Baterie LiPo do elektronicznych etykiet półkowych: przewodnik wyboru

Jak wybrać baterię litowo-polimerową do elektronicznych etykiet półkowych: pojemność, rozmiar i czas pracy

Elektroniczna etykieta półkowa może spędzać niemal cały dzień w stanie uśpienia, a następnie zażądać od baterii krótkiego impulsu prądu do komunikacji bezprzewodowej, aktualizacji e-papieru lub sygnału LED. Ten nietypowy profil obciążenia sprawia, że dobór baterii do ESL jest bardziej skomplikowany niż zwykłe dopasowanie napięcia i pojemności.

Bateria dobrze działająca w urządzeniu noszonym może nie zapewnić takiego samego czasu pracy w cyfrowej etykiecie cenowej. Projektant ESL musi wziąć pod uwagę prąd stanu uśpienia, częstotliwość aktualizacji, prąd impulsowy, temperaturę pracy, dostępną przestrzeń oraz sposób wymiany lub ładowania baterii.

Baterie polimerowe litowe mogą być dobrym wyborem dla cienkich, ładowalnych lub funkcjonalnie rozbudowanych etykiet elektronicznych do półek. Nie są jednak automatycznie najlepszym rozwiązaniem dla każdego projektu etykiet ESL. Wiele konwencjonalnych etykiet nadal wykorzystuje pierwotne baterie litowo-mnagnetykowe ze względu na niską samorozładowanie i długi czas przechowywania.

Poprawna decyzja zaczyna się od rzeczywistego profilu użytkowania etykiety ESL.

Jakiego rodzaju baterie stosuje się w etykietach elektronicznych do półek?

Większość etykiet elektronicznych do półek wykorzystuje wyświetlacz e-paper połączony z mikrokontrolerem o niskim poborze mocy oraz systemem bezprzewodowej komunikacji, takim jak Bluetooth Low Energy lub własny protokół sub-GHz.

Ponieważ wyświetlacz e-paper zachowuje obraz bez ciągłego zasilania, etykieta może pozostawać w trybie uśpienia przez długie okresy. Energia jest potrzebna głównie w momencie odbioru danych przez etykietę, odświeżenia wyświetlacza, migotania diody LED lub komunikacji z bramką.

Rozważa się zwykle dwie kategorie baterii.

Pierwotne baterie litowe

Pierwotne ogniwa litowo-mnagnetykowe, w tym ogniwa typu moneta i cienkie ogniwa typu torebka, są szeroko stosowane w niskoprądowych etykietach elektronicznych (ESL), zaprojektowanych do działania przez kilka lat bez konieczności ładowania.

Główne zalety obejmują:

• Niskie samorozładowanie

• Długie okresy trwałości

• Prosta architektura zasilania

• Brak obwodu ładowania

• Dobra przydatność do rzadkich aktualizacji wyświetlacza

Głównym ograniczeniem jest konieczność wymiany baterii lub wycofania etykiety z eksploatacji.

Ogniwa litowo-polimerowe akumulatorek

Ogniwa litowo-polimerowe akumulatorek są bardziej odpowiednie, gdy etykieta elektroniczna posiada zdefiniowaną metodę ładowania lub gdy jej funkcje wymagają większej energii niż tradycyjna niskoprądowa etykieta.

Typowe zastosowania obejmują:

• Ładowalne elektroniczne etykiety cenowe

• Duże lub często aktualizowane wyświetlacze

• Etykiety z częstą aktywnością diod LED

• Interaktywne etykiety z przyciskami lub czujnikami

• Wielokrotnie używane etykiety do logistyki i magazynów

• Systemy ESL wspomagane energią słoneczną lub ładowane przez kontakt

• Ultracienkie urządzenia z niestandardowym układem wewnętrznym

Przeznaczony do ponownego ładowania akumulator polimerowy litowy ma zwykle napięcie znamionowe 3,7 V lub 3,85 V, w zależności od jego chemii i specyfikacji napięcia ładowania. Układ scalony do ładowania, obwód ochronny oraz zakres napięć systemowych muszą być zaprojektowane z uwzględnieniem wybranego akumulatora.

