满足医疗设备电池的功率预算和尺寸要求

许多医疗设备使用来自电网的交流电和备用电池。这与典型的手持式消费类设备（如智能手机或平板电脑）所需的功率预算形成了鲜明的对比。这意味着，在许多情况下，电池仅作为备份真正发挥作用，或者在设备在医院周围移动时发挥作用。

但是，医疗器械环境中也有例外。例如，救护车上的吸气器通常主要由电池供电。它将具有交流电源选项以及从电网充电。

创建功率预算

为了创建功率预算，医疗设备设计人员必须决定设备的当前要求，包括需求，例如屏幕尺寸，压缩机（如果需要），内置泵或风扇以及任何板载计算需求。这将使设计人员能够确定需要多少功率，当与运行时结合使用时，这将产生功率预算。

管理设备功率预算的最佳方法是关闭不需要的东西 - 就像汤姆·汉克斯和桑德拉·布洛克在他们的电影中所做的那样。例如，可以降低设备上的处理器速度或使屏幕变暗。

然后，在制定电池电源策略时，首先要回答的问题是需要多少电池来提供必要的功率。例如，如果功率预算为50瓦时（Wh），则容量小于100 Wh的单个锂离子电池将绰绰有余。

这听起来很简单，但是当在设备、其电源要求和电池之间的关系中添加进一步的功能时，就会出现问题。例如，如果在使用过程中需要热插拔电池，例如在保持患者心脏或肺部功能的灌注系统上，则设计中必须至少有两个电池。即使在非热插拔环境中只有一个可以满足功率预算，情况也是如此。

在灌注系统示例中，设计将让一个电池在大部分时间工作，另一个电池在热插拔期间提供电力。在交换期间留在设备中的第一个电池称为桥接电池。充电后，从桥接电池切换回可拆卸电池通常是自动的。

热插拔允许设备长时间运行，而无需求助于电网的交流电源。唯一的限制是可用的充电备用电池的数量以及桥接电池的使用寿命，桥接电池本身最终会耗尽。利用这种桥接技术的医疗系统的一个实际例子是用于患者运输的呼吸机。

关键是桥接电池必须能够自行运行整个设备。热插拔在多个电池平均共享所有电池的电流的系统中不起作用。

医疗设备不断变化的需求

技术在不断变化，变得越来越小，越来越高效。因此，原始设备制造商（OEM）通常需要减少电池的占地面积，以减小设备本身的尺寸。这些尺寸减小需求是由对便携性、消费技术仿真或使用设备的医疗专业人员的需求增加所驱动的。

为了符合要求，始终可以使用较小的电池，但OEM必须接受这将导致运行时间缩短，循环寿命缩短或低温性能差。

通用驱动是设计一种更小更轻的设备，但电池往往是最后的想法，这可能会产生功率预算问题。请记住，电池没有摩尔定律;锂离子技术是能量密度最高，商业上可行的存储功率的方式，如果不存储更少的功率，它就无法变得更小。设计受到可用金属的化学偶联的限制。

在理想的世界中，很难为OEM提供他们想要的所有性能特征。因此，关于原始规范的哪些元素最重要，以及哪些元素可以取消优先级的谈判至关重要。

功率预算指标

计算功率预算需要考虑诸如所需的输入工作电压、器件消耗的功率（用于计算所需电流）、预计运行时间、允许电池重新充电多长时间、可能的工作温度、占空比和整体寿命等因素。

通常在医疗应用中，在高温下良好操作是比低温操作更重要的问题。电池位于设备内部，温度可以连续高达120°F（49°C）。相比之下，充电需求在很大程度上是一场可移动的盛宴;有些应用必须电池在一小时内充电，而有些应用则需要24小时充电时间。

根据医疗应用的不同，电池寿命也可能是一个完全不同的要求。在某些情况下，每年更换电池是可以的 - 从实际和财务角度来看。但是，如果为常用应用设计的电池只能进行300次循环，也就是说300次完全充电和300次完全放电，那么它甚至不太可能持续一年。医院预计电池可以使用两到三年。

认证要求

在医疗环境中，电池满足严格的安全标准至关重要。例如，对于通过 IEC/EN60601-1 第 3 版认证的医疗设备，必须根据 IEC62133 对电池进行测试。

在美国，电池可能还需要经过UL2054测试，在欧洲，它需要CE标志以确认符合所有适用的欧盟法规。所有锂离子电池的运输测试都是强制性的，能量超过100 Wh的电池的运输受到更严格的监管。

但是，如果电池需要提供超过 100 Wh 的容量，则将其细分通常是明智的。这具有提高可靠性并允许热插拔功能以及将其从危险品分类中删除的额外好处。最后，在美国，医疗器械制造商需要接受FDA审核，电池合作伙伴应该能够提供所有相关的测试证书，以便令人满意地完成审核。

在这种情况下，设计人员可以采用预先测试和认证的电池系列，例如安科锐的Entellion系列，并将它们设计成设备。这节省了大量的研究和评估时间，从而缩短了上市时间。

案例研究：减小电池尺寸

在最近的一次应用中，一位现有客户要求 Accutronics 将其产品的厚度减少 50%，以保持领先于竞争对手。这是通过从具有重型铝罐的传统锂离子棱柱形电池转向使用锂聚合物技术（如平板电脑中使用的技术）来实现的。这导致更大的占地面积，但电池更薄。从液体电解质转移到凝胶是允许这种减少可能的一个因素。

这种对平板电脑技术的模拟可能听起来很简单，但人们必须考虑到平板电脑通常有一个电池，而这个设备需要九个电池来提供其功率预算，并且电池必须是可拆卸的。此外，在设备使用寿命期间必须将其取出以进行更换时，嵌入电池以节省空间不是一种选择。

满足困难的医疗设备功率预算

完整的设计过程可能看起来很艰巨，但如果要满足新医疗设备的功率预算，这一点至关重要。这当然比设计师在阿波罗13号和重力结束时发现自己陷入绝望的功率预算困境要好得多。

审核编辑：郭婷