醫療設備客製化鋰電池設計：從串並聯到電芯和電池管理系統 (BMS) 的選擇

你需要一個 客製化鋰電池組 為了滿足醫療技術的嚴格要求，安全性、可靠性和符合標準是所有設計決策的驅動力，尤其對於一次性手術器械而言更是如此。請查看以下常見監管要求：

監管標準	產品說明
UL2054	電池組的認證取決於醫療設備的類型和市場。
CE標誌	歐洲要求符合安全和 EMC 要求。
UN38.3	鋰電池運輸安全標準。
UL1642	鋰電池安全標準。
IEC62133	便攜式應用電池安全要求的國際標準。

關鍵要點

• 客製化鋰電池組 對於醫療器材而言，確保安全性、可靠性和符合嚴格法規至關重要。

• 選擇合適的串聯或併聯電池配置可以優化電壓和容量，從而提高裝置的性能和安全性。

• 強大的電池管理系統 (BMS) 對於監控、保護和優化醫療應用中的電池效能至關重要。

第一部分：為什麼客製化鋰電池組設計至關重要

1.1 醫療器材要求

設計時會面臨嚴格的要求。 醫療器材鋰電池組電氣和機械安全標準旨在保護患者和設備。例如，必須控制漏電流並確保適當的絕緣。下表總結了不同類型設備的主要電氣要求：

需求類型	正常條件	單一故障條件
B型	100微安	500微安
BF型	100微安	500微安
CF型	10微安	50微安

您還需要滿足機械標準。下表概述了絕緣和隔離要求：

設備類型	隔離電壓	爬電距離	絕緣類型
B型	1500 Vac	2.5 mm	基本絕緣
BF型	3000 Vac	5 mm	雙重絕緣
CF型	4000 Vac	8 mm	雙重絕緣

在部署一次性手術器械之前，您必須驗證其絕緣性能，測試其防震性能，並確保其符合 IEC 60601-1 標準。 IEC 62133、UL 2054 和 ISO 13485 等監管標準可指導您的電池組配置和設計選擇。客製化方案可協助您針對獨特的器械形狀優化配置，最大限度地延長運行時間，並整合先進的安全功能。這種方法可確保一次性手術器械符合最高的安全性和可靠性標準。

1.2 現成包裝的風險

在一次性手術器械中使用市售鋰電池組會帶來重大風險。這些電池組可能與您的裝置配置或安全性要求不符。常見風險包括：

• 熱失控可能導致火災、有毒氣體釋放或爆炸。

• 過充、過載或機械應力導致過熱和起火。

• 內部短路或物理損壞所導致的災難性故障。

• 不符合 IEC 62133 標準，導致監管問題。

現成的包裝盒通常缺乏客製化解決方案所具備的先進安全功能。由於頻繁的維護或更換，您可能會面臨更高的長期成本。 客製化電池組 一次性手術器械的配置方案可提供客製化的保護、先進的監控功能，並符合全球標準。這種方法可降低風險，並確保在關鍵醫療環境中可靠運作。

第二部分：醫療設備電池組配置

2.1 串聯與並聯基礎知識

當你設計一個 醫療器材鋰電池組您必須決定如何連接電池組的各個電芯。主要有兩種連接方式：串聯和並聯。每種連接方式都會改變電池組的電氣特性，並以不同的方式影響其性能。

型號	電壓	容量	應用領域	安全注意事項
系列	電壓升高	容量與單顆電池相同	高功率醫療和工業設備	有觸電風險；需穿戴防護裝備
平行	與單一電池相同的電壓	提高產能	低壓系統，備用電源	目前風險較高；需謹慎行事

串聯電芯可以提高電池組的總電壓。例如，將四個 3.7V 的電芯串聯起來，總電壓可達 14.8V。容量與單一電芯相同。這種配置非常適合需要更高電壓來驅動馬達或高階電子元件的設備，例如手術鑽孔或機器人醫療工具。

