LiPo batérie pre elektronické cenové štítky: Príručka pre výber

Ako vybrať batériu typu lithium-polymér pre elektronické cenové štítky: kapacita, veľkosť a životnosť

Elektronický cenový štítok môže stráviť takmer celý deň v režime spánku a potom požiada batériu o krátky prúdový impulz na bezdrôtovú komunikáciu, aktualizáciu e-papieru alebo LED upozornenie. Tento nezvyčajný režim zaťaženia robí výber batérie pre ESL zložitejším ako jednoduché zhodenie napätia a kapacity.

Batéria, ktorá dobre funguje v nositeľnom zariadení, nemusí poskytnúť rovnakú životnosť v digitálnom cenovom štítku. Konštruktér ESL musí zohľadniť prúd v režime spánku, frekvenciu aktualizácií, impulzný prúd, prevádzkovú teplotu, dostupný priestor a spôsob výmeny alebo dobíjania batérie.

Lítium-polymér batérie môžu byť vhodnou voľbou pre tenké, dobíjateľné alebo funkčne bohaté elektronické návesky na policiach. Avšak nie sú automaticky najlepším riešením pre každý dizajn ESL. Mnoho tradičných návesiek stále využíva primárne lítium-dioxid mangánové batérie kvôli ich nízkej samovybíjacej sa schopnosti a dlhej dobe skladovania.

Správne rozhodnutie začína skutočným prevádzkovým profilom ESL.

Aký typ batérie sa používa v elektronickej náveske na policu?

Väčšina elektronických návesiek na policiach využíva displej na elektronickom papieri (e-paper) v kombinácii s mikroriadičom s nízkou spotrebou energie a bezdrôtovým komunikačným systémom, napríklad Bluetooth Low Energy alebo vlastným sub-GHz protokolom.

Keďže displej na elektronickom papieri uchováva obraz bez neustáleho napájania, náveska môže dlhú dobu zostať v režime spánku. Energia je potrebná hlavne vtedy, keď náveska prijíma dáta, obnovuje svoj displej, bliká LED diódou alebo komunikuje s bránou.

Zvyčajne sa zvažujú dve kategórie batérií.

Primárne lítiumové batérie

Primárne batérie s litium-mangánovým oxidom, vrátane mincových článkov a tenkých batérií v taštičkovom type, sa široko používajú v nízkovýkonových elektronických cenových štítkoch (ESL), ktoré sú navrhnuté na niekoľko rokov prevádzky bez nutnosti nabíjania.

Medzi ich hlavné výhody patrí:

• Nízke samovybíjanie

• Dlhá trvanlivosť

• Jednoduchá architektúra napájania

• Žiadna nabíjací obvod

• Dobrá vhodnosť pre zriedkavé aktualizácie displeja

Hlavným obmedzením je, že batéria sa nakoniec musí vymeniť alebo štítok musí byť vyretý z prevádzky.

Rechargeable lithium polymer batteries

Ak má elektronický cenový štítok definovanú metódu nabíjania alebo ak jeho funkcie vyžadujú viac energie ako tradičný nízkovýkonový štítok, sú vhodnejšie dobíjateľné batérie z polymérneho litia.

Typické aplikácie zahŕňajú:

• Dobíjateľné elektronické cenové štítky

• Veľké alebo často aktualizované displeje

• Štítky s častou aktivitou LED

• Interaktívne štítky s tlačidlami alebo senzormi

• Opakovane použiteľné štítky pre logistiku a sklad

• ESL systémy s podporou slnečnej energie alebo kontaktovým nabíjaním

• Ultra-tenké zariadenia so špeciálnym vnútorným rozmiestnením

Prepojovací lítiový polymérny článok má zvyčajne menovité napätie 3,7 V alebo 3,85 V, v závislosti od jeho chemického zloženia a špecifikácie napätia pri nabíjaní. Integrovaný obvod na nabíjanie, ochranný obvod a rozsah napätia systému sa musia navrhnúť tak, aby boli kompatibilné s vybraným článkom.

