医療機器用のカスタムリチウムバッテリーパックの選び方は?

医療機器に適したバッテリーパックを選ぶには、電圧や容量の一致だけが問題ありません。エンジニアはまた、稼働時間、放電電流、サイズ、重量、充電方法、安全保護、コネクタ設計、動作環境、認証要件も考慮する必要があります。

携帯型医療機器、モニタリングシステム、ウェアラブルデバイス、診断機器、その他の充電式用途では、バッテリーはPCBおよび機械構造と初期段階から評価されるべきです。これにより、稼働時間不足、過剰な厚さ、不安定なピーク電流性能、後の高額な再設計などの問題を回避できます。

以下は、医療機器用のカスタムリチウムバッテリーパックを選ぶ際にエンジニアが考慮すべき主要な質問です。

医療機器のバッテリーはどの電圧を使うべきか?

必要なバッテリー電圧は主に電子回路の構造やデバイスの電力要件に依存します。

一般的なリチウムバッテリーの構成には以下があります:

• 1S:約3.7V
• 2S:約7.4V
• 3S:約11.1V
• 4S:約14.8V
• より大型の携帯機器向けの上位シリーズ構成

一部のコンパクト医療機器は単一のリチウムセルで動作可能ですが、ポンプ、携帯型診断機器、移動式医療カート、モーター駆動システムでは高電圧のパックが必要になることがあります。

GLOFLUXは、おおよそ以下のカスタマイズ済み充電式バッテリー構成をサポートしています3.7Vから72Vへ通常は1Sから20Sまで、バッテリーの化学、容量、放電要件、用途によって異なります。

最適な電圧は、単に可能な限り高いバッテリー電圧を選ぶのではなく、デバイスのDC/DC変換アーキテクチャと組み合わせて選択すべきです。

医療機器にはどれくらいのバッテリー容量が必要ですか?

バッテリー容量は、デバイスの消費電力と必要な稼働時間に基づいて計算されるべきです。

基本的な計算は次の通りです:

バッテリーエネルギー(Wh)= バッテリー電圧×容量(Ah)

例えば、11.1V 2Ahバッテリーはおおよそ以下を提供します:

11.1V × 2Ah = 22.2Wh

しかし、実作動時間は以下の理由で短くなることがあります:

• 直流/直流変換損失
• BMSの消費電力
• バッテリーの劣化
• 低温性能
• 高電流負荷
• 安全保障の要件

このため、エンジニアはカスタムバッテリーを依頼する際には平均動作電流と予想実行時間の両方を提供すべきです。

容量は物理的なサイズや重量とバランスを取るべきです。大容量バッテリーは通常、より多くのセル容量を必要とするため、コンパクトな医療機器にとって容量を最大化することが必ずしも最良の解決策とは限りません。

なぜ連続電流とパルス電流が重要なのか?

連続放電電流とは、バッテリーが通常動作中に長期間供給しなければならない電流のことです。

パルス電流は短時間のピーク負荷です。

医療機器や接続機器は、以下の段階で電流パルスを受けることがあります:

• 無線データ伝送
• ポンプ作動
• モーターの立ち上げ
• 表示の明るさ変化
• 警報作動
• センサーの動作

通常動作時には200mAしか消費しないことがありますが、短期間で800mA以上を必要とすることもあります。

したがって、バッテリーメーカーは理想的には以下の情報を受け取るべきです。

• 典型動作電流
• 最大連続電流
• ピーク電流
• パルス持続時間
• パルス間の時間

この情報により、バッテリーセルとBMSは安定した電圧性能と安全な動作を実現するために選択できます。

LiPoと円筒型リチウムイオン:医療機器にはどちらが良いのか?

