LiPo-batterijen voor elektronische prijskaartjes: selectiegids

Hoe een lithium-polymeerbatterij kiezen voor elektronische schaplabels: capaciteit, afmetingen en levensduur

Een elektronisch schaplabel kan bijna de gehele dag in slaapstand staan en vervolgens van zijn batterij verlangen dat deze een korte stroomstoot levert voor draadloze communicatie, een e-papierupdate of een LED-waarschuwing. Dit ongebruikelijke belastingspatroon maakt de keuze van een batterij voor ESL-complexer dan simpelweg een spanning en capaciteit aanpassen.

Een batterij die goed presteert in een draagbaar apparaat, levert mogelijk niet dezelfde levensduur in een digitaal prijskaartje. De ESL-ontwerper moet rekening houden met de sluipstroom in slaapstand, de updatefrequentie, de piekstroom, de bedrijfstemperatuur, de beschikbare ruimte en de manier waarop de batterij wordt vervangen of opgeladen.

Lithiumpolymeerbatterijen kunnen een goede keuze zijn voor dunne, oplaadbare of functierijke elektronische schaplabels. Ze zijn echter niet automatisch de beste oplossing voor elk ESL-ontwerp. Veel conventionele labels gebruiken nog steeds primaire lithium-mangandioxidebatterijen vanwege hun lage zelfontlading en lange bewaartijd.

De juiste beslissing begint met het werkelijke bedrijfsprofiel van het ESL.

Welk type batterij wordt gebruikt in een elektronisch schaplabel?

De meeste elektronische schaplabels maken gebruik van een e-papierdisplay in combinatie met een stroombesparende microcontroller en een draadloos communicatiesysteem zoals Bluetooth Low Energy of een eigen sub-GHz-protocol.

Omdat e-papier een afbeelding behoudt zonder continue stroomvoorziening, kan het label langdurig in slaapstand blijven. Stroom is voornamelijk nodig wanneer het label gegevens ontvangt, zijn display vernieuwt, een LED laat knipperen of communiceert met een gateway.

Twee batterijcategorieën worden veelal overwogen.

Primaire lithiumbatterijen

Primaire lithium-mangandioxidebatterijen, inclusief muntcellen en dunne zakceltypen, worden veel gebruikt in laagvermogens-ESL’s die zijn ontworpen voor meerdere jaren van bedrijf zonder opladen.

De belangrijkste voordelen zijn:

• Een lage zelfontlading

• Lange houdbaarheid

• Eenvoudige stroomarchitectuur

• Geen laadcircuit

• Goede geschiktheid voor zeldzame schermupdates

De belangrijkste beperking is dat de batterij uiteindelijk moet worden vervangen of dat het label uit dienst moet worden genomen.

Oplaadbare lithium-polymeerbatterijen

Oplaadbare lithium-polymeerbatterijen zijn geschikter wanneer het ESL een gedefinieerde oplaadmethode heeft of wanneer de functies meer energie vereisen dan een traditioneel laagvermogenslabel.

Typische toepassingen omvatten:

• Oplaadbare elektronische prijslabels

• Grote of vaak bijgewerkte schermen

• Labels met frequente LED-activiteit

• Interactieve labels met knoppen of sensoren

• Herbruikbare logistieke en magazijnlabels

• ESL-systemen met zonne-energieondersteuning of contactopladen

• Ultradunne apparaten met een aangepaste interne opbouw

Een oplaadbare LiPo-cel heeft over het algemeen een nominale spanning van 3,7 V of 3,85 V, afhankelijk van de chemie en de oplaadspanningsspecificatie. De oplaad-IC, de beveiligingscircuits en het systeemspanningsbereik moeten zijn ontworpen op basis van de geselecteerde cel.

Het is ook belangrijk om een batterij niet uitsluitend aan de hand van de behuizing te identificeren. Een dunne, flexibele pouchbatterij kan bijvoorbeeld een oplaadbare lithium-ionpolymeercel of een niet-oplaadbare lithium-mangandioxidecel zijn. Deze producten hebben verschillende spanningen, oplaadeisen en levensduureigenschappen.

Wanneer is een lithium-polymeerbatterij geschikt voor een ESL?

Een lithium-polymeerbatterij biedt de meeste waarde wanneer vorm, dikte en oplaadbaarheid belangrijker zijn dan het bereiken van de langst mogelijke onbeheerde levensduur van een primaire cel.

