Літій-полімерні акумулятори для електронних цінових ярликів: керівництво з вибору

Як вибрати літій-полімерний акумулятор для електронних цінових ярликів: ємність, розмір та термін служби

Електронний ціновий ярлик може проводити майже весь день у стані сну, а потім запитати в акумулятора короткий імпульс струму для бездротового зв’язку, оновлення e-paper або світлодіодної сигналізації. Цей незвичайний режим навантаження робить підбір акумулятора для ESL складнішим, ніж просто підбір за напругою та ємністю.

Акумулятор, який добре працює в носимому пристрої, може не забезпечити такий самий термін служби в цифровому ціновому ярлику. Розробник ESL має враховувати струм у стані сну, частоту оновлення, імпульсний струм, робочу температуру, доступний простір та спосіб заміни або підзарядки акумулятора.

Літій-полімерні акумулятори можуть бути гарним вибором для тонких, акумуляторних або функціонально насичених електронних цінових ярликів. Однак вони не є автоматично найкращим рішенням для будь-якого дизайну ESL. Багато традиційних ярликів досі використовують первинні літій-діоксид-марганцеві акумулятори через їх низький саморозряд і тривалий термін зберігання.

Правильне рішення починається з реального режиму роботи ESL.

Який тип акумулятора використовується в електронному ціновому ярлику?

Більшість електронних цінових ярликів використовують дисплей на основі e-paper у поєднанні з енергоефективним мікроконтролером та бездротовою системою зв’язку, такою як Bluetooth Low Energy або пропрієтарний під-GHz протокол.

Оскільки e-paper зберігає зображення без постійного живлення, ярлик може залишатися в режимі сну тривалий час. Електроенергія потрібна переважно під час отримання даних ярликом, оновлення його дисплею, спалахування світлодіода або зв’язку з шлюзом.

Зазвичай розглядають дві категорії акумуляторів.

Первинні літієві акумулятори

Первинні літій-манганові діоксидні акумулятори, у тому числі монетоподібні й тонкі батареї у формі пакетів, широко використовуються в електронних цінових мітках із низьким споживанням енергії, розрахованих на кілька років роботи без підзаряджання.

Їхні основні переваги включають:

• Низький саморозряд

• Довгий термін придатності

• Проста архітектура живлення

• Без схеми підзаряджання

• Добре підходять для рідких оновлень дисплею

Головне обмеження полягає в тому, що акумулятор зрештою потрібно замінити або вилучити мітку з експлуатації.

Акумулятори з літій-полімерним електролітом

Акумулятори з літій-полімерним електролітом краще підходять, коли електронна цінова мітка має визначену систему підзаряджання або коли її функції вимагають більше енергії, ніж традиційна мітка з низьким споживанням.

Типові застосування включають:

• Підзаряджувані електронні цінові мітки

• Великі або часто оновлювані дисплеї

• Мітки з частим світінням LED

• Інтерактивні мітки з кнопками або датчиками

• Багаторазові мітки для логістики та складів

• Системи електронних цінових міток (ESL) із сонячним підсиленням або контактним заряджанням

• Ультратонкі пристрої з індивідуальним внутрішнім розташуванням компонентів

Перезаряджувальний літій-полімерний акумулятор (LiPo) зазвичай має номінальну напругу 3,7 В або 3,85 В, залежно від його хімічного складу та специфікації напруги заряджання. Інтегральна схема заряджання, захисне коло та діапазон робочої напруги системи повинні бути розроблені з урахуванням обраного акумулятора.

Також важливо не ідентифікувати акумулятор лише за його корпусом. Тонкий гнучкий акумулятор у формі пакета може бути перезаряджувальним літій-іонним полімерним елементом або неперезаряджувальним літій-мангановим діоксидним елементом. Ці продукти мають різні напруги, вимоги до заряджання та характеристики терміну служби.

Коли літій-полімерний акумулятор є доцільним для електронної цінової мітки (ESL)?

Літій-полімерний акумулятор забезпечує найбільшу цінність, коли форма, товщина та можливість перезаряджання є важливішими, ніж досягнення максимально можливого терміну автономної роботи від первинного елемента.