並聯電池在保持電壓與單一電池相同的情況下，可以提高總容量。例如，如果將四顆 2,000mAh 的電池並聯，總容量可達 8,000mAh。這種配置可以延長運行時間，並支援需要在低電壓下長時間運行的設備，例如便攜式監視器或輸液泵。

您也可以將兩種方法結合起來，建立串並聯配置。這種方法可以同時滿足您應用所需的電壓和容量目標。串聯還是並聯的選擇取決於您設備的功率需求、尺寸限制和安全要求。

⚡ 小提示: 現代 醫療電池 使用具備電氣和實體安全功能的智慧保護系統。這些系統包含特殊零件，可在發生故障時物理斷開電路，從而提高患者和操作人員的安全。

2.2 優化電壓和容量

優化電池組配置可提高效率和效能。串聯和並聯電芯之間的適當平衡可確保您的設備符合嚴苛的醫療標準並提供可靠的結果。

配置類型	優勢	注意事項
系列	更高的電壓、更小的電流、更細的導線、更小的電壓降	一個電池單元故障就可能導致整個電池組停止運作。
平行	備用電源、低電壓下更長的運轉時間、均衡充電	需要更多空間來容納額外的細胞
字串並聯	結合了兩者的優點，既能達到目標電壓，又能達到目標容量。	更複雜的設計與管理

串聯電池組可以降低相同功率輸出所需的電流。這樣就可以使用更細的導線，並最大限度地減少電壓降，這對高性能醫療設備至關重要。但是，如果其中一個電池發生故障，整個電池組可能都會停止工作。因此，必須配備監控和均衡系統來避免這種風險。

並聯的電池組可提供備用電源並延長運轉時間。這種配置支援均衡充電和放電，從而延長電池壽命。然而，它需要更大的空間，這對於緊湊型醫療設備來說可能是一個挑戰。

串並聯配置結合了兩者的優勢。您可以獲得設備所需的電壓和容量，但設計會變得更加複雜。您必須仔細管理電池平衡、散熱和安全特性。

• 與舊式充電方法相比，恆定電流恆壓 (CCCV) 充電可將電池壽命延長至三倍。

• 這種方法可以縮短充電時間近 24%。

• 它兼顧了快速充電和更長的電池續航時間，這對於醫療應用至關重要，因為停機時間是不可接受的。

對於一次性手術器械而言，配置選擇直接影響其性能和人體工學。例如：

• BioAccess公司將其手術鑽的電池從鹼性電池升級為鋰金屬氧化物電池。這項改變使重量減輕了36%，體積減少了40%。

• 新的電池配置實現了更快的鑽孔速度和更長的有效鑽孔時間，提高了效率並減輕了操作員的疲勞。

• 鋰金屬氧化物電池可提供高持續功率和高脈衝幅度，使其成為外科手術應用的理想選擇。

• 選擇合適的電池可以在不犧牲性能的前提下，顯著減少手術器械的尺寸和重量。

• 由於磷酸鐵鋰（LiFePO4）電池具有便攜性和高效性等優點，因此在外科手術工具中的應用日益廣泛。

• 這些工具必須滿足嚴格的人體工學和消毒要求，因此電池的選擇和配置在設計過程中起著關鍵作用。

優化串聯和並聯電池的排列方式，可以提高設備的效能、安全性和可靠性。同時，也能確保符合醫療標準，並延長產品的使用壽命。

第三部分：鋰離子電池組的電芯選擇

3.1 選擇鋰化學

為您的鋰離子電池組選擇合適的化學成分對於客製化磷酸鐵鋰電池組的設計至關重要。您必須使化學成分與設備的功率、安全性和使用壽命需求相符。 Excell Battery 透過提供一系列化學成分來支援 OEM 工程師，例如： 鋰離子, 磷酸鐵鋰, 鋰聚合物/LiPo以及 固態電池 多種選擇。每種化學成分都為醫療、機器人和工業應用提供了獨特的優勢。

