電子シェルフラベル用リポバッテリー：選定ガイド

電子棚札向けリチウムポリマー電池の選び方：容量、サイズ、寿命

電子棚札（ESL）は、ほぼ一日の大半をスリープ状態で過ごし、その後、無線通信や電子ペーパーの更新、LEDによるアラート表示などに必要な短時間の電流供給を電池に求めます。このような特殊な負荷パターンのため、ESL向け電池の選定は、単に電圧や容量を合わせるだけでは不十分です。

ウェアラブル機器で良好な性能を発揮する電池でも、デジタル価格表示タグ（ESL）では同程度の寿命が得られない場合があります。ESLの設計者は、スリープ時の消費電流、更新頻度、パルス電流、動作温度、搭載可能なスペース、および電池の交換または充電方法を総合的に検討する必要があります。

リチウムポリマー電池は、薄型・充電式・機能豊富な電子棚札（ESL）に適した選択肢となる場合があります。ただし、すべてのESL設計において自動的に最適な解決策になるわけではありません。多くの従来型ラベルでは、自己放電が少なく、長期保管が可能な点から、一次リチウム二酸化マンガン電池が依然として採用されています。

最適な選択は、ESLの実際の運用条件を正確に把握することから始まります。

電子棚札にはどのような電池が使われているか？

ほとんどの電子棚札は、電子ペーパー表示部と低消費電力マイコン、およびBluetooth Low Energy（BLE）や独自のサブGHz無線通信プロトコルなどの無線通信システムを組み合わせて構成されています。

電子ペーパーは通電しなくても画像を保持できるため、ラベルは長時間スリープ状態で待機できます。電力は主に、ラベルがデータを受信するとき、表示内容を更新するとき、LEDを点滅させるとき、またはゲートウェイと通信するときに必要となります。

一般的に検討される電池は、大きく分けて2種類です。

一次リチウム電池

主に二酸化マンガンを正極材とする一次リチウム電池（コイン型および薄型ポーチ型を含む）は、数年間にわたり充電不要で動作する低消費電力の電子棚札（ESL）に広く採用されています。

主な利点は以下のとおりです：

• 自己放電が少ない

• 保存期間が長い

• シンプルな電源構成

• 充電回路が不要

• 表示更新頻度が低い用途に適しています

最大の課題は、最終的に電池を交換するか、あるいは電子棚札を運用から外す必要がある点です。

充電式リチウムポリマー電池

電子棚札に明確な充電方法が定められている場合、あるいは従来の低消費電力型ラベルでは対応できないほど高いエネルギー需要が求められる機能を搭載する場合に、充電式リチウムポリマー電池がより適しています。

典型的な用途には次のものが含まれます：

• 充電式電子棚札

• 大型または更新頻度が高いディスプレイ

• LEDの点灯・点滅が頻繁に行われるラベル

• ボタンまたはセンサー付きのインタラクティブタグ

• 再利用可能な物流・倉庫用ラベル

• 太陽光補助充電または接触充電式ESLシステム

• カスタム設計の内部レイアウトを備えた超薄型デバイス

充電式LiPo電池の公称電圧は、その化学組成および充電電圧仕様に応じて、通常3.7Vまたは3.85Vです。充電IC、保護回路、およびシステムの動作電圧範囲は、選択した電池に合わせて設計する必要があります。

電池を外装パッケージだけで識別しないことも重要です。薄型で柔軟なポーチ型電池は、充電可能なリチウムイオンポリマー電池である場合もあれば、非充電式のリチウムマンガン二酸化物電池である場合もあります。これらは電圧、充電要件、寿命特性がそれぞれ異なります。

リチウムポリマー電池をESLに採用する最適なタイミングとは？

リチウムポリマー電池は、形状・厚さ・充電機能が一次電池による最長無人運用寿命よりも優先される場合に、最も高い価値を発揮します。

ポーチ構造により、固定直径のコイン電池よりも、長方形やその他の形状が複雑な内部空間をより効率的に活用できます。また、カスタマイズされた配線、コネクタ、タブ、保護回路、温度センサなどもオプションでご提供可能です。