De zakstructuur maakt het mogelijk dat de batterij rechthoekige of anderszins moeilijk toegankelijke interne ruimtes efficiënter gebruikt dan een knoopcel met vaste diameter. De cel kan ook worden geleverd met aangepaste draden, connectoren, aansluitlamellen, beveiligingscircuits en temperatuursensoren.

LiPo dient in overweging te worden genomen wanneer:

• Het ESL oplaadcontacten, een oplaaddock of energieopwekking omvat

• De behuizing te dun of onregelmatig is voor standaard knoopcellen

• Het label vaker wordt vernieuwd dan een conventionele prijskaart

• Het ontwerp LED’s, sensoren, knoppen of andere interactieve functies omvat

• Verwacht wordt dat de batterij tijdens de levensduur van het product wordt opgeladen

• Een standaardbatterij de beschikbare interne ruimte niet efficiënt kan benutten

Voor een ESL die vijf, tien of meer jaar zonder opladen dient te functioneren, kan primaire lithiumchemie nog steeds de praktischere optie zijn. Een oplaadbare LiPo-cel dient niet uitsluitend te worden gekozen omdat deze in de behuizing past.

1. Begin met de beschikbare ruimte

De dikte is vaak de eerste mechanische beperking bij een elektronisch prijskaartje. De batterij bevindt zich achter of naast het display, terwijl de behuizing slank genoeg moet blijven om in standaard schaprails te passen.

Het ontwerp moet rekening houden met meer dan alleen de nominale afmetingen die op een celtekening staan.

Voorzie ruimte voor diktetolerantie en uitzetting

Een pouchcel mag niet strak worden ingeklemd tussen de achterklep en de e-papiermodule. De cel-dikte varieert afhankelijk van de productietolerantie, de laadtoestand, de temperatuur en veroudering.

De benodigde toelaatbare ruimte dient in overleg met de batterijleverancier te worden vastgesteld op basis van de werkelijke celspecificatie. Een vaste percentage-marge mag niet op elke batterij worden toegepast, omdat het uitzettingsgedrag afhangt van de celchemie, capaciteit, constructie en bedrijfsomstandigheden.

Het mechanische ontwerp dient:

• Directe druk op het e-papierdisplay te voorkomen

• De cel op afstand te houden van scherpe kunststof ribben en schroefversterkingspunten

• Speelruimte te bieden rond de randen en de afdichtingszone van de pouch

• Voorkom beweging zonder de cel stijf te comprimeren

• Ondersteun draden en aansluitingen tegen herhaald trekken of trillingen

• Houd rekening met het verwijderen en vervangen van de batterij tijdens onderhoud

Schuim, gecontroleerde lijmoppervlakken of een geschikte batterijhouder kunnen worden gebruikt om de batterij te bevestigen. Het gekozen materiaal moet compatibel zijn met de celzak en het verwachte temperatuurbereik.

Selecteer de batterij niet uitsluitend op basis van de schermgrootte

Een groter scherm vereist meestal meer energie per vernieuwing, maar de schermgrootte is niet de enige factor. Twee labels met dezelfde beeldschermgrootte kunnen zeer verschillende stroomvereisten hebben vanwege hun radioprotocol, vernieuwingsfrequentie, LED-gedrag en firmware.

De uiteindelijke batterijafmetingen moeten gebaseerd zijn op de volledige mechanische opbouw en het gemeten stroomverbruiksprofiel.

ESL-ontwerpscenario	Typische richting voor batterijontwerp	Belangrijkste punten om te verifiëren
Compact, oplaadbaar label	Dunne single-cell LiPo met aangepaste aansluiting of aansluitlamellen	Minimale dikte, oplaadmethode en piekstroom
Medium label met frequente updates	Single-cell LiPo met hogere capaciteit	Energieverbruik bij schermverversing, radio-gebeurtenissen en bruikbare capaciteit
Groot of interactief label	Grotere LiPo of oplossing met parallel geschakelde cellen	LED-belasting, updatefrequentie, beveiligingscircuit en oplaadtijd
Label voor koelopslag	Cel bij lage temperatuur of alternatieve primaire chemie	Pulsspanning, ontladingsprestaties en laadbeperkingen
Label voor langdurig gebruik zonder opladen	Primaire lithiumbatterij wordt vaak verkozen	Zelfontlading, pulscapaciteit en vervangingsstrategie

Deze tabel is een ontwerpbasis, geen aanbeveling voor capaciteit. De capaciteit moet worden berekend op basis van het gemeten stroomverbruik van het apparaat.