Його мішечкова структура дозволяє акумулятору ефективніше використовувати прямокутні або інші складно розміщені внутрішні простори порівняно з циліндричними елементами постійного діаметра. Елемент також може поставлятися з індивідуальними проводами, роз’ємами, виводами, захисними схемами та датчиками температури.

LiPo слід розглядати, коли:

• ЕСL включає контакти для заряджання, станцію для заряджання або систему збору енергії

• Корпус надто тонкий або неправильної форми для стандартних циліндричних елементів

• Мітка оновлюється частіше, ніж звичайна цінова мітка

• У конструкції передбачені світлодіоди, датчики, кнопки або інші інтерактивні функції

• Передбачається, що акумулятор буде перезаряджатися протягом терміну експлуатації виробу

• Стандартний акумулятор не може ефективно використовувати наявний внутрішній простір

Для ESL, який має працювати п’ять, десять або більше років без підзаряджання, первинна літієва хімія, ймовірно, залишається більш практичним варіантом. Перезаряджуваний LiPo-елемент не слід вибирати лише тому, що він підходить за розміром до корпусу.

1. Почніть із наявного простору

Товщина часто є першим механічним обмеженням для електронної етикетки на полиці. Акумулятор розташований за дисплеєм або поруч із ним, тоді як корпус має залишатися достатньо тонким, щоб вміститися в типові полиці.

При проектуванні слід враховувати не лише номінальні розміри, вказані на кресленні елемента.

Залиште місце для допусків товщини й розширення

Пакетний акумулятор не повинен бути щільно стиснутий між задньою кришкою й модулем e-ink. Товщина елемента змінюється залежно від виробничих допусків, стану заряду, температури та старіння.

Необхідний запас слід узгодити з постачальником акумуляторів на основі фактичних характеристик елемента. Не слід застосовувати фіксований відсоток до всіх акумуляторів, оскільки поведінка при розширенні залежить від хімічного складу, ємності, конструкції та умов експлуатації.

Механічне проектування має:

• Уникати безпосереднього тиску на дисплей e-ink

• Розміщувати елемент подалі від гострих пластикових ребер і виступів під гвинти

• Забезпечувати зазор навколо країв пакетного елемента й зони герметизації

• Запобігти рухові без жорсткого стиснення елемента

• Забезпечити підтримку проводів і виводів проти багаторазового тягнення або вібрації

• Врахувати можливість демонтажу та заміни акумулятора під час обслуговування

Для фіксації акумулятора можна використовувати пеноматеріал, клейові ділянки з контролюваною адгезією або відповідний лоток для акумулятора. Обраний матеріал має бути сумісним із пакетним елементом і розрахованим на очікуваний температурний діапазон.

Не вибирати акумулятор лише за розміром екрана

Зазвичай більший екран потребує більше енергії на кожне оновлення, але розмір екрана — не єдиний чинник. Два етикетки з однаковим розміром дисплея можуть мати суттєво різні вимоги до потужності через різницю у радіопротоколі, частоті оновлення, поведінці світлодіодів та прошивці.

Остаточні габарити акумулятора мають ґрунтуватися на повному механічному розташуванні та виміряному профілі споживання потужності.

Сценарій проектування ESL	Типовий напрямок проектування акумулятора	Основні пункти для перевірки
Компактна перезаряджувана мітка	Тонкий одноклітинний літій-полімерний акумулятор із спеціальним виводом або контактними площадками	Мінімальна товщина, метод заряджання та піковий струм
Середня мітка з частими оновленнями	Одноклітинний літій-полімерний акумулятор підвищеної ємності	Енергія для оновлення дисплею, радіоподії та корисна ємність
Велика або інтерактивна мітка	Більший літій-полімерний акумулятор або рішення з паралельними елементами	Навантаження світлодіода, частота оновлення, захисне коло та час заряджання
Мітка для холодного зберігання	Елемент живлення для роботи при низьких температурах або первинна хімія альтернативного типу	Імпульсна напруга, характеристики розряду та обмеження заряджання
Мітка «довговічність» без заряджання	Первинні літієві батареї зазвичай є переважним варіантом	Саморозряд, імпульсна здатність та стратегія заміни

Ця таблиця є початковою точкою проектування, а не рекомендацією щодо ємності. Ємність має бути розрахована на основі виміряного споживання пристрою.

