Batterie LiPo per etichette elettroniche da scaffale: guida alla scelta

Come scegliere una batteria agli ioni di litio polimerica per etichette elettroniche da scaffale: capacità, dimensioni e durata

Un’etichetta elettronica da scaffale può trascorrere quasi l’intera giornata in modalità di sonno, quindi chiedere alla propria batteria di erogare un breve impulso di corrente per la comunicazione wireless, l’aggiornamento di un display e-ink o un allarme LED. Questo profilo di carico insolito rende la scelta della batteria per le ESL più complessa rispetto a una semplice corrispondenza di tensione e capacità.

Una batteria che funziona bene in un dispositivo indossabile potrebbe non offrire la stessa durata in un’etichetta digitale per i prezzi. Il progettista di ESL deve considerare la corrente di stand-by, la frequenza degli aggiornamenti, la corrente d’impulso, la temperatura di esercizio, lo spazio disponibile e il metodo con cui la batteria verrà sostituita o ricaricata.

Le batterie al litio-polimero possono rappresentare una buona scelta per etichette elettroniche da scaffale sottili, ricaricabili o dotate di numerose funzionalità. Tuttavia, non costituiscono automaticamente la soluzione migliore per ogni progetto di etichetta elettronica da scaffale.

La decisione corretta parte dal profilo operativo effettivo dell’etichetta elettronica da scaffale.

Quale tipo di batteria viene utilizzato in un’etichetta elettronica da scaffale?

La maggior parte delle etichette elettroniche da scaffale utilizza un display e-paper abbinato a un microcontrollore a basso consumo energetico e a un sistema di comunicazione wireless, come Bluetooth Low Energy o un protocollo proprietario sub-GHz.

Poiché l’e-paper conserva un’immagine senza alimentazione continua, l’etichetta può rimanere in modalità sleep per lunghi periodi. L’energia è richiesta principalmente quando l’etichetta riceve dati, aggiorna il proprio display, fa lampeggiare un LED o comunica con un gateway.

Vengono comunemente considerate due categorie di batterie.

Batterie primarie al litio

Batterie primarie al litio e biossido di manganese, incluse le pile a bottone e le celle sottili in formato sacchetto, sono ampiamente utilizzate negli ESL a bassa potenza progettati per funzionare per diversi anni senza ricarica.

I principali vantaggi includono:

• Bassa autoscarica

• Lunga durata della conservazione

• Architettura di alimentazione semplice

• Nessun circuito di ricarica

• Buona idoneità per aggiornamenti del display poco frequenti

Il principale limite è che la batteria dovrà infine essere sostituita oppure l’etichetta dovrà essere ritirata dal servizio.

Batterie ricaricabili al polimero di litio

Le batterie ricaricabili al polimero di litio sono più adatte quando l’ESL dispone di un metodo di ricarica definito o quando le sue funzionalità richiedono maggiore energia rispetto a un’etichetta tradizionale a bassa potenza.

Applicazioni tipiche includono:

• Etichette elettroniche ricaricabili

• Display grandi o aggiornati con frequenza

• Etichette con attività LED frequente

• Etichette interattive con pulsanti o sensori

• Etichette riutilizzabili per logistica e magazzino

• Sistemi ESL assistiti da energia solare o caricati per contatto

• Dispositivi ultra-sottili con layout interno personalizzato

Una cella LiPo ricaricabile ha generalmente una tensione nominale di 3,7 V o 3,85 V, a seconda della sua chimica e delle specifiche di tensione di carica. L’IC di carica, il circuito di protezione e l’intervallo di tensione del sistema devono essere progettati intorno alla cella scelta.

È inoltre importante non identificare una batteria unicamente in base al suo involucro. Una batteria flessibile in busta sottile potrebbe essere una cella ricaricabile agli ioni di litio polimerica oppure una cella non ricaricabile al biossido di manganese di litio. Questi prodotti presentano tensioni diverse, requisiti di carica differenti e caratteristiche distinte di durata operativa.

Quando ha senso utilizzare una batteria al polimero di litio per un ESL?

Una batteria al polimero di litio offre il massimo valore quando forma, spessore e possibilità di ricarica sono più importanti rispetto all’obiettivo di ottenere la più lunga durata operativa possibile senza interventi, tipica di una cella primaria.

