Baterias LiPo para Etiquetas Eletrônicas de Prateleira: Guia de Seleção

Como Escolher uma Bateria de Polímero de Lítio para Etiquetas Eletrônicas de Prateleira: Capacidade, Dimensão e Vida Útil

Uma etiqueta eletrônica de prateleira pode passar quase o dia inteiro em estado de repouso (sleep), depois solicitar à sua bateria um breve pico de corrente para comunicação sem fio, atualização de e-paper ou alerta por LED. Esse padrão de carga incomum torna a seleção da bateria para ESL mais complexa do que simplesmente combinar tensão e capacidade.

Uma bateria que apresenta bom desempenho em um dispositivo vestível pode não oferecer a mesma vida útil em uma etiqueta digital de preço. O projetista de ESL deve considerar a corrente em estado de repouso (sleep current), a frequência de atualizações, a corrente de pulso, a temperatura de operação, o espaço disponível e a forma como a bateria será substituída ou recarregada.

As baterias de polímero de lítio podem ser uma boa escolha para etiquetas eletrônicas de prateleira finas, recarregáveis ou com muitos recursos. Contudo, elas não são automaticamente a melhor solução para todos os projetos de ESL. Muitas etiquetas convencionais ainda utilizam baterias primárias de dióxido de manganês e lítio devido à sua baixa autodescarga e longa vida útil em armazenamento.

A decisão correta começa com o perfil real de operação da ESL.

Que tipo de bateria é usado em uma etiqueta eletrônica de prateleira?

A maioria das etiquetas eletrônicas de prateleira utiliza um display de e-papel combinado com um microcontrolador de baixo consumo e um sistema de comunicação sem fio, como Bluetooth Low Energy ou um protocolo proprietário sub-GHz.

Como o e-papel mantém uma imagem sem necessidade de alimentação contínua, a etiqueta pode permanecer em modo de espera por longos períodos. A energia é necessária principalmente quando a etiqueta recebe dados, atualiza seu display, acende um LED ou se comunica com um gateway.

Duas categorias de baterias são comumente consideradas.

Baterias primárias de lítio

Baterias primárias de lítio-dióxido de manganês, incluindo células em formato de moeda e células finas do tipo bolsa, são amplamente utilizadas em etiquetas eletrônicas de preços (ESLs) de baixa potência projetadas para operar por vários anos sem recarga.

Suas principais vantagens incluem:

• Baixa autodescarga

• Prazo de Validade Longo

• Arquitetura de alimentação simples

• Sem circuito de recarga

• Boa adequação para atualizações de exibição esporádicas

A principal limitação é que a bateria deverá eventualmente ser substituída ou a etiqueta deverá ser retirada de serviço.

Baterias recarregáveis de polímero de lítio

Baterias recarregáveis de polímero de lítio são mais adequadas quando a ESL possui um método definido de recarga ou quando suas funcionalidades exigem mais energia do que uma etiqueta tradicional de baixa potência.

Aplicações típicas incluem:

• Etiquetas eletrônicas de preços recarregáveis

• Exibições grandes ou atualizadas com frequência

• Etiquetas com atividade frequente de LED

• Etiquetas interativas com botões ou sensores

• Etiquetas reutilizáveis para logística e armazéns

• Sistemas ESL assistidos por energia solar ou carregados por contato

• Dispositivos ultrafinos com disposição interna personalizada

Uma célula recarregável de polímero de lítio (LiPo) tem, em geral, uma tensão nominal de 3,7 V ou 3,85 V, dependendo da sua química e da especificação de tensão de carga. O CI de carregamento, o circuito de proteção e a faixa de tensão do sistema devem ser projetados tendo como base a célula selecionada.

Também é importante não identificar uma bateria apenas pelo seu invólucro. Uma bateria flexível em formato de bolsa pode ser uma célula recarregável de íon-lítio em polímero ou uma célula não recarregável de dióxido de manganês e lítio. Esses produtos apresentam tensões diferentes, requisitos distintos de carregamento e características variadas de vida útil.

Quando faz sentido usar uma bateria de polímero de lítio num ESL?

