Аккумуляторы для медицинского оборудования стали критически важными для безопасности, производительности и надежности многих медицинских устройств. Современные приложения, от дронов и робототехники до медицинских приборов и электромобилей, основаны на аккумуляторных технологиях. В сфере здравоохранения наблюдается устойчивый рост числа медицинских устройств с питанием от аккумуляторов, и производителям приходится принимать решения в отношении конструкции, которые повлияют на успех их продукции.
Производители, выбравшие неудачную конструкцию аккумуляторов, рискуют столкнуться с перегревом, преждевременным выходом из строя или нормативными препятствиями, которые могут задержать производство и отгрузку. Разработчикам аккумуляторов для медицинских устройств необходимо учитывать требования к питанию. Им необходимо рассчитать, сколько энергии может хранить аккумулятор, скорость его подачи и время работы до необходимости подзарядки. Эти факторы лежат в основе создания аккумуляторных батарей для медицинского оборудования, которые могут быть использованы в медицинских учреждениях.
Компании, развивающие литиево-ионные аккумуляторы Медицинскому оборудованию необходим быстрый выход на рынок. Стремление сохранить конкурентоспособность заставляет производителей стремиться к ускорению разработки прототипов и производства. Однако скорость не должна ставить под угрозу полноценный процесс испытаний и сертификации, включающий стандарты UN 38.3, IEC 62133, UL 1642/UL 2054 и маркировку CE.
В этой статье мы подробно рассмотрим проверенные методы проектирования медицинских аккумуляторных батарей. Мы рассмотрим всё: от основных спецификаций до соответствия нормативным требованиям. Вы узнаете о характеристиках заряда, факторах, влияющих на механическую конструкцию, функциях интеллектуальных аккумуляторов и требованиях безопасности, которые помогут вам создавать надёжные решения для электропитания медицинских устройств.
Определение основных характеристик аккумуляторов для медицинских приборов
Image Source: Встраиваемый компьютерный дизайн
«Первичные литиевые аккумуляторные батареи пользуются популярностью из-за высокой плотности энергии и длительного срока хранения, что делает их идеальными для приложений, требующих надежного питания в течение длительного времени». Редакционная группа журнала Emerging Power, Ведущий поставщик аккумуляторных решений для медицинских приборов
Проектирование аккумуляторной системы для медицинских устройств начинается с выбора правильных характеристик. Надёжное решение для электропитания зависит от понимания параметров, определяющих производительность, надёжность и безопасность устройства.
Номинальные значения напряжения и емкости
Номинальное напряжение показывает, как аккумулятор работает в нормальных условиях. Это стандартизированное контрольное значение помогает прогнозировать эксплуатационные характеристики. Каждый химический состав аккумулятора имеет своё номинальное напряжение. Элементы LiFePO4 обеспечивают напряжение 3.2 В на элемент. Стандартные литий-ионные элементы обеспечивают напряжение 3.6 В или 3.7 В. Первичные литий-марганцевые аккумуляторы выдают напряжение 3.0 В при удельная энергия 280 Вт·ч/кг.
Номинальное напряжение аккумуляторных батарей определяется путём умножения напряжения отдельных ячеек на напряжение последовательно соединённых ячеек. В 48-вольтовой LiFePO4-батарее напряжение достигает 51.2 В при использовании 16 ячеек по 3.2 В каждая.
Номинальная ёмкость в ампер-часах (А·ч) показывает заряд, который аккумулятор сохраняет и отдаёт в стандартных условиях испытаний. Эта характеристика напрямую определяет время работы. Аккумулятор ёмкостью 100 А·ч может обеспечивать ток силой 1 А в течение 100 часов или силой 10 А в течение 10 часов. Для медицинских приборов требуется подробная документация с указанием ёмкости и энергии (в ватт-часах) с указанием условий испытаний.