La sua struttura a sacchetto consente alla batteria di sfruttare in modo più efficace spazi interni rettangolari o comunque difficili rispetto a una pila a bottone con diametro fisso. La cella può essere fornita anche con cavi, connettori, linguette, circuiti di protezione e sensori di temperatura personalizzati.

LiPo va considerata quando:

• Il sistema elettronico per etichette (ESL) include contatti per la ricarica, una stazione di ricarica o il recupero energetico

• L’involucro è troppo sottile o irregolare per pile a bottone standard

• L’etichetta viene aggiornata più frequentemente rispetto a un’etichetta per prezzi convenzionale

• Il design prevede LED, sensori, pulsanti o altre funzioni interattive

• È previsto che la batteria venga ricaricata durante il ciclo di vita del prodotto

• Una batteria standard non riesce a sfruttare in modo efficiente lo spazio interno disponibile

Per un ESL destinato a operare per cinque, dieci o più anni senza ricarica, la chimica litio primaria potrebbe rimanere l’opzione più pratica. Una cella LiPo ricaricabile non va scelta unicamente perché si adatta all’involucro.

1. Partire dallo spazio disponibile

Lo spessore è spesso il primo vincolo meccanico per un’etichetta elettronica da scaffale. La batteria è posizionata dietro o accanto al display, mentre l’involucro deve rimanere sufficientemente sottile da adattarsi ai normali binari degli scaffali.

Il progetto deve tenere conto di più delle sole dimensioni nominali indicate nel disegno della cella.

Prevedere spazio per la tolleranza di spessore e per l’espansione

Una cella a sacchetto non deve essere compressa rigidamente tra il coperchio posteriore e il modulo e-paper. Lo spessore della cella varia in funzione della tolleranza produttiva, dello stato di carica, della temperatura e dell’invecchiamento.

La tolleranza richiesta deve essere concordata con il fornitore della batteria sulla base della specifica effettiva della cella. Non si deve applicare una percentuale fissa a ogni batteria, poiché il comportamento di espansione dipende dalla chimica della cella, dalla capacità, dalla costruzione e dalle condizioni operative.

Il progetto meccanico deve:

• Evitare pressioni dirette sul display e-paper

• Mantenere la cella lontana da nervature plastiche affilate e da supporti per viti

• Garantire uno spazio libero intorno ai bordi e alla zona di sigillatura della cella a sacchetto

• Impedire il movimento senza comprimere rigidamente la cella

• Sostenere i cavi e le linguette contro trazioni ripetute o vibrazioni

• Considerare la rimozione e la sostituzione della batteria durante la manutenzione

Per fissare la batteria si possono utilizzare schiuma, aree adesive controllate o un apposito vano batteria. Il materiale scelto deve essere compatibile con la custodia flessibile della cella e con l’intervallo di temperature previsto.

Non selezionare la batteria in base esclusivamente alle dimensioni dello schermo

Uno schermo più grande richiede generalmente maggiore energia per ogni aggiornamento, ma le dimensioni dello schermo non sono l’unico fattore determinante. Due etichette con identiche dimensioni di visualizzazione possono avere requisiti energetici molto diversi a causa del protocollo radio, della frequenza di aggiornamento, del comportamento degli LED e del firmware.

Le dimensioni finali della batteria devono basarsi sull’intero layout meccanico e sul profilo di potenza misurato.

Scenario di progettazione ESL	Direzione tipica di progettazione della batteria	Principali punti da verificare
Etichetta compatta e ricaricabile	LiPo a singola cella sottile con cavi o linguette personalizzati	Spessore minimo, metodo di ricarica e corrente di picco
Etichetta media con aggiornamenti frequenti	LiPo a singola cella con capacità superiore	Energia per l’aggiornamento del display, eventi radio e capacità utilizzabile
Etichetta grande o interattiva	LiPo di dimensioni maggiori o soluzione a celle in parallelo	Carico LED, frequenza di aggiornamento, circuito di protezione e tempo di ricarica
Etichetta per stoccaggio a freddo	Cella a bassa temperatura o chimica primaria alternativa	Tensione a impulsi, prestazioni in scarica e limitazioni di carica
Etichetta per lunga durata senza carica	Batteria primaria al litio spesso preferita	Autoscarica, capacità a impulsi e strategia di sostituzione

Questa tabella è un punto di partenza progettuale, non una raccomandazione di capacità. La capacità deve essere calcolata a partire dal consumo misurato del dispositivo.