化學類型	能量密度	循環壽命	安全等級	典型用例
液態二氧化碳	高	中度	中度	手提式監視器、成像
NMC	高	高	固德	機器人、移動工作站
磷酸鐵鋰	中度	很高	優	手術器材、自動體外心臟去顫器、呼吸機
改性活生物體	中度	中度	固德	輸液幫浦、推車
LTO	低	超高	優	備用電源、氧氣濃縮器
固態電池	很高	高	優越	植入式、穿戴式裝置
鋰金屬氧化物	高	高	固德	除顫器、骨刺激器

Lithium Power強調了將合適的化學成分與強大的智慧電池管理系統相結合以滿足醫療設備要求的重要性。

3.2 超薄輕型電池選項

選擇超薄輕巧的電池芯可以提升設備的便攜性和舒適性。這些電池芯對於客製化磷酸鐵鋰電池組的設計至關重要。 穿戴式和植入式醫療器械它們支援持續監測和遠距醫療，同時其可自訂的形狀適合獨特的設備幾何形狀。

企業優勢	產品說明
結構緊湊，重量輕	提高病患舒適度與設備人體工學設計
可自訂的形狀和尺寸	可整合至輕薄、柔性設備中
高能量密度	延長設備運作時間，且不佔用大量資源。
可靠的充電性能	支援長期使用和頻繁的驗收測試

• 這些電池必須安全、具有生物相容性，並且能長時間供電。

• 輕巧的結構增強了安全防護措施和設備整體保護。

3.3 安全和認證

在所有客製化磷酸鋰電池組設計中，必須優先考慮保護和安全預防措施。過充電、過熱和電解液揮發都可能導致危險事故。為確保安全，請務必選擇符合嚴格認證的電池芯：

證書	產品說明
UL1642	確保醫療和工業設備中鋰電池的安全
IEC62133	專注於可充電電池安全，防止過熱和漏液
UN38.3	為因應火災風險，規範鋰電池的安全運輸。

您應在每個階段進行驗收測試，以驗證其合規性和效能。這些測試旨在確認您的電池單體在整合到鋰離子電池組之前滿足所有保護和安全要求。

第四部分：電池管理系統集成

對於任何可靠的醫療設備鋰電池組而言，強大的電池管理系統都是其核心所在。您需要確保每個電池組件都能提供穩定可靠的效能、安全性和合規性。本節將引導您了解關鍵特性、通訊協定和冗餘策略，將您的電池組件從基本的儲能裝置提升為智慧可靠的能源解決方案。

4.1 基本BMS功能

您必須選擇一個 電池管理系統 它能夠滿足醫療器材應用的獨特需求。合適的系統可以監控、保護和優化組件中的每個電池單元。以下是其主要功能的概述：

獨特之處	產品說明
電池平衡	採用耗散均衡技術，確保所有電池單元的充電等級相等，最大電流可達 150 mA。
全面保護	提供電壓和電流切斷、熱管理以及故障自動恢復功能。
監控	追蹤每個組件的各個細胞參數、壽命統計和事件歷史記錄。
安全機制	具備過壓、欠壓和過流保護功能，可防止危險情況發生。

為了在電池的整個生命週期中保持效率並最大限度地提高容量，您需要進行電池平衡。持續監控電池單元可協助您及早發現效能下降或不平衡的跡象。全面的保護功能，例如電壓和電流截止、熱管理和自動故障恢復，可幫助您避免災難性故障。過壓和欠壓保護等安全機制可防止電池單元超出安全工作範圍，而過電流保護則可防止過高的充電或放電速率。

🔎 請注意： 電池管理系統會持續監控各項參數是否在安全閾值範圍內。一旦偵測到危險情況，系統會立即採取措施，保​​護設備和病人安全。

4.2 通訊和監控

現代醫療設備需要在電池管理系統中具備先進的通訊和監控功能。這些功能可以幫助您追蹤電池健康狀況、預測維護需求並確保符合相關法規。該系統必須支援與主機設備和外部分析儀進行即時資料交換。