2. Stel een realistische stroombegroting op

De gemiddelde stroom van een ESL kan extreem laag lijken, maar de gemiddelde stroom alleen geeft niet weer of de batterij elke displayupdate kan ondersteunen.

Een juiste stroombegroting moet omvatten:

• MCU-slaapstroom

• Stroomverbruik van de radio in stand-by- en ontvangstmodus

• Zendstroom

• Stroomverbruik en vernieuwingstijd van het e-papier

• LED-stroom en knipperduur

• Activiteit van sensor of knop

• Verliezen van de spanningsregelaar

• Stroomverbruik van de batterijbeveiligingscircuit

• Stilstaande stroom van het laadcircuit

• Verwachte bijwerkmislukkingen en opnieuw verzendingen

Het dagelijkse verbruik kan worden geschat als:

Dagelijkse capaciteitsgebruik = slaapverbruik + communicatieverbruik + schermverversingsverbruik + accessoireverbruik

Voor een individueel gebeurtenis:

Gebeurtenisverbruik in mAh = gebeurtenisstroom in mA × duur van de gebeurtenis in uren × aantal gebeurtenissen per dag

De geschatte belasting over de beoogde levensduur dient vervolgens te worden aangepast voor:

• Bruikbare capaciteit bij de systeemafsluitingsspanning

• Capaciteitsvermindering bij lage temperatuur

• Celveroudering

• Zelfontlading

• Conversieverliezen

• Productievariatie

• Een technische reserve

Bereken de batterijlevensduur niet eenvoudigweg door de nominale capaciteit te delen door de gemiddelde stroom en daarbij te stoppen. Deze methode negeert de spanningsdaling ten gevolge van pulsen, temperatuur en de capaciteit die onbeschikbaar blijft onder de minimale bedrijfsspanning van het systeem.

Meet een werkend prototype

Componentdatasheets zijn nuttig tijdens het vroege ontwerp, maar de definitieve keuze van de batterij moet gebaseerd zijn op metingen van een echt ESL-prototype.

Gebruik een vermoeanalysator of een stroomloggingsinstrument om te registreren:

• Stroom in diepe slaapstand

• Gateway-verbindingsgebeurtenissen

• Een normale schermupdate

• Een volledig scherm of een meerkleurige update

• LED-werking

• Mislukte communicatie en herpogingsgebeurtenissen

• Bedrijf bij minimum- en maximumtemperatuur

Deze meting onthult vaak korte belastingen die ontbreken in de oorspronkelijke spreadsheet.

3. Controleer de stroompiek en de eindspanning bij levensduurvermindering

ESL-radio’s en e-papierdisplays genereren korte stroompieken. Zelfs wanneer de totale energie per piek klein is, kan de batterijspanning tijdelijk dalen door de inwendige weerstand van de cel.

Het probleem wordt ernstiger wanneer:

• De batterij koud is

• De restcapaciteit laag is

• De cel verouderd is

• De updatestroom hoog is

• De beveiligingscircuits of de connectoren extra weerstand toevoegen

Als de spanning onder de onderspanningsblokkadesdrempel van de microcontroller (MCU) daalt, kan het label tijdens een update resetten. Het kan dan opnieuw opstarten, opnieuw verbinding maken en dezelfde bewerking herhalen, waardoor nog meer energie wordt verbruikt.

De batterijbeoordeling dient daarom te omvatten:

• DC-interne weerstand

• Spanning onder de verwachte pulslast

• Pulsduur

• Systeemafsluitspanning

• MCU-brownoutdrempel

• Contactweerstand en bedradingweerstand

• Prestatie bij een lage ladingsstatus

• Prestatie bij de laagste bedrijfstemperatuur

Een grotere nominale capaciteit lost een pulsprobleem niet noodzakelijkerwijs op. Celconstructie, elektrodeontwerp, temperatuur en schakelweerstand kunnen even belangrijk zijn.

4. Behandel claims over levensduur voorzichtig

Een ESL-claim over batterijlevensduur is alleen geldig wanneer de bedrijfsomstandigheden zijn gedefinieerd.

Een verklaring zoals „tot tien jaar” moet specifiëren, of ten minste gebaseerd zijn op:

• Aantal updates per dag

• Weergavetype en aantal kleuren

• Draadloze communicatiefrequentie

• LED-gebruik

• Bedrijfstemperatuur

• Netwerkvoorwaarden

• Sluipstroom

• Batterijchemie

• Systeemafsluitspanning

Oplaadbare lithium-polymeercellen ondergaan zelfontlading en kalenderveroudering, zelfs wanneer ze niet vaak worden doorgeladen. Hun langetermijnretentie hangt af van temperatuur, ladingsstatus en celontwerp. Het is daarom onveilig om aan te nemen dat elke LiPo-cel een jaarlijkse zelfontladingsgraad heeft van slechts één of twee procent.