2. Costruire un bilancio energetico realistico

La corrente media di un ESL può apparire estremamente bassa, ma la sola corrente media non indica se la batteria è in grado di supportare ogni aggiornamento del display.

Un adeguato bilancio energetico dovrebbe includere:

• Corrente di standby della MCU

• Corrente di standby e di ricezione della radio

• Corrente di trasmissione

• Corrente di aggiornamento e durata dell’e-paper

• Corrente LED e tempo di lampeggio

• Attività del sensore o del pulsante

• Perdite del regolatore di tensione

• Consumo del circuito di protezione della batteria

• Corrente di riposo del circuito di ricarica

• Errori di aggiornamento previsti e ritrasmissioni

Il consumo giornaliero può essere stimato come:

Utilizzo giornaliero della capacità = consumo in modalità sleep + consumo delle comunicazioni + consumo del refresh del display + consumo degli accessori

Per un singolo evento:

Consumo dell’evento in mAh = corrente dell’evento in mA × durata dell’evento in ore × numero di eventi al giorno

Il carico stimato per il periodo di servizio previsto deve quindi essere corretto per:

• Capacità utilizzabile alla tensione di cutoff del sistema

• Riduzione della capacità a basse temperature

• Invecchiamento delle celle

• Auto-discarico

• Perdite di conversione

• Variazioni produttive

• Un margine ingegneristico

Non calcolare la durata della batteria dividendo la capacità nominale per la corrente media e fermandosi lì. Questo metodo ignora la caduta di tensione legata agli impulsi, la temperatura e la capacità che rimane non disponibile al di sotto della tensione minima di funzionamento del sistema.

Misurare un prototipo funzionante

I fogli dati dei componenti sono utili nelle fasi iniziali della progettazione, ma la scelta finale della batteria deve basarsi su misurazioni effettuate su un vero prototipo ESL.

Utilizzare un analizzatore di potenza o uno strumento per la registrazione della corrente per registrare:

• Corrente in modalità deep-sleep

• Eventi di connessione del gateway

• Un normale aggiornamento del display

• Un aggiornamento a schermo intero o multicolore

• Funzionamento dei LED

• Eventi di comunicazione fallita e tentativi di ripetizione

• Funzionamento alle temperature minima e massima

Questa misurazione rivela spesso carichi brevi non presenti nel foglio elettronico iniziale.

3. Verificare la corrente d’impulso e la tensione di fine vita

Le radio ESL e i display e-paper generano impulsi di corrente brevi. Anche se l’energia totale assorbita da ciascun impulso è ridotta, la tensione della batteria può subire un calo temporaneo a causa dell’impedenza della cella.

Il problema diventa più grave quando:

• La batteria è fredda

• La capacità residua è bassa

• La cella ha subito invecchiamento

• La corrente di aggiornamento è elevata

• Il circuito di protezione o il connettore introducono resistenza

Se la tensione scende al di sotto della soglia di blocco per sottotensione dell’MCU, l’etichetta potrebbe resettarsi durante un aggiornamento. Potrebbe quindi riavviarsi, ristabilire la connessione e ripetere la stessa operazione, consumando ulteriore energia.

La valutazione della batteria deve pertanto includere:

• Resistenza interna in corrente continua

• Tensione sotto il carico impulsivo previsto

• Durata dell'Impulso

• Tensione di interruzione del sistema

• Soglia di brownout della MCU

• Resistenza del connettore e dei cavi

• Prestazioni a basso stato di carica

• Prestazioni alla temperatura operativa più bassa

Una capacità nominale maggiore non risolve necessariamente un problema impulsivo. La costruzione della cella, la progettazione degli elettrodi, la temperatura e la resistenza del circuito possono essere altrettanto importanti.

4. Valutare con attenzione le dichiarazioni sulla durata utile

Una dichiarazione sulla durata utile di una batteria ESL è valida soltanto quando le condizioni operative sono definite.

Un'affermazione come «fino a dieci anni» deve specificare, o quantomeno basarsi su:

• Numero di aggiornamenti al giorno

• Tipo di display e numero di colori

• Frequenza di comunicazione wireless

• Utilizzo di LED

• Temperatura di funzionamento

• Condizioni di rete

• Corrente in modalità sleep

• Chimica della batteria

• Tensione di interruzione del sistema

Le celle ricaricabili al litio-polimero subiscono auto-scarica e invecchiamento da calendario anche quando non vengono sottoposte frequentemente a cicli di carica/scarica. La loro capacità di ritenzione a lungo termine dipende dalla temperatura, dallo stato di carica e dal design della cella. Pertanto, non è sicuro ipotizzare che ogni cella LiPo presenti un tasso annuo di auto-scarica pari soltanto all'uno o due per cento.

