胶囊内镜供电电池放电特性的测试研究

钱莎莎 刘宇星 李凯华

（上海理工大学医疗器械与食品学院，上海 200093）

胶囊内镜供电电池放电特性的测试研究

钱莎莎 刘宇星 李凯华

（上海理工大学医疗器械与食品学院，上海 200093）

胶囊内窥镜进入人体后由纽扣电池供电，希望其工作时间足够长，以满足对消化道疾病患者肠胃动力参数的检测。因此设计了低功耗、高性能的电源管理系统，其中对放电时间长、输出电压稳定的供电电池的选择尤为重要。该装置基于供电电池检测电路并结合后续的电源管理模块，实现了对不同种纽扣电池的放电特性检测，并利用LabVIEW虚拟仪器制作出直观的性能显示界面，对植入式装置的电池的选择具有重要的参考意义。

胶囊内窥镜；纽扣电池；放电特性； LabVIEW

1 引言

全球每天都有许多的患者受消化道的疾病所困扰，胶囊内窥镜以其体积小、无创等优势越来越广泛地应用于消化道疾病的临床诊断。为了便于吞咽，胶囊内窥镜体内功能装置的体积受到严格限制，因此多采用纽扣电池供电。胶囊内窥镜进入人体后，需要进行消化道内图像的采集、处理和无线发送，在消化道内工作时间较长，因此选择放电时间长、输出电压稳定的高性能供电电池很有必要。

图1 电池放电特性检测电路示意图

图2 LABVIEW显示界面前面板

2 纽扣电池放电特性检测电路的设计

设计了如下电路用以测试不同类型纽扣电池的放电特性，如图1所示。纽扣电池接外部负载和保护电路，组成模拟放电回路。由单片机实时采集负载两端的电压值，经过数字滤波处理后，将数据发送至串口。通过串口通信模块，上位机实时读取电压数据，并将其趋势曲线在界面中实时显示，同时将数据在后台保存至相关文件，供历史数据查询和调用。其中，电池性能显示界面由LABVIEW2014制作。

3 电池性能显示界面的设计

利用LABVIEW2014制作相关的数据采集及显示界面，可以直观清晰地观察到不同电池的放电性能。前面板和程序框图分别如图2和图3所示。

前面板中除了串行通信服务器中预设好的控件外还加入了其他控件来描述纽扣电池的放电性能。波形图表可用于实时显示放电路线，横坐标为时间，纵坐标为输出电压；数值栏可实时显示并储存放电电压数据；开始和停止按钮用于控制图形和数值显示。

4 实验测试结果

4.1 不同类型的纽扣电池特性测试

分别选用Eunicell-LR44、Maxwell-LR44、GP-LR44、MP-LR44四种型号的纽扣电池采用测试电路进行连接和测试，其放电曲线如图4～图7所示。放电曲线中，纵坐标为放电电压（单位V）横坐标为放电时间（单位s）。

实验采用2节纽扣电池供电，以实验开始后纽扣电池放电电压剧烈下降为标准，四种电池放电时常分别为51.5min、60min、55.5min、35.5min。各电池初始放电电压均为3V，其中Eunicell-LR44纽扣电池在和MP-LR44纽扣电池的最终放电电压接近2V，综合测评后的放电性能次序由高到低依次为Maxwell-LR44、GPLR44、Eunicell-LR44、MP-LR44。

4.2 不同负载电流下纽扣电池特性测试

分别在大电流和小电流工作条件下对MaxwellLR44纽扣电池放电特性以及相关参数的研究。其放电曲线和放电参数如图8和图9所示。

图3 LABVIEW显示界面程序框图

图4 Eunicell-LR44纽扣电池

图5 Maxwell-LR44纽扣电池

图6 GP-LR44纽扣电池

图7 MP-LR44纽扣电池

图8小电流条件下放电曲线

图9 大电流条件下放电曲线

由图8和图9可知：纽扣电池在负载为6.2K时，工作电流为1.5/6.2k= 0.242mA，大约工作了350h，耗能为84mA▪h，而当负载为18Ω时，工作电流为1.5/18Ω=83.3mA，大约工作了1小时，耗能为83.3mA▪h。所以，纽扣电池在大电流条件下无法长时间工作，这是由纽扣电池的特性所决定的。由电池的特性可知其内部电阻可以分为欧姆电阻和由电化学反应时极化引起的电化学内阻，大电流放电时，内阻对放电特性的影响尤为明显。低温大电流放电时，电机的极化大，活性物质不能得到充分利用，电池的电压下降快；小电流放电时，电极的极化小，活性物质得到较为充分的利用。

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TH776

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上海市大学生创新项目（XJ2014205）。