Voor een meerjarenproject vraagt u de leverancier om retentie-, opslag- en verouderingsgegevens voor de voorgestelde cel. Versnelde testresultaten moeten samen met de werkelijke toepassingsomstandigheden worden beoordeeld.

Als er geen oplaadmethode is en de belangrijkste eis een zo lang mogelijke onderhoudsvrije levensduur is, vergelijk dan het LiPo-ontwerp met een geschikte primaire lithiumoplossing voordat u de architectuur definitief vastlegt.

5. Overweeg vroegtijdig de werking in een koudeketen

Elektronische prijskaartjes die worden gebruikt in gekoelde vitrines en gebieden voor diepvriesproducten stellen een andere batterijuitdaging.

Bij lage temperaturen stijgt de celimpedantie en neemt de beschikbare capaciteit af. De spanningdaling tijdens een radiosignaaloverdracht of een e-papierverversing kan zo groot worden dat het systeem wordt gereset, zelfs als de batterij nog bruikbare energie bevat.

Oplaadbare lithium-ionbatterijen hebben ook belangrijke laadbeperkingen bij lage temperaturen. Een standaard LiPo-cel mag niet worden opgeladen onder de temperatuur die door de fabrikant is gespecificeerd. Het systeem kan vereisen:

• Een cel die geschikt is voor lage temperaturen

• Een oplader met temperatuursensor en laadblokkering

• Verminderde laadstroom

• Een andere batterijchemie

• Firmware die zware belastinggebeurtenissen beperkt wanneer de batterij koud is

• Een grotere spanningsmarge boven de MCU-uitschakelspanning

Voor toepassingen in de vriezer dient u complete etiketten te testen in een temperatuurkamer. Capaciteitsgegevens bij kamertemperatuur kunnen de prestaties bij koude pulsen niet nauwkeurig voorspellen.

6. Evalueer de celopbouw zonder afhankelijk te zijn van één enkel etiket

Een gestapelde elektrodeopbouw kan nuttig zijn voor dunne cellen en kan goede dimensionale controle bieden. Een gewikkelde opbouw wordt eveneens veel gebruikt en kan betrouwbaar functioneren wanneer deze correct is ontworpen en vervaardigd.

Het is te simplistisch om aan te nemen dat elke gestapelde cel beter is dan elke gewikkelde cel.

Vergelijk in plaats daarvan daadwerkelijke specificaties en testgegevens voor:

• Diktevertrouwen

• DC-interne weerstand

• Pulsprestaties

• Levensduur cyclus

• Opslaggedrag

• Opzwellen onder gespecificeerde omstandigheden

• Ontladen bij lage temperatuur

• Opslag bij hoge temperatuur

• Consistentie per partij

De juiste opbouw is die welke voldoet aan de elektrische en mechanische eisen van de ESL, met consistente productiekwaliteit.

7. Bevestig de veiligheids- en transportvereisten

Naleving moet worden gepland voordat de batterijafmetingen en het elektrische ontwerp definitief zijn.

De vereisten verschillen per markt en afhankelijk van of de cel los wordt verzonden, in apparatuur is geïnstalleerd of is opgenomen in een beschermd batterijpakket. Veelvoorkomende normen en tests omvatten:

• UN 38.3 voor testen van lithiumbatterijen tijdens vervoer

• IEC 62133-2 voor draagbare, verzegelde secundaire lithiumcellen en -batterijen

• UL 1642 voor lithiumcellen in relevante toepassingen

• UL 2054 voor bepaalde huishoudelijke en commerciële batterijpakketten

• Regionale vereisten die van toepassing zijn op het volledige ESL-product

Een testrapport voor één celmodel dekt niet automatisch een gewijzigde constructie, een andere celcombinatie of een nieuw ontworpen batterijpakket. Bevestig dat de documenten overeenkomen met de exacte batterij die voor het project wordt geleverd.

De batterijspecificatie dient ook te definiëren:

• Maximale Opladingsspanning

• Laad- en ontlaadstroom

• Beveiligingslimieten

• Bedrijfsetemperatuur en opslagtemperatuur

• Cel- en pakketidentificatie

• Aansluitpolen

• Eisen voor draden en aansluitlamellen

• Productietraceerbaarheid

8. Vragen aan een ESL-batterieleverancier

Geef de leverancier vóór het bestellen van prototypes meer informatie dan alleen de gewenste spanning en capaciteit.

