أهم خمسة تحديات في تصميم البطاريات الطبية المحمولة وكيفية حلها

تواجه خمسة تحديات رئيسية عند تصميم الأجهزة المحمولة البطاريات الطبية:

• تحد قيود كثافة الطاقة من ميزات الجهاز المتقدمة.

• حساسية درجة الحرارة تهدد السلامة والموثوقية.

• يؤدي تدهور دورة الحياة إلى زيادة تكاليف الاستبدال.

• إن عدم كفاية آليات السلامة قد يؤدي إلى فشل الجهاز.

• تحد التعقيدات المتعلقة بالامتثال التنظيمي من خيارات التصميم.

ويضمن حل هذه التحديات السلامة والموثوقية ورضا المستخدم.

الوجبات السريعة الرئيسية

• عالج قيود كثافة الطاقة باختيار التركيب الكيميائي المناسب للبطارية في مرحلة مبكرة من عملية التصميم. يؤثر هذا الاختيار على أداء الجهاز وسلامته.

• طبّق استراتيجيات فعّالة لإدارة الحرارة لمنع ارتفاع درجة الحرارة. استخدم أنظمة إدارة البطاريات وتصاميم الأغلفة المناسبة للحفاظ على درجات حرارة تشغيل آمنة.

• ضمان الامتثال لمعايير السلامة، مثل IEC 62133 وUN 38.3. يؤدي الالتزام بهذه اللوائح إلى حماية المرضى وتعزيز موثوقية الجهاز.

الجزء الأول: البطاريات الطبية المحمولة - القوة مقابل الحجم

1.1 سعة عالية في التصميمات المدمجة

غالبًا ما تواجه خيارات صعبة عند التصميم بطاريات طبية محمولةيجب تركيب بطاريات عالية السعة في مساحات صغيرة دون المساس بالأداء أو السلامة. في الأجهزة الطبية، يصبح هذا التحدي أكثر إلحاحًا. يجب الموازنة بين سعة البطارية وحجمها الصغير، مما قد يؤثر على كفاءة الشحن وإنتاج البطاريات. يؤثر اختيار التركيب الكيميائي للبطارية وعامل الشكل على أداء جهازك في الظروف الواقعية.

تلميح: حدد متطلبات الطاقة ومعايير البطارية مُبكرًا. هذا يُساعدك على اختيار التركيب الكيميائي وعامل الشكل المناسبين لتطبيقك.

غالبًا ما يُعطي المهندسون في القطاعات الطبية والروبوتية والأمنية الأولوية للمتحكمات الدقيقة وأجهزة الاستشعار منخفضة الطاقة. تُساعد هذه المكونات على إطالة عمر البطارية وتقليل المخاطر مثل ارتفاع درجة الحرارة أو الحرائق. كما يُنصح بدمج استراتيجيات إدارة الطاقة منذ البداية، مما يضمن تلبية بطارياتك لاحتياجات الاستخدام وامتثالها لمعايير السلامة.

1.2 تحسين كثافة الطاقة

تظل كثافة الطاقة عاملاً رئيسياً في إنتاج بطاريات البطاريات الطبية المحمولة. تتميز بطاريات أيون الليثيوم، وخاصةً بطاريات NMC وبطاريات الحالة الصلبة، بكثافة طاقة عالية وعمر افتراضي طويل. تدعم هذه البطاريات الشحن السريع والتفريغ الذاتي المنخفض، وهو أمر بالغ الأهمية للأجهزة الطبية الطارئة. ومع ذلك، لا تزال قيود الحجم وعمرها الافتراضي المحدود تحد من استخدامها في التطبيقات القابلة للزرع أو طويلة الأمد.

فيما يلي مقارنة بين التركيبات الكيميائية الشائعة لبطاريات الليثيوم المستخدمة في القطاعين الطبي والصناعي:

أحدثت بطاريات الليثيوم أيون نقلة نوعية في مجال البطاريات الطبية المحمولة، بفضل توفيرها كثافة طاقة عالية وأداءً موثوقًا. كما أنها تقلل من خطر الحريق والمخاطر الأخرى عند استخدامها مع أنظمة إدارة البطاريات المتقدمة. عند تصميم جهازك القادم، فكّر في كيفية مساهمة تصميمات البطاريات المدمجة في تحسين سهولة الاستخدام والسلامة، خاصةً في حالات الطوارئ.

