LiPo-batterier för elektroniska hyllmärkningar: Vägledning för urval

Hur man väljer ett litiumpolymers batteri för elektroniska hyllmärkningar: kapacitet, storlek och livslängd

En elektronisk hyllmärkning kan tillbringa nästan hela dagen i viloläge, sedan be sitt batteri att leverera en kort strömpuls för trådlös kommunikation, en e-pappersuppdatering eller en LED-varning. Denna ovanliga belastningsprofil gör att valet av batteri för ESL är mer komplicerat än att bara anpassa spänning och kapacitet.

Ett batteri som fungerar bra i en bärbar enhet kan inte ge samma livslängd i en digital prisskylt. ESL-konstruktören måste ta hänsyn till viloström, uppdateringsfrekvens, pulssström, driftstemperatur, tillgängligt utrymme samt hur batteriet kommer att bytas ut eller laddas om.

Litiumpolymersbatterier kan vara ett bra val för tunna, återladdningsbara eller funktionsrika elektroniska hyllmärkningar. De är dock inte automatiskt den bästa lösningen för varje ESL-design. Många konventionella märkningar använder fortfarande primära litiummangandioxidbatterier på grund av deras låga självurladdning och långa lagringsliv.

Rätt beslut börjar med ESL:s faktiska driftprofil.

Vilken typ av batteri används i en elektronisk hyllmärkning?

De flesta elektroniska hyllmärkningar använder en e-pappersdisplay i kombination med en låg-effektmikrokontroller och ett trådlöst kommunikationssystem, till exempel Bluetooth Low Energy eller ett proprietärt sub-GHz-protokoll.

Eftersom e-papper behåller en bild utan kontinuerlig strömförsörjning kan märkningen förbli i viloläge under långa perioder. Ström krävs främst när märkningen tar emot data, uppdaterar sin display, blinkar med en LED eller kommunicerar med en gateway.

Två batterikategorier övervägs vanligtvis.

Primära litiumbatterier

Primära litium-mangandioxidbatterier, inklusive myntceller och tunna påseformade celler, används allmänt i låg-effektelektroniska prisetiketter (ESL) som är utformade för flera års drift utan laddning.

Deras främsta fördelar inkluderar:

• Låg självurladdning

• Lång hållbarhet

• Enkel kraftarkitektur

• Ingen laddningskrets

• Bra lämplighet för sällsynta skärmutdateringar

Den främsta begränsningen är att batteriet till slut måste bytas ut eller att etiketten måste tas ur drift.

Återladdningsbara litiumpolymertbatterier

Återladdningsbara litiumpolymertbatterier är mer lämpliga när ESL har en definierad laddningsmetod eller när dess funktioner kräver mer energi än en traditionell låg-effektetikett.

Typiska tillämpningar inkluderar:

• Återladdningsbara elektroniska prisetiketter

• Stora eller ofta uppdaterade displayar

• Etiketter med ofta aktiva LED-lampor

• Interaktiva etiketter med knappar eller sensorer

• Återanvändbara logistik- och lageretiketter

• ESL-system med solhjälp eller kontaktladdning

• Ultra-tunna enheter med en anpassad intern layout

En återladdningsbar LiPo-celle har vanligtvis en nominell spänning på 3,7 V eller 3,85 V, beroende på dess kemiska sammansättning och laddspännningsspecifikation. Laddnings-IC:n, skyddskretsen och systemets spänningsområde måste utformas kring den valda cellen.

Det är också viktigt att inte identifiera en batteri enbart utifrån dess förpackning. Ett tunt, flexibelt påsebatteri kan vara en återladdningsbar litiumjonpolymercell eller en icke-återladdningsbar litiummangandioxidcell. Dessa produkter har olika spänningar, olika krav på laddning och olika egenskaper vad gäller livslängd.

När är en litiumpolymerbatteri lämplig för en ESL?

En litiumpolymerbatteri ger största värdet när form, tjocklek och möjlighet att ladda om är viktigare än att uppnå den längsta möjliga driftstiden utan övervakning från en primärcell.