Per un progetto pluriennale, chiedere al fornitore i dati relativi alla ritenzione, allo stoccaggio e all'invecchiamento della cella proposta. I risultati dei test accelerati devono essere esaminati congiuntamente alle effettive condizioni di impiego.

Se non è previsto alcun metodo di ricarica e il requisito principale è la massima durata possibile senza manutenzione, confrontare la soluzione LiPo con una soluzione al litio primaria adeguata prima di definire definitivamente l'architettura.

5. Considerare fin dall’inizio il funzionamento della catena del freddo

Le etichette elettroniche per scaffali utilizzate in vetrine refrigerate e nelle aree dedicate ai prodotti congelati pongono una sfida diversa per la batteria.

A basse temperature, l’impedenza della cella aumenta e la capacità disponibile diminuisce. La caduta di tensione durante una trasmissione radio o un aggiornamento dell’e-paper potrebbe diventare così elevata da causare il reset del sistema, anche quando la batteria contiene ancora energia utilizzabile.

Anche le batterie ricaricabili agli ioni di litio presentano importanti limitazioni di carica a basse temperature. Una cella standard LiPo non deve essere caricata al di sotto della temperatura specificata dal produttore. Il sistema potrebbe richiedere:

• Una cella qualificata per basse temperature

• Un caricabatterie dotato di rilevamento della temperatura e di blocco della carica

• Una corrente di carica ridotta

• Una chimica della batteria diversa

• Un firmware che limiti gli eventi ad alto carico quando la batteria è fredda

• Un margine di tensione maggiore rispetto al valore di cutoff della MCU

Per le applicazioni in congelatore, testare etichette complete in una camera climatica. I dati di capacità a temperatura ambiente non possono prevedere con precisione le prestazioni durante impulsi freddi.

6. Valutare la costruzione della cella senza basarsi su un’unica etichetta

La costruzione a elettrodi sovrapposti può essere utile per celle sottili e può offrire un buon controllo dimensionale. La costruzione avvolta è anch’essa ampiamente utilizzata e può funzionare in modo affidabile se progettata e prodotta correttamente.

È troppo semplicistico ipotizzare che ogni cella a elettrodi sovrapposti sia migliore di ogni cella avvolta.

Confrontare invece le specifiche effettive e i dati di prova relativi a:

• Tolleranza dello spessore

• Resistenza interna in corrente continua

• Prestazioni impulsive

• Ciclo di vita

• Comportamento in stoccaggio

• Dilatazione nelle condizioni specificate

• Scarica a basse temperature

• Conservazione a temperatura elevata

• Coerenza da lotto a lotto

La costruzione corretta è quella che soddisfa i requisiti elettrici e meccanici dell’ESL con una qualità produttiva costante.

7. Confermare i requisiti di sicurezza e trasporto

La conformità deve essere pianificata prima che le dimensioni della batteria e il progetto elettrico siano definitivi.

I requisiti variano in base al mercato e al fatto che la cella venga spedita separatamente, installata nell’equipaggiamento o assemblata in un pacco batteria protetto. Gli standard e i test comuni possono includere:

• UN 38.3 per i test di trasporto delle batterie al litio

• IEC 62133-2 per celle e batterie ricaricabili sigillate al litio portatili

• UL 1642 per celle al litio in applicazioni specifiche

• UL 2054 per determinati pacchi batteria domestici e commerciali

• Requisiti regionali applicabili all’intero prodotto ESL

Un rapporto di prova per un modello di cella non copre automaticamente una costruzione modificata, una diversa combinazione di celle o un pacco batteria di nuova progettazione. Verificare che i documenti corrispondano esattamente alla batteria fornita per il progetto.

La specifica della batteria dovrebbe inoltre definire:

• Tensione di Carica Massima

• Corrente di carica e scarica

• Limiti di protezione

• Temperatura di funzionamento e stoccaggio

• Identificazione della cella e del pacco

• Polarità del connettore

• Requisiti per cavi e linguette

• Tracciabilità della Produzione

8. Domande da porre a un fornitore di batterie ESL

Prima di ordinare prototipi, fornire al fornitore più di sola tensione e capacità desiderate.