الجزء الثاني: تحديات التنظيم الحراري

2.1 منع ارتفاع درجة الحرارة

تلعب إدارة الحرارة دورًا حاسمًا في البطاريات الطبية المحمولة، وخاصةً تلك التي تستخدم بطاريات أيونات الليثيوم. يجب معالجة ارتفاع درجة الحرارة لتلبية معايير سلامة البطاريات وحماية المرضى من مخاطر الحريق أو تعطل الجهاز. قد يؤدي ارتفاع درجة الحرارة إلى تلف الأنسجة، وتغيير فعالية الدواء، وتقليل عمر الجهاز. يجب على مصنعي الأجهزة الطبية اتباع معايير صارمة وإجراء اختبارات سلامة لتجنب أي مخاوف تتعلق بالسلامة.

تشمل الأسباب الرئيسية لارتفاع درجة الحرارة في البطاريات القائمة على الليثيوم ما يلي:

يجب عليك استخدام أنظمة الحماية مثل وحدات دائرة الحماية (PCM) وميزات البطارية الذكية لمراقبة أداء البطارية والتحكم فيه. كما أن التصميم الميكانيكي مهم. يجب أن تسمح العلب بتمدد البطارية وأن تتضمن فتحات تهوية لتدفق الهواء. تساعدك هذه الاستراتيجيات على استيفاء معايير سلامة البطاريات وتقليل مخاطر الحرائق أثناء إنتاجها واختبارها.

2.2 حلول التبريد المتقدمة

يمكنك تحسين السلامة والموثوقية باستخدام تقنيات التبريد المتقدمة. يعد اتساق درجة الحرارة أمرًا حيويًا لعمر البطارية وأدائها. أنظمة إدارة الحرارة للبطاريات يجب أن يحافظ نظام إدارة الحرارة (BTMS) على درجات حرارة الخلايا ضمن نطاقات آمنة، ويقلل من الاختلافات بينها. تمنع الإدارة الحرارية الفعالة هروب الحرارة وتعزز الكفاءة.

ينبغي اختيار حلول التبريد بناءً على تطبيقك وكيمياء البطارية، مثل بطاريات NMC أو بطاريات الحالة الصلبة. تساعدك هذه الطرق على مواجهة التحديات وتلبية معايير سلامة البطاريات، مما يقلل من المخاطر ومخاطر الحرائق في البطاريات الطبية المحمولة.

الجزء 3: معايير سلامة البطارية وموثوقيتها

3.1 تلبية متطلبات السلامة

يجب اتباع معايير سلامة صارمة عند تصميم البطاريات الطبية المحمولة. تحمي هذه المعايير المرضى وتضمن أداءً موثوقًا لأجهزتك في الحالات الحرجة. حتى نسبة ضئيلة من عمليات الاستدعاء قد يكون لها تأثير كبير. على سبيل المثال:

إن عدم الالتزام بمعايير السلامة قد يؤدي إلى عواقب وخيمة:

• استدعت إدارة الغذاء والدواء الأمريكية نظام مراقبة الجلوكوز من إنتاج شركة Abbott في عام 2023 بسبب مخاطر الحريق، مما أثر على أكثر من 4.2 مليون جهاز.

• في مايو 2022، انفجر جهاز Abbott HeartMate 3 المزروع، مما أدى إلى وفيات.

• أدى حريق في بنك بطاريات الليثيوم أيون في مستشفى للأطفال في تامبا عام 2023 إلى إخلاء 80 شخصًا.

