Batteries LiPo pour étiquettes électroniques de rayon : guide de sélection

Comment choisir une batterie au polymère de lithium pour les étiquettes électroniques de rayon : capacité, dimensions et durée de vie

Une étiquette électronique de rayon peut passer presque toute la journée en mode veille, puis demander à sa batterie de délivrer une courte impulsion de courant pour une communication sans fil, une mise à jour d’écran à encre électronique ou un signal lumineux LED. Ce profil de charge inhabituel rend le choix de la batterie pour les ESL plus complexe que le simple appariement d’une tension et d’une capacité.

Une batterie qui fonctionne bien dans un dispositif portable peut ne pas offrir la même durée de vie dans une étiquette numérique de prix. Le concepteur d’ESL doit tenir compte du courant de veille, de la fréquence des mises à jour, du courant de pointe, de la température de fonctionnement, de l’espace disponible et de la méthode de remplacement ou de recharge de la batterie.

Les batteries au polymère de lithium peuvent constituer un bon choix pour les étiquettes électroniques de rayon minces, rechargeables ou dotées de nombreuses fonctionnalités. Toutefois, elles ne constituent pas automatiquement la meilleure solution pour chaque conception d’étiquette électronique de rayon (ESL). De nombreuses étiquettes classiques utilisent encore des piles primaires au dioxyde de manganèse et au lithium en raison de leur faible autodécharge et de leur longue durée de conservation.

La décision appropriée débute par l’analyse du profil réel de fonctionnement de l’ESL.

Quel type de pile est utilisé dans une étiquette électronique de rayon ?

La plupart des étiquettes électroniques de rayon utilisent un affichage e-paper combiné à un microcontrôleur à faible consommation et à un système de communication sans fil tel que Bluetooth Low Energy ou un protocole propriétaire en bande sub-GHz.

Comme l’e-paper conserve une image sans alimentation continue, l’étiquette peut rester en mode veille pendant de longues périodes. L’alimentation est principalement requise lorsque l’étiquette reçoit des données, actualise son affichage, fait clignoter une LED ou communique avec une passerelle.

Deux catégories de piles sont couramment envisagées.

Piles primaires au lithium

Les piles primaires au dioxyde de manganèse et au lithium, y compris les piles bouton et les piles souples de type pochette, sont largement utilisées dans les étiquettes électroniques à faible puissance conçues pour fonctionner plusieurs années sans recharge.

Leurs principaux avantages comprennent :

• Faible autodécharge

• Longue durée de conservation

• Architecture d’alimentation simple

• Pas de circuit de charge

• Bonne adéquation aux mises à jour d’affichage peu fréquentes

La principale limitation réside dans le fait que la pile devra inévitablement être remplacée ou que l’étiquette devra être retirée du service.

Piles lithium-polymère rechargeables

Les piles lithium-polymère rechargeables conviennent davantage lorsque l’étiquette électronique dispose d’une méthode de charge définie ou lorsque ses fonctionnalités exigent davantage d’énergie qu’une étiquette traditionnelle à faible puissance.

Applications typiques incluent :

• Étiquettes électroniques rechargeables

• Affichages grands ou mis à jour fréquemment

• Étiquettes comportant une activité LED fréquente

• Étiquettes interactives avec boutons ou capteurs

• Étiquettes logistiques et d’entrepôt réutilisables

• Systèmes ESL assistés par énergie solaire ou chargés par contact

• Appareils ultrafins dotés d’une disposition interne personnalisée

Une pile LiPo rechargeable a généralement une tension nominale de 3,7 V ou de 3,85 V, selon sa chimie et sa spécification de tension de charge. Le circuit intégré de charge, le circuit de protection et la plage de tension du système doivent être conçus en fonction de la pile sélectionnée.

Il est également essentiel de ne pas identifier une pile uniquement à partir de son boîtier. Une pile souple et mince en pochette peut être soit une pile lithium-ion polymère rechargeable, soit une pile au dioxyde de manganèse lithium non rechargeable. Ces produits présentent des tensions, des exigences de charge et des caractéristiques de durée de vie différentes.

Quand une pile au polymère lithium est-elle pertinente pour un système ESL ?

Une pile au polymère lithium offre la plus grande valeur lorsque la forme, l’épaisseur et la possibilité de recharge sont plus importantes que l’obtention de la plus longue durée de service autonome possible offerte par une pile primaire.