Срок годности и соображения относительно саморазряда
Саморазряд существенно влияет на надежность медицинских устройств, поскольку аккумуляторы теряют запасённую энергию даже в режиме ожидания. Первичные аккумуляторы разряжаются медленнее, чем перезаряжаемые. Это делает их идеальными для устройств, используемых нечасто. Литий-ионные аккумуляторы саморазряд около 5% за первые 24 часа и затем теряют 1–2% ежемесячно. Некоторые высококачественные литий-металлоксидные аккумуляторы теряют менее 2% заряда в год, служа до 20 лет.
Эти факторы формируют саморазряд:
- Химия и конструкция аккумуляторов
- Температура хранения (скорость удваивается на каждые 10°C выше)
- Состояние заряда (более высокие заряды ускоряют саморазряд)
- Возраст батареи и количество циклов
Производители медицинских приборов должны учитывать как саморазряд элементов питания, так и ток потребления прибора при установлении предельных сроков годности.
Конфигурация пакета: последовательная или параллельная
Конфигурация аккумуляторной батареи существенно влияет на напряжение, ёмкость и надёжность. Последовательное соединение элементов увеличивает напряжение, сохраняя ёмкость. Четыре литий-ионных элемента 3.6 В, соединённых последовательно, обеспечивают напряжение 14.4 В при исходной ёмкости элемента. Параллельное соединение поддерживает напряжение постоянным, но увеличивает ёмкость. Эти же четыре параллельно соединённых элемента обеспечивают напряжение 3.6 В при четырёхкратном увеличении ёмкости.
Последовательное соединение обеспечивает более высокое напряжение при меньшем токе. Это позволяет использовать более тонкие провода и уменьшить падение напряжения. Однако один вышедший из строя элемент в последовательном соединении может привести к остановке всей батареи.
Параллельное подключение обеспечивает резервное питание. Блок продолжает работать даже при выходе из строя одного из аккумуляторов. Такая схема подходит для устройств, которым требуется более длительное время работы при более низком напряжении. Параллельное подключение аккумуляторов также имеет тенденцию к балансировке во время циклов заряда и разряда.
Аккумуляторы для медицинских устройств часто используют последовательно-параллельные схемы (например, 4s2p) для достижения желаемого напряжения и ёмкости. В аккумуляторах для ноутбуков обычно используются четыре последовательно соединённых элемента по 3.6 В для достижения напряжения 14.4 В. Два параллельных ряда позволяют удвоить ёмкость с 2,400 мА·ч до 4,800 мА·ч.
Характеристики заряда и разряда в медицинских условиях
Image Source: Аккумулятор университета
Срок службы и безопасность аккумуляторов в медицинском оборудовании зависят от правильных протоколов зарядки и разрядки. Производителям аккумуляторов для медицинских устройств необходимо тщательно продумывать эти протоколы. Они должны эффективно работать в медицинских учреждениях, где надёжность работы может повлиять на качество ухода за пациентами.
Зарядка постоянным током и постоянным напряжением (CCCV)
Зарядка методом CCCV считается самым безопасным способом зарядки литий-ионных аккумуляторов в медицинских устройствах. Этот метод работает в два этапа. Сначала используется постоянный ток до достижения аккумулятором предельного напряжения, а затем по мере снижения тока происходит переключение на постоянное напряжение. Медицинские приложения выигрывают от такого подхода, поскольку он сочетает быструю зарядку с увеличенным сроком службы аккумулятора.
Исследования показывают, что зарядка по технологии CCCV длится в три раза дольше, чем старые методы, и сокращает время зарядки почти на 24%. Типичный литий-ионный аккумулятор медицинского класса заряжается примерно 50 минут постоянным током 0.5С до достижения напряжения 4.2 В. Затем зарядка переключается на постоянное напряжение.
Умные зарядные устройства CCCV в имплантируемые медицинские устройства Может изменять зарядный ток в зависимости от состояния аккумулятора. Мощное зарядное устройство CCCV сократило время зарядки на 6.5% по сравнению с базовыми методами, адаптируясь к старению аккумуляторов.