يجب عليك دائمًا الالتزام بالمعايير الدولية للحد من هذه المخاطر. تشمل أهم المعايير المتعلقة ببطاريات الليثيوم ما يلي:

3.2 أنظمة إدارة البطارية (BMS)

يمكنك تعزيز موثوقية وسلامة بطارياتك من خلال دمج نظام إدارة بطاريات متين. يراقب نظام إدارة البطاريات (BMS) ويتحكم في المعلمات الرئيسية، مما يساعدك على منع الأعطال وإطالة عمر البطارية. إليك بعض الطرق التي يُحسّن بها نظام إدارة البطاريات (BMS) الأداء:

تلميح: لمزيد من التفاصيل حول حلول BMS وPCM، قم بزيارة هذا المورد.

تشمل الابتكارات الحديثة في أنظمة إدارة البطاريات الصيانة التنبؤية، وواجهات المستخدم البديهية، والمراقبة الفورية. تستخدم شركات مثل ميدترونيك خوارزميات تكيفية لتحسين أداء البطاريات في التطبيقات الطبية. تساعدك هذه التطورات على مواجهة تحديات إنتاج البطاريات وضمان استيفاء بطارياتك الطبية المحمولة لأعلى معايير السلامة.

الجزء الرابع: تحديات الامتثال التنظيمي

4.1 التنقل عبر عمليات الاعتماد

تواجه خطوات معقدة عند اعتماد البطاريات الطبية المحمولة للأسواق العالمية. لكل منطقة معاييرها الخاصة، ويجب عليك اتباعها لضمان السلامة والوصول إلى السوق. على سبيل المثال، يشترط الاتحاد الأوروبي الامتثال للائحة الاتحاد الأوروبي للبطاريات 2023/1542. عليك إعداد الوثائق الفنية، وإصدار إعلان المطابقة، ووضع علامة CE. إذا تجاوز صافي مبيعات شركتك 40 مليون يورو، فعليك الاستعداد لتقييم من هيئة مُبلغة بدءًا من 18 أغسطس 2025. يجب أن يحمل كلٌّ من البطارية والجهاز علامة CE.

في الولايات المتحدة، يجب استيفاء معايير السلامة ANSI C18.2M وANSI C18.3M لبطاريات الليثيوم. كما يجب عليك العمل مع مختبرات معتمدة، مما قد يبطئ جدول أعمالك بسبب محدودية التوافر. غالبًا ما تُسبب متطلبات التوثيق ارتباكًا وتأخيرًا.

تلميح: استخدم برامج الامتثال ودرّب موظفيك على إدارة التوثيق والاختبار بكفاءة. هذا يُساعد على ضبط التكاليف وتقليل التأخير.

4.2 تجنب مخاطر الامتثال

ستواجه العديد من التحديات أثناء إنتاج البطاريات والحصول على شهادات الاعتماد. قد يؤدي تعقيد الاختبارات، ومحدودية المختبرات المعتمدة، وعدم وضوح المستندات إلى إبطاء عملية الإنتاج.

كما تواجهون زيادة في تكاليف النقل وأوقات تسليم أطول بسبب متطلبات الامتثال. يمكن أن تُعطّل عوائق الاستيراد والتصدير سلسلة التوريد لديكم وتحدّ من الوصول إلى الأجهزة المنقذة للحياة. تُلزمكم التغييرات التنظيمية الآن بالوفاء بالتزامات الاستدامة وإدارة نهاية العمر الافتراضي. يجب عليكم تجنب المواد الخطرة، وتحقيق أهداف البصمة الكربونية، وضمان إعادة التدوير السليمة. للمزيد عن الاستدامة، يُرجى الاطلاع على نهجنا نحو الاستدامةبالنسبة للمعادن المتنازع عليها، راجع بيان معادن الصراع.

ابقَ على اطلاع دائم بمتطلبات الأداء والسلامة والنقل لبطاريات الليثيوم. تساعد لوائح البطاريات على منع انبعاث المواد الخطرة، وتقليل النفايات، وضمان إعادة التدوير. بمواكبة التطورات والتحديثات التنظيمية، يمكنك تجنب الأخطاء المكلفة وتقليل خطر نشوب الحرائق أو استدعاء الأجهزة.

