LiPo-batterier for elektroniske hyllemerker: Veiledning for valg

Hvordan velge et litiumpolymerbatteri for elektroniske hylleetiketter: kapasitet, størrelse og levetid

En elektronisk hylleetikett kan tilbringe nesten hele dagen i dvalemodus, før den ber batteriet om å levere en kort strømpuls for trådløs kommunikasjon, en e-papiroppdatering eller en LED-varsling. Dette uvanlige belastningsmønsteret gjør valg av batteri for ESL mer komplisert enn bare å matche spenning og kapasitet.

Et batteri som fungerer godt i en bærbar enhet gir kanskje ikke samme levetid i en digital prisetikett. ESL-konstruktøren må ta hensyn til dvalestrøm, oppdateringsfrekvens, pulsstrøm, driftstemperatur, tilgjengelig plass og hvordan batteriet skal byttes ut eller lades på nytt.

Litiumpolymervakter kan være et godt valg for tynne, oppladbare eller funksjonsrike elektroniske hylleetiketter. De er imidlertid ikke automatisk den beste løsningen for hver enkelt ESL-konstruksjon. Mange konvensjonelle etiketter bruker fortsatt primære litium-mangandioxidbatterier på grunn av deres lave selvutladning og lange lagringslevetid.

Den rette beslutningen starter med ESLs faktiske driftsprofil.

Hvilken type batteri brukes i en elektronisk hylleetikett?

De fleste elektroniske hylleetiketter bruker et e-papir-display kombinert med en lavstrømsmikrokontroller og et trådløst kommunikasjonssystem, som for eksempel Bluetooth Low Energy eller et proprietært sub-GHz-protokoll.

Fordi e-papir beholder et bilde uten kontinuerlig strømforsyning, kan etiketten forbli i dvalemodus i lange perioder. Strøm kreves hovedsakelig når etiketten mottar data, oppdaterer sitt display, blinker en LED eller kommuniserer med en gateway.

To batterikategorier vurderes vanligvis.

Primære litiumbatterier

Primære litium-mangandioksidbatterier, inkludert myntceller og tynne poseformete celler, brukes mye i lavstrøms-ESL-er som er utformet for flere års drift uten opplading.

De viktigste fordelene inkluderer:

• Lav selvutladning

• Lang holdbarhet

• Enkel strøm-arkitektur

• Ingen ladekrets

• God egnet for sjeldne skjermoppdateringer

Den viktigste begrensningen er at batteriet til slutt må byttes ut, eller at etiketten må tas ut av drift.

Oppladbare litium-polymersbatterier

Oppladbare litium-polymersbatterier er mer egnet når ESL-en har en definert lademetode eller når dens funksjoner krever mer energi enn en tradisjonell lavstrøms-etikett.

Typiske anvendelser inkluderer:

• Oppladbare elektroniske prisetiketter

• Store eller hyppig oppdaterte skjermer

• Etiketter med hyppig LED-aktivitet

• Interaktive etiketter med knapper eller sensorer

• Gjenbrukbare logistikk- og lageretiketter

• ESL-systemer med solstøtte eller kontaktlading

• Ekstra tynne enheter med en tilpasset intern oppbygning

En oppladbare LiPo-celle har vanligvis en nominalspenning på 3,7 V eller 3,85 V, avhengig av dens kjemi og ladesspenningspåkrevdhet. IC-en for opplading, beskyttelseskretsen og systemets spenningsområde må utformes ut fra den valgte cellen.

Det er også viktig å ikke identifisere en batteriutgave utelukkende etter pakken. Et tynt, fleksibelt posebatteri kan være en oppladbare litium-ionpolymercelle eller en ikke-oppladbare litium-mangandioxidcelle. Disse produktene har ulike spenninger, krav til opplading og egenskaper når det gjelder levetid.

Når gir et litiumpolymerbatteri mening for en ESL?

Et litiumpolymerbatteri gir størst verdi når form, tykkelse og mulighet for opplading er viktigere enn å oppnå lengst mulig uovervåket driftstid fra en primærcelle.