Dôležité je tiež nepovažovať batériu za identickú iba na základe jej obalu. Tenký, pružný batériový vrecúškový článok môže byť buď prepojovací lítiový polymérny článok, alebo neprepojovací lítiový mangan-dioxidový článok. Tieto produkty majú rôzne napätia, požiadavky na nabíjanie a charakteristiky životnosti.

Kedy má pre ESL zmysel použiť lítiový polymérny akumulátor?

Lítiový polymérny akumulátor ponúka najväčšiu hodnotu vtedy, keď sú dôležitejšie tvar, hrúbka a možnosť prepojenia ako dosiahnutie najdlhšej možnej bezdozornej životnosti z primárneho článku.

Jeho vrecková štruktúra umožňuje batérii efektívnejšie využívať obdĺžnikové alebo inak nepravidelné vnútorné priestory v porovnaní s pevným priemerom mincového článku. Článok je tiež dostupný s prispôsobenými káblami, konektormi, kontaktovými ploškami, ochrannými obvodmi a teplotnými snímačmi.

LiPo by sa mal zvážiť v týchto prípadoch:

• Elektronický systém štítkov (ESL) obsahuje kontakty na nabíjanie, nabíjaciu dokovaciu stanicu alebo zber energie z prostredia

• Puzdro je príliš tenké alebo nepravidelné na použitie štandardných mincových článkov

• Štítok sa obnovuje častejšie ako konvenčný cenový štítok

• Návrh zahŕňa LED diódy, senzory, tlačidlá alebo iné interaktívne funkcie

• Očakáva sa, že batéria bude počas životnosti výrobku opakovane nabíjaná

• Štandardná batéria nemôže efektívne využiť dostupný vnútorný priestor

Pre ESL, ktorý má fungovať päť, desať alebo viac rokov bez nabíjania, môže byť primárna litiová chemická zložka stále praktickejšou voľbou. Rechargeable LiPo článok by sa nemal vyberať len preto, lebo sa zmestí do puzdra.

1. Začnite s dostupným priestorom

Hrúbka je často prvým mechanickým obmedzením pri elektronickom cenovom štítku. Batéria sa nachádza za alebo vedľa displeja, zatiaľ čo obal musí zostať dostatočne tenký na to, aby sa vošiel do štandardných regálových lišt.

Návrh by mal zohľadňovať viac ako len menovité rozmery uvedené na výkrese článku.

Umožnite priestor pre toleranciu hrúbky a rozšírenie

Púzdrové články by nemali byť tesne stlačené medzi zadný kryt a modul e-papieru. Hrúbka článku sa mení v závislosti od výrobnej tolerance, stavu nabitia, teploty a starnutia.

Požadovaná rezerva by mala byť dohodnutá s dodávateľom batérií na základe skutočných špecifikácií článku. Fixný percentuálny podiel by sa nemal uplatniť na každú batériu, pretože správanie pri rozširovaní závisí od chemického zloženia článku, kapacity, konštrukcie a prevádzkových podmienok.

Mechanický návrh by mal:

• Vyhnúť sa priamemu tlaku na displej e-papieru

• Udržiavať článok mimo ostrých plastových rebier a miest na skrutkovanie

• Zabezpečiť voľný priestor okolo okrajov púzdra a tesniacej oblasti

• Zabrániť pohybu bez tuhého stlačenia článku

• Podporiť vodiče a kľučky proti opakovanému ťahaniu alebo vibráciám

• Zohľadniť odstránenie a výmenu batérie počas údržby

Na upevnenie batérie je možné použiť penový materiál, ohraničené lepiace plochy alebo vhodný držiak batérie. Zvolený materiál musí byť kompatibilný s obalovým článkom a očakávaným rozsahom teplôt.