Również nie należy identyfikować akumulatora wyłącznie na podstawie jego obudowy. Cienki, elastyczny akumulator typu „pouch” może być przeznaczonym do ponownego ładowania akumulatorem litowo-polimerowym lub jednorazowym akumulatorem litowo-manganowym. Te produkty różnią się napięciem, wymaganiami dotyczącymi ładowania oraz charakterystyką trwałości użytkowej.

Kiedy akumulator litowo-polimerowy jest odpowiednim rozwiązaniem dla ESL?

Akumulator litowo-polimerowy oferuje największą wartość, gdy kształt, grubość i możliwość ponownego ładowania są ważniejsze niż osiągnięcie jak najdłuższego możliwego okresu bezobsługowej pracy przy użyciu ogniwa pierwotnego.

Jego konstrukcja w postaci torebki pozwala akumulatorowi wykorzystywać przestrzeń wewnętrzną o prostokątnym lub innym niestandardowym kształcie bardziej efektywnie niż ogniwo typu coin cell o stałej średnicy. Komórka może być również dostarczana z niestandardowymi przewodami, łącznikami, listewkami, obwodami ochronnymi oraz czujnikami temperatury.

LiPo należy rozważyć w przypadku, gdy:

• System elektronicznych etykiet cenowych (ESL) zawiera styki do ładowania, stację do ładowania lub system pozyskiwania energii z otoczenia

• Obudowa jest zbyt cienka lub ma nieregularny kształt, aby zmieścić standardowe ogniwa typu coin cell

• Etykieta jest odświeżana częściej niż tradycyjna etykieta cenowa

• Projekt obejmuje diody LED, czujniki, przyciski lub inne funkcje interakcyjne

• Oczekuje się, że bateria będzie ładowana wielokrotnie w trakcie okresu użytkowania produktu

• Standardowa bateria nie może wykorzystać dostępnej przestrzeni wewnętrznej w sposób efektywny

Dla ESL zaprojektowanych do działania przez pięć, dziesięć lub więcej lat bez konieczności ładowania, chemia litowo-pierwotna może nadal być bardziej praktyczną opcją. Nie należy wybierać akumulatora LiPo wyłącznie dlatego, że pasuje do obudowy.

1. Rozpocznij od dostępnej przestrzeni

Grubość jest często pierwszym ograniczeniem mechanicznym etykiety elektronicznej do półek. Bateria znajduje się za wyświetlaczem lub obok niego, a obudowa musi pozostać wystarczająco cienka, aby zmieścić się w standardowych szynach półkowych.

Projekt powinien uwzględniać więcej niż tylko nominalne wymiary przedstawione na rysunku komórki.

Zapewnij miejsce na tolerancję grubości oraz rozszerzanie się komórki

Komórka typu pouch nie powinna być silnie ściskana pomiędzy tylną pokrywą a modułem e-paper. Grubość komórki zmienia się w zależności od tolerancji produkcyjnej, stanu naładowania, temperatury oraz starzenia się.

Wymagane luzowanie powinno zostać uzgodnione z dostawcą baterii na podstawie rzeczywistych specyfikacji komórki. Nie należy stosować stałego procentowego luzowania dla każdej baterii, ponieważ zachowanie związane z rozszerzaniem się zależy od chemii komórki, jej pojemności, konstrukcji oraz warunków eksploatacji.

Projekt mechaniczny powinien:

• Unikać bezpośredniego nacisku na wyświetlacz e-paper

• Umieszczać komórkę w bezpiecznej odległości od ostrych żeber plastycznych i wsporników śrubowych

• Zapewniać luz wokół krawędzi oraz obszaru zgrzewania komórki typu pouch

• Zapobiegaj przemieszczaniu się bez sztywnego uciskania ogniwka

• Utrzymuj przewody i zaciski przed powtarzającym się ciągnięciem lub wibracjami

• Rozważ możliwość demontażu i wymiany baterii podczas serwisowania

Do zabezpieczenia baterii można użyć pianki, kleju o kontrolowanej powierzchni przyklejania lub odpowiedniego uchwytu na baterię. Wybrany materiał musi być zgodny z workiem ogniwa oraz zakresem temperatur roboczych.