Dens posestruktur lar batteriet bruke rektangulære eller på annen måte uvanlige indre rom mer effektivt enn en myntcelle med fast diameter. Cellen kan også leveres med tilpassede kabler, kontakter, anslutninger, beskyttelseskretser og temperatursensorer.

LiPo bør vurderes når:

• ESL inkluderer ladekontakter, et ladested eller energihøsting

• Kapslingen er for tynn eller uregelmessig for standard myntceller

• Etiketten oppdateres oftere enn en konvensjonell prisetikett

• Designet inkluderer LED-lys, sensorer, knapper eller andre interaktive funksjoner

• Batteriet forventes å bli ladet på nytt under produktets levetid

• Et standardbatteri kan ikke bruke det tilgjengelige indre rommet effektivt

For en ESL som forventes å fungere i fem, ti eller flere år uten opplading, kan primær litiumkjemi fortsatt være det mest praktiske alternativet. En oppladbare LiPo-celle bør ikke velges bare fordi den passer inn i kapslingen.

1. Start med det tilgjengelige rommet

Tykkelse er ofte den første mekaniske begrensningen for et elektronisk hyllemerke. Batteriet plasseres bak eller ved siden av displayet, mens kabinettet må forbli tilstrekkelig slankt for å passe inn i standard hylleskinner.

Designet bør ta hensyn til mer enn bare de nominelle målene som vises på en celletegning.

Gi plass til tykkelsestoleranse og utvidelse

En pouch-celle bør ikke trykkes hardt sammen mellom bakdekselet og e-papirmodulen. Celletykkelsen varierer med produksjonstoleranse, ladestatus, temperatur og aldring.

Den nødvendige tillatelsen bør avtales med batterileverandøren ved hjelp av den faktiske cellespesifikasjonen. En fast prosentandel bør ikke anvendes på alle batterier, fordi utvidelsesoppførselen avhenger av cellekjemi, kapasitet, konstruksjon og driftsforhold.

Det mekaniske designet bør:

• Unngå direkte trykk på e-papirdisplayet

• Holde cellen unna skarpe plastribber og skruefester

• Gi frirom rundt pouch-kantene og forseglingssonen

• Forhindre bevegelse uten å komprimere cellen stivt

• Støtte kabler og kontakter mot gjentatt trekk eller vibrasjon

• Ta hensyn til batteriutskifting under vedlikehold

Svamp, kontrollerte limområder eller en egnet batterihyller kan brukes for å sikre batteriet. Det valgte materialet må være kompatibelt med cellens pose og det forventede temperaturområdet.

Velg ikke batteriet utelukkende basert på skjermstørrelse

En større skjerm krever vanligvis mer energi per oppdatering, men skjermstørrelse er ikke den eneste faktoren. To etiketter med samme skjermstørrelse kan ha svært ulike strømkrav på grunn av deres radioprotokoll, oppdateringsfrekvens, LED-opførsel og programvare.

De endelige batteridimensjonene skal baseres på den fullstendige mekaniske oppsettet og den målte strømprofilen.

ESL-konstruksjonssituasjon	Typisk batterikonstruksjonsretning	Hovedpunkter som må verifiseres
Kompakt, oppladbart merkelapp	Tynn enkeltcelle LiPo med tilpasset ledning eller fester	Minimumstykkelse, lade-metode og toppstrøm
Medium merkelapp med hyppige oppdateringer	Enkeltcelle LiPo med høyere kapasitet	Energi for skjermoppfriskning, radiohendelser og bruksbar kapasitet
Stor eller interaktiv merkelapp	Større LiPo eller løsning med parallellkoblete celler	LED-last, oppdateringsfrekvens, beskyttelseskrets og ladetid
Merkelapp for kaldlagring	Battericelle for lave temperaturer eller alternativ primær kjemi	Pulsspenning, utladningsytelse og ladebegrensninger
Langsiktig merkelapp uten ladning	Primær litiumbatteri foretrukket	Selvutladning, pulsfunksjonalitet og utskiftingsstrategi

Denne tabellen er et utgangspunkt for design, ikke en kapasitetsanbefaling. Kapasiteten må beregnes ut fra den målte forbruket til enheten.