Nevyberať batériu iba na základe veľkosti displeja

Väčší displej zvyčajne vyžaduje viac energie na každé obnovenie, avšak veľkosť displeja nie je jediným faktorom. Dva štítky rovnakej veľkosti displeja môžu mať veľmi odlišné požiadavky na výkon kvôli ich rádiovemu protokolu, frekvencii aktualizácií, správaniu sa LED a firmvéru.

Konečné rozmery batérie by mali vychádzať z kompletného mechanického rozmiestnenia a nameraného profilu spotreby energie.

Scenár návrhu ESL	Typický smer návrhu batérie	Hlavné body na overenie
Kompaktný, dobíjateľný štítok	Tenký jednobuňkový LiPo s vlastnými vývodmi alebo kontaktmi	Minimálna hrúbka, spôsob nabíjania a maximálny prúd
Stredne veľký štítok s častými aktualizáciami	Jednobuňkový LiPo s vyššou kapacitou	Energia potrebná na obnovu displeja, rádiové udalosti a využiteľná kapacita
Veľký alebo interaktívny štítok	Väčší LiPo alebo riešenie s paralelnými bunkami	Záťaž LED, frekvencia aktualizácií, ochranný obvod a doba nabíjania
Štítok pre chladové skladovanie	Bateriová bunka na nízke teploty alebo alternatívna primárna chemická zložka	Pulzné napätie, výkon pri vybíjaní a obmedzenia nabíjania
Štítok s dlhou životnosťou bez nabíjania	Primárne lítiové batérie sú často uprednostňované	Samovybíjanie, pulzná schopnosť a stratégia výmeny

Táto tabuľka je východiskovým bodom pre návrh, nie odporúčaním kapacity. Kapacitu je potrebné vypočítať na základe nameranej spotreby zariadenia.

2. Vytvorte realistický výkonový rozpočet

Priemerný prúd elektronického štítku cien (ESL) môže vyzerať extrémne nízko, avšak samotný priemerný prúd neposkytuje informáciu o tom, či batéria dokáže podporiť každú aktualizáciu displeja.

Správny výkonový rozpočet by mal obsahovať:

• Prúd spánku MCU

• Pohotovostný a prijímací prúd rádia

• Prenosový prúd

• Prúd obnovy elektronického papiera a jeho trvanie

• Prúd LED a doba blikania

• Aktivita senzora alebo tlačidla

• Straty napäťového regulátora

• Spotreba obvodu ochrany batérie

• Pokojový prúd nabíjacích obvodov

• Očakávané zlyhania aktualizácií a opätovné prenosy

Dennú spotrebu možno odhadnúť ako:

Denná kapacita využitia = spotreba v režime spánku + spotreba komunikácie + spotreba obnovy displeja + spotreba príslušenstva

Pre jednotlivú udalosť:

Spotreba udalosti v mAh = prúd udalosti v mA × trvanie udalosti v hodinách × počet udalostí za deň

Odhadovaná záťaž počas plánovanej doby používania sa potom upraví s ohľadom na:

• Použiteľnú kapacitu pri napätí vypínacej hranice systému

• Zníženie kapacity pri nízkych teplotách

• Starnutie článkov

• Samovýboj

• Strát pri konverzii

• Výrobné odchýlky

• Technickú rezervu

Životnosť batérie nesprávne vypočítate tak, že delíte menovitú kapacitu priemerným prúdom a ďalej nepokračujete. Táto metóda ignoruje pokles napätia súvisiaci s impulzmi, teplotu a kapacitu, ktorá zostáva nedostupná pod minimálnym prevádzkovým napätím systému.

Zmerajte pracujúci prototyp

Dátové listy komponentov sú užitočné počas raného návrhu, ale konečný výber batérie by mal byť založený na meraniach z reálneho ESL prototypu.