الجزء 5: احتياجات المستخدم والتوافق

5.1 فهم متطلبات المستخدم النهائي

يجب أن تفهم ما يتوقعه المستخدمون النهائيون من البطاريات الطبية المحمولة. تختلف متطلبات القطاعات المختلفة، مثل الطب، والروبوتات، والأمن، والبنية التحتية، والإلكترونيات الاستهلاكية، والصناعة. في التطبيقات الطبية، يُعدّ عمر البطارية الطويل أمرًا بالغ الأهمية. على سبيل المثال، يعمل جهاز التنفس الصناعي PB560 لمدة تصل إلى 11 ساعة باستخدام بطاريات ليثيوم أيون، مما يدعم رعاية المرضى في حالات الطوارئ. تحتاج إلى إدارة فعّالة للبطارية لمنع استنزافها الشديد والشحن الزائد. يُساعد التواصل الفوري مع حالة البطارية على الحفاظ على موثوقيتها أثناء انقطاع التيار الكهربائي أو نقل الجهاز.

• تتطلب الأجهزة الداعمة للحياة عمر بطارية أطول.

• تعتبر الموثوقية العالية ضرورية لحالات الطوارئ والرعاية الحرجة.

• تساعد تحديثات الحالة في الوقت الفعلي على تحسين سلامة المريض وأداء الجهاز.

تشمل الشكاوى الشائعة حول أداء البطارية انقطاع الطاقة المفاجئ، وارتفاع درجة الحرارة، والتعرض للمواد الكيميائية. يوضح الجدول أدناه المشكلات الأكثر شيوعًا التي قد تواجهها:

5.2 ضمان توافق الأجهزة

يجب ضمان توافق البطاريات مع مجموعة واسعة من طُرز الأجهزة. يحقق المصنعون التوافق باستخدام تنظيم دقيق للجهد، مما يمنع حدوث أعطال في الأجهزة الطبية والصناعية. كما يصممون مجموعات بطاريات تناسب مختلف التكوينات الفيزيائية، مع مراعاة التمدد الحجمي أثناء الشحن. بطارية مخصصة تُحسّن الأشكال السعة وتتوافق مع قيود الأجهزة. تُراقب أنظمة الاتصالات الذكية أداء البطارية وتُعدّله آنيًا، مما يدعم التشغيل الموثوق عبر منصات مُختلفة.

يجب اتباع معايير صارمة وإجراء اختبارات سلامة النقل لضمان إنتاج البطاريات وتسليمها بأمان. تساعد هذه الخطوات على منع مخاطر الحرائق وضمان تلبية بطاريات الليثيوم لاحتياجات مختلف القطاعات. تدعم البطاريات الموثوقة البنية التحتية الحيوية وأنظمة الروبوتات والأمن، حيث قد يؤدي توقفها عن العمل إلى عواقب وخيمة.

يمكنك التغلب على تحديات البطاريات الطبية المحمولة باستخدام استراتيجيات مجربة.

• تؤدي تقييمات المخاطر الشاملة والامتثال للقواعد التنظيمية إلى تحسين السلامة.

• تساعدك المراقبة بعد التسويق على مراقبة أداء البطارية.

• يقدم الخبراء الاستشارة لك خلال عمليات الموافقة المعقدة.

الأسئلة الشائعة

ما هي كيمياء بطارية الليثيوم التي توفر أطول دورة عمر للأجهزة الطبية؟

بطاريات LiFePO4 توفير أطول دورة حياة لـ الأجهزة الطبية المحمولة.

كيف تمنع ارتفاع درجة الحرارة في مجموعات بطاريات الليثيوم؟

انتقل إلى حقل أنظمة إدارة البطاريات (BMS)، وأجهزة استشعار حرارية، وتصميم مناسب للهيكل. تساعدك هذه الاستراتيجيات على الحفاظ على درجات حرارة تشغيل آمنة ومنع ارتفاع الحرارة.

ما هو معيار السلامة الرئيسي لمجموعات بطاريات الليثيوم في الأجهزة الطبية؟

يجب عليك اتباع معيار IEC 62133. يضمن هذا المعيار حزم بطارية الليثيوم تلبية متطلبات السلامة الصارمة لـ التطبيقات الطبية.