Wie wählt man ein individuelles Lithium-Batteriepaket für medizinische Geräte aus?

Die Wahl des richtigen Batteriepacks für ein medizinisches Gerät erfordert weit mehr als nur die gleiche Spannung und Kapazität. Ingenieure müssen außerdem Betriebszeit, Entladestrom, Größe, Gewicht, Lademethode, Sicherheitsschutz, Steckverbinderdesign, Betriebsumgebung und Zertifizierungsanforderungen berücksichtigen.

Für tragbare medizinische Geräte, Überwachungssysteme, tragbare Geräte, Diagnoseinstrumente und andere wiederaufladbare Anwendungen sollte die Batterie idealerweise zusammen mit der PCB und der mechanischen Struktur von einer frühen Entwicklungsphase an bewertet werden. Dies hilft, Probleme wie unzureichende Betriebszeit, übermäßige Dicke, instabile Spitzenstromleistung oder später kostspielige Neuentwicklungen zu vermeiden.

Im Folgenden finden Sie die wichtigsten Fragen, die Ingenieure bei der Auswahl eines individuellen Lithium-Batteriepakets für medizinische Geräte berücksichtigen sollten.

Welche Spannung sollte eine medizinische Gerätebatterie verwenden?

Die erforderliche Batteriespannung hängt hauptsächlich von der elektronischen Architektur und dem Leistungsbedarf des Geräts ab.

Gängige Lithium-Batterie-Konfigurationen sind:

• 1S: ungefähr 3,7V
• 2S: ungefähr 7,4V
• 3S: etwa 11,1V
• 4S: etwa 14,8 V
• Höherwertige Konfigurationen für größere tragbare Geräte

Einige kompakte medizinische Geräte können von einer einzelnen Lithiumzelle betrieben werden, während Pumpen, tragbare Diagnosegeräte, mobile medizinische Carts oder motorgetriebene Systeme höhere Spannungspakete benötigen können.

GLOFLUX unterstützt ungefähr maßgeschneiderte wiederaufladbare Akkukonfigurationen3,7V bis 72V, typischerweise aus1S bis 20S, abhängig von Batteriechemie, Kapazität, Entladungsanforderungen und Anwendung.

Die beste Spannung sollte zusammen mit der DC/DC-Umwandlungsarchitektur des Geräts ausgewählt werden, anstatt einfach die höchstmögliche Batteriespannung zu wählen.

Wie viel Batteriekapazität benötigt ein medizinisches Gerät?

Die Batteriekapazität sollte entsprechend dem Stromverbrauch des Geräts und der erforderlichen Betriebszeit berechnet werden.

Eine grundlegende Berechnung ist:

Batterieenergie (Wh) = Batteriespannung × Kapazität (Ah)

Zum Beispiel liefert eine 11,1V 2Ah-Batterie ungefähr:

11,1V × 2Ah = 22,2Wh

Die reale Betriebszeit kann jedoch niedriger sein, weil:

• DC/DC-Umwandlungsverluste
• BMS-Stromverbrauch
• Batteriealterung
• Niedrigtemperaturleistung
• Hochstromlasten
• Anforderungen an die Sicherheitsreserve

Aus diesem Grund sollten Ingenieure sowohl den durchschnittlichen Betriebsstrom als auch die erwartete Betriebszeit angeben, wenn sie eine maßgeschneiderte Batterie anfordern.

Die Kapazität sollte ebenfalls mit der physischen Größe und dem Gewicht abgewogen werden. Eine Batterie mit höherer Kapazität benötigt in der Regel mehr Zellvolumen, daher ist die Maximierung der Kapazität nicht immer die beste Lösung für ein kompaktes Medizingerät.

Warum sind Dauerstrom und Pulsstrom wichtig?

Der kontinuierliche Entladestrom ist der Strom, den die Batterie während des normalen Betriebs über einen längeren Zeitraum liefern muss.

Impulsstrom ist eine kurzzeitige Spitzenlast.

Medizinische und angeschlossene Geräte können während folgender Phasen Stromimpulse erfahren:

• Drahtlose Datenübertragung
• Pumpenaktivierung
• Motorstart
• Helligkeitsänderungen der Anzeige
• Alarmaktivierung
• Sensorfunktion

Ein Gerät verbraucht im normalen Betrieb möglicherweise nur 200 mA, benötigt aber kurzzeitig 800 mA oder mehr.

Daher sollte ein Batteriehersteller idealerweise folgende Informationen erhalten:

• Typischer Betriebsstrom
• Maximaler Dauerstrom
• Spitzenstrom
• Pulsdauer
• Zeit zwischen den Pulsen

Diese Informationen ermöglichen es, die Batteriezelle und das BMS für stabile Spannungsleistung und sicheren Betrieb auszuwählen.

LiPo oder zylindrisches Li-Ion: Was ist besser für medizinische Geräte?

Sowohl Lithiumpolymer- als auch zylindrische Lithium-Ionenzellen können geeignet sein, erfüllen jedoch unterschiedliche Designprioritäten.

LiPo-Akkus werden oft für handgehaltene, tragbare oder dünne medizinische Geräte bevorzugt, da die Zellmaße besser an den verfügbaren Raum angepasst werden können.

