Tragbare medizinische Geräte werden in den menschlichen Körper integriert und erfassen Gesundheitsdaten wie Blutzucker, Blutdruck, Herzfrequenz, Blutsauerstoffsättigung und Körpertemperatur. Diese Signale werden in verwertbare digitale Erkenntnisse umgewandelt. Wiederaufladbare Lithium-Ionen-Akkus versorgen diese Geräte mit Strom und ermöglichen so einen leichten, komfortablen, langlebigen und sicheren Betrieb.
Die Energiedichte der Batterien, die kompakte Bauweise, die mechanische Flexibilität und die Einhaltung medizinischer Sicherheitsstandards schränken jedoch weiterhin die Größe, die Datengenauigkeit und die Zuverlässigkeit tragbarer medizinischer Geräte ein. Sobald sie mit dem medizinischen IoT (IoMT) verbunden sind, müssen die Batterien eine stabile Stromversorgung gewährleisten, hohe Impulslasten durch mehrere Sensoren und die drahtlose Kommunikation bewältigen und einen langfristig zuverlässigen Betrieb sicherstellen. Diese Anforderungen sind für die Massenproduktion und den Einsatz entscheidend.
Dieser Artikel analysiert Batterie für medizinische Wearables Designherausforderungen, Vorschläge für realisierbare technische Lösungen und Einblicke in die neuesten Trends im Bereich des medizinischen IoT und der Batterietechnologien der nächsten Generation.
Wie der Markt für medizinisches IoT (MIoT) die Nachfrage nach Akkus für medizinische Wearables antreibt
Parallel zum rasanten Wachstum des Marktes für das medizinische Internet der Dinge (MIoT) ist die Nachfrage nach tragbaren medizinischen Geräten stark gestiegen. Diese Geräte müssen nicht nur Gesundheitsdaten der Nutzer präzise erfassen und übertragen, sondern auch einen stabilen Betrieb gewährleisten, um die Fernüberwachung von Patienten, das Management chronischer Erkrankungen und die tägliche Gesundheitsüberwachung zu unterstützen.
Dieser Markttrend treibt die Nachfrage nach leistungsstarken Akkus an, darunter kompakte Größe, lange Laufzeit, stabile Ausgangsspannung und zuverlässige Sicherheit. Diese Eigenschaften sind allesamt entscheidend für Batteriedesign für medizinische Wearables.
Die folgende Tabelle fasst die aktuellen Markttrends bei Lithium-Ionen-Batterien in medizinischen Wearables sowie die wichtigsten Prioritäten der Kunden bei der Auswahl einer Batterie zusammen.
| Marktnachfragetrend | Warum das für Hersteller von Lithium-Ionen-Batterien wichtig ist | Kundenprioritäten |
| Wachstum tragbarer medizinischer Geräte | Steigende Nachfrage nach kompakten, zuverlässigen Batterien für Geräte zur kontinuierlichen Überwachung | Größe, Komfort, lange Laufzeit, Sicherheitskonformität |
| Einsatz von Multiparametersensoren (Herzfrequenz, SpO₂, Temperatur, Glukose) | Die Geräte benötigen über längere Zeiträume eine stabile Stromversorgung für mehrere Sensoren. | Lange Akkulaufzeit, geringe Selbstentladung, konstante Spannung |
| Anwendung bei kontinuierlichem Hautkontakt | Die Geräte benötigen sichere, leichte und ergonomische Batterien. | Thermische Sicherheit, geringes Gewicht, flexible Bauform |
| Ausbau der Fernüberwachung von Patienten und der häuslichen Pflege | Die Geräte werden außerhalb klinischer Umgebungen betrieben und benötigen daher eine zuverlässige Energieversorgung. | Langfristige Zuverlässigkeit, Robustheit im täglichen Gebrauch |
| Wachsender Markt für chronische Krankheitsbehandlung und Altenpflege | Spezialisierte Anwendungen treiben den Bedarf an maßgeschneidertes Batteriepaket | Kundenspezifische Kapazität, Bauform, Einhaltung gesetzlicher Vorschriften |
| Integration mit IoT und drahtloser Konnektivität | Echtzeit-Datenübertragung erhöht den Energieverbrauch | Ausreichende Leistung für kontinuierliche Kommunikation, stabile Ausgangsspannung |
5 zentrale Herausforderungen bei der Entwicklung von tragbaren medizinischen Geräten – Batterie
Die Anforderungen an Batterien für tragbare medizinische Geräte sind deutlich strenger als die an Batterien für Unterhaltungselektronik. Im Folgenden werden fünf zentrale Herausforderungen erläutert:
Hohe Energiedichte und ultrakompakte Abmessungen
Bei tragbaren medizinischen Geräten müssen die Batterien ein Gleichgewicht zwischen kompakter Größe und hoher Energiedichte aufweisen, um eine lange Batterielebensdauer und einen angenehmen Tragekomfort zu gewährleisten.