Nie dobieraj baterii wyłącznie na podstawie rozmiaru ekranu

Zazwyczaj większy ekran wymaga więcej energii na odświeżenie, ale rozmiar ekranu nie jest jedynym czynnikiem. Dwa etykiety o tym samym rozmiarze wyświetlacza mogą mieć bardzo różne zapotrzebowanie na moc ze względu na protokół radiowy, częstotliwość aktualizacji, zachowanie diod LED oraz oprogramowanie układowe.

Ostateczne wymiary baterii powinny opierać się na pełnym układzie mechanicznym oraz zmierzonym profilu mocy.

Scenariusz projektowania ESL	Typowy kierunek projektowania baterii	Główne punkty do weryfikacji
Kompaktowa, ładowalna etykieta	Cienki pojedynczy akumulator litowo-polimerowy z niestandardowym przewodem lub wyprowadzeniami	Minimalna grubość, metoda ładowania i prąd szczytowy
Średnia etykieta z częstymi aktualizacjami	Akumulator litowo-polimerowy o wyższej pojemności i pojedynczej komórce	Energia potrzebna do odświeżenia wyświetlacza, zdarzenia radiowe oraz użyteczna pojemność
Duża lub interaktywna etykieta	Większy akumulator litowo-polimerowy lub rozwiązanie z komórkami połączonymi równolegle	Obciążenie diod LED, częstotliwość aktualizacji, obwód ochronny oraz czas ładowania
Etykieta do przechowywania w niskiej temperaturze	Komórka niskotemperaturowa lub alternatywna chemia pierwotna	Napięcie impulsowe, wydajność rozładowania i ograniczenia ładowania
Etykieta długotrwałej żywotności bez ładowania	Baterie litowe pierwotne są często preferowane	Samorozładowanie, zdolność do dostarczania impulsów oraz strategia wymiany

Ta tabela stanowi punkt wyjścia projektowy, a nie rekomendację pojemności. Pojemność należy obliczyć na podstawie zmierzonego zużycia energii przez urządzenie.

2. Opracuj realistyczny budżet mocy

Średni prąd ESL może wydawać się bardzo niski, ale sam średnie prąd nie pokazuje, czy bateria jest w stanie obsłużyć każdą aktualizację wyświetlacza.

Poprawny budżet mocy powinien obejmować:

• Prąd uśpienia MCU

• Prąd czuwania i odbioru radia

• Prąd transmisji

• Prąd odświeżania ekranu e-paper oraz jego czas trwania

• Prąd diody LED oraz czas migotania

• Aktywność czujnika lub przycisku

• Straty stabilizatora napięcia

• Zużycie obwodu ochrony akumulatora

• Prąd spoczynkowy obwodu ładowania

• Oczekiwane błędy aktualizacji oraz ponowne transmisje

Dzienne zużycie można oszacować jako:

Dzienna wykorzystana pojemność = pobór mocy w stanie uśpienia + pobór mocy na komunikację + pobór mocy na odświeżanie wyświetlacza + pobór mocy przez akcesoria

Dla pojedynczego zdarzenia:

Pobór mocy zdarzenia w mAh = prąd zdarzenia w mA × czas trwania zdarzenia w godzinach × liczba zdarzeń dziennie

Szacowany obciążenie w planowanym okresie użytkowania należy następnie skorygować o:

• Użyteczną pojemność przy napięciu odcięcia systemu

• Zmniejszenie pojemności w niskich temperaturach

• Starzenie się ogniw

• Samodzielne rozładowanie

• Straty konwersji

• Wahania produkcyjne

• Rezerwę inżynierską

Nie obliczaj żywotności baterii, dzieląc jej nominalną pojemność przez średni prąd i kończąc na tym. Ta metoda pomija spadki napięcia związane z impulsami, wpływ temperatury oraz pojemność pozostającą niedostępną poniżej minimalnego napięcia roboczego systemu.

Zmierz działający prototyp

Arkusze danych komponentów są przydatne wczesnym etapie projektowania, ale ostateczny wybór baterii powinien opierać się na pomiarach wykonanych na rzeczywistym prototypie ESL.

Użyj analizatora mocy lub urządzenia rejestrującego prąd, aby zarejestrować:

• Prąd stanu głębokiego uśpienia

• Zdarzenia nawiązywania połączenia bramy sieciowej

• Normalne odświeżenie wyświetlacza

• Pełne odświeżenie ekranu lub odświeżenie wielokolorowe

• Działanie diod LED

• Nieudane próby komunikacji oraz zdarzenia ponownej próby

• Działanie w temperaturze minimalnej i maksymalnej

Pomiary te często ujawniają krótkotrwałe obciążenia, których brakuje w początkowym arkuszu kalkulacyjnym.