2. Lag et realistisk strømbudsjett

Gjennomsnittsstrømmen til en ESL kan virke ekstremt lav, men gjennomsnittsstrøm alene viser ikke om batteriet kan støtte hver oppdatering av displayet.

Et riktig strømbudsjett bør inkludere:

• MCU-søvnstrøm

• Radio i standby- og mottakstilstand

• Overføringsstrøm

• E-papiroppdateringsstrøm og -varighet

• LED-strøm og blitsvarighet

• Sensor- eller knappeaktivitet

• Spenningsregulator-tap

• Batteribeskyttelseskretsens forbruk

• Ladekretsens hvilestrøm

• Forventede oppdateringsfeil og om sendinger

Daglig forbruk kan anslås som:

Daglig kapasitetsbruk = soveforbruk + kommunikasjonsforbruk + displayoppdateringsforbruk + tilbehørsforbruk

For en enkelt hendelse:

Hendelsesforbruk i mAh = hendelsesstrøm i mA × varighet av hendelsen i timer × antall hendelser per dag

Den estimerte belastningen over den planlagte levetiden bør deretter justeres for:

• Brukbar kapasitet ved systemets kuttspenning

• Reduksjon i kapasitet ved lave temperaturer

• Cellens aldring

• Selvavledning

• Konverteringstap

• Produksjonsvariasjon

• En ingeniørmessig reserve

Beregn ikke batterilevetid som nominell kapasitet delt på gjennomsnittlig strøm og slutt der. Denne metoden ignorerer spenningsfall relatert til pulser, temperatur og kapasiteten som forblir utilgjengelig under systemets laveste driftsspenning.

Mål en fungerende prototype

Komponentdatasheet er nyttige i tidlig designfase, men endelig batterivalg bør baseres på målinger fra en virkelig ESL-prototype.

Bruk en strømanalyseapparat eller et strømloggande instrument for å registrere:

• Strømforbruk i dypsove

• Gateway-tilkoblingshendelser

• En normal skjermoppdatering

• En helskjerm- eller flerfarget oppdatering

• LED-drift

• Mislykkede kommunikasjons- og gjenopprettingshendelser

• Drift ved minimums- og maksimumstemperatur

Denne målingen avdekker ofte korte belastninger som mangler i det opprinnelige regnearket.

3. Sjekk pulsstrøm og sluttspenning

ESL-radioer og e-papirskjermer genererer korte strømpulser. Selv om den totale energien brukt av hver puls er liten, kan batterispenningen falle midlertidig på grunn av celleimpedansen.

Problemet blir alvorligere når:

• Batteriet er kaldt

• Den gjenværende kapasiteten er lav

• Cellen har aldret seg

• Oppdateringsstrømmen er høy

• Beskyttelseskretsen eller kontakten legger til motstand

Hvis spenningen faller under MCUens terskel for undervolt-sperre, kan etiketten nullstilles under en oppdatering. Den kan deretter starte på nytt, gjenopprette tilkoblingen og gjenta samme operasjon, noe som bruker enda mer energi.

Batterivurdering bør derfor inkludere:

• DC-indre motstand

• Spenning under forventet pulslast

• Pulsvarighet

• Systemavbruddsspenning

• MCU-brunout-trøskel

• Koblings- og ledningsmotstand

• Ytelse ved lav ladningstilstand

• Ytelse ved laveste driftstemperatur

En større nominell kapasitet løser ikke nødvendigvis et pulsproblem. Celldesign, elektrodeutforming, temperatur og kretsmotstand kan være like viktige.

4. Behandle påstander om levetid med forsiktighet

En ESL-påstand om batterilevetid er kun gyldig når driftsforholdene er definert.

En uttalelse som «opp til ti år» bør spesifisere, eller i det minste bygge på:

• Antall oppdateringer per dag

• Skjermtype og antall farger

• Trådløs kommunikasjonsfrekvens

• LED-bruk

• Driftstemperatur

• Nettverksforhold

• Soverstrøm

• Batterikjemi

• Systemavbruddsspenning

Oppladbare litium-polymere celler undergår selvutladning og kalenderaldring, selv når de ikke brukes ofte. Langtidslagringen deres avhenger av temperatur, ladestatus og cellekonstruksjon. Det er derfor usikkert å anta at hver LiPo-celle har en årlig selvutladningsrate på bare én eller to prosent.