Uma bateria de polímero de lítio oferece o maior valor quando forma, espessura e capacidade de recarga são mais importantes do que obter a maior vida útil possível sem manutenção a partir de uma célula primária.

Sua estrutura em formato de bolsa permite que a bateria utilize espaços internos retangulares ou de outra forma difíceis de forma mais eficaz do que uma pilha tipo moeda de diâmetro fixo. A célula também pode ser fornecida com fios personalizados, conectores, abas, circuitos de proteção e sensores de temperatura.

As baterias LiPo devem ser consideradas quando:

• O sistema ESL inclui contatos de carregamento, uma estação de carregamento ou captação de energia

• A caixa é muito fina ou irregular para pilhas tipo moeda convencionais

• A etiqueta é atualizada com mais frequência do que uma etiqueta de preço convencional

• O projeto inclui LEDs, sensores, botões ou outras funções interativas

• Espera-se que a bateria seja recarregada durante a vida útil do produto

• Uma bateria padrão não consegue utilizar o espaço interno disponível de forma eficiente

Para um sistema ESL projetado para operar por cinco, dez ou mais anos sem recarga, a química de lítio primária pode ainda ser a opção mais prática. Uma célula recarregável LiPo não deve ser selecionada apenas porque se encaixa na caixa.

1. Comece com o Espaço Disponível

A espessura é frequentemente a primeira restrição mecânica num rótulo eletrónico de prateleira. A bateria fica posicionada atrás ou ao lado do ecrã, enquanto a carcaça deve manter-se suficientemente fina para se encaixar nas calhas-padrão das prateleiras.

O projeto deve considerar mais do que apenas as dimensões nominais indicadas no desenho da célula.

Reserve espaço para tolerâncias de espessura e expansão

Uma célula em formato de bolsa não deve ser comprimida rigidamente entre a tampa traseira e o módulo de e-papel. A espessura da célula varia conforme a tolerância de fabrico, o estado de carga, a temperatura e o envelhecimento.

A folga necessária deve ser acordada com o fornecedor da bateria, com base na especificação real da célula. Não se deve aplicar uma percentagem fixa a todas as baterias, pois o comportamento de expansão depende da química da célula, da sua capacidade, da sua construção e das condições operacionais.

O projeto mecânico deve:

• Evitar pressão direta sobre o ecrã de e-papel

• Manter a célula afastada de nervuras plásticas afiadas e de saliências para parafusos

• Garantir folga em torno das bordas e da zona de vedação da bolsa

• Evitar o movimento sem comprimir rigidamente a célula

• Suportar os fios e abas contra puxões ou vibrações repetidos

• Considerar a remoção e substituição da bateria durante a manutenção

Pode-se utilizar espuma, áreas adesivas controladas ou uma bandeja de bateria adequada para fixar a bateria. O material escolhido deve ser compatível com a bolsa da célula e com a faixa de temperatura esperada.

Não selecionar a bateria apenas com base no tamanho da tela

Uma tela maior normalmente exige mais energia por atualização, mas o tamanho da tela não é o único fator. Duas etiquetas com o mesmo tamanho de display podem ter requisitos de potência muito diferentes devido ao seu protocolo de rádio, frequência de atualização, comportamento do LED e firmware.

As dimensões finais da bateria devem basear-se no layout mecânico completo e no perfil de potência medido.

Cenário de projeto de ESL	Direção típica de projeto de bateria	Principais pontos a verificar
Etiqueta compacta e recarregável	LiPo de única célula fina com fio ou abas personalizadas	Espessura mínima, método de carregamento e corrente de pico
Etiqueta média com atualizações frequentes	LiPo de única célula com maior capacidade	Energia para atualização do visor, eventos de rádio e capacidade utilizável
Etiqueta grande ou interativa	LiPo maior ou solução com células em paralelo	Carga LED, frequência de atualização, circuito de proteção e tempo de carregamento
Etiqueta para armazenamento em frio	Célula de baixa temperatura ou química primária alternativa	Tensão de pulso, desempenho na descarga e restrições de carregamento
Etiqueta de longa vida sem carregamento	Bateria primária de lítio frequentemente preferida	Autodescarga, capacidade de pulso e estratégia de substituição

Esta tabela é um ponto de partida para o projeto, não uma recomendação de capacidade. A capacidade deve ser calculada com base no consumo medido do dispositivo.