18650- oder 21700-Batteriepacks sind im Allgemeinen besser für größere Geräte geeignet, die eine höhere Kapazität, längere Betriebsdauer oder eine stärkere Entladungsleistung benötigen.

LiFePO4 kann auch berücksichtigt werden, wenn Zykluslebensdauer, thermische Stabilität oder größere Systemkapazität Priorität haben.

Kann die Batterie um die Platine herum gestaltet werden?

Ja. Bei kompakten medizinischen Geräten sollten Batterie, PCB, Gehäuse und Stecker idealerweise zusammen gestaltet werden.

Wenn die Leiterplatte beispielsweise kreisförmig oder nahezu kreisförmig ist, können Ingenieure eine dünne runde Batterie oder eine andere Geometrie bewerten, die ungenutzten Innenraum reduziert.

In anderen Konstruktionen kann die Verringerung der Batteriedicke wichtiger sein als das Erreichen der maximalen Kapazität, da eine dünnere Batterie die Gesamtdicke des fertigen Geräts verringern kann.

Während eines individuellen Projekts kann GLOFLUX bewerten:

• Zelldimensionen
• PCB-Platzierung
• BMS-Standort
• Drahtrichtung
• Steckverbinderposition
• NTC-Vermittlung
• Gehäuseintegration
• Verfügbarer mechanischer Platz

Eine frühzeitige Koordination zwischen den Elektronik- und Batteriedesignteams kann spätere mechanische Änderungen erheblich reduzieren.

Welche BMS-Funktionen sind für medizinische Akkupakete wichtig?

Ein Batteriemanagement- oder Schutzsystem kann Folgendes umfassen:

• Überladungsschutz
• Überentladungsschutz
• Überstromschutz
• Kurzschlussschutz
• Temperaturüberwachung
• Zellbalancierung für Mehrserienpakete

Je nach Gerät können zusätzliche Funktionen die NTC-Temperaturmessung oder Kommunikationsschnittstellen umfassen.

Das Schutzdesign sollte der Batteriespannung, dem Ladesystem, dem maximalen Strom und den Betriebsbedingungen entsprechen, anstatt ein generisches BMS zu verwenden.

Welche Zertifizierungen sollten berücksichtigt werden?

Die Zertifizierungsanforderungen hängen von der Batterie, dem Zielmarkt, der Transportmethode und dem endgültigen medizinischen Gerät ab.

Häufige batteriebezogene Anforderungen können sein:

• UN38.3 für den Transport von Lithiumbatterien
• IEC 62133, wo anwendbar,
• CE-bezogene Anforderungen
• RoHS
• Weitere projektspezifische Sicherheitsstandards

Es ist wichtig zu beachten, dass die Batteriezertifizierung die Zertifizierung des vollständigen medizinischen Geräts nicht ersetzt.

Zum Beispiel behandelt UN38.3 hauptsächlich die Sicherheit beim Transport von Lithiumbatterien. Der Endprodukthersteller sollte den vollständigen regulatorischen Weg für das fertige Medizinprodukt festlegen.

Welche Informationen sollten an einen Batteriehersteller gesendet werden?

Für eine schnellere technische Bewertung sollten Sie so viele der folgenden Informationen wie möglich bereitstellen:

• Geräteanwendung
• Erforderliche Spannung
• Zielkapazität
• Maximale Batteriemaße
• Dauerstrom
• Spitzenstrom und Pulsdauer
• Lademethode
• Steckverbindertyp
• Drahtlänge
• BMS-Anforderungen
• Betriebstemperatur
• Erforderliche Zertifizierungen
• Prototypenstückzahl
• Geschätztes jährliches Volumen

Eine Zeichnung, ein 3D-Modell, eine bestehende Batterieprobe oder ein Vorinstallationsrahmen können die Bewertung weiter verbessern.

Wie unterstützt GLOFLUX maßgeschneiderte Medizintechnik-Batterieprojekte?

GLOFLUX unterstützt die Entwicklung maßgeschneiderter wiederaufladbarer Akkus unter Verwendung von Li-ion-, LiPo-, 18650-, 21700- und LiFePO4-Technologien.

Je nach Projekt kann die Anpassung Folgendes umfassen:

• 3,7V–72V Batteriekonfigurationen
• Ungefähr 1S–20S-Designs
• Individuelle Kapazität
• BMS / PCM
• Steckverbinder und Kabelbäume
• NTC und Kommunikationsanforderungen
• Integration des Batteriegehäuses
• Prototypenentwicklung
• Test- und Produktionsunterstützung

Für Entwickler von Medizinprodukten ist der effektivste Ansatz, die Batterie zusammen mit der elektrischen und mechanischen Architektur zu bewerten, anstatt sie am Ende des Entwurfsprozesses auszuwählen.

Wenn Sie ein tragbares medizinisches Gerät, ein Diagnoseinstrument, ein tragbares Monitor oder andere wiederauffüllbare Geräte entwickeln, reicht die Bereitstellung von Anwendung, Spannung, Kapazität, verfügbarem Platz, Stromprofil und erwarteter Menge in der Regel aus, um eine vorläufige Batteriebewertung zu beginnen.