For et flerårig prosjekt bør leverandøren spørres om lagrings-, lagrings- og aldringsdata for den foreslåtte cellen. Resultater fra akselererte tester bør vurderes sammen med faktiske bruksforhold.

Hvis det ikke finnes noen lade-metode og hovedkravet er lengst mulig vedlikeholds-fri levetid, bør LiPo-konstruksjonen sammenlignes med en passende primær-litium-løsning før arkitekturen fastsettes.

5. Vurder kjølekettdrift tidlig

Elektroniske hyllemerker som brukes i kjøleskapsutstillinger og områder for frosne matvarer stiller et annet batteriutfordring.

Ved lave temperaturer øker celleimpedansen og tilgjengelig kapasitet reduseres. Spenningsfallet under en radiosending eller e-papiroppdatering kan bli så stort at systemet nullstilles, selv om batteriet fortsatt inneholder brukbar energi.

Gjenoppladbare litium-ionbatterier har også viktige ladelimitasjoner ved lave temperaturer. En standard LiPo-celle bør ikke lades under den temperatur som produsenten har spesifisert. Systemet kan kreve:

• En celle som er godkjent for lav temperatur

• En lader med temperaturdeteksjon og ladestans

• Redusert ladestrøm

• En annen batterikjemi

• Fastvare som begrenser høybelastningshendelser når batteriet er kaldt

• En større spenningsmargin over mikrokontrollerens avslutningsspenning

For fryserapplikasjoner må fullstendige etiketter testes i en temperaturkammer. Kapasitetsdata ved romtemperatur kan ikke forutsi kaldpulsytelse nøyaktig.

6. Vurder cellekonstruksjon uten å stole på én enkelt etikett

Staplet elektrodekonstruksjon kan være nyttig for tynne celler og kan gi god dimensjonskontroll. Vunnet konstruksjon brukes også mye og kan yte pålitelig når den er riktig utformet og produsert.

Det er altfor enkelt å anta at hver staplet celle er bedre enn hver vunnet celle.

Sammenlign i stedet faktiske spesifikasjoner og testdata for:

• Toleranse for tykkelse

• DC-indre motstand

• Pulsytelse

• Syklusliv

• Lagringsatferd

• Svelling under angitte forhold

• Utladning ved lav temperatur

• Lagring ved høy temperatur

• Konsistens mellom partier

Den rette konstruksjonen er den som oppfyller ESLs elektriske og mekaniske krav med konsekvent produksjonskvalitet.

7. Bekreft sikkerhets- og transportkrav

Overholdelse bør planlegges før batteristørrelser og elektrisk design er endelig fastlagt.

Kravene varierer etter marked og om cellen sendes separat, installeres i utstyr eller monteres inn i et beskyttet batteripakke. Vanlige standarder og tester kan inkludere:

• UN 38.3 for test av transport av litiumbatterier

• IEC 62133-2 for bærbare lukkede sekundære litiumceller og -batterier

• UL 1642 for litiumceller i relevante anvendelser

• UL 2054 for visse husstandsbatteripakker og kommersielle batteripakker

• Regionale krav som gjelder det fullstendige ESL-produktet

En testrapport for én cellemodell dekker ikke automatisk en modifisert konstruksjon, en annen cellekombinasjon eller en nyutviklet batteripakke. Bekreft at dokumentene samsvarer nøyaktig med det batteriet som leveres til prosjektet.

Batterispesifikasjonen bør også definere:

• Maksimal ladingsplasseringsspenningsnivå

• Ladestrøm og utladestrøm

• Beskyttelsesgrenser

• Drifts- og lagringstemperatur

• Identifikasjon av celle og batteripakke

• Kontaktors polaritet

• Krav til kabler og tilkoblingsflater

• Produksjonssporebarhet

8. Spørsmål som skal stilles til en ESL-batterileverandør

Før bestilling av prototyper må leverandøren gis mer informasjon enn bare ønsket spenning og kapasitet.