2. Elaborar um orçamento de energia realista

A corrente média de um ESL pode parecer extremamente baixa, mas a corrente média isoladamente não indica se a bateria consegue suportar cada atualização do visor.

Um orçamento de energia adequado deve incluir:

• Corrente de repouso da MCU

• Corrente de espera e recepção do rádio

• Corrente de transmissão

• Corrente de atualização e duração do e-papel

• Corrente do LED e tempo de piscagem

• Atividade do sensor ou botão

• Perdas no regulador de tensão

• Consumo do circuito de proteção da bateria

• Corrente em repouso do circuito de carregamento

• Falhas de atualização esperadas e retransmissões

O consumo diário pode ser estimado como:

Uso diário da capacidade = consumo em modo de espera + consumo de comunicação + consumo de atualização de tela + consumo de acessórios

Para um evento individual:

Consumo do evento em mAh = corrente do evento em mA × duração do evento em horas × número de eventos por dia

A carga estimada ao longo do período de serviço pretendido deve, então, ser ajustada para:

• Capacidade utilizável na tensão de corte do sistema

• Redução da capacidade em baixas temperaturas

• Envelhecimento das células

• Auto-descarga

• Perdas na conversão

• Variação na produção

• Reserva de engenharia

Não calcule a vida útil da bateria dividindo a capacidade nominal pela corrente média e interrompendo aí. Esse método ignora a queda de tensão relacionada a pulsos, a temperatura e a capacidade que permanece indisponível abaixo da tensão mínima de operação do sistema.

Medir um protótipo funcional

As folhas de dados dos componentes são úteis durante o projeto inicial, mas a seleção final da bateria deve basear-se em medições obtidas a partir de um protótipo real de ESL.

Utilize um analisador de potência ou um instrumento de registro de corrente para gravar:

• Corrente em modo de hibernação profunda

• Eventos de conexão do gateway

• Uma atualização normal do ecrã

• Uma atualização de ecrã completo ou multicolorida

• Funcionamento dos LEDs

• Eventos de falha na comunicação e novas tentativas

• Funcionamento nas temperaturas mínima e máxima

Esta medição revela frequentemente cargas breves que não constam da planilha inicial.

3. Verificar a corrente de pulso e a tensão no fim da vida útil

Rádios ESL e telas de papel eletrônico geram pulsos curtos de corrente. Mesmo quando a energia total consumida por cada pulso é pequena, a tensão da bateria pode cair temporariamente devido à impedância da célula.

O problema torna-se mais grave quando:

• A bateria está fria

• A capacidade restante é baixa

• A célula envelheceu

• A corrente de atualização é alta

• O circuito de proteção ou o conector acrescenta resistência

Se a tensão cair abaixo do limiar de bloqueio por subtensão da MCU, a etiqueta pode reiniciar durante uma atualização. Em seguida, ela pode reiniciar, reconectar e repetir a mesma operação, consumindo ainda mais energia.

A avaliação da bateria deve, portanto, incluir:

• Resistência interna de corrente contínua

• Tensão sob carga de pulso esperada

• Duração do Pulso

• Tensão de corte do sistema

• Limiar de subtensão da unidade de controle microeletrônica

• Resistência do conector e dos cabos

• Desempenho em baixo estado de carga

• Desempenho na temperatura operacional mais baixa

Uma capacidade nominal maior nem sempre resolve um problema de pulso. A construção da célula, o projeto dos eletrodos, a temperatura e a resistência do circuito podem ser igualmente importantes.

4. Trate com cautela as declarações sobre vida útil

Uma declaração sobre a vida útil de uma bateria ESL é válida apenas quando as condições operacionais forem definidas.