Zu den wichtigsten Herausforderungen gehören:
- Anforderungen an lange Laufzeiten: Medizinische Überwachungssysteme, die permanent laufen, wie beispielsweise ambulante Blutdruck- und Blutzuckermessgeräte, benötigen viel Energie. Jede Stromunterbrechung kann die Patienten gefährden.
- Extrem beengter Raum: Akku, Batteriemanagementsystem (BMS), Sensoren und Schaltkreise müssen alle in das kleine Gerätegehäuse passen. Ohne Kompromisse bei Sicherheitsfunktionen oder Lautstärke einzugehen, muss der Akku klein und leicht bleiben.
Hohe Impulsbelastungen in tragbaren medizinischen IoT-Batterien
Da die Batterie zahlreiche Sensoren sowie Bluetooth-, Wi-Fi-, NFC- und ZigBee-Module für die drahtlose Übertragung mit Strom versorgt, muss sie folgende Leistungsanforderungen erfüllen können:
- Hohe SpitzenleistungslastenWenn Sie mehrere Funktionen gleichzeitig ausführen, kommt es häufig zu Stromspitzen, was die Stabilität des Systems beeinträchtigen kann.
- Beschleunigtes AlternWiederholte Impulsbelastungen verkürzen die Lebensdauer und beschleunigen den Batterieverschleiß.
- SpannungsinstabilitätSchnelle Spannungsabfälle können zu fehlerhaften Sensormesswerten und Datenausgabe führen.
Herausforderungen durch Luftfeuchtigkeit, Schweißkorrosion und Wärmeableitung
Wearables setzen die Batterien Schweiß, Feuchtigkeit, hohen Temperaturen und eingeschränkter Luftzirkulation aus.
Zu den wichtigsten Herausforderungen gehören:
- Schweißbedingte Korrosion, die den Innenwiderstand erhöht
- Eingeschränkte Wärmeableitung aufgrund des engen Hautkontakts
- Schnellerer Kapazitätsverlust und stärkere Reduzierung der Zyklenlebensdauer
- Häufigere Aktivierung der PTC/BMS-Sicherheitsfunktionen
Starre Elektroden und hautanpassende flexible Elektroden
Tragbare medizinische Geräte wie Vitalparameter-Pflaster benötigen Batterien, die eng am Körper anliegen, um Tragekomfort und zuverlässige Sensorleistung zu gewährleisten. Herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien (Pouch-, Zylinder- und Knopfzellen) mit starren Elektroden versagen jedoch häufig unter Biege- oder Dehnungsbelastung, was zu Elektrodenablösung und Kapazitätsverlust führt.
Aktuelle Forschungsergebnisse zeigen, dass selbst ultradünne Lithium-Ionen-Pouchzellen durch wiederholtes Biegen eine starke Degradation erfahren, was beweist, dass starre Batterien in tragbaren Anwendungen ausfallgefährdet sind.Kim & Chan, 2024).
Flexible Pouch-Akkus tragen zwar zur Lösung dieses Problems bei, gehen aber oft mit Einbußen bei Energiedichte und Zyklenfestigkeit einher. Die Wahl des richtigen Akkus für Wearables erfordert daher ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Flexibilität, Langlebigkeit und ausreichender Leistung für die kontinuierliche Überwachung.
Sicherheitsanforderungen für medizinische Wearable-Batterien
Tragbare medizinische Geräte erfordern einen kontinuierlichen Betrieb und sind daher stark von einer stabilen Akkuleistung abhängig. Aufgrund der langen Bewegungszeiten, hoher Temperaturen und des üblichen Verschleißes benötigen diese Geräte einen hohen Schutz vor elektrischen, thermischen und mechanischen Belastungen.
