Lítium-polimer akkumulátorok elektronikus polcfeliratokhoz: kiválasztási útmutató

Lítium-polimer akkumulátor kiválasztása elektronikus polc-címke számára: kapacitás, méret és élettartam

Egy elektronikus polc-címke egész napot is tölthet alvó üzemmódban, majd akkumulátorától rövid ideig tartó áramimpulzust kér vezeték nélküli kommunikációhoz, e-papír-frissítéshez vagy LED-riasztáshoz. Ez a szokatlan terhelési minta bonyolultabbá teszi az ESL-akkumulátor kiválasztását, mint egyszerű feszültség- és kapacitásmegfeleltetés.

Egy olyan akkumulátor, amely jól működik hordható eszközben, nem feltétlen biztosítja ugyanazt az élettartamot digitális árcédulán. Az ESL-tervezőnek figyelembe kell vennie az alvó áramfelvételt, a frissítés gyakoriságát, az impulzusáramot, az üzemelési hőmérsékletet, a rendelkezésre álló helyet, valamint azt, hogy az akkumulátor cseréjét vagy újratöltését hogyan végzik el.

A lítium-polimer akkumulátorok kiváló választást jelentenek vékony, újratölthető vagy funkciókban gazdag elektronikus polc-címkékhez. Azonban nem feltétlenül a legjobb megoldás minden ESL-terv esetében. Számos hagyományos címke továbbra is elsődleges lítium-mangán-dioxid elemeket használ, mivel azok alacsony önkisülési aránnyal és hosszú tárolási élettartammal rendelkeznek.

A megfelelő döntés az ESL tényleges üzemelési profiljából indul ki.

Milyen típusú elemet használnak az elektronikus polc-címkék?

A legtöbb elektronikus polc-címke e-papír kijelzőt, alacsony fogyasztású mikrovezérlőt és vezeték nélküli kommunikációs rendszert – például Bluetooth Low Energy-t vagy egy saját fejlesztésű, alacsony frekvenciájú (sub-GHz) protokollt – kombinál.

Mivel az e-papír képet tart meg folyamatos áramellátás nélkül, a címke hosszú ideig maradhat alvó üzemmódban. Az áramfogyasztás főként akkor jelentkezik, amikor a címke adatot kap, frissíti a kijelzőjét, villogó LED-et vezérel vagy kommunikál egy átjáróval.

Két akkumulátor-kategóriát szoktak általában figyelembe venni.

Elsődleges lítiumelemek

Elsődleges lítium-mangán-dioxid akkumulátorok, beleértve a pénzérmes és a vékony zacskós típusú elemeket, széles körben használatosak alacsony fogyasztású ESL-ekben, amelyek több évig működnek töltés nélkül.

Fő előnyeik:

• Alacsony önkisülés

• Hosszú tárolhatóság

• Egyszerű energiaellátási architektúra

• Nincs töltőkör

• Jó alkalmasság ritka kijelzőfrissítésekre

A fő korlátozás az, hogy az akkumulátort végül ki kell cserélni, vagy a címkét ki kell vonni a forgalomból.

Újratölthető lítium-polimer akkumulátorok

Az újratölthető lítium-polimer akkumulátorok akkor alkalmasabbak, ha az ESL-hez meghatározott töltési módszer tartozik, vagy ha funkciói több energiát igényelnek, mint egy hagyományos alacsony fogyasztású címke.

Tipikus alkalmazások közé tartoznak:

• Újratölthető elektronikus árcédulák

• Nagy vagy gyakran frissített kijelzők

• Gyakori LED-tevékenységet mutató címkék

• Interaktív címkék gombokkal vagy érzékelőkkel

• Újrahasznosítható logisztikai és raktári címkék

• Napenergiával segített vagy érintéses töltésű ESL-rendszerek

• Ultra-vékony eszközök egyedi belső elrendezéssel

Egy újratölthető LiPo elem általában 3,7 V vagy 3,85 V névleges feszültséggel rendelkezik, attól függően, hogy milyen kémiai összetétele és töltésfeszültség-specifikációja van. A töltő IC, a védőkör és a rendszer feszültségtartománya az adott elem kiválasztása alapján kell megtervezni.

