Литий-полимерные аккумуляторы для электронных ценников: руководство по выбору

Как выбрать литий-полимерный аккумулятор для электронных ценников: ёмкость, размер и срок службы

Электронный ценник может проводить почти весь день в спящем режиме, а затем потребовать от аккумулятора кратковременного импульса тока для беспроводной связи, обновления электронного дисплея или светодиодного оповещения. Такой необычный профиль нагрузки делает выбор аккумулятора для ESL сложнее, чем простое совпадение напряжения и ёмкости.

Аккумулятор, хорошо работающий в носимом устройстве, может обеспечить меньший срок службы в цифровом ценнике. При проектировании ESL необходимо учитывать ток в спящем режиме, частоту обновлений, импульсный ток, рабочую температуру, доступное пространство, а также способ замены или подзарядки аккумулятора.

Литий-полимерные аккумуляторы могут быть хорошим выбором для тонких, перезаряжаемых или функционально насыщенных электронных ценников. Однако они не являются автоматически оптимальным решением для каждой конструкции ESL. Многие традиционные ценники по-прежнему используют первичные литий-диоксид-марганцевые элементы питания благодаря их низкому саморазряду и длительному сроку хранения.

Правильное решение начинается с реального профиля эксплуатации ESL.

Какой тип аккумулятора используется в электронном ценнике?

Большинство электронных ценников используют дисплей на основе электронной бумаги в сочетании с энергоэффективным микроконтроллером и системой беспроводной связи, например Bluetooth Low Energy или проприетарным суб-ГГц-протоколом.

Поскольку электронная бумага сохраняет изображение без постоянного энергоснабжения, ценник может находиться в спящем режиме длительное время. Энергия требуется в основном при получении данных ценником, обновлении его дисплея, мигании светодиода или взаимодействии с шлюзом.

Обычно рассматриваются две категории аккумуляторов.

Первичные литиевые элементы питания

Первичные литиевые батареи на основе диоксида марганца, включая монетные элементы и тонкие батареи в полимерных корпусах, широко применяются в маломощных электронных ценниках (ESL), рассчитанных на многолетнюю работу без подзарядки.

Их основные преимущества включают:

• Низкий саморазряд

• Длительный срок годности

• Простая архитектура питания

• Отсутствие цепи зарядки

• Хорошая пригодность для редких обновлений дисплея

Основное ограничение заключается в том, что батарею в конечном счёте необходимо заменить или вывести ценник из эксплуатации.

Перезаряжаемые литиевые полимерные аккумуляторы

Перезаряжаемые литиевые полимерные аккумуляторы более подходят, когда у электронного ценника предусмотрен определённый способ зарядки или когда его функциональные возможности требуют больше энергии, чем у традиционного маломощного ценника.

Типичные применения включают:

• Перезаряжаемые электронные ценники

• Крупные или часто обновляемые дисплеи

• Ценники с частой активностью светодиодов

• Интерактивные метки с кнопками или датчиками

• Многоразовые логистические и складские этикетки

• Системы электронных ценников (ESL) с подзарядкой от солнечной батареи или при контакте

• Ультратонкие устройства со специальной внутренней компоновкой

Перезаряжаемый литий-полимерный аккумулятор обычно имеет номинальное напряжение 3,7 В или 3,85 В в зависимости от его химического состава и параметров напряжения зарядки. Интегральная схема зарядки, защитная цепь и диапазон рабочего напряжения системы должны быть спроектированы с учётом выбранного аккумулятора.

Также важно не определять тип аккумулятора исключительно по его корпусу. Тонкий гибкий аккумулятор в пакете может быть перезаряжаемым литий-ионным полимерным элементом или неперезаряжаемым литий-марганцево-диоксидным элементом. Эти изделия отличаются напряжением, требованиями к зарядке и характеристиками срока службы.

Когда применение литий-полимерного аккумулятора оправдано для электронного ценника (ESL)?

Литий-полимерный аккумулятор обеспечивает наибольшую ценность, когда форма, толщина и возможность перезарядки важнее достижения максимально возможного срока автономной работы от первичного элемента.

