醫療設備電池 電池技術已成為許多醫療設備安全性、效能和可靠性的關鍵。從無人機、機器人到醫療設備和電動車等現代應用，電池技術都為其奠定了基礎。醫療產業見證了電池供電醫療設備的穩定成長，製造商必須做出影響其產品成功的設計選擇。
電池設計不當的製造商可能會面臨過熱、早期故障或監管障礙的風險，從而阻礙生產和運輸。醫療設備電池背後的團隊需要考慮電源需求。他們必須計算電池組的容量、供電速度以及需要充電前的運行時間。這些因素是打造醫療環境信賴的可充電醫療設備電池的基礎。
開發公司 鋰離子電池 醫療設備需要快速進入市場。為了保持競爭力，製造商必須加快原型設計和生產週期。但速度不能影響完整的測試和認證流程，包括 UN 38.3、IEC 62133、UL 1642/UL 2054 和 CE 標誌。
本文將深入探討經過測試的醫療電池組設計方法。我們將涵蓋從核心規格到法規遵循等所有內容。您將了解充電特性、機械設計因素、智慧電池功能和安全要求，從而幫助您為醫療設備打造可靠的電源解決方案。
定義醫療設備的核心電池規格
圖片來源： 嵌入式計算設計
「一次鋰電池組因其高能量密度和長保質期而受到青睞，使其成為需要長時間可靠電力的應用的理想選擇。」—— 新興力量編輯團隊, 業界領先的醫療器材電池解決方案提供商
醫療設備的電池系統設計始於選擇正確的規格。可靠的電源解決方案取決於對影響設備性能、可靠性和安全性的參數的理解。
標稱電壓和容量額定值
標稱電壓表示電池在正常條件下的性能。這個標準化參考值有助於預測電池的運作效能。每種電池化學成分都有其自身的標稱電壓。磷酸鐵鋰電池每個電池提供 4V 的電壓。標準鋰離子電池提供 3.2V 或 3.6V 的電壓。一次鋰錳氧化物電池輸出 3.7V 的電壓， 比能量280 Wh/kg.
電池組透過將單節電池電壓乘以串聯電池電壓來獲得標稱電壓。一顆48V的LiFePO4電池透過51.2顆單節電池（每顆電池電壓為16V）達到3.2V。
標稱容量（以安培小時 (Ah) 為單位）表示電池在標準測試條件下儲存和釋放的電量。此規格直接決定電池的運作時間。 100Ah 的電池可提供 1A 電流持續 100 小時，或 10A 電流持續 10 小時。醫療設備需要詳細記錄容量和能量（瓦時）規格以及測試條件。
保質期和自放電考慮因素
自放電會嚴重影響醫療設備的可靠性，因為電池即使在閒置時也會損失儲存的能量。原電池的電量損失速度比可充電電池慢。這使得它們非常適合不經常使用的設備。鋰離子電池 最初 5 小時內自放電約 24% 此後每月電量損失1-2%。一些高品質的鋰金屬氧化物電池每年的電量損失不到2%，使用壽命長達20年。
這些因素會影響自放電：
- 電池化學和結構
- 儲存溫度（每升高 10°C，溫度升高幅度加倍）
- 充電狀態（更高的充電速度會加速自放電）
- 電池壽命和循環次數
醫療設備製造商必須考慮電池自放電和設備電流消耗來設定保質期限制。
電池組配置：串聯與並聯
電池組配置在很大程度上決定了電壓、容量和可靠性。串聯電池單元會增加電壓，但容量不變。四個 3.6V 鋰離子電池串聯後，在原電池容量下可輸出 14.4V 電壓。並聯可保持電壓穩定，但容量會增加。同樣的四個電池單元並聯後，電壓為 3.6V，容量則增加四倍。
串聯配置可提供更高的電壓，所需的電流更小。這樣可以使用更細的導線，並降低壓力降。然而，串聯電池中的一個電池發生故障，就可能導致整個電池組停止運作。
並聯電池可提供備用電源。即使一塊電池故障，電池組也能繼續運作。這種設定適合需要在較低電壓下延長運轉時間的設備。並聯電池在充電和放電過程中也容易達到平衡。