3. Sprawdź prąd impulsowy i napięcie końcowe życia baterii

Radiostacje ESL oraz wyświetlacze e-paper generują krótkie impulsy prądu. Nawet jeśli całkowita energia zużyta przez każdy impuls jest mała, napięcie baterii może tymczasowo spadać z powodu impedancji ogniwka.

Problem staje się bardziej poważny, gdy:

• Bateria jest chłodna

• Pozostała pojemność jest niska

• Ogniwko zestarzało się

• Prąd aktualizacji jest wysoki

• Obwód ochronny lub łącznik wprowadza dodatkowe opory

Jeśli napięcie spadnie poniżej progu blokady przy niskim napięciu mikrokontrolera (UVLO), etykieta może się zresetować w trakcie aktualizacji. Następnie może ponownie uruchomić się, ponownie nawiązać połączenie i powtórzyć tę samą operację, zużywając jeszcze więcej energii.

Ocena baterii powinna zatem obejmować:

• Wewnętrzny opór prądu stałego

• Napięcie pod oczekiwanym obciążeniem impulsowym

• Czas Trwania Impulsu

• Napięcie odcięcia systemu

• Próg wyzwalania brownout w MCU

• Opór łączników i przewodów

• Wydajność przy niskim stanie naładowania

• Wydajność przy najniższej temperaturze pracy

Większa pojemność znamionowa nie rozwiązuje koniecznie problemu impulsowego. Konstrukcja ogniwa, projekt elektrod, temperatura oraz opór obwodu mogą być równie istotne.

4. Ostrożnie traktuj deklaracje dotyczące czasu eksploatacji

Deklaracja czasu eksploatacji baterii ESL jest ważna wyłącznie wtedy, gdy określono warunki pracy.

Oświadczenie takie jak „do dziesięciu lat” powinno określać – lub przynajmniej opierać się na:

• Liczba aktualizacji dziennie

• Typ wyświetlacza oraz liczba kolorów

• Częstotliwość bezprzewodowej komunikacji

• Zastosowanie diod LED

• Temperatura pracy

• Warunki sieciowe

• Prąd snu

• Chemia Akumulatorów

• Napięcie odcięcia systemu

Przeładowalne ogniwa polimerowe litowo-jonowe ulegają samorozładowaniu i starzeniu kalendarzowemu nawet wtedy, gdy nie są często cyklowane. Ich długoterminowa zdolność do przechowywania ładunku zależy od temperatury, stopnia naładowania oraz konstrukcji ogniwa. Dlatego niebezpieczne jest zakładanie, że każde ogniwo LiPo ma roczny współczynnik samorozładowania jedynie na poziomie jednego lub dwóch procent.

W przypadku projektu wieloletniego należy zażądać od dostawcy danych dotyczących zdolności do przechowywania ładunku, warunków składowania oraz procesu starzenia się zaproponowanego ogniwa. Wyniki przyspieszonych testów należy analizować w połączeniu z rzeczywistymi warunkami zastosowania.

Jeśli nie przewidziano metody ładowania, a głównym wymaganiem jest możliwie najdłuższy okres użytkowania bez konieczności konserwacji, przed ostatecznym ustaleniem architektury należy porównać projekt z ogniwami LiPo z odpowiednim rozwiązaniem wykorzystującym ogniwa litowe pierwotne.

5. Wczesne uwzględnienie działania w łańcuchu chłodniczym

Etykietki elektroniczne umieszczane na wystawach chłodniczych i w strefach produktów mrożonych stawiają inne wyzwania związane z baterią.

W niskich temperaturach opór wewnętrzny ogniwa rośnie, a dostępna pojemność maleje. Spadek napięcia podczas transmisji radiowej lub odświeżania ekranu e-ink może być na tyle duży, że spowoduje reset systemu, nawet jeśli bateria nadal zawiera użyteczną energię.