Una richiesta utile di batteria ESL dovrebbe includere:

1. Dimensioni disponibili dello scomparto per la batteria

2. Spessore massimo consentito

3. Tensione nominale e intervallo di funzionamento

4. Corrente di standby misurata

5. Corrente di picco massima e durata

6. Numero di aggiornamenti al giorno

7. Protocollo radio

8. Dimensioni del display e configurazione dei colori

9. Profilo operativo del LED o del sensore

10. Temperatura di funzionamento e stoccaggio

11. Durata di servizio prevista

12. Metodo di ricarica, se applicabile

13. Requisiti per connettore, cavo, linguetta e polarità

14. Certificazioni richieste e mercati di destinazione

15. Quantità di prototipi e produzione annuale

Fornire queste informazioni in anticipo facilita la determinazione se una cella standard sia adatta o se sia giustificata una batteria personalizzata.

Domande frequenti

Qual è la migliore batteria per un'etichetta elettronica da scaffale?

Non esiste una singola batteria ottimale per tutte le ESL. Le batterie primarie al litio biossido di manganese sono ampiamente utilizzate per etichette a lunga durata e con aggiornamenti rari. Le batterie ricaricabili al polimero di litio sono più adatte a design di ESL sottili, ricaricabili, con aggiornamenti frequenti o dotate di numerose funzionalità.

Una batteria al polimero di litio può alimentare un'ESL per dieci anni?

Non va dato per scontato senza test specifici per l’applicazione. La durata operativa dipende dalla chimica della cella, dalla capacità, dall’auto-scarica, dalla temperatura, dalla corrente di stand-by, dalla frequenza degli aggiornamenti e dalle prestazioni in impulso. Un sistema ricaricabile LiPo richiede inoltre una strategia di ricarica o manutenzione realistica.

Come si calcola la capacità della batteria per un’ESL?

La capacità deve essere calcolata sulla base della corrente di standby misurata, degli eventi wireless, degli aggiornamenti del display, degli LED e di altri carichi. Il risultato deve quindi includere le perdite, l’invecchiamento, gli effetti della temperatura, la capacità utilizzabile alla tensione di cutoff e una riserva ingegneristica.

Perché un ESL si resetta durante un aggiornamento del display?

Una causa comune è una caduta temporanea di tensione sotto carico impulsivo. Temperature basse, una batteria invecchiata, un’elevata resistenza interna, cavi sottili o la resistenza dei connettori possono far scendere la tensione di alimentazione al di sotto del livello minimo di funzionamento dell’MCU.

È possibile utilizzare una cella LiPo standard in un ESL per freezer?

Solo se la cella è specificata e testata per la temperatura richiesta. Devono essere considerate sia la capacità di scarica a basse temperature sia le limitazioni relative alla ricarica. Alcuni progetti per la catena del freddo potrebbero trarre maggior vantaggio da una cella specializzata per basse temperature o da una chimica litio primaria.

Considerazioni finali

La scelta di una batteria al litio-polimero per un'etichetta elettronica da scaffale è una decisione ingegneristica a livello di sistema. La capacità è importante, ma lo sono altrettanto la tolleranza sullo spessore, la corrente a impulsi, la tensione di cutoff, la temperatura, l'invecchiamento e la strategia di ricarica.

Per un'etichetta elettronica da scaffale sottile e ricaricabile, una cella LiPo personalizzata può sfruttare meglio lo spazio interno e semplificare l'integrazione meccanica. Per un'etichetta convenzionale destinata a funzionare per molti anni senza ricarica, una batteria primaria al litio potrebbe offrire un equilibrio più adatto tra durata operativa e costo di manutenzione.

Cowon supporta progetti di batterie per etichette elettroniche da scaffale con opzioni standard e personalizzate, incluse valutazioni delle dimensioni della cella, cavi, connettori, linguette, circuiti di protezione e configurazioni di batteria specifiche per l'applicazione.

Per valutare una batteria per etichette elettroniche da scaffale, inviaci lo spazio disponibile per la batteria, la gamma di tensione richiesta, la frequenza di aggiornamento, la temperatura di funzionamento e la quantità annuale prevista. Il nostro team potrà analizzare i requisiti e consigliare una soluzione batteria adeguata.