Dess påsestruktur gör att batteriet kan utnyttja rektangulära eller annars svåra inre utrymmen mer effektivt än en fastdiameter myntcell. Cellen kan även levereras med anpassade kablar, kontakter, fästband, skyddskretsar och temperatursensorer.

LiPo bör övervägas när:

• ESL:n inkluderar laddkontakter, en ladddocka eller energiutvinning

• Höljet är för tunt eller oregelbundet för standardmyntceller

• Etiketten uppdateras oftare än en konventionell prisetikett

• Designen inkluderar LED-lampor, sensorer, knappar eller andra interaktiva funktioner

• Batteriet förväntas laddas om under produktens livscykel

• Ett standardbatteri kan inte utnyttja det tillgängliga inre utrymmet effektivt

För en ESL som förväntas fungera i fem, tio eller fler år utan laddning kan primär litiumkemi fortfarande vara det praktiskare alternativet. En återladdningsbar LiPo-cell bör inte väljas endast därför att den passar i höljet.

1. Börja med det tillgängliga utrymmet

Tjocklek är ofta den första mekaniska begränsningen för en elektronisk hyllmärkning. Batteriet placeras bakom eller bredvid displayen, medan höljet måste förbli tillräckligt smalt för att passa standardhyllskinner.

Designen bör ta hänsyn till mer än de nominella måtten som visas på en cellritning.

Reservera utrymme för tjocklektolerans och utvidgning

En pouchcell bör inte tryckas hårt mellan baksidan och e-pappersmodulen. Cellets tjocklek varierar beroende på tillverkningstolerans, laddningsnivå, temperatur och åldring.

Den erforderliga toleransen bör överenskommes med batterileverantören med hjälp av den faktiska cellspecifikationen. En fast procentsats bör inte tillämpas på alla batterier, eftersom utvidgningsbeteendet beror på cellekemi, kapacitet, konstruktion och driftförhållanden.

Den mekaniska designen bör:

• Undvika direkt tryck på e-pappersdisplayen

• Hålla cellen borta från skarpa plastribbor och skruvfästen

• Säkerställa utrymme runt pouchens kanter och försegling

• Förhindra rörelse utan att hårt komprimera cellen

• Stöd kablar och flikar mot upprepad dragkraft eller vibration

• Ta hänsyn till batteriborttagning och -utbyte under underhåll

Skum, kontrollerade limytor eller en lämplig batterilåda kan användas för att säkra batteriet. Det valda materialet måste vara kompatibelt med cellpåsen och den förväntade temperaturspannen.

Välj inte batteriet enbart utifrån skärmstorlek

En större skärm kräver vanligtvis mer energi per uppdatering, men skärmstorlek är inte den enda faktorn. Två etiketter med samma visningsstorlek kan ha mycket olika effektkrav på grund av sin radioprotokoll, uppdateringsfrekvens, LED-beteende och firmware.

De slutgiltiga batteridimensionerna bör baseras på den fullständiga mekaniska layouten och den uppmätta effektkurvan.

ESL-designscenario	Typisk batteridesignriktning	Huvudpunkter att verifiera
Kompakt, återladdbar etikett	Tunn enfacks LiPo med anpassad ledning eller fästklaffar	Minimalt tjocklek, laddningsmetod och toppström
Mediumetikett med frekventa uppdateringar	LiPo med högre kapacitet i en fack	Energi för displayuppdatering, radiohändelser och användbar kapacitet
Stor eller interaktiv etikett	Större LiPo eller lösning med parallella celler	LED-belastning, uppdateringsfrekvens, skyddskrets och laddningstid
Etikett för kallförvaring	Cell med låg temperatur eller alternativ primär kemisk sammansättning	Pulsspänning, urladdningsprestanda och laddningsbegränsningar
Etikett för lång livslängd utan laddning	Primär litiumbatteri föredras ofta	Självurladdning, pulsförmåga och utbytesstrategi

Denna tabell är en utgångspunkt för konstruktion, inte en kapacitetsrekommendation. Kapaciteten måste beräknas utifrån den uppmätta förbrukningen i enheten.