Fontos továbbá, hogy ne azonosítsuk a telepet kizárólag a csomagolása alapján. Egy vékony, rugalmas tokos akkumulátor lehet újratölthető lítium-ion polimer elem vagy nem újratölthető lítium-mangán-dioxid elem. Ezeknek a termékeknek eltérő feszültsége, töltési követelményei és élettartam-jellemzői vannak.

Mikor érdemes lítium-polimer akkumulátort választani egy ESL-hez?

A lítium-polimer akkumulátor akkor nyújtja a legnagyobb értéket, ha az alak, a vastagság és az újratölthetőség fontosabb, mint a primer elem lehetséges leghosszabb felügyelet nélküli üzemidejének elérése.

A zacskós szerkezet lehetővé teszi, hogy az akkumulátor hatékonyabban használja fel a téglalap alakú vagy más módon nehezen belső térbe illeszthető helyeket, mint egy meghatározott átmérőjű gombócsejtes elem. A cella egyéni vezetékekkel, csatlakozókkal, fülecskékkel, védőáramkörökkel és hőmérséklet-érzékelőkkel is szállítható.

A LiPo akkumulátorokat akkor érdemes figyelembe venni, ha:

• Az ESL-ben töltőkontaktusok, töltőállomás vagy energiagyűjtés szerepel

• A burkolat túl vékony vagy szabálytalan alakú a szokásos gombócsejtekhez

• A címke gyakrabban frissül, mint egy hagyományos árcédula

• A tervezés LED-eket, érzékelőket, gombokat vagy más interaktív funkciókat tartalmaz

• Az akkumulátort a termék élettartama során újratölteni kell

• Egy szokásos akkumulátor nem tudja hatékonyan kihasználni a rendelkezésre álló belső teret

Egy olyan ESL esetében, amelynek öt, tíz vagy több évig kell működnie töltés nélkül, a primer lítium-kémia továbbra is gyakorlatibb megoldás lehet. Egy újratölthető LiPo cellát nem szabad kizárólag azért választani, mert illeszkedik a burkolathoz.

1. Induljon ki a rendelkezésre álló tér méretéből

A vastagság gyakran az első mechanikai korlátozó tényező egy elektronikus polc-címke esetében. Az akkumulátor a kijelző mögött vagy mellett helyezkedik el, miközben a burkolatnak elég vékonynak kell maradnia ahhoz, hogy illeszkedjen a szokásos polcfogantyúkra.

A tervezésnek többet kell figyelembe vennie, mint a cella rajzán feltüntetett névleges méreteket.

Hagyjon elegendő helyet a vastagsági tűréshöz és a kiterjedéshez

Egy zacskós cellát nem szabad szorosan összenyomni a hátlap és az e-papír modul között. A cella vastagsága változik a gyártási tűréstől, a töltöttségi állapottól, a hőmérséklettől és az idővel járó öregedéstől.

A szükséges tűrés mértékét a tényleges cellaspecifikáció alapján egyeztessék az akkumulátor-szállítóval. Ne alkalmazzanak rögzített százalékos értéket minden akkumulátorra, mivel a kiterjedési viselkedés függ a cella kémiai összetételétől, kapacitásától, felépítésétől és üzemeltetési körülményeitől.

A mechanikai tervezésnek a következőket kell biztosítania:

• Kerülnie kell a közvetlen nyomást az e-papír kijelzőn

• Távol kell tartania a cellát az éles műanyag bordáktól és a csavaros támaszoktól

• Térközt kell biztosítania a zacskó szélei és záróterülete körül

• A mozgás megakadályozása anélkül, hogy mereven összenyomnánk a cellát

• A vezetékek és fülek rögzítése ismétlődő húzás vagy rezgés ellen

• A szervizelés során figyelembe kell venni az akkumulátor eltávolítását és cseréjét

Az akkumulátor rögzítésére habanyag, szabályozott ragasztófelületek vagy megfelelő akkumulátor-tálca használható. A kiválasztott anyagnak kompatibilisnek kell lennie a cella zacskójával és a várható hőmérséklettartománnyal.