Расчет скорости разряда и времени работы
C-rate показывает, насколько быстро разряжается аккумулятор по сравнению с его ёмкостью. Аккумулятор, разряжаемый током 1С, разряжается за час, а током 0.5С — за два часа работы. Медицинскому оборудованию необходимы точные прогнозы времени работы для обеспечения безопасности пациентов.
Время работы можно рассчитать по следующей формуле: Время работы (часы) = Емкость аккумулятора (А·ч) / Ток разряда (А). Аккумулятор ёмкостью 2.5 А·ч, работающий от устройства с током 500 мА (0.5 А), должен проработать около 5 часов. В реальных условиях это время обычно сокращается на 10–20%, поэтому в расчётах обычно используется коэффициент эффективности 0.8–0.9.
Температура играет важную роль в эффективности разряда. Низкие температуры замедляют скорость разряда, а высокие — ускоряют. Медицинское оборудование работает более надёжно в помещениях с контролируемой температурой.
Защита от перезаряда и переразряда
Медицинским устройствам необходимы системы защиты для предотвращения опасных отказов аккумуляторов. Перезарядка литий-ионных аккумуляторов может привести к их необратимому повреждению, снижению ёмкости и даже вызвать тепловой пробой, при котором аккумуляторы начинают бесконтрольно нагреваться.
Модуль защитной цепи (PCM) защищает аккумуляторы от перезарядки и чрезмерной разрядки с помощью:
- Отслеживание напряжения ячеек и остановка зарядки при достижении безопасного предела (обычно 4.20 В на ячейку)
- Остановка разряда до того, как напряжение станет слишком низким (обычно 2.5–3.0 В для литий-ионных элементов)
- Управление максимальными токами заряда и разряда
Защита от переразряда особенно важна для имплантированных медицинских устройств. Врачи сообщали о случаях, когда имплантированные устройства нейростимуляции полностью разряжались, что приводило к внезапному возвращению симптомов у пациентов. Такие компании, как Medtronic и Boston Scientific, теперь используют технологию защиты от нулевого напряжения, которая позволяет аккумуляторам продолжать работать даже после полной разрядки.
Современные медицинские батареи используют интеллектуальные системы защиты, обеспечивающие как электрическую, так и физическую безопасность. Они включают в себя специальные компоненты, которые физически размыкают цепь в случае возникновения неполадок.
Механическая конструкция и особенности корпуса
Корпуса аккумуляторных батарей для медицинского оборудования защищают и выполняют функции функциональных частей медицинских приборов. Конструкция должна обеспечивать баланс между требованиями к защите и принципами работы устройства, а также соответствовать строгим стандартам здравоохранения.
Степень защиты от проникновения для медицинского применения
Степень защиты IP (Ingress Protection) показывает, насколько хорошо аккумуляторные корпуса противостоят воздействию окружающей среды. Для медицинского применения необходимы следующие характеристики:
- Степень защиты IP67 обеспечивает полную защиту от пыли и возможность работы под водой на глубине до 1 метра в течение 30 минут.
- Степень защиты IP68 обеспечивает работу под водой на глубине до 2 метров в течение длительного времени (более 1 часа)
- Медицинским устройствам требуется степень защиты IP67 для быстрого погружения в воду или IP68, если они остаются влажными дольше.
Медицинское оборудование проходит жесткие испытания для подтверждения этих рейтингов. Испытания включают 8-часовое воздействие пыли и погружение в воду при определённых температурах (20±5 °C). Медицинские аккумуляторы для использования в помещении отлично подходят для использования с классом защиты NEMA 1, но для использования на открытом воздухе требуется как минимум класс защиты NEMA 3R.