リチウムポリマーセルと円筒形リチウムイオンセルの両方が適していますが、設計上の優先順位は異なります。

リポ電池は、セルのサイズをより狭く調整できるため、携帯型、ウェアラブル型、薄型医療機器で好まれることが多いです。

18650または21700バッテリーパックは、より大きな容量、持続時間の延長、または放電性能が要求される大型機器により適しています。

また、サイクル寿命、熱安定性、またはシステム容量の拡大が優先される場合にもLiFePO4が考慮されます。

バッテリーはPCBを中心に設計できますか?

はい。コンパクト医療機器では、バッテリー、PCB、筐体、コネクターが理想的には一緒に設計されるべきです。

例えば、PCBが円形またはほぼ円形の場合、エンジニアは薄い丸型バッテリーや未使用の内部空間を減らす他の形状を評価することがあります。

他の設計では、最大容量を達成するよりもバッテリーの厚さを減らすことが重要で、薄いバッテリーは完成品の総厚さを減らしてしまうことがあります。

カスタムプロジェクト中、GLOFLUXは以下の評価を行うことができます:

• セル寸法
• PCB配置
• BMSの所在地
• ワイヤーの方向
• コネクターの位置
• NTC配置
• エンクロージャー統合
• 利用可能な機械スペース

電子設計チームとバッテリー設計チーム間の早期調整は、後の機械的変更を大幅に減らせます。

医療用バッテリーパックで重要なBMS機能は何でしょうか?

バッテリー管理や保護システムには以下が含まれます:

• 過充電保護
• 過放電保護
• 過電流保護
• ショート回路保護
• 温度監視
• マルチシリーズパックのセルバランシング

デバイスによっては、NTC温度検知や通信インターフェースなどの追加機能が含まれることがあります。

保護設計は、汎用BMSではなく、バッテリー電圧、充電システム、最大電流、動作条件に合致するべきです。

どのような認定資格を考慮すべきでしょうか?

認証要件はバッテリー、ターゲット市場、輸送方法、最終医療機器によって異なります。

一般的なバッテリー関連要件には以下のようなものがあります:

• リチウムバッテリー輸送用のUN38.3
• 該当する場合IEC 62133
• CE関連要件
• RoHS
• その他のプロジェクト固有の安全基準

バッテリー認証は医療機器全体の認証に代わるものではないことに注意が必要です。

例えば、UN38.3は主にリチウム電池輸送の安全性を扱っています。最終製品メーカーは完成した医療機器の完全な規制経路を決定するべきです。

バッテリーメーカーに送るべき情報は何ですか?

より迅速な工学的評価のために、以下の情報をできるだけ多く提供してください。

• デバイス用途
• 必要な電圧
• 目標容量
• 最大バッテリー寸法
• 連続電流
• ピーク電流とパルス持続時間
• 充電方法
• コネクタタイプ
• ワイヤー長
• BMSの要件
• 動作温度
• 必要な資格
• 試作数量
• 推定年間量

図面、3Dモデル、既存のバッテリーサンプル、または予備設置の封筒などは、評価をさらに改善できます。

GLOFLUXはカスタム医療機器のバッテリープロジェクトをどのようにサポートしていますか?

GLOFLUXはLi-ion、LiPo、18650、21700、LiFePO4技術を用いたカスタム充電式バッテリーの開発をサポートしています。

プロジェクトによっては、カスタマイズには以下のようなものがあります:

• 3.7V–72Vバッテリー構成
• おおよそ1S〜20Sの設計
• カスタム容量
• BMS / PCM
• コネクターとワイヤーハーネス
• NTCと通信要件
• バッテリーエンクロージャー統合
• 試作機の開発
• テストおよび生産サポート

医療機器開発者にとって、設計プロセスの最終段階で選ぶのではなく、バッテリーと電気的・機械的アーキテクチャを一緒に評価するのが最も効果的な方法です。

携帯型医療機器、診断機器、ウェアラブルモニター、その他の充電式機器を開発する場合、用途、電圧、容量、利用可能な容量、電流プロファイル、予想量を提供することで、通常は予備的なバッテリーエンジニアリング評価を開始するのに十分です。