Ne válassza az akkumulátort kizárólag a képernyő mérete alapján

Általában egy nagyobb képernyő több energiát igényel frissítésenként, de a képernyő mérete nem az egyetlen tényező. Két azonos kijelzőméretű címke teljesítményigénye jelentősen eltérhet a rádióprotokolljuk, a frissítési gyakoriságuk, az LED-működésük és a firmware-jük miatt.

A végső akkumulátor méreteket a teljes mechanikai elrendezés és a mért teljesítményprofil alapján kell meghatározni.

ESL tervezési forgatókönyv	Tipikus akkumulátor-tervezési irány	Ellenőrizendő fő pontok
Kompakt, újratölthető címke	Vékony, egycellás LiPo akkumulátor egyedi vezetékkel vagy fémfóliával	Minimális vastagság, töltési mód és csúcsáram
Közepes méretű címke gyakori frissítésekkel	Nagyobb kapacitású, egycellás LiPo akkumulátor	Kijelző frissítési energiája, rádióesemények és használható kapacitás
Nagy méretű vagy interaktív címke	Nagyobb LiPo akkumulátor vagy párhuzamosan kapcsolt cellák megoldása	LED terhelés, frissítési gyakoriság, védőáramkör és töltési idő
Hűtött tárolási címke	Alacsony hőmérsékletű elem vagy alternatív elsődleges kémiai összetétel	Impulzusfeszültség, kisütési teljesítmény és töltési korlátozások
Hosszú élettartamú címke töltés nélkül	Az elsődleges lítiumelem gyakran előnyösebb választás	Önkisülés, impulzusképesség és cserestratégia

Ez a táblázat egy tervezési kiindulási pont, nem kapacitási ajánlás. A kapacitást a készülék mért fogyasztása alapján kell kiszámítani.

2. Valószerű teljesítménykeret felépítése

Egy ESL átlagos árama rendkívül alacsonynak tűnhet, de az átlagos áram önmagában nem mutatja, hogy az akkumulátor képes-e támogatni minden kijelzőfrissítést.

Egy megfelelő teljesítménykeretnek tartalmaznia kell:

• MCU alvóárama

• Rádió várakozási és fogadási árama

• Adási áram

• E-papír frissítési árama és időtartama

• LED-áram és villogási idő

• Érzékelő vagy gomb működése

• Feszültségszabályozó veszteségei

• Akkumulátorvédelmi áramkör fogyasztása

• Töltőáramkör nyugalmi árama

• Várható frissítési hibák és újraadások

A napi fogyasztás a következőképpen becsülhető meg:

Napi kapacitáshasználat = alvási fogyasztás + kommunikációs fogyasztás + kijelző-frissítési fogyasztás + kiegészítők fogyasztása

Egyedi esemény esetén:

Esemény fogyasztása mAh-ban = esemény árama mA-ban × esemény időtartama órában × események száma naponta

Az elképzelt szolgáltatási időszak alatt becsült terhelést ezután ki kell igazítani a következő tényezők figyelembevételével:

• A rendszer kikapcsolási feszültségénél elérhető kapacitás

• Alacsony hőmérsékleten bekövetkező kapacitáscsökkenés

• Elemek öregedése

• Saját feltöltés

• Átalakítási veszteségek

• Gyártási ingadozások

• Műszaki tartalék

Ne számítsa ki az akkumulátor élettartamát a névleges kapacitás és az átlagos áram hányadosából, és ne álljon meg ezen a ponton. Ez a módszer figyelmen kívül hagyja az impulzusokhoz kapcsolódó feszültségesést, a hőmérsékletet és azt a kapacitást, amely a rendszer minimális üzemelési feszültsége alatt nem érhető el.

Egy működő prototípus mérése

A komponensek adatlapjai hasznosak a korai tervezési fázisban, de a végleges akkumulátor-kiválasztást egy valós ESL prototípus mérései alapján kell elvégezni.

Használjon teljesítményanalizátort vagy árammérő eszközt a következők rögzítésére:

• Mélyalvási áram

• Átjátszó kapcsolódási események

• Egy normál kijelzőfrissítés

• Teljes képernyős vagy többszínű frissítés

• LED-működtetés

• Sikertelen kommunikációs és újrapróbálkozási események

• Működés minimális és maximális hőmérsékleten

Ez a mérés gyakran felfedi azokat a rövid ideig tartó terheléseket, amelyek hiányoznak az eredeti táblázatból.