Управление тепловым режимом в компактных корпусах
Контроль нагрева ставит особые задачи перед разработкой медицинских аккумуляторов. Аккумуляторы выделяют тепло во время работы, и это тепло необходимо контролировать, чтобы избежать преждевременного выхода из строя или возникновения угроз безопасности. Ключевые элементы конструкции включают:
Литий-полимерные элементы Со временем они могут увеличиваться в размерах до 10%, поэтому для корпусов требуется дополнительное пространство. Вентиляционные отверстия способствуют циркуляции воздуха, охлаждая содержимое и выводя газы. Наличие нескольких отверстий в нужных местах улучшает циркуляцию воздуха.
Мощным аккумуляторам требуются специальные системы охлаждения. Некоторые аккумуляторы для медицинских приборов используют охлаждающие пластины или кондиционеры для поддержания нужной температуры. Эти системы охлаждения должны быть надёжными, поскольку в случае отказа аккумулятор может перегреться.
Устойчивость мобильных устройств к ударам и вибрации
Мобильные медицинские устройства постоянно подвергаются физическому воздействию, что может сократить срок службы аккумулятора. Исследования показывают, что разные аккумуляторы по-разному переносят вибрацию. Цилиндрические аккумуляторы больше всего страдают от сильной вибрации (10–2000 Гц), теряя ёмкость и увеличивая внутреннее сопротивление. Лучше всего справляются с вибрацией аккумуляторы в футлярах.
Корпуса аккумуляторных батарей должны выдерживать ударные и вибрационные силы при нормальном использовании и транспортировке. Испытания проводятся в соответствии со стандартами IEC и ASTM. Корпуса, изготовленные методом 3D-печати, демонстрируют хорошие результаты, сохраняя форму при незначительных изменениях частоты (в пределах 0.5 Гц) под нагрузкой.
Функции и пользовательские интерфейсы Smart Battery
Image Source: Amazon.com
Умные аккумуляторные системы Преобразите мир, превратив обычные источники питания в интеллектуальные компоненты, способные контролировать себя и обмениваться данными. Эти функции играют важнейшую роль в устройствах интенсивной терапии, где надёжное электропитание напрямую влияет на результаты лечения пациентов.
Электроника газового датчика для контроля состояния заряда
Современные аккумуляторы для медицинского оборудования используют современные измерители уровня заряда, которые отслеживают ёмкость аккумулятора с поразительной точностью. Простые измерения напряжения становятся ненадёжными из-за плоской кривой разряда литий-ионных аккумуляторов. Однако современные измерители уровня заряда обеспечивают… Точность ±1%Эти системы отслеживают состояние заряда (SoC) с помощью кулоновского счётчика. Этот метод измеряет ток, протекающий через аккумулятор и обратно.
Высококачественные датчики уровня топлива медицинских приборов имеют ряд преимуществ:
- Умные алгоритмы, отслеживающие точные уровни заряда
- Прогнозы времени зарядки и разрядки
- Быстрая настройка без долгой калибровки
Датчики балансировки ячеек и температуры
Балансировка элементов играет важную роль в многоэлементных аккумуляторах медицинских устройств. Характеристики отдельных элементов при многократном цикле зарядки и разрядки различаются. Это происходит из-за разницы в скорости саморазряда и токах утечки. Этот дисбаланс может снизить производительность аккумулятора и создать угрозу безопасности, если его не устранить.
Мы можем сбалансировать клетки двумя способами: пассивным балансированием («резистивным кровотечением») и активная балансировка (передача заряда). Активная балансировка перераспределяет энергию между ячейками, не тратя её впустую. Это очень важно, поскольку повышает эффективность. Быстрая активная балансировка может устранить дисбаланс ёмкости в 2% в ячейке ёмкостью 2200 мА·ч всего за один-два цикла зарядки.
Контроль температуры тесно связан с балансировочными цепями. Датчики температуры с кольцевыми клеммами с точностью измерения ±0.2°C защищают от перезаряда и оптимизируют производительность.