Sa structure en poche permet à la batterie d’utiliser plus efficacement des espaces internes rectangulaires ou autrement contraignants qu’une pile bouton à diamètre fixe. La cellule peut également être fournie avec des câbles, connecteurs, languettes, circuits de protection et capteurs de température personnalisés.

Une pile LiPo doit être envisagée lorsque :

• Le système électronique d’étiquetage (ESL) intègre des contacts de charge, un support de charge ou une fonction de récupération d’énergie

• L’enceinte est trop fine ou irrégulière pour accueillir des piles bouton standard

• L’étiquette est actualisée plus fréquemment qu’une étiquette de prix conventionnelle

• La conception intègre des DEL, des capteurs, des boutons ou d’autres fonctions interactives

• La batterie devra être rechargée au cours de la durée de vie opérationnelle du produit

• Une batterie standard ne peut pas exploiter efficacement l’espace interne disponible

Pour un ESL destiné à fonctionner cinq, dix ans ou plus sans recharge, une chimie lithium primaire peut demeurer l’option la plus pratique. Une cellule LiPo rechargeable ne doit pas être choisie uniquement parce qu’elle s’adapte à l’enceinte.

1. Commencez par l’espace disponible

L’épaisseur constitue souvent la première contrainte mécanique pour une étiquette électronique de rayon. La batterie est placée derrière ou à côté de l’afficheur, tandis que le boîtier doit rester suffisamment fin pour s’insérer dans les rails standards des rayons.

La conception doit tenir compte de plus que des dimensions nominales indiquées sur le plan d’une cellule.

Prévoir un jeu pour tolérance d’épaisseur et dilatation

Une cellule en pochette ne doit pas être comprimée de façon excessive entre le couvercle arrière et le module e-paper. L’épaisseur de la cellule varie selon les tolérances de fabrication, l’état de charge, la température et le vieillissement.

La marge de jeu requise doit être définie en accord avec le fournisseur de batteries, sur la base des spécifications réelles de la cellule. Une marge fixe exprimée en pourcentage ne doit pas être appliquée universellement à toutes les batteries, car le comportement de dilatation dépend de la chimie de la cellule, de sa capacité, de sa construction et des conditions de fonctionnement.

La conception mécanique doit :

• Éviter toute pression directe sur l’afficheur e-paper

• Éloigner la cellule des nervures plastiques saillantes et des bossages pour vis

• Prévoir un dégagement autour des bords et de la zone d’étanchéité de la pochette

• Empêcher tout mouvement sans comprimer rigoureusement la cellule

• Maintenir les fils et les languettes contre les tractions répétées ou les vibrations

• Tenir compte du retrait et du remplacement de la batterie lors de l’entretien

Des mousses, des zones adhésives contrôlées ou un bac à batterie adapté peuvent être utilisés pour fixer la batterie. Le matériau choisi doit être compatible avec la gaine souple de la cellule et avec la plage de températures prévue.

Ne pas sélectionner la batterie uniquement en fonction de la taille de l’écran

Un écran plus grand nécessite généralement plus d’énergie par rafraîchissement, mais la taille de l’écran n’est pas le seul facteur. Deux étiquettes ayant la même dimension d’affichage peuvent présenter des besoins énergétiques très différents en raison de leur protocole radio, de leur fréquence de mise à jour, du comportement de leurs LED et de leur micrologiciel.

Les dimensions finales de la batterie doivent être déterminées à partir de la disposition mécanique complète et du profil de puissance mesuré.

Scénario de conception d’un ESL	Orientation typique de la conception de la batterie	Principaux points à vérifier
Étiquette compacte et rechargeable	Pile LiPo mince à une seule cellule avec câble ou languettes personnalisés	Épaisseur minimale, méthode de charge et courant de crête
Étiquette moyenne avec mises à jour fréquentes	Pile LiPo à capacité supérieure à une seule cellule	Énergie nécessaire au rafraîchissement de l’affichage, événements radio et capacité utilisable
Étiquette grande ou interactive	Pile LiPo plus volumineuse ou solution à cellules en parallèle	Charge LED, fréquence de mise à jour, circuit de protection et durée de charge
Étiquette pour stockage à froid	Cellule à basse température ou chimie primaire alternative	Tension impulsionnelle, performances en décharge et restrictions de charge
Étiquette longue durée sans charge	Pile primaire au lithium souvent privilégiée	Autodécharge, capacité impulsionnelle et stratégie de remplacement

Ce tableau constitue un point de départ pour la conception, non une recommandation de capacité. La capacité doit être calculée à partir de la consommation mesurée de l’appareil.