2. Skapa en realistisk effektbudget

Genomsnittsströmmen i en ESL kan verka extremt låg, men genomsnittsströmmen ensam visar inte om batteriet kan stödja varje displayuppdatering.

En korrekt effektbudget bör inkludera:

• MCU:s viloström

• Radioens väntläge och mottagningsström

• Sändström

• E-pappersuppdateringsström och -varaktighet

• LED-ström och blinktid

• Sensor- eller knappaktivitet

• Spänningsregulatorförluster

• Batteriskyrdskretsens förbrukning

• Laddkretsens vilostrom

• Förväntade uppdateringsfel och omsändningar

Daglig förbrukning kan uppskattas som:

Daglig kapacitetsanvändning = sovförbrukning + kommunikationsförbrukning + displayuppdateringsförbrukning + tillbehörsförbrukning

För en enskild händelse:

Händelseförbrukning i mAh = händelsens ström i mA × händelsens varaktighet i timmar × antal händelser per dag

Den uppskattade belastningen under den avsedda driftstiden bör sedan justeras för:

• Användbar kapacitet vid systemets avbrytningssspänning

• Kapacitetsminskning vid låg temperatur

• Cellåldring

• Självförlust

• Omvandlingsförluster

• Tillverkningsvariation

• En teknisk reserv

Beräkna inte batteriets livslängd genom att dividera den angivna kapaciteten med genomsnittsströmmen och sedan avsluta där. Den metoden ignorerar spänningsfall relaterat till pulser, temperatur samt den kapacitet som förblir otillgänglig under systemets minimidriftsspänning.

Mät en fungerande prototyp

Komponentdatasheetar är användbara under tidiga designfaser, men det slutgiltiga batterivalut ska baseras på mätningar från en verklig ESL-prototyp.

Använd en effektanalysator eller ett ströminstrument med loggningsfunktion för att registrera:

• Ström i djupsömnläge

• Gatewayanslutningshändelser

• En normal displayuppdatering

• En helbilds- eller flerfärgsuppdatering

• LED-funktion

• Misslyckade kommunikations- och återförsökhändelser

• Drift vid minsta och högsta temperatur

Denna mätning avslöjar ofta kortvariga laster som saknas i det ursprungliga kalkylbladet.

3. Kontrollera pulsström och slutförings-spänning

ESL-radior och e-pappersdisplayar genererar korta strömpulser. Även om den totala energin för varje puls är liten kan batterispänningen sjunka tillfälligt på grund av cellens impedans.

Problemet blir allvarligare när:

• Batteriet är kallt

• Den återstående kapaciteten är låg

• Cellen har åldrats

• Uppdateringsströmmen är hög

• Skyddskretsen eller kontakten lägger till resistans

Om spänningen sjunker under mikrokontrollerns (MCU) spänningslåsnivå kan etiketten återställas under en uppdatering. Den kan sedan starta om, återansluta och upprepa samma åtgärd, vilket förbrukar ännu mer energi.

Batteriutvärdering bör därför inkludera:

• DC-inre resistans

• Spänning under den förväntade pulslasten

• Pulslängd

• Systemets avbrytningsvolt

• MCU:s brownout-tröskel

• Kontakt- och kablingsresistans

• Prestanda vid låg laddningsnivå

• Prestanda vid lägsta driftstemperatur

En större nominell kapacitet löser inte nödvändigtvis ett pulsproblem. Cellkonstruktion, elektroddesign, temperatur och kretsförstånd kan vara lika viktiga.

4. Hantera påståenden om livslängd med försiktighet

Ett påstående om batterilivslängd för ESL är giltigt endast om driftförhållandena är definierade.

Ett uttalande som "upp till tio år" bör specificera, eller åtminstone grundas på:

• Antal uppdateringar per dag

• Displaytyp och antal färger

• Trådlös kommunikationsfrekvens

• LED-användning

• Driftstemperatur

• Nätverksförhållanden

• Sömnström

• Batterikemi

• Systemets avbrytningsvolt

Återladdningsbara litiumpolymersceller undergår självurladdning och kalenderåldring även när de inte cyklas ofta. Deras långsiktiga kapacitetsbevarande beror på temperatur, laddningsnivå och cellkonstruktion. Det är därför osäkert att anta att varje litiumpolymerscell har en årlig självurladdningsgrad på endast en eller två procent.