Použite analyzátor výkonu alebo prístroj na zaznamenávanie prúdu na záznam:

• Prúd v hlbokom spánku

• Udalosti pripojenia brány

• Normálna aktualizácia displeja

• Aktualizácia celého displeja alebo viacfarebná aktualizácia

• Prevádzku LED

• Udalosti neúspešnej komunikácie a opätovného pokusu

• Prevádzka pri minimálnej a maximálnej teplote

Toto meranie často odhalí krátke zaťaženia, ktoré chýbajú v pôvodnej tabuľke.

3. Skontrolujte prúd impulzu a napätie na konci životnosti

Rádia ESL a displeje s elektronickým papierom vytvárajú krátke prúdové impulzy. Aj keď je celková energia spotrebovaná každým impulzom malá, napätie batérie sa môže dočasne znížiť kvôli impedancii článku.

Problém sa stáva závažnejším, keď:

• Je batéria studená

• Zostáva málo kapacity

• Sa článok starnie

• Je prúd aktualizácie vysoký

• Ochranný obvod alebo konektor pridáva odpor

Ak klesne napätie pod prahovú hodnotu uzamknutia pri nízkom napätí mikroriadiaceho jednotky (MCU), štítok sa počas aktualizácie môže resetovať. Potom sa môže znova spustiť, znova pripojiť a opakovať rovnakú operáciu, čím sa spotrebuje ešte viac energie.

Hodnotenie batérie by preto malo zahŕňať:

• Vnútorný odpor jednosmerného prúdu

• Napätie pri očakávanej pulznej zaťažení

• Trvanie impulzu

• Vypínacie napätie systému

• Prahová hodnota MCU pri poklese napätia

• Odpor konektorov a vedenia

• Výkon pri nízkom stave nabitia

• Výkon pri najnižšej prevádzkovej teplote

Väčšia menovitá kapacita nemusí nutne vyriešiť problém s pulzným zaťažením. Konštrukcia článku, návrh elektród, teplota a odpor obvodu môžu byť rovnako dôležité.

4. Upozornenie na tvrdenia o životnosti

Tvrdenie o životnosti ESL batérie je platné len vtedy, ak sú jasne definované prevádzkové podmienky.

Vyhlásenie, ako napríklad „až desať rokov“, by malo špecifikovať alebo aspoň vychádzať z:

• Počet aktualizácií za deň

• Typ displeja a počet farieb

• Frekvencia bezdrôtovej komunikácie

• Použitie LED

• Prevádzková teplota

• Sieťové podmienky

• Prúd v režime spánku

• Chémia akumulátora

• Vypínacie napätie systému

Pre nabíjateľné lítium-polymérne články je charakteristické samovybíjanie a starnutie v čase aj v prípade, keď sa nevykonávajú časté nabíjacie cykly. Ich dlhodobá retencia závisí od teploty, stavu nabitia a konštrukcie článku. Preto je nebezpečné predpokladať, že každý LiPo článok má ročnú mieru samovybíjania len jeden alebo dva percentá.

Pre projekt s viacročnou trvaním požiadajte dodávateľa o údaje o retencii, skladovaní a starnutí navrhovaného článku. Výsledky zrýchlených testov by mali byť posúdené spoločne s reálnymi podmienkami použitia.

Ak neexistuje žiadna metóda nabíjania a hlavným požiadavkou je čo najdlhšia údržbovo voľná životnosť, porovnajte návrh s LiPo článkmi s vhodným primárnym lítiovým riešením ešte pred finalizáciou architektúry.

5. Zvážte činnosť v chladiacom reťazci už v ranom štádiu

Elektronické cenové štítky používané v chladených výkladných priestoroch a v oblastiach mrazených potravín predstavujú inú výzvu pre batérie.

Pri nízkych teplotách sa zvyšuje impedancia článku a klesá dostupná kapacita. Pokles napätia počas rádiového prenosu alebo obnovy e-papiera môže byť taký veľký, že sa systém resetuje, aj keď batéria stále obsahuje použiteľnú energiu.