Индикаторы заряда батареи и оповещения об окончании срока службы
Медицинскому оборудованию необходимы надёжные индикаторы окончания срока службы. Современные системы оснащены виброоповещениями, которые оповещают пользователей о низком заряде аккумуляторов. Врачи также могут проверять состояние аккумуляторов удалённо, не посещая пациентов.
Интеллектуальные системы способны распознавать необычное поведение аккумулятора, что ещё больше снижает и без того низкий риск его внезапного выхода из строя. Эти аккумуляторы могут отображать оставшееся время работы в минутах, а не в процентах. Дисплей обновляется в зависимости от скорости разряда аккумулятора.
Обеспечение безопасности и соответствия нормативным требованиям
Image Source: Решения UL
«Когда инженеры разрабатывают литиевые батареи для медицинских целей, они должны соблюдать стандарты, установленные IEC 60086-4, чтобы гарантировать электрическую, механическую и химическую безопасность батарей». Large Power Команду, производитель медицинских аккумуляторных батарей
Безопасность определяет каждый аспект конструкции медицинских аккумуляторов. Нормативные акты устанавливают строгие стандарты, которым должны соответствовать системы электропитания в здравоохранении.
Стратегии смягчения внутренних коротких замыканий
Внутренние короткие замыкания создают серьезные риски и могут привести к тепловой побег В литий-ионных аккумуляторах. Производители используют модули защиты цепи (PCM) для предотвращения этих сбоев. Эти модули контролируют максимальные напряжения и токи заряда/разряда. Система автоматически переключается в режим разомкнутой цепи при превышении пороговых значений. Даже незначительные производственные дефекты, такие как микроскопические металлические частицы, могут привести к внутренним коротким замыканиям. Контроль качества на производстве остаётся критически важным.
Стандарты безопасности аккумуляторов: UL, IEC, UN
Медицинские аккумуляторные батареи должны соответствовать многим стандартам. FDA принимает UL 1642 (литиевые батареи) и UL 2054 (бытовые и коммерческие батареи) являются ключевыми стандартами для медицинских приборов. IEC 62133 устанавливает требования к аккумуляторным батареям при нормальном использовании и при предполагаемом неправильном использовании. Сертификация UN 38.3 предусматривает восемь испытаний для обеспечения безопасности транспортировки. Эти испытания включают моделирование условий высокогорья, тепловые испытания, вибростойкость, ударопрочность и устойчивость к короткому замыканию. Аккумуляторы должны пройти эти испытания, чтобы подтвердить свою пригодность к транспортировке и эксплуатации.
Руководство по маркировке, прослеживаемости и утилизации
На этикетках аккумуляторов должны быть указаны тип, напряжение, ёмкость и предупреждения о безопасности. Производителям медицинских приборов необходимы письменные стандартные рабочие процедуры для отслеживания устройств на всех этапах их распространения. Аккумуляторы нельзя выбрасывать вместе с обычным мусором, поскольку они представляют опасность возгорания. Клеммы аккумулятора Перед переработкой необходимо запечатать упаковку клейкой лентой или упаковать в отдельные пакеты, чтобы избежать опасных коротких замыканий.
Заключение
Разработка медицинских аккумуляторных батарей — важнейший элемент в меняющемся цифровом мире медицинских технологий. В этой статье рассматриваются все вопросы, которые производители должны учитывать при разработке решений по электропитанию для медицинских устройств. Выбор аккумулятора влияет на производительность и надежность устройства, а также, в конечном итоге, на безопасность пациентов в критически важных медицинских учреждениях.
Характеристики аккумуляторов являются основой работоспособности медицинских систем электропитания. Время работы и эксплуатационные характеристики устройства зависят от напряжения, ёмкости, скорости саморазряда и конфигурации аккумулятора. Эти параметры требуют тщательной оптимизации с учётом конкретных требований устройства и особенностей его использования.
Долговечность и безопасность аккумуляторов во многом зависят от характеристик заряда и разряда. Протоколы зарядки CCCV, расчёты тока разряда и комплексные механизмы защиты обеспечивают надёжную работу и предотвращают опасные сбои. Производителям медицинских приборов следует тщательно учитывать эти факторы при разработке.