3. Ellenőrizze az impulzusáramot és az élettartam végén jelentkező feszültséget

Az ESL rádiók és az e-papír kijelzők rövid áramimpulzusokat hoznak létre. Még akkor is, ha minden egyes impulzus által felhasznált teljes energia kicsi, a telepfeszültség ideiglenesen lecsökkenhet a cella impedanciája miatt.

A probléma súlyosabbá válik, ha:

• A telep hideg

• A maradék kapacitás alacsony

• A cella öregedett

• A frissítési áram magas

• A védőkör vagy a csatlakozó ellenállást ad hozzá

Ha a feszültség lecsökken az MCU alulfeszültség-zárolási küszöbértéke alá, a címke frissítés közben újraindulhat. Ezután újra elindulhat, újracsatlakozhat, és ugyanazt a műveletet ismételheti, ami még több energiát fogyaszt.

A telepített akkumulátor értékelése ezért tartalmaznia kell:

• Egyenáramú belső ellenállás

• A várható impulzusterhelés alatti feszültség

• Impulzusidőtartam

• Rendszer kikapcsolási feszültsége

• MCU alacsonyfeszültség-figyelmeztetési küszöbe

• Csatlakozók és vezetékek ellenállása

• Teljesítmény alacsony töltöttségi szinten

• Teljesítmény a legalacsonyabb üzemelési hőmérsékleten

Egy nagyobb névleges kapacitás nem feltétlenül oldja meg az impulzusproblémát. A cella felépítése, az elektródatervezés, a hőmérséklet és az áramkör ellenállása ugyanolyan fontosak lehetnek.

4. Szolgáltatási élettartamra vonatkozó állítások kezelése óvatosan

Egy ESL-akkumulátor élettartamára vonatkozó állítás csak akkor érvényes, ha meghatározottak az üzemeltetési körülmények.

Egy „legfeljebb tíz év” jellegű megfogalmazásnak meg kell határoznia – vagy legalábbis alapul kell lennie – a következőkre:

• Napi frissítések száma

• Kijelző típusa és színek száma

• Vezeték nélküli kommunikációs frekvencia

• LED-fogyasztás

• Működési hőmérséklet

• Hálózati feltételek

• Alvó áram

• Akkumulátor kémia

• Rendszer kikapcsolási feszültsége

Újratölthető lítium-polimer elemek önkisülést és időbeli öregedést mutatnak, még akkor is, ha nem használják őket gyakran. Hosszú távú tartósságuk a hőmérséklettől, a töltöttségi állapottól és az elem tervezésétől függ. Ezért biztonságtalan feltételezni, hogy minden LiPo-elem éves önkisülési aránya csupán egy–két százalék.

Többéves projekt esetén kérje a beszállítótól az ajánlott elem tartóssági, tárolási és öregedési adatait. A gyorsított tesztek eredményeit az aktuális alkalmazási körülményekkel együtt kell értékelni.

Ha nincs töltési módszer, és a fő követelmény a lehető leghosszabb karbantartásmentes élettartam, akkor az architektúra véglegesítése előtt hasonlítsa össze a LiPo megoldást egy megfelelő elsődleges lítiumos megoldással.

5. Gondoljon a hűtött lánc működésére korán

Az elektronikus polc-címkék hűtött kijelzőkben és fagyasztott élelmiszerek területén másfajta akkumulátor-kihívást jelentenek.

Alacsony hőmérsékleten a cella impedanciája nő, és a rendelkezésre álló kapacitás csökken. A rádiós adás vagy az e-papír-frissítés során fellépő feszültségesés akkora lehet, hogy újraindítja a rendszert, még akkor is, ha az akkumulátorban továbbra is használható energiamennyiség maradt.

