錢莎莎 劉宇星 李凱華

（上海理工大學(xué)醫(yī)療器械與食品學(xué)院，上海 200093）

膠囊內(nèi)鏡供電電池放電特性的測(cè)試研究

錢莎莎 劉宇星 李凱華

（上海理工大學(xué)醫(yī)療器械與食品學(xué)院，上海 200093）

膠囊內(nèi)窺鏡進(jìn)入人體后由紐扣電池供電，希望其工作時(shí)間足夠長，以滿足對(duì)消化道疾病患者腸胃動(dòng)力參數(shù)的檢測(cè)。因此設(shè)計(jì)了低功耗、高性能的電源管理系統(tǒng)，其中對(duì)放電時(shí)間長、輸出電壓穩(wěn)定的供電電池的選擇尤為重要。該裝置基于供電電池檢測(cè)電路并結(jié)合后續(xù)的電源管理模塊，實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同種紐扣電池的放電特性檢測(cè)，并利用LabVIEW虛擬儀器制作出直觀的性能顯示界面，對(duì)植入式裝置的電池的選擇具有重要的參考意義。

膠囊內(nèi)窺鏡；紐扣電池；放電特性； LabVIEW

1 引言

全球每天都有許多的患者受消化道的疾病所困擾，膠囊內(nèi)窺鏡以其體積小、無創(chuàng)等優(yōu)勢(shì)越來越廣泛地應(yīng)用于消化道疾病的臨床診斷。為了便于吞咽，膠囊內(nèi)窺鏡體內(nèi)功能裝置的體積受到嚴(yán)格限制，因此多采用紐扣電池供電。膠囊內(nèi)窺鏡進(jìn)入人體后，需要進(jìn)行消化道內(nèi)圖像的采集、處理和無線發(fā)送，在消化道內(nèi)工作時(shí)間較長，因此選擇放電時(shí)間長、輸出電壓穩(wěn)定的高性能供電電池很有必要。

圖1 電池放電特性檢測(cè)電路示意圖

圖2 LABVIEW顯示界面前面板

2 紐扣電池放電特性檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)了如下電路用以測(cè)試不同類型紐扣電池的放電特性，如圖1所示。紐扣電池接外部負(fù)載和保護(hù)電路，組成模擬放電回路。由單片機(jī)實(shí)時(shí)采集負(fù)載兩端的電壓值，經(jīng)過數(shù)字濾波處理后，將數(shù)據(jù)發(fā)送至串口。通過串口通信模塊，上位機(jī)實(shí)時(shí)讀取電壓數(shù)據(jù)，并將其趨勢(shì)曲線在界面中實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)將數(shù)據(jù)在后臺(tái)保存至相關(guān)文件，供歷史數(shù)據(jù)查詢和調(diào)用。其中，電池性能顯示界面由LABVIEW2014制作。

3 電池性能顯示界面的設(shè)計(jì)

利用LABVIEW2014制作相關(guān)的數(shù)據(jù)采集及顯示界面，可以直觀清晰地觀察到不同電池的放電性能。前面板和程序框圖分別如圖2和圖3所示。

前面板中除了串行通信服務(wù)器中預(yù)設(shè)好的控件外還加入了其他控件來描述紐扣電池的放電性能。波形圖表可用于實(shí)時(shí)顯示放電路線，橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)為輸出電壓；數(shù)值欄可實(shí)時(shí)顯示并儲(chǔ)存放電電壓數(shù)據(jù)；開始和停止按鈕用于控制圖形和數(shù)值顯示。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

4.1 不同類型的紐扣電池特性測(cè)試

分別選用Eunicell-LR44、Maxwell-LR44、GP-LR44、MP-LR44四種型號(hào)的紐扣電池采用測(cè)試電路進(jìn)行連接和測(cè)試，其放電曲線如圖4～圖7所示。放電曲線中，縱坐標(biāo)為放電電壓（單位V）橫坐標(biāo)為放電時(shí)間（單位s）。

實(shí)驗(yàn)采用2節(jié)紐扣電池供電，以實(shí)驗(yàn)開始后紐扣電池放電電壓劇烈下降為標(biāo)準(zhǔn)，四種電池放電時(shí)常分別為51.5min、60min、55.5min、35.5min。各電池初始放電電壓均為3V，其中Eunicell-LR44紐扣電池在和MP-LR44紐扣電池的最終放電電壓接近2V，綜合測(cè)評(píng)后的放電性能次序由高到低依次為Maxwell-LR44、GPLR44、Eunicell-LR44、MP-LR44。

4.2 不同負(fù)載電流下紐扣電池特性測(cè)試

分別在大電流和小電流工作條件下對(duì)MaxwellLR44紐扣電池放電特性以及相關(guān)參數(shù)的研究。其放電曲線和放電參數(shù)如圖8和圖9所示。

圖3 LABVIEW顯示界面程序框圖

圖4 Eunicell-LR44紐扣電池

圖5 Maxwell-LR44紐扣電池

圖6 GP-LR44紐扣電池

圖7 MP-LR44紐扣電池

圖8小電流條件下放電曲線

圖9 大電流條件下放電曲線

由圖8和圖9可知：紐扣電池在負(fù)載為6.2K時(shí)，工作電流為1.5/6.2k= 0.242mA，大約工作了350h，耗能為84mA?h，而當(dāng)負(fù)載為18Ω時(shí)，工作電流為1.5/18Ω=83.3mA，大約工作了1小時(shí)，耗能為83.3mA?h。所以，紐扣電池在大電流條件下無法長時(shí)間工作，這是由紐扣電池的特性所決定的。由電池的特性可知其內(nèi)部電阻可以分為歐姆電阻和由電化學(xué)反應(yīng)時(shí)極化引起的電化學(xué)內(nèi)阻，大電流放電時(shí)，內(nèi)阻對(duì)放電特性的影響尤為明顯。低溫大電流放電時(shí)，電機(jī)的極化大，活性物質(zhì)不能得到充分利用，電池的電壓下降快；小電流放電時(shí)，電極的極化小，活性物質(zhì)得到較為充分的利用。

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TH776

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上海市大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目（XJ2014205）。