Механическая конструкция выходит за рамки простой изоляции. Корпуса обеспечивают физическую защиту аккумулятора, контролируют тепловой режим и защищают от воздействия окружающей среды благодаря соответствующим классам защиты IP. Кроме того, для портативного медицинского оборудования особенно важно выдерживать вибрацию, поскольку оно постоянно перемещается и эксплуатируется.
Интеллектуальные аккумуляторные системы превращают базовые источники питания в интеллектуальные компоненты, способные контролировать состояние аккумулятора и обмениваться данными. Электронные индикаторы уровня заряда, балансировка элементов питания, датчики температуры и доступные интерфейсы позволяют пользователям проактивно управлять состоянием аккумулятора, что крайне важно для устройств интенсивной терапии.
Безопасность остаётся на первом месте в медицинских аккумуляторных системах. Защита от внутренних коротких замыканий, соответствие стандартам UL/IEC/UN и надлежащая маркировка гарантируют эксплуатационную безопасность и соответствие нормативным требованиям. Эти требования — не просто бюрократические препятствия, а жизненно важные гарантии благополучия пациентов.
Создание эффективных аккумуляторные батареи для медицинских приборов Это означает баланс между множеством конкурирующих факторов: плотностью энергии, безопасностью, надёжностью, размером, весом и стоимостью. Производители, которые тщательно подходят к этим аспектам, могут создавать решения в области электропитания, отвечающие как нормативным требованиям, так и клиническим потребностям. Технологии аккумуляторов, несомненно, будут продолжать развиваться, открывая новые возможности для производителей медицинских устройств, одновременно требуя постоянного внимания к проектированию, испытаниям и внедрению.
FAQ
В1. Какие ключевые факторы следует учитывать при проектировании аккумуляторных батарей для медицинских приборов? К основным факторам относятся определение основных характеристик, таких как напряжение и емкость, оптимизация характеристик заряда и разряда, обеспечение надлежащей механической конструкции и защиты корпуса, внедрение функций интеллектуальных аккумуляторов, а также соблюдение требований безопасности и нормативных требований.
В2. Как производители обеспечивают безопасность медицинских аккумуляторов? Производители внедряют схемы защиты для предотвращения перезарядки и чрезмерной разрядки, используют прочные корпуса с соответствующими степенями защиты от проникновения, встраивают датчики температуры и балансировку ячеек, а также соблюдают такие стандарты безопасности, как UL 1642, IEC 62133 и UN 38.3.
В3. Каково значение функций интеллектуальных аккумуляторов в медицинских приборах? Такие интеллектуальные функции аккумулятора, как точный мониторинг состояния заряда, балансировка ячеек и оповещения об окончании срока службы, имеют решающее значение для обеспечения надежной работы, продления срока службы аккумулятора и предоставления своевременной информации поставщикам медицинских услуг и пациентам о состоянии заряда устройства.
В4. Как характеристики заряда и разряда влияют на производительность медицинских аккумуляторов? Правильные методы зарядки, такие как зарядка постоянным током и постоянным напряжением (CCCV), и точный расчёт скорости разряда имеют решающее значение для оптимизации срока службы аккумулятора и обеспечения стабильной работы устройства. Эти характеристики напрямую влияют на надёжность и продолжительность работы медицинского оборудования.
В5. Какие нормативные требования необходимо учитывать при проектировании медицинских аккумуляторных батарей? Медицинские аккумуляторные батареи должны соответствовать различным стандартам, включая признанные FDA стандарты безопасности UL и IEC. Кроме того, производители обязаны соблюдать надлежащие правила маркировки, прослеживаемости и утилизации, чтобы соответствовать нормативным требованиям и обеспечивать безопасное обращение с аккумулятором на протяжении всего его жизненного цикла.
