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如何為保健醫(yī)療設(shè)備設(shè)計選擇合適的電池

2024-06-17
作者:Fahad Masood,,高級應(yīng)用工程師
來源:ADI

  摘要

  電池的化學(xué)組成和外形尺寸多種多樣,,因此對于具體應(yīng)用,很難確定如何選擇合適的電池,。本文將介紹不同的標(biāo)準(zhǔn),,旨在幫助工程師選擇適合其使用場景的電池。此外,,本文還將討論目前市場上常見的五種原電池化學(xué)組成及其可能適合的應(yīng)用領(lǐng)域,。本文將主要討論醫(yī)療健康應(yīng)用,并提供采用原電池的各種不同產(chǎn)品的適用指南,。

  簡介

  選擇合適的原電池可能需要在多個相互沖突的要求之間進(jìn)行權(quán)衡,。您希望電池容量足夠大,能夠在較長時間內(nèi)為設(shè)備持續(xù)供電,,并且輸出電壓范圍符合集成電路供電需求,。通常,您會希望電池尺寸越小越好,,以盡量縮小產(chǎn)品的整體尺寸,。此外,還需要考慮成本,、供貨情況和保質(zhì)期,。作為工程師的職責(zé),我們還必須考慮設(shè)計決策對環(huán)境的影響,。我們?yōu)楫a(chǎn)品選擇的電池最終可能會被丟進(jìn)垃圾填埋場,,一直堆放在那里很多年。為了幫助設(shè)計人員正確選型,我們將重點關(guān)注常用的堿性電池,、鋰金屬電池,、氧化銀電池和鋅空氣電池的化學(xué)組成,并評估它們在一次性心電圖(ECG)胸貼設(shè)計中的使用情況,。

  原電池與二次電池

  原電池和二次電池之間的主要區(qū)別在于原電池不可充電,,而二次電池可以充電。原電池中發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)是不可逆的,。一旦陽極氧化,,電池就無法再產(chǎn)生電能。而在可充電電池中,,陽極可以被脫氧,。因此,電池可以充電并重復(fù)使用,。二次電池通常比一次電池昂貴,,一般不會用于一次性系統(tǒng)。原電池由于自放電電流較低而具有較長的保質(zhì)期,,但是可充電的二次電池可以提供更多電量,,尤其是在大電流應(yīng)用中。

  不同類型電池對環(huán)境造成影響的問題比較復(fù)雜,。一方面,二次電池可重復(fù)使用,,不需要經(jīng)常更換,,這意味著產(chǎn)生的廢物更少。另一方面,,二次電池含有可能對環(huán)境有害的危險物質(zhì),。原電池也含有危險物質(zhì),但濃度要低得多,。在比較這兩種類型的電池時,,單就一塊電池而言,二次電池比原電池排放的溫室氣體多,,產(chǎn)生的危險廢物多,。然而,經(jīng)過20次充電循環(huán)后,,二次電池產(chǎn)生的廢物比一次性原電池少90%,,因此被認(rèn)為更加環(huán)保。1

  醫(yī)療應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)

  醫(yī)療應(yīng)用電池必須滿足嚴(yán)格的安全和性能標(biāo)準(zhǔn),。針對醫(yī)療電氣設(shè)備的ANSI/AAMI ES 60601-1標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了電池必須符合的幾項監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn),,包括針對原電池的IEC 60086-4和IEC 60086-5,以及針對家用和商用電池的UL2054。此外,,還有針對不同應(yīng)用的特定標(biāo)準(zhǔn),,例如針對電動牙刷的ISO 20127。2

  FDA對鋰電池也有具體要求,,包括必須在經(jīng)過UL認(rèn)證的工廠生產(chǎn),,并且每塊電池必須可溯源以便進(jìn)行故障分析。除了正確選擇電池化學(xué)組成,,還必須仔細(xì)審查電池制造商,,以確保其符合FDA和IEC的相關(guān)應(yīng)用法規(guī)要求。2

  電壓范圍

  原電池通常提供兩種電壓范圍:1.5 V和3.3 V,。應(yīng)選用哪個電壓范圍取決于具體應(yīng)用,。降壓轉(zhuǎn)換器通常比升壓轉(zhuǎn)換器更高效。3電池調(diào)節(jié)器一般采用降壓-升壓轉(zhuǎn)換器,,以盡可能提高電池的電壓范圍,。然而,降壓-升壓轉(zhuǎn)換器通常有四個(而非兩個)開關(guān),,所以比降壓轉(zhuǎn)換器更大,,并且需要更多的外部組件。