Az újratölthető lítium-ion akkumulátoroknak alacsony hőmérsékleten is fontos töltési korlátozásaik vannak. Egy szokásos LiPo cellát nem szabad a gyártója által megadott hőmérséklet alatt tölteni. A rendszernek szüksége lehet:

• Alacsony hőmérsékletre alkalmazható cellára

• Hőmérséklet-érzékelővel és töltésblokkolással ellátott töltőre

• Csökkent töltőáramra

• Más akkumulátor-kémiára

• A szoftverfrissítés, amely korlátozza a nagy terhelésű eseményeket, ha az akkumulátor hideg.

• Nagyobb feszültség-tartalék a mikrovezérlő kikapcsolási feszültsége felett.

Fagyasztóalkalmazásokhoz tesztelje a teljes címkéket hőmérséklet-kamrában. A szobahőmérsékleten mért kapacitásadatok nem jósolják meg pontosan a hideg impulzusos teljesítményt.

6. Értékelje a cella felépítését anélkül, hogy egyetlen címkére támaszkodna.

A rétegzett elektródás felépítés hasznos lehet vékony cellákhoz, és jó méretbeli ellenőrzést is nyújthat. A tekercselt felépítés szintén széles körben alkalmazott, és megbízhatóan működhet, ha megfelelően tervezték és gyártották.

Túl egyszerű feltételezni, hogy minden rétegzett cella jobb, mint minden tekercselt cella.

Ehelyett hasonlítsa össze a tényleges műszaki adatokat és teszteredményeket a következőkre:

• Vastagsági eltolás

• Egyenáramú belső ellenállás

• Impulzusos teljesítmény

• Életciklus

• Tárolási viselkedés

• Meghatározott körülmények közötti duzzadás

• Alacsony hőmérsékleten történő kisütés

• Magas hőmérsékleten történő tárolás

• Tételről tételre való egyezőség

A megfelelő kivitelezés az, amely teljesíti az ESL elektromos és mechanikai követelményeit, egyenletes gyártási minőséggel.

7. Biztonsági és szállítási követelmények megerősítése

A megfelelőség tervezését a telepítőelem méretének és az elektromos kialakításnak a véglegesítése előtt kell elvégezni.

A követelmények piacok szerint és attól függően változnak, hogy a cella külön kerül-e szállításra, berendezésbe épül-e be vagy védett akkumulátorcsomagba szerelik-e be. Gyakori szabványok és vizsgálatok például:

• UN 38.3 lítium-akkumulátorok szállításának vizsgálata

• IEC 62133-2 hordozható, zárható másodlagos lítiumcellákra és akkumulátorokra

• UL 1642 lítiumcellákra vonatkozóan a megfelelő alkalmazásokban

• UL 2054 bizonyos háztartási és kereskedelmi akkumulátorcsomagokra

• A teljes ESL termékre vonatkozó regionális követelmények

Egy akkumulátorcella-modellre készített vizsgálati jelentés nem fed le automatikusan egy módosított szerkezetet, eltérő cellakombinációt vagy újonnan tervezett akkumulátorcsomagot. Erősítse meg, hogy a dokumentumok pontosan az adott projekthez szállított akkumulátorra vonatkoznak.

Az akkumulátor műszaki leírásának tartalmaznia kell továbbá:

• Maximális Töltési Feszültség

• Töltési és kisütési áramot

• Védőhatárokat

• Működési és tárolási hőmérséklet

• Cella- és csomagazonosítást

• Konnektor polaritását

• Kábel- és füles követelményeket

• Gyártási nyomon követhetőség

8. Kérdések egy ESL-akkumulátor-szállítótól

A prototípusok rendelése előtt adjon meg a kívánt feszültségen és kapacitáson túl további információkat is a szállítónak.

Egy hasznos ESL-akkumulátor-kérelemnek tartalmaznia kell:

1. Elérhető akkumulátorrekesz méretek

2. Maximálisan megengedett vastagság

3. Névleges és üzemi feszültségtartomány

4. Mért alvó áram

5. Maximális impulzusáram és időtartam

6. Napi frissítések száma

7. Rádióprotokoll

8. Kijelző mérete és színkonfigurációja

9. LED- vagy érzékelő működési profilja

10. Működési és tárolási hőmérséklet

11. Tervezett szolgáltatási élettartam

12. Töltési módszer, ha alkalmazható

13. Csatlakozó, vezeték, füles és polaritási követelmények

14. Szükséges tanúsítások és célpiacok

15. Prototípus- és éves gyártási mennyiségek

Ezen információk korai megadása megkönnyíti annak eldöntését, hogy egy szabványos elem megfelelő-e, vagy pedig egy egyedi akkumulátor indokolt.