醫療器材電池通常採用串並聯組合（例如 4s2p）來獲得目標電壓和容量。筆記型電腦電池通常使用四個 3.6V 電芯串聯，電壓為 14.4V。它們透過增加兩個並聯電池串，將容量從 2,400mAh 翻倍至 4,800mAh。
醫療環境中的充放電特性
圖片來源： 電池大學
醫療設備的電池壽命和安全性取決於正確的充電和放電協議。醫療設備電池製造商需要精心設計這些協議。它們必須在醫療保健環境中良好運行，因為可靠性能影響患者的照護。
恆定電流恆壓（CCCV）充電
CCCV 充電是醫療設備中鋰離子電池最安全的充電方式。此方法分為兩個階段。首先以恆定電流充電，直到電池達到其電壓極限，然後隨著電流下降切換到恆定電壓充電。醫療應用受益於這種方法，因為它兼顧了快速充電和更長的電池壽命。
研究表明，CCCV 充電比傳統方法的續航時間延長三倍，充電時間縮短近 24%。典型的醫用級鋰離子電池以 50C 恆定電流充電至 0.5V 大約需要 4.2 分鐘。之後，充電將切換到恆壓充電。
智慧型 CCCV 充電器 植入式醫療器材 可根據電池的健康狀況調整充電電流。強大的CCCV充電器透過隨著電池老化而調整充電電流，與基本方法相比，充電時間縮短了6.5%。
放電率和運行時間計算
放電倍率 (C-rate) 指的是電池相對於其容量的耗電速度。以 1C 放電的電池在一小時內就會耗盡電量，而以 0.5C 放電則可使用兩小時。醫療設備需要準確的運行時間預測，以確保患者的安全。
您可以使用以下公式計算運行時間：運行時間（小時）= 電池容量（Ah）/ 放電電流（A）。一塊 2.5Ah 的電池為使用 500mA（0.5A）電流的設備供電，大約可以使用 5 小時。實際使用情況通常會將此時間縮短 10-20%，因此計算時通常使用 0.8-0.9 的效率係數。
溫度對放電性能影響巨大。低溫會降低放電速率，而高溫則會加快放電速率。醫療設備在溫控空間內工作更可靠。
過充和過放保護
醫療設備需要保護系統來防止危險的電池故障。鋰離子電池過度充電會造成永久性損壞，降低容量，甚至導致熱失控—電池溫度失控。
保護電路模組 (PCM) 透過以下方式防止電池過度充電和過度放電：
- 觀察電池電壓並在安全限度內停止充電（通常為每節電池 4.20V）
- 在電壓過低之前停止放電（鋰離子電池通常為 2.5-3.0V）
- 控制最大充電和放電電流
過放電保護對於植入式醫療設備至關重要。醫師報告一些案例，植入式神經刺激裝置完全耗盡電量，導致患者症狀突然復發。美敦力和波士頓科學等公司現在使用零伏特保護技術，幫助電池即使在完全放電後也能繼續運作。
現代醫療電池採用兼具電氣和實體安全功能的智慧保護系統。這些系統包含一些特殊元件，一旦出現故障，即可物理斷開電路。
機械設計和外殼考慮因素
醫療設備電池外殼作為醫療設備的功能部件，起到保護和運作的作用。其設計必須在保護需求和設備運作方式之間取得平衡，同時滿足嚴格的醫療保健標準。
醫療用途的侵入防護等級
IP（侵入防護）等級表示電池外殼抵禦環境威脅的能力。醫療應用需要以下特定等級：
- IP67 等級可完全阻擋灰塵，可在水下 1 公尺處工作 30 分鐘
- IP68 等級可在較深的水中（最深 2 公尺）停留更久（1 小時以上）
- 醫療設備只需滿足 IP67 等級（快速浸泡）或 IP68 等級（長時間浸泡）即可
醫療設備經過嚴格測試，以確保符合這些等級。測試包括在特定溫度 (8±20°C) 下進行 5 小時的防塵和防水測試。室內醫療電池符合 NEMA 1 級防護標準，但戶外使用至少需要 NEMA 3R 防護等級。
緊湊外殼中的熱管理
