batería está fría

• Un margen de voltaje mayor por encima del corte del MCU

Para aplicaciones en congeladores, pruebe etiquetas completas en una cámara de temperatura. Los datos de capacidad a temperatura ambiente no pueden predecir con precisión el rendimiento de pulsos en frío.

6. Evalúe la construcción de la celda sin depender de una sola etiqueta

La construcción de electrodos apilados puede ser útil para celdas delgadas y puede ofrecer un buen control dimensional. La construcción enrollada también se utiliza ampliamente y puede funcionar de forma fiable cuando se diseña y fabrica adecuadamente.

Es demasiado simplista asumir que toda celda apilada es mejor que toda celda enrollada.

En su lugar, compare las especificaciones reales y los datos de prueba para:

• Tolerancia de espesor

• Resistencia interna de corriente continua (CC)

• Rendimiento de pulsos

• Ciclo de vida

• Comportamiento durante el almacenamiento

• Hinchazón bajo condiciones especificadas

• Descarga a bajas temperaturas

• Almacenamiento a alta temperatura

• Consistencia lote a lote

La construcción adecuada es aquella que cumple con los requisitos eléctricos y mecánicos del ESL, manteniendo una calidad constante en la producción.

7. Confirmar los requisitos de seguridad y transporte

La conformidad debe planificarse antes de fijar las dimensiones de la batería y el diseño eléctrico.

Los requisitos varían según el mercado y según si la celda se envía por separado, se instala en equipos o se ensambla en un paquete de baterías protegido. Las normas y ensayos comunes pueden incluir:

• ON 38.3 para ensayos de transporte de baterías de litio

• IEC 62133-2 para celdas y baterías secundarias selladas de litio portátiles

• UL 1642 para celdas de litio en aplicaciones pertinentes

• UL 2054 para ciertos paquetes de baterías domésticos y comerciales

• Requisitos regionales aplicables al producto ESL completo

Un informe de ensayo para un modelo de celda no cubre automáticamente una construcción modificada, una combinación distinta de celdas o un paquete de baterías recién diseñado. Confirme que los documentos corresponden exactamente a la batería suministrada para el proyecto.

La especificación de la batería también debe definir:

• Voltaje de Carga Máximo

• Corriente de carga y descarga

• Límites de protección

• Temperatura de Operación y Almacenamiento

• Identificación de la celda y del paquete

• Polaridad de los conectores

• Requisitos para cables y lengüetas

• Trazabilidad de Producción

8. Preguntas que formular a un proveedor de baterías ESL

Antes de pedir prototipos, proporcione al proveedor más información que solo el voltaje y la capacidad deseados.

Una solicitud útil de batería ESL debe incluir:

1. Dimensiones disponibles del compartimento para la batería

2. Grosor máximo permitido

3. Rango de tensión nominal y de funcionamiento

4. Corriente en modo de reposo medida

5. Corriente de impulso máxima y duración

6. Número de actualizaciones por día

7. Protocolo de radio

8. Tamaño de la pantalla y configuración de color

9. Perfil de funcionamiento del LED o del sensor

10. Temperatura de Operación y Almacenamiento

11. Vida útil prevista

12. Método de carga, si procede

13. Requisitos del conector, cable, lengüeta y polaridad

14. Certificaciones obligatorias y mercados de destino

15. Cantidad de prototipos y producción anual

Proporcionar esta información temprano facilita determinar si una celda estándar es adecuada o si se justifica una batería personalizada.

Preguntas frecuentes

¿Cuál es la mejor batería para una etiqueta electrónica de estantería?

No existe una única mejor batería para todas las ESL. Las baterías primarias de dióxido de manganeso y litio se usan ampliamente en etiquetas de larga duración y baja frecuencia de actualización. Las baterías recargables de polímero de litio son más adecuadas para diseños de ESL delgados, recargables, con actualizaciones frecuentes o con funciones avanzadas.

¿Puede una batería de polímero de litio alimentar una ESL durante diez años?

No debe asumirse sin pruebas específicas de la aplicación. La vida útil depende de la química de la celda, su capacidad, su autodescarga, la temperatura, la corriente de reposo, la frecuencia de actualización y el rendimiento en pulsos. Un sistema recargable de LiPo también requiere una estrategia realista de carga o mantenimiento.

¿Cómo se calcula la capacidad de la batería de una ESL?

La capacidad debe calcularse a partir de la corriente de reposo medida, los eventos inalámbricos, las actualizaciones de pantalla, los LED y otras cargas. El resultado debe incluir, además, las pérdidas, el envejecimiento, los efectos de la temperatura, la capacidad utilizable a la tensión de corte y una reserva técnica.

¿Por qué un ESL se reinicia durante una actualización de pantalla?

Una causa frecuente es una caída temporal de tensión bajo carga pulsada. Temperaturas bajas, una batería envejecida, una alta resistencia interna, cables delgados o la resistencia de los conectores pueden reducir la tensión de alimentación por debajo del nivel mínimo de funcionamiento del MCU.

¿Se puede utilizar una celda estándar de LiPo en un ESL para congelador?

Únicamente si la celda está calificada y probada para la temperatura requerida. Deben considerarse tanto la capacidad de descarga a bajas temperaturas como las restricciones de carga. En algunos proyectos de cadena de frío, puede ser más adecuada una celda especializada para bajas temperaturas o una química de litio primaria.

Reflexiones finales

Seleccionar una batería de polímero de litio para una etiqueta electrónica de estante es una decisión de ingeniería a nivel de sistema. La capacidad es importante, pero también lo son la tolerancia de grosor, la corriente de impulso, el voltaje de corte, la temperatura, el envejecimiento y la estrategia de carga.

Para una etiqueta electrónica de estante (ESL) recargable delgada, una celda personalizada de LiPo puede aprovechar mejor el espacio interno y simplificar la integración mecánica. Para una etiqueta convencional que deba funcionar durante muchos años sin recarga, una batería primaria de litio podría ofrecer un equilibrio más adecuado entre vida útil y costo de mantenimiento.

Cowon apoya proyectos de baterías para etiquetas electrónicas de estante (ESL) con opciones estándar y personalizadas, incluidas la evaluación del tamaño de la celda, cables, conectores, lengüetas, circuitos de protección y configuraciones específicas de batería según la aplicación.

Para evaluar una batería para ESL, envíenos las dimensiones disponibles para la batería, el rango de voltaje, la frecuencia de actualización, la temperatura de operación y la cantidad anual prevista. Nuestro equipo puede ayudarle a revisar los requisitos y recomendarle una solución de batería adecuada.