Его мешковидная конструкция позволяет батарее более эффективно использовать прямоугольные или иным образом сложные внутренние пространства по сравнению с цилиндрическими элементами питания фиксированного диаметра. Элемент может также поставляться с индивидуальными проводами, разъёмами, выводами, защитными схемами и датчиками температуры.

LiPo следует рассматривать в следующих случаях:

• В электронной системе ценников (ESL) предусмотрены контакты для зарядки, станция для зарядки или сбор энергии из окружающей среды

• Корпус слишком тонкий или имеет неправильную форму для стандартных цилиндрических элементов питания

• Метка обновляется чаще, чем обычная ценовая бирка

• В конструкции предусмотрены светодиоды, датчики, кнопки или другие интерактивные функции

• Ожидается, что батарея будет подзаряжаться в течение срока службы изделия

• Стандартный элемент питания не может эффективно использовать имеющееся внутреннее пространство

Для ESL, рассчитанной на работу в течение пяти, десяти и более лет без подзарядки, первичная литиевая химия может оставаться более практичным вариантом. Перезаряжаемый LiPo-элемент не следует выбирать исключительно на основании его соответствия габаритам корпуса.

1. Начните с определения доступного пространства

Толщина зачастую является первым механическим ограничением для электронной ценовой бирки. Аккумулятор размещается за дисплеем или рядом с ним, при этом корпус должен оставаться достаточно тонким, чтобы соответствовать стандартным направляющим полок.

При проектировании следует учитывать не только номинальные размеры, указанные на чертеже элемента.

Предусмотрите запас по толщине и объёму для расширения

Пакетный элемент не должен быть плотно сжат между задней крышкой и модулем электронной бумаги. Толщина элемента варьируется в зависимости от производственных допусков, уровня заряда, температуры и старения.

Необходимый запас должен быть согласован с поставщиком аккумуляторов на основе реальных технических характеристик элемента. Фиксированный процент не следует применять ко всем аккумуляторам, поскольку поведение при расширении зависит от химического состава элемента, ёмкости, конструкции и условий эксплуатации.

Механический дизайн должен:

• Избегать прямого давления на дисплей электронной бумаги

• Размещать элемент подальше от острых пластиковых рёбер и мест крепления винтов

• Обеспечивать зазоры вдоль краёв пакетного элемента и в области герметизации

• Предотвращение перемещения без жёсткого сжатия элемента

• Фиксация проводов и выводов для защиты от многократного растяжения или вибрации

• Учёт возможности извлечения и замены аккумулятора при техническом обслуживании

Для крепления аккумулятора могут использоваться пеноматериал, клей с контролируемой зоной нанесения или подходящий батарейный лоток. Выбранный материал должен быть совместим с корпусом элемента типа «пакет» и ожидаемым температурным диапазоном.

Не выбирайте аккумулятор только по размеру экрана

Как правило, более крупный экран требует больше энергии на обновление, однако размер экрана — не единственный фактор. Два этикеточных устройства с одинаковым размером дисплея могут иметь существенно различающиеся требования к энергопотреблению из-за используемого радиопротокола, частоты обновления, поведения светодиодов и прошивки.

Окончательные габариты аккумулятора должны определяться полной механической компоновкой и измеренным профилем энергопотребления.

Сценарий проектирования ESL	Типичное направление проектирования аккумулятора	Основные пункты для проверки
Компактная перезаряжаемая бирка	Тонкий одноклеточный литий-полимерный аккумулятор с индивидуальными выводами или контактными площадками	Минимальная толщина, метод зарядки и пиковый ток
Средняя по размеру бирка с частыми обновлениями	Одноклеточный литий-полимерный аккумулятор повышенной ёмкости	Энергия для обновления дисплея, радиособытия и полезная ёмкость
Крупная или интерактивная бирка	Более крупный литий-полимерный аккумулятор или решение с параллельным соединением элементов	Нагрузка светодиода, частота обновления, защитная схема и время зарядки
Бирка для хранения при низких температурах	Элемент низкотемпературной конструкции или первичный элемент с альтернативной химией	Импульсное напряжение, характеристики разряда и ограничения зарядки
Метка «долгий срок службы» без зарядки	Часто предпочтительны первичные литиевые элементы	Саморазряд, импульсная способность и стратегия замены

Данная таблица служит отправной точкой проектирования, а не рекомендацией по ёмкости. Ёмкость должна рассчитываться на основе измеренного энергопотребления устройства.