  表1.原電芯比較

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  圖1.原電池的化學(xué)組成,。

  堿性

  堿性電池具有較明顯的優(yōu)勢,,例如適合為電視遙控器或時鐘等模擬電路供電,是最常用的一種原電池,。與其他電池化學(xué)組成相比,,這些電池具有較高的內(nèi)阻,內(nèi)阻會隨著電池放電而增加,。由于這一特性,,堿性電池通常不適合那些需要更高負(fù)載或具有不同占空比和工作模式的數(shù)字電路。隨著電池物理尺寸減小,,堿性電池的內(nèi)阻也會增大,。因此,較高電流應(yīng)用(例如帶有大量LED和揚聲器的玩具)可能需要使用1號電池(D cell battery),,其中的時鐘可由紐扣電池供電,。一般認(rèn)為堿性電池的使用和儲存都比較安全,幾乎不用擔(dān)心爆炸或泄漏問題,,堿性電池的監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)與鋰離子電池不同,。

  堿性電池通常不用于醫(yī)療設(shè)備,因為與其他電池化學(xué)組成相比,,堿性電池的功率輸出有限且使用壽命短,。在醫(yī)療應(yīng)用中,,堿性電池可用于低成本血糖儀、溫度計和其他不常用,、非關(guān)鍵功能的設(shè)備中,。

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  圖2.鋰離子原電池:鋰-二氧化錳(Li-M或LiMnO2)和二硫化鋰(Li-FeS2)。

  市場上有幾種鋰基原電池,,它們都將鋰用作陽極材料,,將金屬用作陰極。這些電池通常稱為鋰金屬電池,。使用最廣泛的兩種鋰金屬原電池是二氧化鋰錳(LiMnO2)和二硫化鋰(LiFeS2),。

  LiMnO2電池的標(biāo)稱輸出電壓為3 V,內(nèi)阻較低,。非常適合需要不同負(fù)載曲線和占空比的數(shù)字應(yīng)用,。LiFeS2電池的標(biāo)稱輸出電壓為1.5 V,內(nèi)阻與LiMnO2電池類似,。LiFeS2電池通??梢灾苯尤〈鷫A性電池,用于需要1.5 V電壓的設(shè)備,。

  鋰金屬電池容易泄漏和爆炸,,因此需要進(jìn)行特殊處理和施加運輸限制。然而,,與堿性電池相比,,鋰金屬電池具有許多優(yōu)勢:在相似外形尺寸下,容量是堿性電池的兩倍,、使用壽命更長,、重量更輕。

  因此,,在許多應(yīng)用中,,鋰金屬電池正逐步取代堿性電池,。鋰金屬電池還用于關(guān)鍵醫(yī)療設(shè)備(如連續(xù)血糖監(jiān)測儀,、輸液泵和除顫器等植入設(shè)備)。4

  氧化銀電池

  另一種常見的原電池是氧化銀(Ag-O)電池,,它將銀用作陰極,,將鋅用作陽極。氧化銀電池具有與堿性電池相似的標(biāo)稱輸出電壓(即1.55 V),,但容量更高,,放電曲線更平坦,因而適合數(shù)字應(yīng)用,。由于陰極中存在銀,,大尺寸氧化銀電池會非常昂貴,因此氧化銀電池主要用于紐扣電池或扣式電池。

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  圖3.氧化銀電池通常用作手表電池,。

  以往的實際應(yīng)用表明,,氧化銀電池容易泄漏,因此會在電池中添加汞來抵消腐蝕,。近年來,,電池制造商找到了其他方法,在不使用汞的情況下也能盡量減少腐蝕,,從而使氧化銀電池對環(huán)境更具可持續(xù)性,。與鋰電池相比,氧化銀電池通常更安全,、運行時間更長,,兩種電池的放電曲線相似,但由于氧化銀電池采用銀陰極,,導(dǎo)致其成本更高,,因此限制了其在低成本場景中的應(yīng)用。由于銀涂層可以降低植入式設(shè)備引起感染的風(fēng)險,,因此Ag-O電池化學(xué)材料越來越多地用于植入式設(shè)備,。5

  鋅空氣電池

  與以前的電池化學(xué)組成相比,鋅空氣電池具有獨特的電池化學(xué)組成,。鋅空氣電池采用鋅陽極,,周圍空氣是陰極,中間有電解膏,。該電池采用典型的紐扣電池形狀,,外殼上有一個開口,可讓空氣進(jìn)入,。在電池使用之前,,開口是密封的,這樣可防止空氣進(jìn)入電池,。一旦密封破損,,氧氣就會從陰極進(jìn)入,電子開始從鋅陽極流過電解膏,,到達(dá)陰極,。由于鋅空氣電池的陰極不是金屬(其他電池的化學(xué)組成),因此鋅空氣電池重量輕且經(jīng)濟(jì)高效,。它們還能保持電荷并具有相對平坦的放電率,。鋅空氣電池的輸出電壓范圍為0.9 V至1.4 V。