2. Établir un budget énergétique réaliste

Le courant moyen d’un afficheur électronique (ESL) peut sembler extrêmement faible, mais le courant moyen seul ne révèle pas si la batterie peut soutenir chaque mise à jour de l’affichage.

Un budget énergétique approprié doit inclure :

• Courant de veille du MCU

• Courant de veille et de réception de la radio

• Courant de transmission

• Courant de rafraîchissement de l’écran électronique et durée associée

• Courant de la LED et durée du clignotement

• Activité d’un capteur ou d’un bouton

• Pertes du régulateur de tension

• Consommation du circuit de protection de la batterie

• Courant de repos du circuit de charge

• Échecs de mise à jour prévus et retransmissions

La consommation quotidienne peut être estimée comme suit :

Utilisation quotidienne de la capacité = consommation en veille + consommation liée aux communications + consommation liée au rafraîchissement de l’affichage + consommation des accessoires

Pour un événement individuel :

Consommation de l’événement en mAh = courant de l’événement en mA × durée de l’événement en heures × nombre d’événements par jour

La charge estimée sur la période de service prévue doit ensuite être corrigée pour tenir compte de :

• La capacité utilisable à la tension de coupure du système

• La réduction de capacité à basse température

• Le vieillissement des cellules

• Auto-décharge

• Des pertes liées à la conversion

• Les variations de production

• Une marge technique

Ne pas calculer la durée de vie de la batterie en divisant simplement la capacité nominale par le courant moyen et s’arrêter là. Cette méthode ignore la chute de tension liée aux impulsions, l’influence de la température et la capacité restant indisponible en dessous de la tension minimale de fonctionnement du système.

Mesurer un prototype fonctionnel

Les fiches techniques des composants sont utiles pendant la phase initiale de conception, mais la sélection finale de la batterie doit reposer sur des mesures effectuées sur un prototype ESL réel.

Utiliser un analyseur de puissance ou un instrument d’enregistrement du courant pour enregistrer :

• Le courant en veille profonde

• Les événements de connexion de la passerelle

• Une mise à jour normale de l’affichage

• Une mise à jour plein écran ou multicolore

• Fonctionnement des LED

• Les événements d’échec de communication et de nouvelles tentatives

• Le fonctionnement aux températures minimale et maximale

Cette mesure met souvent en évidence des pics de charge brefs qui n’apparaissent pas dans le tableau initial.

3. Vérifier le courant pulsé et la tension de fin de vie

Les radios ESL et les affichages à encre électronique génèrent des impulsions de courant brèves. Même si l’énergie totale consommée par chaque impulsion est faible, la tension de la batterie peut chuter temporairement en raison de l’impédance de la cellule.

Le problème devient plus grave lorsque :

• La batterie est froide

• La capacité restante est faible

• La cellule est vieillie

• Le courant de mise à jour est élevé

• Le circuit de protection ou le connecteur ajoute de la résistance

Si la tension chute en dessous du seuil de verrouillage par sous-tension de la MCU, l’étiquette peut redémarrer pendant une mise à jour. Elle redémarre alors, se reconnecte et répète la même opération, ce qui consomme encore plus d’énergie.

L’évaluation de la batterie doit donc inclure :

• Résistance interne en courant continu

• Tension sous la charge impulsionnelle attendue

• Durée de l'Impulsion

• Tension de coupure du système

• Seuil de brownout du MCU

• Résistance des connecteurs et des câblages

• Performance à faible état de charge

• Performance à la température de fonctionnement la plus basse

Une capacité nominale plus élevée ne résout pas nécessairement un problème impulsionnel. La conception de la cellule, la conception des électrodes, la température et la résistance du circuit peuvent être tout aussi importantes.

4. Prendre avec précaution les allégations relatives à la durée de vie

Une allégation concernant la durée de vie d’une batterie ESL est valable uniquement lorsque les conditions de fonctionnement sont définies.