2. Складіть реалістичний бюджет потужності

Середній струм ESL може здаватися надзвичайно низьким, але лише середній струм не показує, чи зможе батарея забезпечити кожне оновлення дисплею.

Правильний бюджет потужності має включати:

• Струм сплячого режиму МК

• Струм у режимі очікування та прийому радіосигналу

• Струм передачі

• Струм оновлення електронного паперу та тривалість оновлення

• Струм світлодіодів та тривалість спалаху

• Активність датчиків або кнопок

• Втрати стабілізатора напруги

• Споживання схеми захисту акумулятора

• Спокоївий струм зарядного пристрою

• Очікувані збої оновлення та повторні передачі

Щоденне споживання можна оцінити як:

Щоденне використання потужності = споживання в режимі сну + споживання при зв’язку + споживання при оновленні дисплея + споживання аксесуарів

Для окремої події:

Споживання події в мА·год = струм події в мА × тривалість події в годинах × кількість подій на добу

Оцінене навантаження протягом передбаченого терміну експлуатації слід потім скоригувати з урахуванням:

• Корисної ємкості при напрузі відключення системи

• Зниження ємкості при низьких температурах

• Старіння елементів

• Саморозряд

• Втрати перетворення

• Варіацій у процесі виробництва

• Інженерного запасу

Не обчислюйте термін служби акумулятора, ділячи номінальну ємкість на середній струм і зупиняючись на цьому. Такий метод ігнорує падіння напруги, пов’язане з імпульсним навантаженням, температурні впливи та ємкість, яка залишається недоступною нижче мінімальної робочої напруги системи.

Виміряти робочий прототип

Документація на компоненти корисна на етапі початкового проектування, але остаточний вибір акумулятора слід здійснювати на основі вимірювань, отриманих із реального прототипу ESL.

Використовувати аналізатор потужності або прилад для реєстрації струму, щоб зафіксувати:

• Струм у глибокому сплячому режимі

• Події підключення шлюзу

• Звичайне оновлення дисплею

• Оновлення всього екрана або багатокольорове оновлення

• Роботу світлодіодів

• Помилки зв’язку та події повторних спроб

• Роботу при мінімальній та максимальній температурах

Цей вимір часто виявляє короткочасні навантаження, які відсутні в початковій електронній таблиці.

3. Перевірте імпульсний струм та напругу в кінці терміну служби

Радіомодулі ESL та дисплеї на електронному папері створюють короткочасні імпульси струму. Навіть якщо загальна енергія, витрачена кожним імпульсом, мала, напруга акумулятора може тимчасово знизитися через внутрішній опір елемента.

Проблема стає серйознішою, коли:

• Акумулятор охолоджений

• Залишкова ємність низька

• Елемент старіє

• Струм оновлення високий

• Захисне коло або роз’єм додають опір

Якщо напруга падає нижче порогового значення блокування при низькій напрузі МКУ, етикетка може перезавантажитися під час оновлення. Після цього вона може знову запуститися, встановити з’єднання й повторити ту саму операцію, витрачаючи ще більше енергії.

Тому оцінка акумулятора повинна включати:

• Внутрішній опір постійного струму

• Напруга під очікуваним імпульсним навантаженням

• Тривалість імпульсу

• Напруга відключення системи

• Поріг пониження напруги для MCU

• Опір з’єднувачів та проводки

• Ефективність при низькому рівні заряду

• Ефективність при найнижчій робочій температурі

Більша номінальна ємність не обов’язково вирішує проблему імпульсного навантаження. Конструкція елемента, дизайн електродів, температура та опір кола можуть мати таке саме значення.

4. Обережно ставтеся до заяв про термін служби

Заява про термін служби ESL є дійсною лише за умови, що визначено умови експлуатації.

Твердження на кшталт «до десяти років» має визначати або, принаймні, ґрунтуватися на:

• Кількість оновлень на день

• Тип дисплея та кількість кольорів

• Частота бездротового зв’язку

• Використання світлодіодів

• Робоча температура

• Умови мережі

• Струм у режимі сну

• Хімія акумуляторів

• Напруга відключення системи

Перезаряджувані літій-полімерні елементи піддаються саморозряду та старінню навіть тоді, коли їх не циклюють часто. Їх тривала здатність утримувати заряд залежить від температури, рівня заряду та конструкції елемента. Тому небезпечно припускати, що кожен LiPo-елемент має щорічний показник саморозряду лише один–два відсотки.