Wichtige Punkte für die Batteriesicherheit in tragbaren medizinischen Geräten
Wärmemanagement
- Temperaturüberwachung: Integrierte NTC-Sensoren und Softwarealgorithmen ermöglichen die Früherkennung von Anomalien.
- Aktives/Passives Wärmemanagement: Graphitfolien, Phasenwechselmaterialien (PCM) und Wärmeverteiler helfen bei der Wärmeregulierung in geschlossenen Räumen.
- Mechanischer Schutz: Verstärkte Gehäuse und flexible Leiterplatten verhindern Beschädigungen durch Durchstiche und Materialermüdung.
Zertifizierungen für medizinische Wearable-Batterien
Tragbare Akkus erfordern ein ultradünnes Design, robuste Sicherheitsfunktionen und eine stabile Leistungsabgabe. Die Einhaltung globaler Standards – IEC 60601, IEC 62133, UN 38.3 und UL 2054 – ist für den Markteintritt unerlässlich.
| Zertifizierung | Testfokus | Beschreibung |
| IEC 60601-1 | Sicherheit medizinischer elektrischer Systeme, Ableitströme, mechanische Gefahren, Sicherheit bei Einzelfehlern | Das Gehäuse muss sich sicher in das medizinische Gerätesystem integrieren lassen und auch unter Einzelfehlerbedingungen sicher bleiben. |
| IEC 62133-2 | Sicherheit von wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Zellen und Akkupacks | Leckagen, Brände und Belüftungsvorgänge bei unsachgemäßer Verwendung und mechanischer Belastung verhindern. |
| UN 38.3 | Transportsicherheit für Lithiumbatterien | Gewährleisten Sie einen sicheren weltweiten Versand von Wearables. |
| UL1642 | Zellbezogene Missbrauchstests: Quetschung, Kurzschluss, Aufprall, erzwungene Entladung | Werden von vielen nordamerikanischen Medizinkunden für zuverlässige Lithiumzellen benötigt. |
| UL 2054 | Sicherheit auf Packungsebene: Isolation, Gehäusefestigkeit, Durchschlagsfestigkeit, anormale Ladung | Bevorzugter Sicherheitsstandard für Akkupacks in Nordamerika. |
| IEC 60601-1 Umweltanforderungen/IEC 60068-2 | Simulation von Luftfeuchtigkeit, Temperaturwechseln und Schweißexposition | Schweißkorrosion erhöht den Widerstand und beschleunigt den Kapazitätsverlust. |
| IEC 60068-2 (Schock, Vibration, Fall, Druck) | Mechanische Robustheit: Stoßfestigkeit, Vibrationsfestigkeit, Fallfestigkeit, Kompressionsfestigkeit | Verhindern Sie innere Schweißnahtrisse und Elektrodenverformungen unter den Bedingungen des täglichen Gebrauchs. |
Der Artikel präsentiert eine vollständige Leitfaden zu Batteriezertifizierungen für Medizinprodukte um zu sehen, wie unsere kundenspezifischen Akkupacks die globalen Standards für medizinische Batterien erfüllen.
Batterietechnologie-Strategien für medizinische Wearables
Fortschrittliche Lithium-Ionen-Batteriechemiematerialien
Die Wahl des geeigneten Lithium-Ionen-Batteriematerials für medizinische Wearables ist entscheidend für die Verbesserung der Gesamtleistung des Geräts. Wählen Sie die passende Chemie entsprechend Ihren aktuellen Anwendungsanforderungen.