以下の条件に該当する場合、LiPo電池をご検討ください：

• ESLに充電用端子、充電ドック、またはエネルギー収穫機能が含まれる

• 筐体が薄すぎたり形状が不規則で、標準のコイン電池を収容できない

• ラベルの更新頻度が従来の価格表示ラベルよりも高い

• LED、センサ、ボタンなど、インタラクティブな機能が設計に含まれている

• 製品の使用期間中に電池を再充電することが見込まれる

• 標準電池では利用可能な内部空間を効率的に活用できない

充電不要で5年、10年、あるいはそれ以上の長期運用が見込まれるESLの場合、一次リチウム系電池の方が実用的である可能性があります。筐体への収まりがよいという理由だけで、充電式LiPo電池を選択すべきではありません。

1．まず、利用可能な空間から検討してください

電子棚札において、厚さはしばしば最初の機械的制約となります。電池はディスプレイの背面または横に配置され、筐体は標準的な棚レールに収まるよう十分に薄く保つ必要があります。

設計では、セル図面に示された公称寸法だけでなく、それ以上の余裕を考慮する必要があります。

厚さの公差および膨張に対する余裕を確保してください

ポーチ型セルをリヤカバーと電子ペーパーモジュールの間に強く圧縮してはいけません。セルの厚さは製造公差、充電状態、温度、経年劣化によって変化します。

必要な余裕量は、実際のセル仕様に基づき電池サプライヤーと事前に合意する必要があります。膨張挙動はセルの化学組成、容量、構造、使用条件に依存するため、一律の割合をすべての電池に適用してはいけません。

機械設計では以下の点に注意してください：

• 電子ペーパー表示部に直接圧力を加えないこと

• セルを鋭いプラスチックリブやネジボスから離して配置すること

• ポーチの端部およびシール領域の周囲に十分なクリアランスを確保すること

• セルを過度に圧縮することなく、その移動を防止する

• ワイヤーやタブが繰り返しの引張りや振動に対して十分にサポートされるようにする

• 保守時のバッテリーの取り外しおよび交換を考慮する

バッテリーの固定には、フォーム材、制御された接着領域、または適切なバッテリートレイを使用してもよい。選択した材料は、セルのポーチ材および想定される温度範囲と互換性を有していなければならない。

画面サイズだけでバッテリーを選定しないこと

一般的に、画面が大きいほど1回の更新あたりの消費電力も大きくなるが、画面サイズは唯一の要因ではない。表示サイズが同一の2つのラベルでも、無線通信プロトコル、更新頻度、LEDの動作、ファームウェアの違いにより、消費電力要件は大きく異なる場合がある。

最終的なバッテリー寸法は、完全な機械的レイアウトおよび実測された電力プロファイルに基づいて決定すべきである。

ESLの設計シナリオ	バッテリー設計の典型的な方針	確認すべき主なポイント
コンパクトで充電可能なラベル	カスタムリード線またはタブ付きの薄型シングルセルLiPo電池	最小厚さ、充電方式、およびピーク電流
更新頻度が高い中サイズラベル	容量の大きいシングルセルLiPo電池	ディスプレイのリフレッシュに必要なエネルギー、無線通信によるイベント発生、および実使用可能容量
大型またはインタラクティブなラベル	大容量LiPo電池または並列接続セル構成	LED負荷、更新頻度、保護回路、および充電時間
低温保管用ラベル	低温用電池または代替一次電池化学系	パルス電圧、放電性能、充電制限
充電不要の長寿命ラベル	一次リチウム電池が好まれることが多い	自己放電、パルス対応能力、交換戦略