Prepojiteľné batérie typu lithium-ión majú tiež dôležité obmedzenia pri nabíjaní pri nízkych teplotách. Štandardný LiPo článok by sa nemal nabíjať pri teplote nižšej ako je teplota uvedená výrobcom. Systém môže vyžadovať:

• Článok schválený na prevádzku pri nízkych teplotách

• Nabíjačku s detekciou teploty a funkciou zablokovania nabíjania

• Znížený nabíjací prúd

• Inú chemickú zložku batérie

• Firmware, ktorý obmedzuje udalosti s vysokou zaťaženosťou, ak je batéria studená

• Väčší napäťový rozdiel nad vypínacím napätím MCU

Pre aplikácie v mrazničkách testujte úplné štítky v teplotnej komore. Údaje o kapacite pri izbovej teplote nemôžu presne predpovedať výkon pri chladných impulzoch.

6. Posúďte konštrukciu článkov bez závislosti od jediného štítku

Stohovaná elektródová konštrukcia môže byť užitočná pre tenké články a môže ponúkať dobrú kontrolu rozmerov. Navíjanie sa tiež široko používa a môže spoľahlivo fungovať, ak je správne navrhnuté a vyrobené.

Je príliš jednoduché predpokladať, že každý stohovaný článok je lepší než každý navíjaný článok.

Namiesto toho porovnajte skutočné technické špecifikácie a testovacie údaje pre:

• Tolerancia hrúbky

• Vnútorný odpor jednosmerného prúdu

• Impulzný výkon

• Životnosť cyklu

• Správanie pri skladovaní

• Rozpínanie za špecifikovaných podmienok

• Vyberanie prúdu pri nízkych teplotách

• Ukladanie za vysokých teplôt

• Konzistencie medzi šaržami

Správna konštrukcia je tá, ktorá spĺňa elektrické a mechanické požiadavky ESL s konzistentnou kvalitou výroby.

7. Potvrďte požiadavky na bezpečnosť a prepravu

Dodržiavanie predpisov by sa malo naplánovať ešte pred tým, ako sa konečne stanovia rozmery batérie a jej elektrický návrh.

Požiadavky sa líšia podľa trhu a podľa toho, či je článok dodávaný samostatne, inštalovaný v zariadení alebo zostavený do chráneného batériového balíka. Medzi bežné normy a skúšky patria napríklad:

• UN 38.3 skúšky pre prepravu lítiových batérií

• IEC 62133-2 pre prenosné uzavreté sekundárne lítiové články a batérie

• UL 1642 pre lítiové články v príslušných aplikáciách

• UL 2054 pre určité domáce a komerčné batériové balíky

• Regiónové požiadavky uplatniteľné na kompletný ESL výrobok

Skúšobná správa pre jeden model článku automaticky nepokrýva zmenenú konštrukciu, inú kombináciu článkov ani novonavrhnutý batériový balík. Potvrďte, že dokumenty zodpovedajú presne tej batérii, ktorá sa dodáva pre daný projekt.

Špecifikácia batérie by mala tiež definovať:

• Maximálne napätie na nabíjanie

• Prúd nabíjania a vybíjania

• Ochranné limity

• Prevádzková a skladovacia teplota

• Identifikáciu článkov a batériových balíčkov

• Pólovosť konektorov

• Požiadavky na vodiče a kontaktové plošky

• Sledovateľnosť výroby

8. Otázky, ktoré je potrebné položiť dodávateľovi ESL batérií

Pred objednaním prototypov poskytnite dodávateľovi viac ako požadované napätie a kapacitu.

Užitočná žiadosť o ESL batériu by mala obsahovať:

1. Rozmery dostupného priestoru pre batériu

2. Maximálna povolená hrúbka

3. Menovité a prevádzkové rozsahy napätia

4. Nameraný spiaci prúd

5. Maximálny impulzný prúd a jeho trvanie

6. Počet aktualizácií za deň

7. Rádiový protokol

8. Veľkosť displeja a konfigurácia farieb

9. Prevádzkový profil LED alebo senzora

10. Prevádzková a skladovacia teplota

11. Plánovaná životnosť

12. Spôsob nabíjania, ak je uplatniteľný

13. Požiadavky na konektor, vodič, kontaktovú plošku a polaritu

14. Požadované certifikácie a trhy určenia

15. Počet prototypov a ročná výrobná kvantita

Poskytnutie týchto informácií včas zjednodušuje určenie, či je vhodná štandardná batéria alebo či je oprávnené použitie prispôsobenej batérie.