För ett flerårigt projekt bör man be leverantören om data om kapacitetsbevarande, lagring och åldring för den föreslagna cellen. Accelererade testresultat bör granskas tillsammans med de faktiska driftförhållandena i applikationen.

Om det inte finns någon laddningsmetod och huvudkravet är så lång underhållsfri livslängd som möjligt, jämför man LiPo-konstruktionen med en lämplig primär litiumlösning innan arkitekturen fastställs.

5. Överväg kylkedjedrift tidigt

Elektroniska hyllmärkningar som används i kylda utställningsytor och frysavdelningar ställer olika krav på batteriet.

Vid låga temperaturer ökar cellimpedansen och den tillgängliga kapaciteten minskar. Spänningsfallet vid en radiosändning eller e-pappersuppdatering kan bli så stort att systemet återställs, även om batteriet fortfarande innehåller användbar energi.

Återladdningsbara litiumjonbatterier har också viktiga laddningsbegränsningar vid låga temperaturer. En standard-LiPo-cell får inte laddas vid temperaturer under den temperatur som tillverkaren anger. Systemet kan kräva:

• En cell som är godkänd för låga temperaturer

• En laddare med temperaturkänsla och laddningsinhibering

• Minskad laddningsström

• En annan batterikemi

• Firmware som begränsar högbelastningshändelser när batteriet är kallt

• Ett större spänningsutrymme ovanför MCU:s avstängningsspänning

För frysanvändningar ska kompletta etiketter testas i en temperaturkammare. Kapacitetsdata vid rumstemperatur kan inte förutsäga kallpulsprestanda på ett tillförlitligt sätt.

6. Utvärdera cellkonstruktion utan att lita på en enda etikett

Staplade elektrod-konstruktioner kan vara användbara för tunna celler och kan erbjuda god dimensionell kontroll. Vindningskonstruktioner används också på ett brett plan och kan fungera pålitligt om de är korrekt utformade och tillverkade.

Det är alltför enkelt att anta att varje staplad cell är bättre än varje vindad cell.

Jämför istället faktiska specifikationer och testdata för:

• Tjocklestatthet

• DC-inre resistans

• Pulsprestanda

• Cykelliv

• Lagringsbeteende

• Svällning under angivna förhållanden

• Urladdning vid låg temperatur

• Lagring vid hög temperatur

• Konsekvens mellan partier

Den rätta konstruktionen är den som uppfyller ESL:s elektriska och mekaniska krav med konsekvent produktionskvalitet.

7. Bekräfta säkerhets- och transportkrav

Överensstämmelse bör planeras innan batteriets dimensioner och elektriska design är fastställda.

Kraven varierar beroende på marknad och på om cellen skickas separat, installeras i utrustning eller monteras i ett skyddat batteripaket. Vanliga standarder och tester kan inkludera:

• UN 38.3 för test av transport av litiumbatterier

• IEC 62133-2 för portabla försegla sekundära litiumceller och batterier

• UL 1642 för litiumceller i relevanta applikationer

• UL 2054 för vissa hushålls- och kommersiella batteripaket

• Regionala krav som gäller för den fullständiga ESL-produkten

En testrapport för en cellmodell täcker inte automatiskt en modifierad konstruktion, en annan cellkombination eller ett nydesignat batteripaket. Bekräfta att dokumenten motsvarar exakt det batteri som levererats för projektet.

Batterispecifikationen bör även definiera:

• Maximal Laddningspänning

• Laddnings- och urladdningsström

• Skyddgränser

• Drift- och lagringstemperatur

• Cell- och paketidentifiering

• Kontaktornas polaritet

• Krav på kablar och fästflänsar

• Produktionsspårning

8. Frågor att ställa till en ESL-batterileverantör

Innan du beställer prototyper bör du ge leverantören mer information än önskad spänning och kapacitet.