本表は設計の出発点であり、容量推奨値ではありません。容量は、機器の実測消費電流から算出する必要があります。

2．現実的な電力予算の作成

ESLの平均電流は非常に低く見えることがありますが、平均電流だけでは、各ディスプレイ更新をバッテリーがサポートできるかどうかはわかりません。

適切な電力予算には以下の要素を含める必要があります：

• MCUのスリープ電流

• ラジオの待機時および受信時の電流

• 送信時の電流

• Eペーパーの更新時の電流および更新時間

• LEDの電流および点滅時間

• センサーやボタンの動作

• 電圧レギュレーターの損失

• バッテリー保護回路の消費電流

• 充電回路の静止時電流

• 予想される更新失敗および再送信

1日の消費電力は以下のように推定できます：

1日の消費電力＝スリープ時の消費電力＋通信時の消費電力＋ディスプレイ更新時の消費電力＋アクセサリ使用時の消費電力

個別のイベントについて：

イベントの消費電流（mAh）＝イベント発生時の電流（mA）× イベント継続時間（時間）× 1日あたりのイベント回数

想定される使用期間中の推定負荷は、以下の要素を考慮して補正する必要があります：

• システムのカットオフ電圧における実効容量

• 低温による容量低下

• セルの経年劣化

• 自動放出

• 変換損失

• 製造ばらつき

• 工学的余裕量

定格容量を平均電流で割ってバッテリー寿命を算出するだけでは不十分です。この方法では、パルスに起因する電圧降下、温度、およびシステムの最低動作電圧以下で利用できない残存容量が無視されます。

実働プロトタイプを測定する

部品のデータシートは初期設計段階では有用ですが、最終的なバッテリー選定は、実際のESLプロトタイプによる測定結果に基づいて行う必要があります。

電力アナライザまたは電流記録装置を用いて以下の項目を記録します：

• ディープスリープ時の電流

• ゲートウェイ接続イベント

• 通常のディスプレイ更新

• フルスクリーンまたはマルチカラーでの更新

• LEDの動作

• 通信失敗および再試行イベント

• 最低および最高温度における動作

この測定では、初期のスプレッドシートには記載されていない短時間の負荷が明らかになることが多い。

3. パルス電流と寿命末期電圧を確認する

ESL無線機器および電子ペーパー表示装置は、短い電流パルスを発生させます。各パルスで消費される総エネルギーが小さくても、セルの内部抵抗により、バッテリー電圧が一時的に低下することがあります。

以下の条件で問題はさらに深刻化します：

• バッテリーの温度が低い場合

• 残存容量が少ない場合

• セルが劣化している場合

• 更新時の電流が大きい場合

• 保護回路やコネクタに追加の抵抗がある場合

電圧がMCUの低電圧ロックアウト（UVLO）しきい値を下回ると、ラベルが更新中にリセットされる可能性があります。その後、再起動・再接続を繰り返し、同じ操作を繰り返すため、さらに多くのエネルギーを消費することになります。

したがって、バッテリー評価には以下の項目を含める必要があります。

• 直流内部抵抗

• 想定されるパルス負荷時の電圧

• パルス幅

• システムのカットオフ電圧

• MCUのブラウナウト閾値

• コネクタおよび配線の抵抗

• 低SOC（充電残量）時における性能

• 最低動作温度時における性能

公称容量が大きいからといって、必ずしもパルス問題が解決するわけではありません。セル構造、電極設計、温度、回路抵抗なども同様に重要です。

4．サービス寿命に関する宣伝文句は慎重に取り扱いましょう

ESLのバッテリー寿命に関する主張は、動作条件が明確に定義されている場合にのみ有効です。

『最大10年』といった表現は、以下のいずれかを明記するか、少なくともそれらに基づいていなければなりません：

• 1日あたりの更新回数

• ディスプレイの種類および表示色数

• 無線通信の周波数

• LEDの使用状況

• 動作温度

• ネットワーク環境

• 睡眠電流

• バッテリー化学

• システムのカットオフ電圧

充電式リチウムポリマー電池は、充放電サイクルが頻繁でない場合でも、自己放電および経時劣化を起こします。その長期的な容量保持率は、温度、充電状態（SOC）、およびセル設計に依存します。したがって、すべてのLiPoセルの年間自己放電率がわずか1～2％であると仮定するのは危険です。