熱量控制為醫療電池設計帶來了獨特的挑戰。電池在運作時會產生熱量，需要妥善管理這些熱量，以避免早期故障或安全風險。關鍵設計要素包括：
鋰聚合物電池 隨著時間的推移，體積可能會增加 10%，因此外殼需要額外的空間。通風孔有助於空氣流通，從而降低溫度並排出氣體。在適當的位置開多個孔可以使空氣流通得更好。
強大的電池需要特殊的冷卻系統。一些醫療設備電池使用冷卻板或空調來保持適當的溫度。這些冷卻系統必須可靠，因為一旦發生故障，電池可能會過熱。
移動設備的衝擊和振動耐受性
行動醫療設備經常遭受物理磨損，這可能會損害電池壽命。研究表明，不同電池對振動的耐受性不同。圓柱形電池在劇烈振動（10-2000 Hz）下受損最嚴重，會導致容量損失和內阻增大。軟包電池的抗振動性能最佳。
電池外殼應處理 衝擊和振動力 正常使用和運送過程中。測試遵循 IEC 和 ASTM 標準。 3D 列印外殼在壓力下，即使頻率變化很小（0.5 Hz 以內），也能保持形狀，表現出良好的效果。
智慧電池功能和使用者介面
圖片來源： Amazon.com
智慧型電池系統 透過將常規電源轉變為能夠自我監控和通訊的智慧組件，重塑醫療場景。這些功能在重症監護設備中發揮著至關重要的作用，因為可靠的電源直接影響患者的預後。
用於監測充電狀態的電量計電子設備
如今，醫療設備電池採用先進的電量計，能夠以驚人的精度追蹤電池容量。由於鋰離子電池的放電曲線平坦，簡單的電壓測量變得不可靠。然而，先進的電量計能夠 準確度±1%這些系統使用庫侖計數來追蹤充電狀態 (SoC)。此方法測量流入和流出電池的電流。
高品質醫療設備電量計具有多種優點：
- 追蹤精確充電水平的智慧演算法
- 充電和放電時間的預測
- 無需長時間校準即可快速設置
電池平衡和溫度感測器
電池平衡在多節醫療設備電池中發揮重要作用。單一電池在重複充放電循環中會呈現不同的特性。這是由於自放電率和漏電流的變化所造成的。如果不加以糾正，這些不平衡會降低電池組效能並造成安全風險。
我們可以透過兩種方式平衡電池：被動平衡（「電阻放電」）和 主動平衡 （電荷穿梭）。主動平衡功能可以在電池之間轉移能量，而不是浪費。這意義重大，因為它意味著效率的提升。快速主動平衡功能只需一到兩個充電週期就能修復 2 mAh 電池中 2200% 的容量不平衡。
溫度監控與平衡電路密切相關。精度高達±0.2°C的環形端子溫度感測器有助於防止過度充電並優化性能。
電池指示器和壽命終止警報
醫療應用需要可靠的電池壽命終止指示器。現代系統包括振動警報，可在電池電量不足時通知使用者。醫生還可以遠端檢查電池性能，而無需親臨患者。
智慧型系統可以識別電池的異常行為，從而進一步降低電池突然故障的風險。這些電池可以以分鐘而非百分比顯示剩餘運行時間。顯示器會根據電池消耗速度進行更新。
確保安全和合規
圖片來源： UL 解決方案
“當工程師開發用於醫療應用的鋰電池時，他們必須遵守 IEC 60086-4 設定的標準，以確保電池的電氣、機械和化學安全。” Large Power 團隊，醫療電池組製造商
安全性影響醫療電池設計的各個層面。法規制定了醫療保健領域電源系統必須遵循的嚴格標準。
內部短路緩解策略
內部短路會造成重大風險，並可能引發 熱失控 鋰離子電池中存在此類故障。製造商使用保護電路模組 (PCM) 來防止這些故障。這些模組控制最大充電/放電電壓和電流。當超過閾值時，系統會自動切換到開路模式。即使是微小的製造缺陷，例如微小的金屬顆粒，也可能導致內部短路。生產過程中的品質控制仍然至關重要。
電池安全標準：UL、IEC、UN
