如何为保健医疗设备设计选择合适的电池

择要

的化学构成和形状尺寸多种多样，是以关于详细使用，很难肯定若何抉择适宜的电池。本文将先容分歧的规范，旨在赞助工程师抉择适宜其应用场景的电池。另外，本文还将接头今朝市场上罕见的五种原电池化学构成及其大概适宜的使用畛域。本文将首要接头医疗康健使用，并供应接纳原电池的种种分歧产物的合用指南。

简介

抉择适宜的原电池大概需要在多个互相抵触的请求之间举行掂量。您但愿电池容量足够大，可以或许在较长时间内为设置装备摆设继续供电，而且输入电压局限吻合集成电路供电需要。平日，您会但愿电池尺寸越小越好，以尽可能减少产物的团体尺寸。另外，还需要思量本钱、供货情形和保质期。作为工程师的职责，咱们还必须思量设想决议对环境的影响。咱们为产物抉择的电池终究大概会被丢进渣滓填埋场，始终堆放在那里很多年。为了赞助设想职员精确选型，咱们将重点存眷经常使用的碱性电池、锂金属电池、氧化银电池和锌氛围电池的化学构成，并评价它们在一次性心电图(ECG)胸贴设想中的应用情形。

原电池与二次电池

原电池和二次电池之间的首要差别在于原电池弗成充电，而二次电池能够充电。原电池中产生的电化学反应是不可逆的。一旦阳极氧化，电池就无奈再发生电能。而在可充电电池中，阳极能够被脱氧。是以，电池能够充电并重复应用。二次电池平日比一次电池低廉，普通不会用于一次性体系。原电池因为自放电电流较低而拥有较长的保质期，然则可充电的二次电池能够供应更多电量，尤其是在大电流使用中。

分歧范例电池对环境造成影响的题目比拟庞杂。一方面，二次电池可重复应用，不需要常常改换，这意味着发生的废料更少。另外一方面，二次电池含有可能对环境无害的风险物资。原电池也含有风险物资，但浓度要低得多。在比拟这两种范例的电池时，单就一块电池而言，二次电池比原电池排放的温室气体多，发生的风险废料多。然而，经由20次充电轮回后，二次电池发生的废料比一次性原电池少90%，是以被觉得加倍环保。1

医疗使用规范

医疗使用电池必需餍足严峻的平安和功能规范。针对医疗电气设置装备摆设的ANSI/AAMI ES 60601-1规范划定了电池必需吻合的几项羁系规范，包孕针对原电池的IEC 60086-4和IEC 60086-5，以及针对家用和商用电池的UL2054。另外，另有针对分歧使用的特定规范，比方针对电动牙刷的ISO 20127。2

FDA对锂电池也有详细请求，包孕必须在经由UL认证的工场出产，而且每块电池必需可溯源以便举行毛病阐发。除了精确抉择电池化学构成，还必须子细检察电池制造商，以确保其吻合FDA和IEC的相干使用法例请求。2

电压局限

原电池平日供应两种电压局限：1.5 V和3.3 V。应选用哪一个电压局限取决于详细使用。降压转换器平日比升压转换器更高效。3电池调节器普通接纳降压-升压转换器，以尽量进步电池的电压局限。然而，降压-升压转换器平日有四个（而非两个）开关，以是比降压转换器更大，而且需求更多的内部组件。

表1.原电芯比拟

图1.原电池的化学构成。

碱性

碱性电池拥有较显然的上风，比方适合为电视遥控器或时钟等模仿电路供电，是最经常使用的一种原电池。与其他电池化学构成相比，这些电池拥有较高的内阻，内阻会跟着电池放电而增添。因为这一特点，碱性电池平日不适合那些需求更高负载或拥有分歧占空比和事情模式的数字电路。跟着电池物理尺寸减小，碱性电池的内阻也会增大。是以，较高电流使用（比方带有少量LED和扬声器的玩具）大概需求应用1号电池(D cell battery)，此中的时钟可由钮扣电池供电。普通觉得碱性电池的应用和贮存都比拟平安，简直不消忧虑爆炸或泄露题目，碱性电池的羁系规范与锂离子电池分歧。

碱性电池平日不用于，由于与其他电池化学构成相比，碱性电池的功率输入无限且应用寿命短。在医疗使用中，碱性电池可用于低成本血糖仪、温度计和其余不经常使用、非关头性能的设置装备摆设中。

图2.锂离子原电池：锂-二氧化锰（Li-M或LiMnO2）和二硫化锂(Li-FeS2)。

市场上有几种锂基原电池，它们都将锂用作阳极资料，将金属用作阴极。这些电池平日称为锂金属电池。应用最普遍的两种锂金属原电池是二氧化锂锰(LiMnO2)和二硫化锂(LiFeS2)。

LiMnO2电池的标称输入电压为3 V，内阻较低。异常适宜需求分歧负载曲线和占空比的数字使用。LiFeS2电池的标称输入电压为1.5 V，内阻与LiMnO2电池近似。LiFeS2电池平日能够间接庖代碱性电池，用于需求1.5 V电压的设置装备摆设。