Uma declaração como "até dez anos" deve especificar, ou pelo menos basear-se em:

• Número de atualizações por dia

• Tipo de ecrã e número de cores

• Frequência de comunicação sem fios

• Utilização de LED

• Temperatura de operação

• Condições de rede

• Corrente em modo de espera

• Química de Bateria

• Tensão de corte do sistema

As pilhas recarregáveis de polímero de lítio sofrem autodescarga e envelhecimento por calendário mesmo quando não são submetidas frequentemente a ciclos de carga/descarga. A sua retenção a longo prazo depende da temperatura, do estado de carga e do projeto da pilha. Por conseguinte, é inseguro assumir que todas as pilhas LiPo apresentam uma taxa anual de autodescarga de apenas um ou dois por cento.

Para um projeto com duração de vários anos, solicite ao fornecedor dados sobre retenção, armazenamento e envelhecimento da pilha proposta. Os resultados de ensaios acelerados devem ser analisados em conjunto com as condições reais de aplicação.

Se não existir qualquer método de carregamento e o principal requisito for a maior vida útil possível sem manutenção, compare o projeto com pilhas LiPo com uma solução de lítio primária adequada antes de finalizar a arquitetura.

5. Considere a operação em cadeia fria desde cedo

Etiquetas eletrônicas de prateleira usadas em vitrines refrigeradas e áreas de alimentos congelados apresentam um desafio distinto para as baterias.

Em temperaturas baixas, a impedância da célula aumenta e a capacidade disponível diminui. A queda de tensão durante uma transmissão de rádio ou uma atualização de tinta eletrônica pode tornar-se grande o suficiente para reiniciar o sistema, mesmo quando a bateria ainda contém energia utilizável.

As baterias recarregáveis de íon-lítio também possuem restrições importantes quanto à carga em temperaturas baixas. Uma célula padrão de polímero de lítio (LiPo) não deve ser carregada abaixo da temperatura especificada pelo seu fabricante. O sistema pode exigir:

• Uma célula qualificada para temperaturas baixas

• Um carregador com sensor de temperatura e função de inibição de carga

• Corrente de carga reduzida

• Uma química diferente para a bateria

• Firmware que limite eventos de alta carga quando a bateria estiver fria

• Uma margem de tensão maior acima do limite de corte da MCU

Para aplicações em congeladores, teste etiquetas completas em uma câmara de temperatura. Dados de capacidade à temperatura ambiente não conseguem prever com precisão o desempenho sob pulsos frios.

6. Avalie a construção da célula sem depender de uma única etiqueta

A construção com eletrodos empilhados pode ser útil para células finas e pode oferecer bom controle dimensional. A construção enrolada também é amplamente utilizada e pode funcionar de forma confiável quando adequadamente projetada e fabricada.

É demasiado simplista presumir que toda célula empilhada é melhor do que toda célula enrolada.

Em vez disso, compare as especificações reais e os dados de testes para:

• Tolerância de espessura

• Resistência interna de corrente contínua

• Desempenho sob pulsos

• Ciclo de vida

• Comportamento durante armazenamento

• Inchaço sob condições especificadas

• Descarga em baixas temperaturas

• Armazenamento em Alta Temperatura

• Consistência lote a lote

A construção adequada é aquela que atende aos requisitos elétricos e mecânicos da ESL com qualidade consistente na produção.

7. Confirme os requisitos de segurança e transporte

A conformidade deve ser planejada antes de as dimensões da bateria e o projeto elétrico serem definitivamente estabelecidos.

Os requisitos variam conforme o mercado e conforme a célula seja enviada separadamente, instalada em equipamentos ou montada em um pacote de baterias protegido. As normas e ensaios comuns podem incluir:

• UN 38.3 para ensaios de transporte de baterias de lítio

• IEC 62133-2 para células e baterias secundárias seladas de lítio portáteis

• UL 1642 para células de lítio em aplicações relevantes

• UL 2054 para determinados pacotes de baterias domésticos e comerciais

• Requisitos regionais aplicáveis ao produto ESL completo

Um relatório de ensaio para um modelo de célula não cobre automaticamente uma construção modificada, uma combinação diferente de células ou um novo projeto de pacote de baterias. Confirme que os documentos correspondem exatamente à bateria fornecida para o projeto.

A especificação da bateria também deve definir:

• Tensão Máxima de Carga

• Corrente de carga e descarga

• Limites de proteção

• Temperatura de Operação e Armazenamento

• Identificação da célula e do módulo

• Polaridade do conector

• Requisitos para fios e abas

• Rastreabilidade da produção

8. Perguntas a fazer a um fornecedor de baterias ESL

Antes de encomendar protótipos, forneça ao fornecedor mais do que apenas a tensão e a capacidade desejadas.