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  圖4.助聽器通常由鋅空氣電池供電,。

  由于鋅空氣電池必須暴露在環(huán)境中才能工作,,因此其在醫(yī)療設(shè)備中的使用受到限制,。許多醫(yī)療設(shè)備要求在一定程度上與環(huán)境隔離,而鋅空氣電池不允許這樣做,。由于這些電池構(gòu)造輕巧且使用壽命長,,因此主要用于助聽器電池。

  應(yīng)用示例

  上面我們概述了目前常見的電池化學(xué)組成及其可提供的功能,,現(xiàn)在我們通過應(yīng)用示例逐一介紹,。在本例中,我們考慮一個預(yù)期運行時間為5天的ECG胸貼,。這個可穿戴貼片設(shè)計為一次性,、完全密封(無法更換電池)、防水,,并具有藍(lán)牙? 通信功能,,可通過無線方式傳輸ECG數(shù)據(jù)。該貼片還將包括一個MAX30208溫度傳感器(用于記錄患者體溫)和一個ADXL367加速度計(用于監(jiān)測患者活動信息),。它可以在醫(yī)院環(huán)境,、門診診所和患者家中使用。在本應(yīng)用中,,我們將MAX30001用作ECG模擬前端(AFE),,將MAX32655用作微控制器單元(MCU)。將根據(jù)電池來選擇電源管理方案,。

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  圖5.ECG貼片示例方框圖,。

  根據(jù)這些要求,我們可以決定應(yīng)使用哪種電池,。可穿戴產(chǎn)品設(shè)計緊湊,,這意味著電池的外形尺寸應(yīng)當(dāng)小巧輕便,因此應(yīng)使用紐扣電池,。首先可以排除二硫化鋰電池,,因為紐扣電池不會采用這種類型。由于貼片是一次性的,,所以不能使用二次電池或可充電電池,。此外電池是完全密封的,因此無法選用鋅空氣電池,。還要支持藍(lán)牙通信,,而且MAX32655具有不同的工作模式,,根據(jù)這些要求,,堿性電池由于內(nèi)阻高,顯然無法支持此應(yīng)用,。我們只能選擇鋰錳和氧化銀原電池化學(xué)組成,。

  鋰錳電池的標(biāo)稱輸出電壓為3.0V,,比氧化銀電池具有更高的比能量。我們可以輕松地用容量為235 mAh的(氧化銀)CR2032電池供電,。氧化銀電池的標(biāo)稱輸出電壓為1.55 V,,我們能找到的、現(xiàn)有最大的紐扣電池是容量為200 mAh的SR44W電池,。我們再來看一下設(shè)計要求,,貼片需要運行5天時間。通過構(gòu)建負(fù)載曲線(在上一篇文章中進(jìn)行了更深入的討論6),,我們發(fā)現(xiàn)該貼片每天預(yù)計消耗45 mA的電流,,或者在5天內(nèi)消耗225 mA的電流。對更高容量電池的要求削弱了氧化銀紐扣電池的競爭優(yōu)勢,,因此針對此應(yīng)用我們將選擇鋰錳電池,。

  結(jié)論

  針對具體應(yīng)用選擇電池時需要認(rèn)真考慮外形尺寸、適配性和功能,。通過了解每種電池化學(xué)組成的優(yōu)缺點,,可以合理選擇適合系統(tǒng)設(shè)計要求的電池。


  參考文獻(xiàn)

  1 Giovanni Dolci,、Camilla Tua,、Mario Grosso 和 Lucia Rigamonti?!澳芎漠a(chǎn)品的生命周期評估:家用一次性電池和可充電電池的比較,。”《國際生命周期評估雜志》,,2016年第21卷,。

  2 Jeff Shepard?!肮I(yè)鋰電池和醫(yī)用鋰電池有何不同,?”電池電源提示,2023年,。

  3“使用SIMO延長智能手表的使用壽命,。”ADI公司,,2019年,。

  4 David C Bock、Amy Marschilok,、Kenneth J. Takeuchi,、Esther S. Takeuchi?!坝糜跒橹踩胧缴镝t(yī)學(xué)設(shè)備供電的電池,?!薄峨娀瘜W(xué)學(xué)報》,2012年第84卷,。

  5 J. M. Schierholz,、L. J. Lucas、A. Rump 和 G. Pulverer,?!板冦y醫(yī)療器械的功效?!薄夺t(yī)院感染雜志》,,1998年第40卷。

  6 Fahad Masood,?!坝稍姵毓╇姷倪h(yuǎn)程患者監(jiān)護(hù)儀的電源設(shè)計要素?!盇DI公司,,2022年4月。




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