手持医疗设备供电系统方案解析

2018-02-07 16:42:57编辑:王磊 关键字:供电系统  医疗设备

    当医疗设备的应用范围由医院扩展到紧急应变和家庭医疗环境时,它的移动性将由多种因素所决定。此外,在医院内的医疗设备也经常需要电池的支持,以方便患者在不同的病房中转移。而且,在生育高峰期出生的人们已步入了老年,他们仍然希望四处活动,这就为传统固定设备的便携应用创造了需求,这些设备能够方便患病老年人的活动。它们包括了诊断仪器,如除纤维颤动器、超声设备和血分析仪;还有面向患者的设备,包括胰岛素注射器、左心室辅助装置(LVADs)和无线生命信号监控器。


  此外,当多种手术器械只能在一定范围内使用时,一些器械则因使用电池组供电而摆脱了这种限制。像电动整形工具或内窥镜这样的外科设备使用电池供电的时候,外科医生感受到了这种灵活性带来的极大便利。


  传统电池组包含了提供主能源的电芯和集成了剩余电量计、保护电路、温度传感器、显示电池组或电芯状态的LED驱动器和串行数据通信总线的电路板。电池组的外部则是一个典型的塑料外壳,附带可以为同主设备的连接提供电接口的外接触点和吸收外部振荡和保持内部元器件的绝缘。


  1 使用概况


  设计一个安全可靠系统的第一步是要准确理解医疗设备使用模型的诸特性,这些特点包括了温度范围、放电曲线、充电方式、保存寿命和传输需要。在为移动应用设备挑选最优电池的时候,所有外部的和内部的工作温度也都是重要的考虑因素。


  制造商们标明了电芯在理想的C/5 恒定电流和+20℃的外部温度下的性能。然而,许多医疗设备被期望能够工作在-20℃~+60℃的温度范围之间,且热量可以在充放电过程中散发出来,因而当电池系统同温敏元件放在一起的时候,组合电池系统和设备外壳有最大的温度阈值。


  一个不一致的脉冲放电或是典型的去纤颤器的脉冲会导致电芯产生更多的热量,相比非一致放电曲线,这种情况能更快的降低电池能力。而充电方式影响了电池热量散发的方式,也应该被考虑进电池的系统设计中。


  2 最优化学特性


  为电池组选择最优的电芯决定着野外医疗工作设备能否正常工作,这就需要对电芯性能曲线有充分的了解。了解电压、充放电周期、负载电流、能量密度、充电时间和放电率等指标是为手持设备选择电芯的第一步,下面就以这几个标准来分别介绍几种电池。


  首先是密封式铅酸电池(SLA)。可充电SLA的特性包括:2V的额定电压,棱柱或圆柱型结构,大容量,低成本和简单的充电条件。SLA电池最大的挑战包括:庞大笨重的体积因素,线性电压衰减,缺少快速充电技术和对高温度和高自放电的敏感度(这会影响保存寿命)。


  其次是NiMH电池。它的特点包括:1.25V的额定电压,寿命期内的500充放电周期,100Wh/kg的平均能量密度,充电时间小于四小时,接近30%的月放电率以及严格的尺寸因素。在对低电压有需求或价格敏感的场所,NiMH电池有着很好的表现,10个NiMH电池可以串连起来增加电压,使总电压达到12.5V。


  最后是锂离子电池。锂离子电池的特点包括:3.6V的额定电压,在寿命期内500到1000的充放电周期,平均的能量密度为160Wh/kg, 充电时间小于4小时,每月的平均放电率为10%;7个锂离子电池可以串接在一起,使总电压达到25.2V。


  3 电池组智能化


  手持化和户外化是当今医疗设备的发展趋势。锂离子电池有更高的能量密度,更轻的质量,更长的工作周期,出众的容量保持性和宽广的环境温度适应能力,相对于同样功率的NiMH和SLA解决方案,它需要的电芯数目更少。


  电路板上的许多高级附件促进了系统的智能化,这些附件包括剩余电量计、保护电路、温度传感器和串行数据总线。一个智能的电池组,当终端用户的放电曲线或特性经过调整后,能提供更高的功率利用率。电池组对医疗应用有价值的一个原因是它有能力监控自己的状态,能准确预测剩余的运行时间并将其工组状态发送到医疗设备。这些特点允许终端用户能智能的管理设备使用,还能避免意外的故障或关机。一个智能化的电池组能根据它的使用历史做出反馈,这样为可追溯性和保证问题提供便利性。


  4 安全性


  医疗用电池组必须集成多重安全系统和可靠的保护电路。其中,活动的安全电路是保证电池的化学物质保持稳定状态的必须因素。安全电路保护电池组免受过充电、过放电、短路和极端温度的影响,它可以将电压限定在严格的工作范围之内。安全电路通过温度传感器使电池在特定的温度下断路,预防热耗散和过热。


  对于多电池电池组,拥有一个活动的电池平衡电路是明智的。将电路放置在电池组中尤其关键,因为这使得电池不再有过热的危险。

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