Um pedido útil de bateria ESL deve incluir:

1. Dimensões disponíveis do compartimento da bateria

2. Espessura máxima permitida

3. Faixa de tensão nominal e operacional

4. Corrente de repouso medida

5. Corrente de pulso máxima e duração

6. Número de atualizações por dia

7. Protocolo de rádio

8. Tamanho do visor e configuração de cores

9. Perfil de operação de LED ou sensor

10. Temperatura de Operação e Armazenamento

11. Vida útil prevista

12. Método de carregamento, se aplicável

13. Requisitos de conector, fio, terminal e polaridade

14. Certificações obrigatórias e mercados de destino

15. Quantidades de protótipos e produção anual

Fornecer essas informações precocemente facilita a determinação de se uma célula padrão é adequada ou se é justificável desenvolver uma bateria personalizada.

Perguntas Frequentes

Qual é a melhor bateria para uma etiqueta eletrônica de prateleira?

Não existe uma única bateria ideal para todas as ESL. As baterias primárias de dióxido de manganês e lítio são amplamente utilizadas em etiquetas de longa duração e baixa frequência de atualização. As baterias recarregáveis de polímero de lítio são mais adequadas para designs de ESL finos, recarregáveis, com atualizações frequentes ou com funcionalidades avançadas.

Uma bateria de polímero de lítio pode alimentar uma ESL por dez anos?

Isso não deve ser presumido sem testes específicos para a aplicação. A vida útil depende da química da célula, da capacidade, da autodescarga, da temperatura, da corrente de repouso, da frequência de atualização e do desempenho em pulsos. Um sistema recarregável de LiPo também exige uma estratégia realista de carregamento ou manutenção.

Como se calcula a capacidade da bateria de uma ESL?

A capacidade deve ser calculada com base na corrente de repouso medida, eventos sem fio, atualizações de tela, LEDs e outras cargas. O resultado deve, então, incluir perdas, envelhecimento, efeitos da temperatura, capacidade utilizável na tensão de corte e uma margem de engenharia.

Por que um ESL reinicia durante uma atualização de tela?

Uma causa comum é uma queda temporária de tensão sob carga pulsada. Temperatura baixa, bateria envelhecida, alta resistência interna, fios finos ou resistência nos conectores podem reduzir a tensão de alimentação abaixo do nível mínimo de operação da MCU.

É possível usar uma célula LiPo padrão em um ESL para freezer?

Apenas se a célula for classificada e testada para a temperatura exigida. A capacidade de descarga em baixas temperaturas e as restrições de carregamento devem ambas ser consideradas. Alguns projetos de cadeia fria podem ser melhor atendidos por uma célula especializada para baixas temperaturas ou por química de lítio primária.

Considerações Finais

Selecionar uma bateria de polímero de lítio para uma etiqueta eletrônica de prateleira é uma decisão de engenharia em nível de sistema. A capacidade é importante, mas também o são a tolerância de espessura, a corrente de pulso, a tensão de corte, a temperatura, o envelhecimento e a estratégia de carregamento.

Para uma etiqueta eletrônica de prateleira (ESL) recarregável e fina, uma célula personalizada de LiPo pode aproveitar melhor o espaço interno e simplificar a integração mecânica. Para uma etiqueta convencional projetada para operar por muitos anos sem recarga, uma bateria primária de lítio pode oferecer um equilíbrio mais adequado entre vida útil e custo de manutenção.

A Cowon apoia projetos de baterias para etiquetas eletrônicas de prateleira com opções de baterias padrão e personalizadas, incluindo avaliação do tamanho da célula, fios, conectores, abas, circuitos de proteção e configurações específicas para a aplicação.

Para avaliar uma bateria para ESL, envie-nos o espaço disponível para a bateria, a faixa de tensão, a frequência de atualização, a temperatura de operação e a quantidade anual esperada. Nossa equipe pode ajudar a analisar os requisitos e recomendar uma solução de bateria adequada.