Akumulatory litowo-jonowe do ładowania powtarzalnego mają również istotne ograniczenia dotyczące ładowania w niskich temperaturach. Standardowe ogniwo LiPo nie powinno być ładowane poniżej temperatury określonej przez jego producenta. System może wymagać:

• Ogniwa dopuszczonego do pracy w niskich temperaturach

• Ładowarki wyposażonej w czujnik temperatury oraz funkcję blokowania ładowania

• Zmniejszonego prądu ładowania

• Innej chemii baterii

• Oprogramowania układowego ograniczającego zdarzenia obciążające przy zimnej baterii

• Większego marginesu napięcia powyżej progu wyłączenia MCU

W przypadku zastosowań w zamrażarkach należy przetestować kompletne etykiety w komorze temperaturowej. Dane pojemności uzyskane w temperaturze pokojowej nie pozwalają na dokładne przewidywanie wydajności podczas impulsów zimna.

6. Oceń konstrukcję ogniw bez polegania na jednej etykiecie

Konstrukcja z elektrodami ułożonymi warstwowo może być przydatna w przypadku cienkich ogniw i zapewniać dobrą kontrolę wymiarów. Konstrukcja z elektrodami nawiniętymi jest również powszechnie stosowana i może działać niezawodnie przy odpowiednim zaprojektowaniu oraz produkcji.

Zbyt proste jest założenie, że każde ogniwo z elektrodami ułożonymi warstwowo jest lepsze niż każde ogniwo z elektrodami nawiniętymi.

Zamiast tego porównaj rzeczywiste specyfikacje oraz dane testowe dotyczące:

• Tolerancja grubości

• Wewnętrzny opór prądu stałego

• Wydajności impulsowej

• Cykl życia

• Zachowania podczas przechowywania

• Puchnięcia w określonych warunkach

• Rozładowywanie w niskich temperaturach

• Przechowywanie w wysokiej temperaturze

• Spójności partii do partii

Odpowiednią konstrukcją jest ta, która spełnia elektryczne i mechaniczne wymagania ESL przy zachowaniu spójnej jakości produkcji.

7. Potwierdź wymagania dotyczące bezpieczeństwa i transportu

Zgodność należy zaplanować przed ustaleniem końcowych wymiarów baterii oraz jej projektu elektrycznego.

Wymagania różnią się w zależności od rynku oraz od tego, czy ogniwo jest przesyłane osobno, zamontowane w urządzeniu czy zmontowane w chronionym zestawie akumulatorów. Do powszechnie stosowanych norm i badań należą m.in.:

• UN 38.3 testy transportowe dla akumulatorów litowych

• IEC 62133-2 dla przenośnych, uszczelnionych wtórnych ogniw i akumulatorów litowych

• UL 1642 dla ogniw litowych w odpowiednich zastosowaniach

• UL 2054 dla niektórych zestawów akumulatorów do użytku domowego i komercyjnego

• Wymagania regionalne dotyczące kompletnego produktu ESL

Sprawozdanie testowe dla jednego modelu ogniwa nie obejmuje automatycznie zmienionej konstrukcji, innej kombinacji ogniw ani nowo zaprojektowanego zestawu akumulatorów. Należy potwierdzić, że dokumenty odpowiadają dokładnie dostarczonemu do projektu akumulatorowi.

Specyfikacja akumulatora powinna również określać:

• Maksymalne Naprężenie Ładowania

• Prąd ładowania i rozładowania

• Granice ochrony

• Temperatury pracy i przechowywania

• Identyfikacja ogniw i zestawów

• Polarność łączników

• Wymagania dotyczące przewodów i listew

• Śledzenie produkcji

8. Pytania, które należy zadać dostawcy akumulatorów ESL

Przed zamawianiem prototypów należy podać dostawcy więcej informacji niż tylko pożądaną napięcie i pojemność.

Użyteczne zapytanie o akumulatory ESL powinno zawierać:

1. Dostępne wymiary komory na baterię

2. Maksymalna dozwolona grubość

3. Znamionowy i roboczy zakres napięcia

4. Pomiar prądu w stanie uśpienia

5. Maksymalny prąd impulsowy i jego czas trwania

6. Liczba aktualizacji dziennie

7. Protokół radiowy

8. Rozmiar wyświetlacza i konfiguracja kolorów

9. Profil pracy diod LED lub czujników

10. Temperatury pracy i przechowywania

11. Zamierzona żywotność eksploatacyjna

12. Metoda ładowania, o ile dotyczy

13. Wymagania dotyczące złącza, przewodu, listewki i polaryzacji

14. Wymagane certyfikaty oraz rynki docelowe

15. Ilość prototypów i roczna ilość produkcji

Podanie tych informacji na wczesnym etapie ułatwia ustalenie, czy standardowy ogniw jest odpowiedni, czy też uzasadnione jest zastosowanie niestandardowego akumulatora.