醫療電池組需要滿足許多標準。 FDA 接受 UL 1642 （鋰電池）和 UL 2054（家用和商用電池）是醫療器材的關鍵標準。 IEC 62133 列出了二次電池在正常使用和預期誤用情況下的要求。 UN 38.3 認證要求進行八項測試以確保運輸安全。這些測試檢查海拔模擬、熱測試、振動、衝擊和短路性能。電池必須通過這些測試，才能證明其能夠承受運輸和運作條件。
標籤、可追溯性和處置指南
電池標籤必須標明類型、電壓、容量詳情和安全警告。醫療器材製造商需要製定書面的標準作業程序，以便在整個分銷過程中追蹤設備。電池不應被丟棄在普通垃圾中，因為它們有火災風險。 電池端子 回收前需要用膠帶或單獨的袋子來防止危險的短路。
結語
在日新月異的數位化醫療技術世界中，醫療電池組設計至關重要。本文探討了製造商在開發醫療設備電源解決方案時必須考慮的所有因素。電池的選擇會影響設備的效能、可靠性，並最終影響關鍵醫療環境中的病患安全。
電池規格是醫療電源系統正常運作的基礎。設備運作時間和操作能力取決於電壓、容量、自放電率和電池組配置。這些參數需要根據設備的具體要求及其使用方式進行仔細最佳化。
電池的壽命和安全性在很大程度上取決於充放電特性。 CCCV充電協定、放電速率計算以及完善的保護機制可確保可靠的效能並防止危險故障。醫療器材製造商應在開發過程中妥善處理這些因素。
機械設計不僅僅是簡單的封裝。外殼能夠物理保護電池，控制熱狀態，並透過適當的 IP 等級抵禦環境威脅。此外，對於便攜式醫療設備來說，耐振動尤其重要，因為它需要不斷移動和搬運。
智慧電池系統將普通電源轉變為能夠監控和通訊的智慧組件。電量計電子元件、電池平衡、溫度感測器以及便捷的接口，讓使用者能夠主動管理電池狀態—這對於重症監護設備而言至關重要。
安全性始終是醫療電池系統的首要考慮因素。內部短路防護、符合 UL/IEC/UN 標準以及正確的標籤標識，確保了操作安全性和法規合規性。這些要求並非只是行政上的障礙，更是保障病人健康的重要保障。
創造有效 醫療設備電池組 這意味著需要平衡許多相互競爭的因素——能量密度、安全性、可靠性、尺寸、重量和成本。製造商如果能認真考慮這些因素，就能創造出既符合法規要求又符合臨床需求的電源解決方案。毫無疑問，電池技術將持續進步，為醫療器材製造商提供新的可能性，同時也需要持續專注於設計、測試和實施。
常見問題
Q1：設計醫療設備電池組時需要考慮的關鍵因素有哪些？ 主要因素包括定義電壓和容量等核心規格、優化充電和放電特性、確保適當的機械設計和外殼保護、結合智慧電池功能以及滿足安全和監管要求。
Q2. 廠商如何確保醫療電池組的安全性？ 製造商實施保護電路以防止過度充電和過度放電，使用具有適當防護等級的堅固外殼，結合溫度感測器和電池平衡，並遵守 UL 1642、IEC 62133 和 UN 38.3 等安全標準。
Q3. 智慧型電池功能在醫療設備中的重要性為何？ 智慧電池功能（例如準確的充電狀態監控、電池平衡和壽命終止警報）對於確保可靠的性能、延長電池壽命以及向醫療保健提供者和患者及時提供有關設備電源狀態的信息至關重要。
Q4. 充放電特性如何影響醫療電池的效能？ 正確的充電方法，例如恆定電流恆壓 (CCCV) 充電法以及精確的放電率計算，對於優化電池壽命和確保設備性能的穩定性至關重要。這些特性直接影響醫療設備的可靠性和運作時間。
Q5. 醫療電池組設計需要考慮哪些監管因素？ 醫療電池組必須符合各種標準，包括FDA認可的UL和IEC安全標準。此外，製造商需要遵循適當的標籤、可追溯性和處置指南，以滿足監管要求並確保在電池的整個生命週期中安全處理。