協議	應用類型	產品特性
SMBus	生醫儀器	雙線接口，支援多設備連接，包含逾時和資料包錯誤檢查功能
MODBUS	工業自動化（包括醫療器材）	簡單開放的協議，將資料組織成記憶體映射，以實現高效的狀態監控和控制。

SMBus 可與生物醫學儀器無縫集成，其錯誤檢測和多設備支援功能使其優勢顯著。 Modbus 為工業和醫療自動化提供了一個簡單的解決方案，可有效地讀取和寫入電池狀態和控制參數。

進階監控功能可進一步增強您的電池組件。例如： 電池模型設計 仿真可以幫助您估算不同溫度條件下的電池參數。與被動式均衡技術相比，採用節能型DC/DC轉換器的主動式電池均衡技術能夠提高安全性和效能。您還應該考慮在電池組五年預期使用壽命內，對不同均衡方法進行成本效益分析。

🟢 小提示: 即時監控和預測分析透過延長電池壽命和減少浪費來支持永續發展。

4.3 安全性和冗餘性

在醫療器材電池組裝中，安全性和冗餘性不容妥協。必須實施多層保護，以確保不間斷運作，尤其對於維生設備而言更是如此。

冗餘功能	產品說明
電池冗餘系統	確保關鍵醫療設備持續供電，保障停電期間的病人安全。
模組化電池解決方案	提供靈活性和快速更換功能，最大限度地減少停機時間並保持備用電源。
自動切換機制	保持電源穩定，確保救生設備不間斷運作。
雙交流輸入系統	連接到兩個獨立的電源電路，以實現快速故障切換（10 毫秒以內）。
外部UPS系統	提供備用電池緊急電源和突波保護，需要定期更換電池。
過充和過放保護	模組化系統中的先進安全功能可防止損壞並確保可靠性。
實時監控	每個模組都包含電壓、溫度和電流監控功能，以確保最佳效能。

應整合保護電路，以防止過充、過放和短路。過熱保護機制可最大限度地降低爆炸或起火風險，並維持長期穩定的性能。電池管理技術的不斷改進可降低設備故障風險，這對於生命維持和監控設備至關重要。

🇧🇷 警報： 請務必確認您的電池組件具備電壓、溫度和電流的即時監控功能。這一步驟對於在各種應用中保持最佳效能和安全性至關重要。

透過優先考慮這些安全性和冗餘功能，您可以確保電池組件符合最高的可靠性和病患安全標準。這種方法有助於遵守國際標準，並延長醫療設備的使用壽命。

按照以下步驟，您可以獲得安全可靠的醫療設備專用客製化鋰電池組：

1. 分析需求並確定電氣需求。

2. 選擇最佳電池化學成分和穩健的電池管理系統。

3. 通過嚴格的測試和認證進行驗證。

• 務必將風險評估和維護計劃記錄在案。

• 對於複雜的項目，請諮詢電池專家。 客製化電池 諮詢。

常見問題

醫療器材應用應該選擇哪種鋰電池化學成分？

化學	安全等級	循環壽命	典型用例
磷酸鐵鋰	優	很高	手術器材、自動體外心臟去顫器、呼吸機
鋰離子電池	固德	高	手提式監視器、成像
固態電池	優越	高	植入式、穿戴式裝置

您應該根據安全性、循環壽命和設備要求來選擇化學試劑。

客製化鋰電池組如何提高工業和醫療環境中的可靠性？

您將獲得量身定制的保護、先進的監控以及符合全球標準。 Large Power 提供 客製化電池諮詢 以獲得優化的解決方案。

鋰電池管理系統支援哪些B2B整合通訊協定？

SMBus可用於生物醫學儀器，Modbus可用於工業自動化。這兩種協議都支援即時監控。