2. Составление реалистичного энергобаланса

Средний ток электронной ценниковой метки (ESL) может выглядеть чрезвычайно низким, однако средний ток сам по себе не показывает, способна ли батарея обеспечить каждое обновление дисплея.

Правильный энергобаланс должен включать:

• Ток потребления микроконтроллера в режиме сна

• Ток ожидания и приема радиосигнала

• Ток передачи

• Ток обновления электронной бумаги и продолжительность обновления

• Ток светодиода и время вспышки

• Активность датчика или кнопки

• Потери стабилизатора напряжения

• Потребление цепи защиты аккумулятора

• Ток покоя схемы зарядки

• Ожидаемые сбои обновления и повторные передачи

Суточное потребление можно оценить как:

Ежедневное использование ёмкости = потребление в режиме сна + потребление при связи + потребление при обновлении дисплея + потребление периферийных устройств

Для отдельного события:

Потребление события в мА·ч = ток события в мА × продолжительность события в часах × количество событий в день

Затем расчётная нагрузка за планируемый срок службы должна быть скорректирована с учётом:

• Рабочей ёмкости при напряжении отключения системы

• Снижения ёмкости при низких температурах

• Старения элементов

• Самовыпуск

• Потерь при преобразовании

• Технологических допусков производства

• Инженерного запаса

Не вычисляйте срок службы аккумулятора, деля номинальную ёмкость на средний ток и останавливаясь на этом. Такой метод игнорирует падение напряжения, связанное с импульсами, температуру и ёмкость, которая остаётся недоступной ниже минимального рабочего напряжения системы.

Измерьте рабочий прототип

Технические описания компонентов полезны на ранних этапах проектирования, но окончательный выбор аккумулятора должен основываться на измерениях, полученных с реального прототипа ESL.

Используйте анализатор мощности или прибор для регистрации тока, чтобы зафиксировать:

• Ток в режиме глубокого сна

• События подключения шлюза

• Обычное обновление дисплея

• Обновление всего экрана или обновление с несколькими цветами

• Работу светодиодов

• Сбои связи и события повторных попыток

• Работу при минимальной и максимальной температурах

Это измерение часто выявляет кратковременные нагрузки, отсутствующие в исходной электронной таблице.

3. Проверьте импульсный ток и напряжение в конце срока службы

Радиомодули ESL и дисплеи на электронной бумаге создают короткие импульсы тока. Даже если общая энергия, потребляемая каждым импульсом, мала, напряжение батареи может временно снижаться из-за внутреннего сопротивления элемента.

Проблема усугубляется при следующих условиях:

• Батарея охлаждена

• Оставшаяся ёмкость низка

• Элемент состарился

• Ток обновления высок

• Защитная схема или разъём добавляют сопротивление

Если напряжение падает ниже порога блокировки при пониженном напряжении микроконтроллера (MCU), метка может перезагрузиться во время обновления. Затем она может перезапуститься, повторно установить соединение и выполнить ту же операцию, что приведёт к ещё большему расходу энергии.

Оценка аккумулятора должна включать следующее:

• Внутреннее сопротивление постоянного тока

• Напряжение при ожидаемой импульсной нагрузке

• Длительность импульса

• Напряжение отключения системы

• Порог понижения напряжения для MCU

• Сопротивление разъёмов и проводки

• Работа при низком уровне заряда

• Работа при минимальной рабочей температуре

Более высокая номинальная ёмкость не обязательно решает проблему импульсной нагрузки. Конструкция элемента, дизайн электродов, температура и сопротивление цепи могут быть столь же важны.

4. Внимательно относитесь к заявлениям о сроке службы

Заявление о сроке службы аккумулятора ESL считается действительным только при чётко определённых условиях эксплуатации.