Gyakran Ismételt Kérdések

Mi a legjobb akkumulátor egy elektronikus polc-címke számára?

Nincs egyetlen legjobb akkumulátor minden ESL-hez. Az elsődleges lítium-mangán-dioxid akkumulátorokat széles körben használják hosszú élettartamú, ritkán frissített címkéknél. Az újratölthető lítium-polimer akkumulátorok inkább vékony, újratölthető, gyakran frissített vagy funkciókban gazdagabb ESL-tervekhez alkalmazhatók.

Képes egy lítium-polimer akkumulátor tíz évig működtetni egy ESL-t?

Ezt nem szabad feltételezni alkalmazásspecifikus tesztelés nélkül. A szolgáltatási élettartam függ az elem kémiai összetételétől, kapacitásától, önkisülésétől, a hőmérséklettől, az alvó áramtól, a frissítési gyakoriságtól és az impulzus teljesítménytől. Egy újratölthető LiPo rendszerhez realisztikus töltési vagy karbantartási stratégia is szükséges.

Hogyan számítják ki az ESL-akkumulátor kapacitását?

A kapacitást a mért alvó áramból, vezeték nélküli eseményekből, kijelző-frissítésekből, LED-ekből és egyéb terhelésekből kell kiszámítani. Az eredménynek ezután tartalmaznia kell a veszteségeket, az öregedési hatásokat, a hőmérsékleti hatásokat, a lekapcsolási feszültségnél elérhető hasznos kapacitást és egy műszaki tartalékot.

Miért állítja vissza az ESL a kijelző frissítése közben?

Gyakori ok a pulzusterhelés alatti ideiglenes feszültségesés. A hideg hőmérséklet, egy öregedett akkumulátor, magas belső ellenállás, vékony vezetékek vagy csatlakozóellenállás csökkentheti a tápfeszültséget az MCU minimális üzemelési szintje alá.

Használható-e egy standard LiPo elem egy fagyasztós ESL-ben?

Csak akkor, ha az elemet a szükséges hőmérsékletre értékelték és tesztelték. Figyelembe kell venni a alacsony hőmérsékleten történő kisütési képességet és a töltési korlátozásokat is. Egyes hűtött láncra épülő projektekhez speciális alacsony hőmérsékletre optimalizált elem vagy elsődleges lítium-kémia lehet megfelelőbb megoldás.

Záró gondolatok

Egy elektronikus polc-címke számára lítium-polimer akkumulátor kiválasztása rendszerszintű mérnöki döntés. A kapacitás fontos, de ugyanolyan fontos a vastagságtűrés, az impulzusáram, a lekapcsolási feszültség, a hőmérséklet, az öregedés és a töltési stratégia.

Egy vékony, újratölthető ESL-hez egy egyedi LiPo elem jobban kihasználhatja a belső teret, és egyszerűbbé teheti a mechanikai integrációt. Egy hagyományos címke esetében, amelynek évekig kell működnie töltés nélkül, egy elsődleges lítiumelem lehet a szolgáltatási idő és a karbantartási költség szempontjából megfelelőbb egyensúlyt nyújtó megoldás.

A Cowon támogatja az elektronikus polc-címke akkumulátorprojekteket standard és egyedi akkumulátorválasztással, beleértve a cellaméret-értékelést, vezetékeket, csatlakozókat, füleket, védőáramköröket és alkalmazásspecifikus akkumulátor-konfigurációt.

Egy ESL-akkumulátor értékeléséhez küldje el nekünk a rendelkezésre álló akkumulátorteret, a feszültségtartományt, a frissítési gyakoriságot, az üzemelési hőmérsékletet és az éves várható mennyiséget. Csapatunk segíthet a követelmények átnézésében és egy megfelelő akkumulátor-megoldás ajánlásában.