| Akkuchemie | Hauptfunktionen | Vorteile tragbarer medizinischer Geräte | Mögliche Herausforderungen |
| Lithium-Mangan-Knopfzelle (CR1216, CR1025, CR920) | Kompakte Größe, geringe Selbstentladung, gute Hochtemperaturstabilität, geringes Leckstromrisiko, stabile Spannung | Geeignet für platzsparende Geräte, die eine hohe Datengenauigkeit erfordern, wie z. B. Patch-Monitore und Mikrosensoren. | Geringe Kapazität (20–35 mAh), typischerweise Einwegprodukt |
| Nickel-Metallhydrid (NiMH) | Hohe Temperaturbeständigkeit, lange Lebensdauer, hohe Einzelzellenkapazität, niedriger Innenwiderstand, unterstützt Schnellladung (1C-2C) | Ideal für hochwertige medizinische Geräte; die Lebensdauer kann 1000 Ladezyklen überschreiten; geeignet für Szenarien, die ein schnelles Aufladen erfordern, wie z. B. Notfallausrüstung. | Relativ hohe Selbstentladungsrate |
| NMC (LiNiMnCoO2) | Hohe Energiedichte, wiederaufladbar | Unterstützt hohe Spitzenlasten und lange Laufzeiten. Geeignet für Geräte mit mehreren Sensoren. | Höhere Kosten. Für die Wärmeableitung ist aus Sicherheitsgründen ein Gebäudeleitsystem (BMS) erforderlich. |
| LiFePO4 (LFP) | Mittlere Energiedichte und ausgezeichnete thermische Stabilität | Hohe Sicherheit, lange Lebensdauer, stabile Spannung unter dynamischer Last | Schweres Design, geringe Energiedichte und begrenzte Laufzeit für Hochleistungsgeräte |
| LiPo (Lithium-Polymer) | Flexibles Design, wiederaufladbar | Das leichte Design unterstützt Modulkonfigurationen und lässt sich in tragbare Geräte integrieren. | LiPo-Akkus weisen eine höhere Selbstentladung als LiFePO4-Akkus auf und erfordern daher eine sorgfältige Handhabung, um Beschädigungen zu vermeiden. |
Intelligentes Batteriemanagementsystem
Medizinische Wearables benötigen zunehmend eine vollständige Batteriemanagementsystem (BMS) statt eines einfachen Schutzschaltungsmoduls (PCM).
- Genaue Überwachung des Ladezustands (SoC) und des Gesundheitszustands (SoH).
- Integrierte Temperaturüberwachung
- Überstrom- und Kurzschlussschutz
Eine detailliertere technische Erklärung finden Sie in unserem ausführlichen Leitfaden zu Batteriemanagementsystemen.
Fallstudie: 3.7 V 820 mAh IEC 62133-zertifizierter LiPo-Akku für tragbare medizinische Geräte
Ein Hersteller von Wearables benötigt einen kompakten und sicheren Akku für sein Multiparameter-IoMT-Pflaster, das Herzfrequenz, Körpertemperatur, Blutsauerstoffsättigung (SpO₂), Atemfrequenz und Aktivitätsniveau überwacht. Der Akku muss einen Dauerbetrieb von 5–7 Tagen ermöglichen, die Datenübertragung via Bluetooth Low Energy (BLE) unterstützen und für optimalen Tragekomfort eine niedrige Temperatur sowie eine ultradünne Bauform gewährleisten.
Kundenanforderung
Ein Multiparameter-IoMT-Pflaster überwacht kontinuierlich Vitalfunktionen wie Herzfrequenz und Aktivität und benötigt daher eine langlebige und sichere Stromversorgung für einen unterbrechungsfreien Betrieb. Folgende Fragen beschäftigen unsere Kunden:
- Können Sie einen ultrakompakten Akku anbieten, der in den begrenzten Platz von medizinischen Wearables passt?
- Entspricht der Akku bereits den wichtigsten globalen Sicherheitszertifizierungen für Medizinprodukte?
- Kann es die für die kontinuierliche Überwachung erforderliche Lade- und Entladeleistung erbringen?
- Bleibt der Akku unter typischen Temperaturbedingungen für Wearables stabil?
- Bietet es eine zuverlässige Lebensdauer für den langfristigen medizinischen Einsatz?
CMB Lösung & Wichtigste Design-Highlights
Die 3.7 V 820 mAh IEC 62133-zertifizierter Lithium-Polymer-Akku bietet:
CM BatteriesIhr zuverlässiger Partner für Batterieentwicklung für tragbare medizinische Geräte
CM Batteries Wir bieten maßgeschneiderte Lithium-Batterielösungen für tragbare medizinische Geräte. Dank unserer fundierten Ingenieurskompetenz und fortschrittlichen Batteriemanagementsysteme (BMS) entwickeln wir sichere, kompakte und hochzuverlässige Lithium-Ionen-Akkus, die exakt auf die Größe, den Leistungsbedarf und die Zertifizierungsanforderungen jedes einzelnen Geräts zugeschnitten sind. Wenn Sie Wünsche haben, kontaktieren Sie uns bitte.