複数年にわたるプロジェクトでは、提案されるセルについて、メーカーから容量保持特性、保管条件および経時劣化に関するデータを入手してください。加速試験の結果は、実際の使用条件と併せて検討する必要があります。

充電手段が存在せず、最も重要な要件が可能な限り長いメンテナンスフリー寿命である場合、アーキテクチャを最終決定する前に、LiPo方式と適切な一次リチウム電池方式とを比較検討してください。

5. 冷蔵・冷凍物流（コールドチェーン）運用を早期に検討する

冷蔵ショーケースや冷凍食品エリアで使用される電子棚札（ESL）は、バッテリーに関する別の課題を抱えています。

低温下では電池の内部抵抗が上昇し、利用可能な容量が低下します。無線通信や電子ペーパーの画面更新時の電圧降下が大きくなり、バッテリーにまだ使用可能なエネルギーが残っているにもかかわらず、システムがリセットされることがあります。

充電式リチウムイオン電池も、低温下での充電には重要な制限があります。標準的なLiPo電池は、メーカーが定める最低温度を下回る環境では充電してはいけません。そのため、システムには以下のような対応が必要になる場合があります。

• 低温仕様に対応した電池

• 温度検出機能と低温時充電抑制機能を備えた充電器

• 充電電流の低減

• 異なる電池化学系

• バッテリーが低温時に高負荷動作を制限するファームウェア

• マイコン（MCU）のカットオフ電圧より広い電圧マージン

冷凍用途の場合、ラベルを完全に貼り付けた状態で温度試験室にて評価を行ってください。常温での容量データでは、低温パルス性能を正確に予測することはできません。

6．単一のラベルに依存せず、セル構造を総合的に評価する

積層電極構造は薄型セルに有効であり、寸法制御性に優れている場合があります。また、巻回構造も広く採用されており、適切に設計・製造されれば信頼性の高い性能を発揮します。

すべての積層型セルがすべての巻回型セルより優れていると単純に考えるのは誤りです。

代わりに、以下の実際の仕様および試験データを比較してください。

• 厚さ容量

• 直流内部抵抗

• パルス性能

• サイクル寿命

• 保管時の挙動

• 規定条件における膨張特性

• 低温放電

• 高温保管

• ロット間の品質の一貫性

最適な構造とは、ESL（エンドシステム要件）が求める電気的・機械的性能を、安定した量産品質で満たす構造です。

7．安全性および輸送に関する要件を確認する

バッテリーの外形寸法および電気的設計を確定する前に、コンプライアンス対応計画を立案する必要があります。

要件は、販売市場や、セルが単体で出荷されるか、機器に組み込まれるか、保護機能付きバッテリーパックに組み立てられるかによって異なります。代表的な規格および試験には以下が含まれます：

• UN 38.3 リチウム電池の輸送試験用

• IEC 62133-2 携帯用密閉型二次リチウム電池および電池組み合わせ用

• UL 1642 関連用途におけるリチウム電池用

• UL 2054 特定の家庭用および業務用バッテリーパック用

• ESL製品全体に適用される地域別要件

あるセルモデルに対する試験報告書は、構造の変更、異なるセルの組み合わせ、または新規設計のバッテリーパックを自動的にカバーするものではありません。提出された文書が、当該プロジェクトで実際に納入されるバッテリーと完全に一致することを確認してください。