Для багаторічного проекту запитайте у постачальника дані про збереження, зберігання та старіння запропонованого елемента. Результати прискорених випробувань слід аналізувати разом із реальними умовами експлуатації.

Якщо методу заряджання немає, а головна вимога — якомога довший термін експлуатації без обслуговування, порівняйте конструкцію на основі LiPo з відповідним первинним літієвим рішенням до фіналізації архітектури.

5. Раннє врахування роботи в умовах холодового ланцюга

Електронні цінові ярлики, що використовуються в охолоджуваних вітринних пристроях та зонах заморожених продуктів, створюють іншу задачу щодо живлення від акумуляторів.

При низьких температурах внутрішній опір елемента зростає, а доступна ємність зменшується. Спад напруги під час радіопередачі або оновлення e-paper може стати достатньо великим, щоб спричинити скидання системи, навіть якщо в акумуляторі ще залишається корисна енергія.

Акумулятори літій-іонного типу також мають важливі обмеження щодо заряджання при низьких температурах. Стандартний LiPo-елемент не слід заряджати при температурі нижче тієї, що вказана виробником. Для системи може знадобитися:

• Елемент, придатний для роботи при низьких температурах

• Зарядний пристрій із датчиком температури та функцією блокування заряджання

• Зниження струму заряджання

• Інша хімія акумулятора

• Прошивка, яка обмежує події з високим навантаженням під час низької температури акумулятора

• Більший запас напруги над порогом відключення МК

Для застосування у морозильних установках перевіряйте повні етикетки в термокамері. Дані ємності при кімнатній температурі не можуть точно передбачити продуктивність під час короткочасного охолодження.

6. Оцінюйте конструкцію елемента, не покладаючись лише на одну етикетку

Конструкція зі штабелювання електродів може бути корисною для тонких елементів і забезпечувати добру контрольованість розмірів. Конструкція з намотування також широко використовується й може надійно працювати за умови правильного проектування та виробництва.

Занадто спрощено вважати, що кожен елемент із штабелюванням кращий за будь-який намотаний елемент.

Натомість порівнюйте фактичні технічні характеристики та дані випробувань для:

• Толщина допуск

• Внутрішній опір постійного струму

• Продуктивності імпульсного навантаження

• Цикл життя

• Поведінки під час зберігання

• Розпухання за вказаних умов

• Розряд при низьких температурах

• Зберігання при високій температурі

• Узгодженості між партіями

Правильна конструкція — це та, яка задовольняє електричні й механічні вимоги ESL і забезпечує стабільну якість у серійному виробництві.

7. Підтвердьте вимоги щодо безпеки та транспортування

Відповідність має бути спланована до того, як будуть остаточно визначені розміри акумулятора та його електрична конструкція.

Вимоги залежать від ринку та від того, чи постачають елемент окремо, встановлюють у пристроях чи монтуємо в захищений акумуляторний блок. До поширених стандартів і випробувань належать:

• UN 38.3 для випробування транспортування літієвих акумуляторів

• IEC 62133-2 для переносних герметичних вторинних літієвих елементів і акумуляторів

• UL 1642 для літієвих елементів у відповідних застосуваннях

• UL 2054 для певних побутових і комерційних акумуляторних блоків

• Регіональні вимоги, що стосуються повного продукту ESL

Звіт про випробування одного типу елемента автоматично не поширюється на модифіковану конструкцію, іншу комбінацію елементів або новостворений акумуляторний блок. Переконайтеся, що документи відповідають саме тому акумулятору, який поставляється для проекту.

Специфікація акумулятора також має визначати:

• Максимальне напруга зарядки

• Струми заряджання та розряджання

• Межі захисту

• Температура експлуатації та зберігання

• Ідентифікацію елементів та батарейного блоку

• Полярність роз’ємів

• Вимоги до проводів та виводів

• Відстежуваність виробництва

8. Питання, які слід поставити постачальникові ESL-акумуляторів

Перед замовленням прототипів надайте постачальникові більше інформації, ніж лише бажану напругу й ємність.