Často kladené otázky

Aká je najvhodnejšia batéria pre elektronický cenový štítok?

Žiadna jediná batéria nie je najvhodnejšia pre každý ESL. Primárne batérie s oxidom mangánu a lítia sa bežne používajú pre ESL s dlhou životnosťou a nízkou frekvenciou aktualizácií. Pre nabíjateľné ESL s tenkým dizajnom, častými aktualizáciami alebo rozšírenými funkciami sú vhodnejšie nabíjateľné lítium-polymérne batérie.

Môže nabíjateľná lítium-polymérna batéria napájať ESL po dobu desať rokov?

Nepredpokladajte to bez aplikácií špecifického testovania. Životnosť závisí od chemického zloženia článku, jeho kapacity, samovybíjania, teploty, prúdu v režime spánku, frekvencie aktualizácií a pulzného výkonu. Nabíjateľný systém LiPo vyžaduje tiež realistickú stratégiu nabíjania alebo údržby.

Ako sa vypočíta kapacita batérie pre ESL?

Kapacita sa musí vypočítať na základe nameranej prúdovej spotreby v režime spánku, bezdrôtových udalostí, obnovy displeja, LED a iných zaťažení. Výsledok potom musí zahŕňať straty, starnutie, teplotné vplyvy, použiteľnú kapacitu pri napätí vypínacej hranice a technickú rezervu.

Prečo sa ESL počas aktualizácie displeja resetuje?

Bežnou príčinou je dočasný pokles napätia pri impulzovom zaťažení. Nízka teplota, starnutá batéria, vysoký vnútorný odpor, tenké vodiče alebo odpor spojovacích kontaktov môžu znížiť napájacie napätie pod minimálnu prevádzkovú úroveň MCU.

Môže sa štandardná LiPo batéria použiť v ESL pre mrazničky?

Iba ak je batéria vyhodnotená a otestovaná pre požadovanú teplotu. Musia sa zohľadniť schopnosť vybíjať pri nízkych teplotách aj obmedzenia nabíjania. Niektoré projekty chladového reťazca môžu byť lepšie riešené špeciálnou batériou pre nízke teploty alebo primárnou litiovou chemiou.

Záverečné myšlienky

Výber batérie typu lithium-polymér pre elektronický štítok na polici je inžinierske rozhodnutie na úrovni systému. Dôležitá je kapacita, ale tiež tolerancia hrúbky, impulzný prúd, napätie vypínania, teplota, starnutie a stratégia nabíjania.

Pre tenký dobíjateľný ESL môže špeciálne vyrobená LiPo batéria lepšie využiť vnútorný priestor a zjednodušiť mechanickú integráciu. Pre konvenčný štítok, ktorý sa očakáva, že bude fungovať mnoho rokov bez nabíjania, môže primárna litiová batéria ponúknuť vhodnejší pomer životnosti a nákladov na údržbu.

Cowon podporuje projekty batérií pre elektronické štítky na policiach štandardnými aj prispôsobenými možnosťami batérií, vrátane posúdenia veľkosti článku, vodičov, konektorov, kontaktov a batériových konfigurácií špecifických pre dané použitie.

Ak chcete vyhodnotiť batériu pre ESL, pošlite nám dostupný priestor pre batériu, rozsah napätia, frekvenciu aktualizácií, prevádzkovú teplotu a očakávané ročné množstvo. Náš tím vám pomôže prehliadnuť požiadavky a odporučiť vhodné batériové riešenie.