Często zadawane pytania

Jaki akumulator jest najlepszy dla elektronicznej etykiety półkowej (ESL)?

Nie istnieje jeden uniwersalnie najlepszy akumulator dla każdej ESL. Pierwotne ogniwa litowo-mnagnezowe są powszechnie stosowane w przypadku etykiet o długim czasie pracy i rzadkich aktualizacjach. Ładowalne ogniwa polimerowe litowe lepiej nadają się do cienkich, ładowalnych, często aktualizowanych lub wyposażonych w zaawansowane funkcje konstrukcji ESL.

Czy ładowalne ogniwo polimerowe litowe może zasilać ESL przez dziesięć lat?

Nie należy tego zakładać bez przeprowadzenia testów specyficznych dla danej aplikacji. Czas użytkowania zależy od chemii ogniwa, jego pojemności, samorozładowania, temperatury otoczenia, prądu stanu czuwania, częstotliwości aktualizacji oraz wydajności impulsowej. System ładowalny LiPo wymaga również realistycznej strategii ładowania lub konserwacji.

W jaki sposób oblicza się pojemność akumulatora ESL?

Pojemność powinna być obliczana na podstawie zmierzonego prądu w stanie uśpienia, zdarzeń bezprzewodowych, odświeżania wyświetlacza, diod LED oraz innych obciążeń. Wynik musi uwzględniać także straty, starzenie się, wpływ temperatury, użyteczną pojemność przy napięciu odcięcia oraz zapas inżynierski.

Dlaczego ESL resetuje się podczas aktualizacji wyświetlacza?

Typowym powodem jest chwilowy spadek napięcia pod obciążeniem impulsowym. Niskie temperatury, zużyta bateria, wysoka rezystancja wewnętrzna, cienkie przewody lub rezystancja łączników mogą obniżyć napięcie zasilania poniżej minimalnego poziomu pracy MCU.

Czy standardowa komórka LiPo może być używana w ESL do zamrażarki?

Tylko wtedy, gdy komórka została odpowiednio oceniona i przetestowana pod kątem wymaganej temperatury. Należy uwzględnić zarówno zdolność do rozładowywania w niskich temperaturach, jak i ograniczenia związane z ładowaniem. W niektórych projektach łańcucha chłodniczego lepszym rozwiązaniem mogą okazać się specjalistyczne komórki przeznaczone do niskich temperatur lub pierwotne chemie litowe.

Podsumowanie

Wybór akumulatora polimerowego litowo-jonowego do etykiety elektronicznej na półce to decyzja inżynierska na poziomie systemu. Pojemność ma znaczenie, ale tak samo ważna jest tolerancja grubości, prąd impulsowy, napięcie odcięcia, temperatura, starzenie się oraz strategia ładowania.

Dla cienkiej, ładowalnej etykiety ESL niestandardowa komórka LiPo może lepiej wykorzystać wewnętrzną przestrzeń i uprościć integrację mechaniczną. Dla konwencjonalnej etykiety, której oczekuje się wieloletniej pracy bez konieczności ładowania, pierwotny akumulator litowy może zapewnić bardziej odpowiedni balans między okresem użytkowania a kosztami konserwacji.

Cowon wspiera projekty baterii do etykiet elektronicznych na półkach, oferując standardowe oraz dostosowane opcje baterii – w tym ocenę rozmiaru komórek, przewodów, łączników, listew kontaktowych, obwodów zabezpieczających oraz konfiguracji baterii dostosowanej do konkretnego zastosowania.

Aby dokonać oceny baterii do etykiety ESL, prześlij nam dostępne wymiary przestrzeni na baterię, zakres napięć, częstotliwość aktualizacji, temperaturę pracy oraz przewidywaną roczną ilość. Nasz zespół pomoże przeanalizować wymagania i zaleci odpowiednie rozwiązanie baterii.