En användbar ESL-batteriförfrågan bör inkludera:

1. Tillgängliga mått för batterikompartementet

2. Maximalt tillåtna tjocklek

3. Nominal- och driftspänningsområde

4. Mätt soström

5. Maximal pulsström och varaktighet

6. Antal uppdateringar per dag

7. Radioprotokoll

8. Displaystorlek och färgkonfiguration

9. LED- eller sensorarbetsprofil

10. Drift- och lagringstemperatur

11. Avsedd livslängd

12. Laddningsmetod, om tillämpligt

13. Anslutning, kabel, kontaktplatta och polaritetskrav

14. Krävda certifieringar och avsedda marknader

15. Prototyp- och årliga produktionskvantiteter

Att tillhandahålla denna information tidigt underlättar bedömningen av om en standardcell är lämplig eller om en anpassad batterilösning är befogad.

Vanliga frågor

Vilket är det bästa batteriet för en elektronisk hyllmärkning?

Det finns inget enda bästa batteri för alla ESL:er. Primära litium-manganoxidbatterier används allmänt för ESL:er med lång livslängd och sällan uppdateringar. Återladdningsbara litiumpolymersbatterier är bättre lämpade för tunna, återladdningsbara, ofta uppdaterade eller funktionsrika ESL-designer.

Kan ett litiumpolymersbatteri driva en ESL i tio år?

Det bör inte antas utan applikationsspecifik testning. Livslängden beror på cellkemi, kapacitet, självurladdning, temperatur, vilostrom, uppdateringsfrekvens och pulsförmåga. Ett återladdningsbart LiPo-system kräver även en realistisk laddnings- eller underhållsstrategi.

Hur beräknas ESL-batterikapaciteten?

Kapaciteten ska beräknas utifrån mätt soströmmen, trådlösa händelser, displayuppdateringar, LED-lampor och andra laster. Resultatet måste sedan inkludera förluster, åldringseffekter, temperaturpåverkan, användbar kapacitet vid avbrytningsvoltaget samt en teknisk reserv.

Varför återställs en ESL under en displayuppdatering?

En vanlig orsak är en tillfällig spänningsdrop under pulslast. Kall temperatur, en åldrad battericell, hög inre resistans, tunna kablar eller kontaktmotstånd kan driva spänningsnivån under mikrokontrollerns minimidriftspänning.

Kan en standard-LiPo-celle användas i en fryskyl-ESL?

Endast om cellen är certifierad och testad för den krävda temperaturen. Förmågan att leverera ström vid låg temperatur samt begränsningar för laddning måste båda beaktas. Vissa kylkedjeprojekt kan vara bättre tjänade av en specialanpassad lågtemperaturcell eller primär litiumkemi.

Avslutande tankar

Att välja en litiumpolymersladdbar battericell till en elektronisk hyllmärkning är ett systemnivåtekniskt beslut. Kapacitet är viktigt, men likaså tjockleksutrymmet, pulsströmmen, avbrytningsvoltaget, temperaturen, åldrandet och laddningsstrategin.

För en tunn, återladdbar ESL kan en anpassad LiPo-celleffektivare utnyttja det interna utrymmet och förenkla den mekaniska integrationen. För en konventionell märkning som förväntas fungera i många år utan att laddas kan ett primärt litiumbatteri erbjuda en mer lämplig balans mellan livslängd och underhållskostnad.

Cowon stödjer projekt för elektroniska hyllmärkningsbatterier med standard- och anpassade batterialternativ, inklusive utvärdering av cellestorlek, kablar, kontakter, anslutningsflänsar, skyddskretsar och applikationsspecifika batterikonfigurationer.

För att utvärdera ett ESL-batteri skickar du oss det tillgängliga batteriutrymmet, spänningsområdet, uppdateringsfrekvensen, drifttemperaturen och den förväntade årliga mängden. Vårt team kan hjälpa dig att granska kraven och rekommendera en lämplig batterilösning.