Формулировка вроде «до десяти лет» должна содержать конкретные уточнения или, по крайней мере, основываться на следующих параметрах:

• Количество обновлений в сутки

• Тип дисплея и число отображаемых цветов

• Частота беспроводной связи

• Использование светодиодов

• Температура работы

• Сетевые условия

• Ток в режиме сна

• Химия батарей

• Напряжение отключения системы

Перезаряжаемые литий-полимерные элементы подвержены саморазряду и календарному старению даже при редком циклировании. Их долгосрочное сохранение ёмкости зависит от температуры, уровня заряда и конструкции элемента. Поэтому небезопасно предполагать, что у всех элементов LiPo годовой показатель саморазряда составляет лишь один–два процента.

Для проекта, рассчитанного на несколько лет, запросите у поставщика данные о сохранении ёмкости, условиях хранения и старении для предлагаемого элемента. Результаты ускоренных испытаний следует анализировать совместно с реальными условиями применения.

Если метод зарядки не предусмотрен, а главным требованием является максимально возможный срок службы без обслуживания, сравните конструкцию на основе LiPo с подходящим решением на первичных литиевых элементах до окончательного определения архитектуры.

5. Раннее рассмотрение эксплуатации в холодовой цепи

Электронные ценники, используемые в охлаждаемых витринах и зонах замороженных продуктов, создают иные требования к аккумуляторам.

При низких температурах внутреннее сопротивление элемента возрастает, а доступная ёмкость снижается. Падение напряжения во время радиопередачи или обновления электронных чернил может стать настолько значительным, что вызовет сброс системы, даже если в аккумуляторе остаётся ещё полезная энергия.

Перезаряжаемые литий-ионные аккумуляторы также имеют важные ограничения по зарядке при низких температурах. Стандартный элемент LiPo не следует заряжать при температуре ниже той, которая указана производителем. Для системы могут потребоваться:

• Элемент, допущенный к эксплуатации при низких температурах

• Зарядное устройство с датчиком температуры и функцией блокировки заряда

• Снижение тока заряда

• Иная химия аккумулятора

• Прошивка, ограничивающая события высокой нагрузки при низкой температуре аккумулятора

• Больший запас напряжения над порогом отключения MCU

Для применения в морозильных установках проводите испытания полных этикеток в термокамере. Данные ёмкости при комнатной температуре не позволяют точно прогнозировать импульсные характеристики при низких температурах.

6. Оценивайте конструкцию элемента без привязки к одной маркировке

Конструкция с наложением электродов может быть полезна для тонких элементов и обеспечивать хорошую точность геометрических параметров. Конструкция с намоткой также широко применяется и может демонстрировать надёжную работу при правильном проектировании и производстве.

Слишком упрощённо предполагать, что каждый элемент с наложением электродов лучше любого элемента с намоткой.

Вместо этого сравнивайте фактические технические характеристики и данные испытаний по следующим параметрам:

• Допустимость толщины

• Внутреннее сопротивление постоянного тока

• Импульсные характеристики

• Цикл жизни

• Поведение при хранении

• Расширение при заданных условиях

• Разряд при низких температурах

• Хранение при высокой температуре

• Согласованности между партиями

Правильная конструкция — это та, которая соответствует электрическим и механическим требованиям ESL при стабильном качестве серийного производства.

7. Подтверждение требований к безопасности и транспортировке

Соблюдение требований следует планировать до финализации габаритов аккумулятора и его электрической схемы.

Требования различаются в зависимости от рынка и от того, поставляется ли элемент отдельно, устанавливается в оборудование или собирается в защищённый аккумуляторный блок. Распространённые стандарты и испытания могут включать:

• ООН 38.3 испытания литиевых аккумуляторов на транспортировку

• IEC 62133-2 для портативных герметичных вторичных литиевых элементов и аккумуляторов

• UL 1642 для литиевых элементов в соответствующих областях применения

• UL 2054 для некоторых бытовых и коммерческих аккумуляторных блоков

• Региональные требования, применимые ко всему изделию ESL

Отчёт об испытаниях одной модели элемента автоматически не распространяется на модифицированную конструкцию, иную комбинацию элементов или вновь разработанный аккумуляторный блок. Подтвердите, что документы соответствуют точной модели аккумулятора, поставляемого для проекта.