Une formulation telle que « jusqu’à dix ans » doit préciser, ou du moins reposer sur :

• Nombre de mises à jour par jour

• Type d’affichage et nombre de couleurs

• Fréquence de communication sans fil

• Utilisation des LED

• Température de fonctionnement

• Conditions réseau

• Courant de veille

• Chimie des batteries

• Tension de coupure du système

Les piles lithium-polymère rechargeables subissent une autodécharge et un vieillissement calendaire, même lorsqu’elles ne sont pas fréquemment cyclées. Leur rétention à long terme dépend de la température, de l’état de charge et de la conception de la pile. Il est donc inadmissible de supposer que chaque pile LiPo présente un taux annuel d’autodécharge de seulement un ou deux pour cent.

Pour un projet s’étalant sur plusieurs années, demandez au fournisseur les données relatives à la rétention, au stockage et au vieillissement de la pile proposée. Les résultats des essais accélérés doivent être examinés conjointement avec les conditions réelles d’application.

En l’absence de méthode de recharge et si la principale exigence est une durée de vie sans entretien aussi longue que possible, comparez la conception LiPo avec une solution lithium primaire adaptée avant de finaliser l’architecture.

5. Envisager tôt l’exploitation en chaîne du froid

Les étiquettes électroniques pour rayons utilisées dans les présentoirs réfrigérés et les zones de produits surgelés posent un défi différent en matière de batterie.

À basse température, l’impédance de la cellule augmente et sa capacité disponible diminue. La chute de tension lors d’une transmission radio ou d’un rafraîchissement d’écran à encre électronique peut devenir suffisamment importante pour réinitialiser le système, même si la batterie contient encore de l’énergie utilisable.

Les batteries rechargeables au lithium-ion comportent également des restrictions importantes en matière de charge à basse température. Une cellule LiPo standard ne doit pas être chargée en dessous de la température spécifiée par son fabricant. Le système peut nécessiter :

• Une cellule homologuée pour basses températures

• Un chargeur doté d’un capteur de température et d’une fonction d’inhibition de charge

• Un courant de charge réduit

• Une chimie de batterie différente

• Un micrologiciel limitant les événements à forte charge lorsque la batterie est froide

• Une marge de tension supérieure accrue par rapport au seuil de coupure du MCU

Pour les applications de congélation, tester des étiquettes complètes dans une chambre climatique. Les données de capacité à température ambiante ne permettent pas de prédire avec précision les performances en impulsion à froid.

6. Évaluer la construction des cellules sans se fier à une seule étiquette

La construction à électrodes empilées peut être utile pour les cellules minces et offrir un bon contrôle dimensionnel. La construction enroulée est également largement utilisée et peut fonctionner de manière fiable lorsqu’elle est correctement conçue et fabriquée.

Il est trop simpliste de supposer que toute cellule empilée est supérieure à toute cellule enroulée.

Au lieu de cela, comparer les spécifications réelles et les données d’essai relatives à :

• Tolérance d'épaisseur

• Résistance interne en courant continu

• Performances en impulsion

• Cycle de vie

• Comportement au stockage

• Gonflement dans les conditions spécifiées

• Décharge à basse température

• Stockage à haute température

• De la cohérence entre lots

La construction adaptée est celle qui satisfait aux exigences électriques et mécaniques de l’ESL, avec une qualité de production constante.

7. Confirmer les exigences en matière de sécurité et de transport

La conformité doit être planifiée avant que les dimensions de la batterie et sa conception électrique ne soient définitivement arrêtées.

Les exigences varient selon le marché et selon que la cellule est expédiée séparément, installée dans un équipement ou intégrée dans un bloc-batterie protégé. Les normes et essais courants peuvent inclure :

• UN 38.3 essais de transport pour les batteries au lithium

• IEC 62133-2 pour les cellules et batteries secondaires scellées au lithium portables

• UL 1642 pour les cellules au lithium dans les applications pertinentes

• UL 2054 pour certains blocs-batteries domestiques et commerciaux

• Exigences régionales applicables au produit ESL complet

Un rapport d’essai relatif à un modèle de cellule ne couvre pas automatiquement une construction modifiée, une combinaison différente de cellules ou un bloc-batterie nouvellement conçu. Vérifiez que les documents correspondent exactement à la batterie fournie pour le projet.

La fiche technique de la batterie doit également définir :

• Tension de charge maximale

• Le courant de charge et de décharge

• Limites de protection

• Température de fonctionnement et de stockage

• Identification de la cellule et du module

• Polarité du connecteur

• Exigences relatives aux câbles et aux languettes

• Traçabilité de production

8. Questions à poser à un fournisseur de batteries ESL

Avant de commander des prototypes, fournissez au fournisseur plus que la tension et la capacité souhaitées.