Een nuttig ESL-batterieverzoek moet onder andere bevatten:

1. Beschikbare afmetingen van het batterijcompartiment

2. Maximaal toegestane dikte

3. Nominale en bedrijfsspanningsbereik

4. Gemeten sluipstroom

5. Maximale pulsstroom en duur

6. Aantal updates per dag

7. Radioprotocol

8. Weergavegrootte en kleurconfiguratie

9. Werkingsprofiel van LED of sensor

10. Bedrijfsetemperatuur en opslagtemperatuur

11. Bedoelde levensduur

12. Oplaadmethode, indien van toepassing

13. Aansluiting, kabel, aansluitplaat en polariteitsvereisten

14. Vereiste certificeringen en bestemmingsmarkten

15. Prototype- en jaarlijkse productiehoeveelheden

Het verstrekken van deze informatie op een vroeg tijdstip maakt het eenvoudiger om te bepalen of een standaardcel geschikt is of of een aangepaste accu gerechtvaardigd is.

Veelgestelde Vragen

Wat is de beste accu voor een elektronisch schaplabel?

Er is geen enkele beste accu voor alle ESL’s. Primaire lithium-mangandioxide-accu’s worden veel gebruikt voor ESL’s met een lange levensduur en weinig updates. Oplaadbare lithium-polymeeraccu’s zijn beter geschikt voor dunne, oplaadbare, frequent bijgewerkte of functierijke ESL-ontwerpen.

Kan een lithium-polymeeraccu een ESL gedurende tien jaar van stroom voorzien?

Dat mag niet zonder toepassingsspecifieke tests worden aangenomen. De levensduur hangt af van de celchemie, capaciteit, zelfontlading, temperatuur, sluipstroom, updatefrequentie en pulsprestatie. Een oplaadbaar LiPo-systeem vereist ook een realistische oplaad- of onderhoudsstrategie.

Hoe wordt de accucapaciteit van een ESL berekend?

De capaciteit moet worden berekend op basis van de gemeten slaapstroom, draadloze gebeurtenissen, weergaveverversingen, LED’s en andere belastingen. Het resultaat moet vervolgens verliezen, veroudering, temperatuureffecten, bruikbare capaciteit bij de afschakelspanning en een technische marge omvatten.

Waarom wordt een ESL gereset tijdens een weergave-update?

Een veelvoorkomende oorzaak is een tijdelijke spanningsdaling onder pulsbela­sting. Lage temperatuur, een verouderde batterij, hoge inwendige weerstand, dunne draden of contactweerstand kunnen de voedingsspanning onder het minimale bedrijfsniveau van de MCU brengen.

Kan een standaard LiPo-cel worden gebruikt in een vriescel-ESL?

Alleen als de cel is goedgekeurd en getest voor de vereiste temperatuur. De ontladingscapaciteit bij lage temperatuur én beperkingen voor opladen moeten beide worden overwogen. Voor sommige cold-chain-projecten is mogelijk een speciale cel voor lage temperaturen of een primaire lithiumchemie geschikter.

Slotbeschouwing

Het selecteren van een lithium-polymeerbatterij voor een elektronisch schaplabel is een beslissing op systeemniveau. Capaciteit is belangrijk, maar ook tolerantie voor dikte, piekstroom, uitschakelspanning, temperatuur, veroudering en laadstrategie.

Voor een dun, oplaadbaar ESL kan een op maat gemaakte LiPo-cel beter gebruikmaken van de interne ruimte en de mechanische integratie vereenvoudigen. Voor een conventioneel label dat gedurende vele jaren zonder opladen moet functioneren, kan een primaire lithiumbatterij een geschikter evenwicht bieden tussen levensduur en onderhoudskosten.

Cowon ondersteunt batterijprojecten voor elektronische schaplabels met standaard- en aangepaste batterijopties, waaronder evaluatie van celafmetingen, draden, connectoren, aansluitlamellen, beveiligingscircuits en batterijconfiguraties specifiek voor de toepassing.

Om een ESL-batterij te evalueren, stuur ons de beschikbare batterijruimte, spanningsbereik, updatefrequentie, bedrijfstemperatuur en verwachte jaarlijkse hoeveelheid. Ons team helpt u bij het beoordelen van de vereisten en beveelt een geschikte batterijoplossing aan.