В технической спецификации аккумулятора также должны быть указаны:

• Максимальное напряжение заряда

• Ток заряда и разряда

• Пределы защиты

• Температура эксплуатации и хранения

• Идентификация элементов и аккумуляторного блока

• Полярность разъёмов

• Требования к проводам и выводам

• Производственная прослеживаемость

8. Вопросы, которые следует задать поставщику аккумуляторов ESL

Перед заказом прототипов предоставьте поставщику данные, выходящие за рамки требуемого напряжения и ёмкости.

Полезный запрос на аккумулятор ESL должен включать:

1. Доступные габаритные размеры отсека для аккумулятора

2. Максимально допустимая толщина

3. Номинальный и рабочий диапазон напряжения

4. Измеренный ток в режиме ожидания

5. Максимальный импульсный ток и его продолжительность

6. Количество обновлений в сутки

7. Радиопротокол

8. Размер дисплея и конфигурация цветов

9. Режим работы светодиода или датчика

10. Температура эксплуатации и хранения

11. Предполагаемый срок службы

12. Способ зарядки, если применимо

13. Требования к разъёму, проводу, выводу и полярности

14. Обязательные сертификаты и целевые рынки

15. Количество прототипов и годовой объем производства

Предоставление этой информации на раннем этапе упрощает определение того, подходит ли стандартный элемент или оправдано создание специализированной аккумуляторной батареи.

Часто задаваемые вопросы

Какой аккумулятор наиболее подходящий для электронной ценовой метки?

Для электронных ценовых меток с длительным сроком службы и редкими обновлениями широко применяются первичные литиевые элементы с диоксидом марганца. Перезаряжаемые литиевые полимерные аккумуляторы лучше подходят для тонких, перезаряжаемых, часто обновляемых или функционально насыщенных решений электронных ценовых меток.

Может ли литиево-полимерный аккумулятор обеспечить работу электронной ценовой метки в течение десяти лет?

Это не следует предполагать без проведения испытаний в конкретном применении. Срок службы зависит от химического состава элемента, его емкости, саморазряда, температуры окружающей среды, тока потребления в спящем режиме, частоты обновлений и импульсных характеристик. Для перезаряжаемой LiPo-системы также необходим реалистичный план зарядки или технического обслуживания.

Как рассчитывается емкость аккумулятора для электронной ценовой метки?

Емкость должна рассчитываться на основе измеренного тока в режиме сна, беспроводных событий, обновлений дисплея, светодиодов и других нагрузок. Затем полученный результат должен учитывать потери, старение, температурные эффекты, полезную емкость при напряжении отсечки, а также инженерный запас.

Почему ESL сбрасывается во время обновления дисплея?

Распространённой причиной является кратковременное падение напряжения при импульсной нагрузке. Низкая температура, старая батарея, высокое внутреннее сопротивление, тонкие провода или сопротивление разъёмов могут привести к тому, что напряжение питания опустится ниже минимального рабочего уровня МК.

Можно ли использовать стандартную LiPo-ячейку в ESL для морозильной камеры?

Только если ячейка сертифицирована и протестирована для требуемого температурного диапазона. Необходимо учитывать как способность к разряду при низких температурах, так и ограничения на зарядку. Для некоторых проектов холодовой цепи может быть предпочтительнее специализированная ячейка для низких температур или первичная литиевая химия.

Заключение

Выбор литий-полимерного аккумулятора для электронной ценовой бирки — это инженерное решение на системном уровне. Важна ёмкость, но также важны допуски по толщине, импульсный ток, напряжение отключения, температура, старение и стратегия зарядки.

Для тонкой перезаряжаемой ESL пользовательский LiPo-элемент может эффективнее использовать внутреннее пространство и упростить механическую интеграцию. Для обычной бирки, рассчитанной на многолетнюю работу без подзарядки, первичный литиевый элемент может обеспечить более подходящий баланс срока службы и эксплуатационных затрат.

Cowon поддерживает проекты по аккумуляторам для электронных ценовых бирок стандартными и пользовательскими решениями, включая оценку габаритов элемента, провода, разъёмы, выводы, защитные схемы и конфигурации аккумуляторов под конкретное применение.

Чтобы оценить аккумулятор для ESL, направьте нам доступное пространство под аккумулятор, диапазон напряжений, частоту обновлений, рабочую температуру и ожидаемый годовой объём. Наша команда поможет проанализировать требования и порекомендовать подходящее решение.