锂金属电池轻易泄露和爆炸，是以需求举行非凡处置和施加运输限定。然而，与碱性电池相比，锂金属电池拥有许多上风：在类似形状尺寸下，容量是碱性电池的两倍、应用寿命更长、分量更轻。

是以，在许多使用中，锂金属电池正慢慢庖代碱性电池。锂金属电池还用于关头医疗设置装备摆设（如继续血糖监测仪、输液泵和除颤器等植入设置装备摆设）。4

氧化银电池

另一种罕见的原电池是氧化银(Ag-O)电池，它将银用作阴极，将锌用作阳极。氧化银电池拥有与碱性电池类似的标称输入电压（即1.55 V），但容量更高，放电曲线更平整，于是适宜数字使用。因为阴极中存在银，大尺寸氧化银电池会异常低廉，是以氧化银电池首要用于钮扣电池或扣式电池。

图3.氧化银电池平日用作腕表电池。

以往的实践使用注解，氧化银电池轻易泄露，是以会在电池中增添汞来对消侵蚀。近年来，电池制造商找到了其余要领，在不应用汞的情况下也能尽可能缩小侵蚀，从而使氧化银电池对环境更具可持续性。与锂电池相比，氧化银电池平日更平安、运转时候更长，两种电池的放电曲线类似，但由于氧化银电池接纳银阴极，致使其本钱更高，是以限定了其在低成本场景中的使用。因为银涂层能够下降植入式设置装备摆设惹起沾染的危险，是以Ag-O电池化学资料越来越多地用于植入式设置装备摆设。5

锌氛围电池

与曩昔的电池化学构成相比，锌氛围电池拥有怪异的电池化学构成。锌氛围电池接纳锌阳极，四周氛围是阴极，旁边有电解膏。该电池接纳典范的钮扣电池外形，外壳上有一个闭口可以让氛围进入。在电池应用以前闭口是密封如许可防止氛围进入电池。一旦密封破坏，氧气就会从阴极进入，电子开端从锌阳极流过电解抵达阴极因为氛围电池的阴极不是金属其余电池的化学构成是以氛围电池重量轻且经济高效。它们还能坚持电荷拥有相对于平整的放电氛围电池输入电压局限为0.9 V至1.4 V。

图4.助听器平日氛围电池供电因为氛围电池必需暴露在环境能力事情是以其在医疗设置装备摆设应用遭到限定。许多请求必定程度上与环境断绝氛围电池不允许如许因为这些电池组织轻便应用寿命长是以首要用于助听器电池。

图5.ECG贴片示例方框图依据这些请求咱们能够抉择应用哪类电池穿着产物设想紧凑，这意味着电池形状尺寸应该玲珑简便是以应用钮扣电池起首能够消除二硫化锂电池由于钮扣电池不会接纳这类范例因为贴片是一次性以是不克不及应用二次电池或可充电电池另外电池完整密封是以无奈选用氛围电池。还要支撑蓝牙通讯并且MAX32655拥有分歧事情模式依据这些请求，碱性电池因为内阻明显无奈支撑使用咱们只能抉择锂锰和氧化银原电池化学构成。

锂锰电池的标称输入电压为3.0V，比氧化银电池拥有更高的比能量咱们能够轻松地用容量为235 mAh的（氧化银）CR2032电池供电。氧化银电池的标称输入电压为1.55咱们能找到的、现有最大钮扣电池是容量为200 mAh的SR44W电池咱们再来看一下设想请求，贴片需求运转5天时候经由过程构建负载曲线（在上一篇文章中进行了深刻接头咱们发现该贴片天天预计损耗45 mA的电流或许在5天内损耗225 mA的电流。对更高容量电池请求减弱了氧化银钮扣电池合作上风是以针对此使用咱们抉择锂锰电池。

针对详细使用抉择电池需求当真思量形状尺寸、适配性能经由过程懂得每种电池化学构成的优缺点能够正当抉择适宜体系设想请求的电池。

参考文献

1Giovanni Dolci、Camilla Tua、Mario Grosso 和 Lucia Rigamonti。“能耗产物性命周期评价：家用一次性电池和可充电电池比拟。”《国际性命周期评价杂志》，2016年第21卷。

2Jeff Shepard。“工业锂电池和医用锂电池分歧？”电池电源提醒，2023年应用SIMO延伸智能腕表应用寿命。”ADI公司，2019年。

4David C Bock、Amy Marschilok、Kenneth J. Takeuchi、Esther S. Takeuchi。“用于为植入式生物医学设置装备摆设供电的电池。”《电化学学报》，2012年第84卷。

5J. M. Schierholz、L. J. Lucas、A. Rump 和 G. Pulverer。“镀银医疗器械功能病院沾染杂志》，1998年第40卷。

6Fahad Masood。“由原供电长途患者监护仪的电源设想因素。”ADI公司，2022年4月。