Une demande utile de batterie ESL doit inclure :

1. Dimensions disponibles du compartiment à batterie

2. Épaisseur maximale autorisée

3. Plage de tension nominale et de fonctionnement

4. Courant de veille mesuré

5. Courant impulsionnel maximal et durée

6. Nombre de mises à jour par jour

7. Protocole radio

8. Dimensions de l’affichage et configuration des couleurs

9. Profil de fonctionnement de la LED ou du capteur

10. Température de fonctionnement et de stockage

11. Durée de vie prévue

12. Méthode de charge, le cas échéant

13. Exigences relatives au connecteur, aux câbles, aux languettes et à la polarité

14. Certifications requises et marchés de destination

15. Quantités de prototypes et de production annuelle

Fournir ces informations dès le début facilite la détermination de la pertinence d’une cellule standard ou de la nécessité d’une batterie sur mesure.

Questions fréquemment posées

Quelle est la meilleure batterie pour une étiquette électronique de rayon ?

Il n’existe pas de batterie idéale unique pour toutes les étiquettes électroniques de rayon. Les piles primaires au dioxyde de manganèse et lithium sont couramment utilisées pour les étiquettes à longue durée de vie et à faible fréquence de mise à jour. Les batteries rechargeables au polymère lithium sont mieux adaptées aux conceptions d’étiquettes minces, rechargeables, fréquemment mises à jour ou dotées de nombreuses fonctionnalités.

Une batterie au polymère lithium peut-elle alimenter une étiquette électronique de rayon pendant dix ans ?

Cela ne doit pas être supposé sans réaliser des essais spécifiques à l’application. La durée de service dépend de la chimie de la cellule, de sa capacité, de son auto-décharge, de la température, du courant de veille, de la fréquence des mises à jour et des performances en impulsions. Un système rechargeable LiPo nécessite également une stratégie de charge ou de maintenance réaliste.

Comment calcule-t-on la capacité d’une batterie pour étiquette électronique de rayon ?

La capacité doit être calculée à partir du courant de veille mesuré, des événements sans fil, des rafraîchissements d’affichage, des DEL et des autres charges. Le résultat doit ensuite intégrer les pertes, le vieillissement, les effets de la température, la capacité utilisable à la tension de coupure ainsi qu’une marge technique.

Pourquoi un afficheur électronique (ESL) redémarre-t-il pendant une mise à jour de l’affichage ?

Une cause fréquente est une chute de tension temporaire sous charge impulsionnelle. Une température basse, une batterie vieillie, une résistance interne élevée, des fils trop fins ou une résistance aux connexions peuvent faire chuter la tension d’alimentation en dessous du niveau minimal de fonctionnement du microcontrôleur (MCU).

Peut-on utiliser une pile LiPo standard dans un ESL destiné à un environnement réfrigéré ?

Uniquement si la pile est spécifiée et testée pour la température requise. Il faut tenir compte à la fois des performances de décharge à basse température et des restrictions de charge. Certains projets de chaîne du froid pourraient mieux convenir à une pile spécialisée pour basses températures ou à une chimie lithium primaire.

Conclusion

Le choix d’une batterie au lithium-polymère pour une étiquette électronique de rayon constitue une décision d’ingénierie au niveau système. La capacité est certes importante, mais il faut aussi tenir compte de la tolérance d’épaisseur, du courant impulsionnel, de la tension de coupure, de la température, du vieillissement et de la stratégie de charge.

Pour une étiquette électronique de rayon (ESL) fine et rechargeable, une cellule LiPo sur mesure permet une meilleure utilisation de l’espace interne et simplifie l’intégration mécanique. En revanche, pour une étiquette classique destinée à fonctionner plusieurs années sans recharge, une pile primaire au lithium peut offrir un meilleur équilibre entre durée de vie utile et coût de maintenance.

Cowon soutient les projets de batteries pour étiquettes électroniques de rayon (ESL) avec des options standard et sur mesure, notamment l’évaluation des dimensions des cellules, les câbles, les connecteurs, les languettes, les circuits de protection et des configurations de batteries adaptées à des applications spécifiques.

Pour évaluer une batterie ESL, veuillez nous communiquer les dimensions disponibles pour la batterie, la plage de tension requise, la fréquence de mise à jour, la température de fonctionnement et la quantité annuelle prévue. Notre équipe peut examiner vos besoins et vous recommander une solution de batterie adaptée.