バッテリー仕様書には、以下の項目も明記する必要があります：

• 最大充電電圧

• 充電・放電電流

• 保護限界値

• 操作温度と保管温度

• セルおよびパックの識別

• コネクタの極性

• 配線およびタブの要件

• 生産トレーサビリティ

8. ESLバッテリーサプライヤーに確認すべき質問

プロトタイプを発注する前に、希望電圧および容量だけでなく、サプライヤーにさらに情報を提供してください。

実用的なESLバッテリーの依頼には、以下の情報が含まれているとよいでしょう：

1. 利用可能なバッテリーコンパートメントの寸法

2. 許容最大厚さ

3. 公称電圧および動作電圧範囲

4. 測定された待機電流

5. 最大パルス電流およびその持続時間

6. 1日あたりの更新回数

7. 無線通信プロトコル

8. ディスプレイのサイズおよび色設定

9. LEDまたはセンサーの動作プロファイル

10. 操作温度と保管温度

11. 想定される使用寿命

12. 該当する場合の充電方法

13. コネクタ、配線、タブおよび極性の要件

14. 必要な認証および対象市場

15. 試作数および年間生産数量

この情報を早期にご提供いただくことで、標準セルが適しているか、あるいはカスタムバッテリーが必要かどうかを判断しやすくなります。

よく 聞かれる 質問

電子棚札（ESL）に最適なバッテリーはどれですか？

すべてのESLに共通する「最も優れた」バッテリーは存在しません。長寿命・低更新頻度のラベルには、一次リチウム二酸化マンガン電池が広く用いられています。一方、薄型・充電式・高頻度更新・機能拡張型のESL設計には、充電式リチウムポリマー電池がより適しています。

リチウムポリマー電池で電子棚札（ESL）を10年間駆動できますか？

アプリケーション固有の実証試験を行わずにそのように仮定してはなりません。実用寿命は、電池の化学組成、容量、自己放電特性、使用温度、スリープ時消費電流、更新頻度、パルス出力性能などに依存します。また、充電式LiPoシステムでは、現実的な充電または保守戦略も必要です。

電子棚札（ESL）のバッテリー容量はどのように算出されますか？

容量は、測定されたスリープ電流、ワイヤレスイベント、ディスプレイの更新、LED点灯など他の負荷から算出する必要があります。その結果には、損失、経年劣化、温度影響、カットオフ電圧における実用可能な容量、および設計上の余裕分を含める必要があります。

ESLがディスプレイ更新中にリセットされるのはなぜですか？

一般的な原因は、パルス負荷時に一時的に電源電圧が低下することです。低温環境、経年劣化した電池、内部抵抗の増大、細い配線やコネクタの接触抵抗などが、マイコン（MCU）の最低動作電圧を下回るまで電源電圧を押し下げることがあります。

標準的なLiPo電池を冷凍庫用ESLに使用できますか？

必要な使用温度範囲について、当該電池が公称値として明記されており、かつ実際の試験でもその性能が確認されている場合にのみ可能です。低温での放電性能および充電制限の両方を検討する必要があります。一部のコールドチェーン用途では、専用の低温対応電池や一次リチウム系電池の方が適している場合があります。

まとめ

電子シェルフラベル（ESL）用リチウムポリマー電池の選定は、システムレベルのエンジニアリング判断です。容量は重要ですが、厚さ公差、パルス電流、カットオフ電圧、使用温度、経年劣化、充電戦略なども同様に重要です。

薄型の充電式ESLでは、カスタムLiPoセルを採用することで、筐体内のスペースをより効率的に活用でき、機械的な統合も簡素化できます。一方、長期間（数年間）充電不要で運用される従来型のラベルでは、一次リチウム電池の方が、使用寿命と保守コストのバランスという点でより適した選択となる場合があります。

Cowonは、標準およびカスタム電池ソリューションを通じて、電子シェルフラベル向け電池開発をサポートしています。具体的には、セルサイズの評価、配線、コネクタ、タブ、保護回路、アプリケーションに応じた電池構成などに対応します。

ESL用電池の評価をご希望の場合は、ご使用可能な電池収容空間、電圧範囲、更新頻度、使用温度、および年間見込数量をお知らせください。当社チームが要件を確認し、最適な電池ソリューションをご提案いたします。