En nyttig forespørsel om ESL-batteri bør inkludere:

1. Tilgjengelige dimensjoner for batterikompartementet

2. Maksimal tillatt tykkelse

3. Nominell og driftsspenningsspekter

4. Målt dvalestrøm

5. Maksimal pulsstrøm og varighet

6. Antall oppdateringer per dag

7. Radioprotokoll

8. Skjermstørrelse og fargekonfigurasjon

9. LED- eller sensor-driftsprofil

10. Drifts- og lagringstemperatur

11. Forventet levetid

12. Lademetode, hvis relevant

13. Koblingsdel, ledning, kontaktflater og polaritetskrav

14. Påkrevde sertifiseringer og målmarkeder

15. Prototype- og årlige produksjonsmengder

Å gi denne informasjonen tidlig gjør det enklere å avgjøre om en standardcelle er egnet, eller om en tilpasset batteriløsning er berettiget.

Ofte stilte spørsmål

Hva er det beste batteriet for et elektronisk hyllemerke?

Det finnes ikke ett enkelt beste batteri for alle ESL-er. Primære litium-mangandioksidbatterier brukes mye for ESL-er med lang levetid og lav oppdateringsfrekvens. Oppladbare litiumpolymertbatterier passer bedre til tynne, oppladbare, hyppig oppdaterte eller funksjonsrike ESL-konstruksjoner.

Kan et litiumpolymertbatteri drive et ESL i ti år?

Det bør ikke antas uten applikasjonsspesifikk testing. Driftstiden avhenger av cellekjemi, kapasitet, selvutladning, temperatur, hvilestrøm, oppdateringsfrekvens og pulsytevne. Et oppladbart LiPo-system krever også en realistisk lade- eller vedlikeholdsstrategi.

Hvordan beregnes kapasiteten til et ESL-batteri?

Kapasiteten skal beregnes ut fra målt sovestrøm, trådløse hendelser, displayoppdateringer, LED-lys og andre belastninger. Resultatet må deretter inkludere tap, aldring, temperaturvirkninger, bruksbar kapasitet ved avkoblingspenningen og en ingeniørreserve.

Hvorfor nullstiller en ESL under en displayoppdatering?

En vanlig årsak er en midlertidig spenningsdrop under pulsbelastning. Lav temperatur, en aldret batteri, høy indre motstand, tynne kabler eller kontaktmotstand kan føre til at forsyningsspenningen faller under mikrokontrollerens minimale driftsnivå.

Kan en standard LiPo-celle brukes i en fryse-ESL?

Bare hvis cellen er rangert og testet for den nødvendige temperaturen. Evnen til å levere strøm ved lav temperatur og begrensninger for opplading må begge vurderes. Noen kjølesystemprosjekter kan være bedre tjent med en spesialisert celle for lav temperatur eller primær litiumkjemi.

Avsluttende tanker

Å velge et litium-polymere batteri for en elektronisk hylleetikett er en systemnivå-teknisk beslutning. Kapasitet er viktig, men også tykkelsestoleranse, pulskurrent, sluttspenning, temperatur, aldring og ladestrategi.

For en tynn, oppladbare ESL kan et tilpasset LiPo-batteri utnytte det indre rommet bedre og forenkle mekanisk integrasjon. For en konvensjonell etikett som forventes å virke i mange år uten opplading, kan et primært litiumbatteri gi en mer passende balanse mellom levetid og vedlikeholdsutgifter.

Cowon støtter prosjekter med batterier for elektroniske hylleetiketter med standard- og tilpassede batterialternativer, inkludert vurdering av cellestørrelse, kabler, kontakter, terminaler, beskyttelseskretser og batterikonfigurasjoner for spesifikke anvendelser.

For å vurdere et ESL-batteri, send oss det tilgjengelige batterirommet, spenningsområdet, oppdateringsfrekvensen, driftstemperaturen og den forventede årlige mengden. Vårt team kan hjelpe med å gjennomgå kravene og anbefale en passende batteriløsning.