Корисний запит на ESL-акумулятор має включати:

1. Розміри наявного відсіку для акумулятора

2. Максимально допустима товщина

3. Номінальна та робоча напруга

4. Виміряний струм у стані спокою

5. Максимальний імпульсний струм і тривалість

6. Кількість оновлень на день

7. Радіопротокол

8. Розмір дисплея та конфігурація кольорів

9. Профіль роботи світлодіода або сенсора

10. Температура експлуатації та зберігання

11. Розрахований термін служби

12. Метод заряджання, якщо застосовується

13. Вимоги до роз’єму, проводу, контактної площадки та полярності

14. Обов’язкові сертифікати та ринки призначення

15. Кількість прототипів та щорічний обсяг виробництва

Надання цієї інформації на ранніх етапах спрощує визначення того, чи підходить стандартна комірка, чи ж виправдано розробляти спеціальну акумуляторну батарею.

Поширені запитання

Яка акумуляторна батарея є найкращою для електронної цінової мітки?

Для електронних цінових міток із тривалим терміном служби та рідкими оновленнями широко використовуються первинні літій-діоксид-марганцеві батареї. Заряджувані літій-полімерні акумулятори краще підходять для тонких, заряджуваних, часто оновлюваних або функціонально насичених конструкцій електронних цінових міток.

Чи може літій-полімерна акумуляторна батарея забезпечувати роботу електронної цінової мітки протягом десяти років?

Цього не слід припускати без спеціалізованих випробувань у конкретному застосуванні. Термін служби залежить від хімічного складу комірки, її ємності, саморозряду, температури, струму у стані спокою, частоти оновлень та імпульсної продуктивності. Крім того, для заряджуваної системи LiPo потрібна реалістична стратегія заряджання або технічного обслуговування.

Як розраховується ємність акумуляторної батареї для електронної цінової мітки?

Ємність слід розраховувати на основі виміряного струму у стані спокою, бездротових подій, оновлень дисплея, світлодіодів та інших навантажень. Потім отриманий результат має враховувати втрати, старіння, температурні впливи, корисну ємність при напрузі відсікання та інженерний запас.

Чому ESL скидається під час оновлення дисплея?

Поширеною причиною є тимчасове зниження напруги під імпульсним навантаженням. Низька температура, стара батарея, високий внутрішній опір, тонкі дроти або опір з’єднувачів можуть знизити напругу живлення нижче мінімального робочого рівня МК.

Чи можна використовувати стандартну LiPo-елементну батарею в ESL для морозильника?

Лише за умови, що елемент сертифікований і протестований для потрібної температури. Слід враховувати як здатність до розряду при низьких температурах, так і обмеження щодо заряджання. Для деяких проектів холодового ланцюга краще підійдуть спеціалізовані елементи для низьких температур або первинні літієві хімічні системи.

Остаточні думки

Вибір літій-полімерного акумулятора для електронної цінової мітки — це інженерне рішення на рівні системи. Ємність має значення, але також важливі допуски за товщиною, імпульсний струм, напруга відсікання, температура, старіння та стратегія заряджання.

Для тонкої перезаряджуваної ESL спеціальна літій-полімерна комірка може ефективніше використовувати внутрішній об’єм і спростити механічну інтеграцію. Для звичайної мітки, яка має працювати багато років без підзаряджання, первинний літієвий акумулятор, можливо, забезпечить кращий баланс терміну служби та вартості технічного обслуговування.

Cowon підтримує проекти з акумуляторами для електронних цінових міток стандартними й спеціалізованими варіантами, у тому числі оцінкою розмірів комірок, проводами, роз’ємами, контактними площадками, захисними схемами та конфігураціями акумуляторів, адаптованими до конкретних застосувань.

Щоб оцінити акумулятор для ESL, надішліть нам доступний об’єм під акумулятор, діапазон напруги, частоту оновлення, робочу температуру та очікувану щорічну кількість. Наша команда допоможе проаналізувати вимоги й запропонувати відповідне рішення з акумуляторів.