鋰離子電池為便攜式醫療設備供能的優勢

    一種能量密度更高的技術可以釋放比其它同類產品更多的能量，且體積更小。

    消費電子產品以及許多其他行業都越來越講究產品的移動性，醫療器械制造商也不例外，這樣的趨勢提高了現場救助設備、監控設備和固定醫療設備的性能，進而推動了醫療保健行業的發展。不過除了便攜性以外，醫療器械制造商當然還希望能夠制造出可靠性高的器械，因為人們的生命往往命懸一線。手機壞了固然是惱人的事，但如果便攜式心臟監控儀或者輸液泵由于電池耗盡而停止運作，終端用戶——及病人——面臨的問題則嚴重得多。

    幾年前，醫療專業人員還無法將救助生命的設備帶到現場；因為那時便攜式儀器的技術尚未成熟。但如今，大量的監控儀器、超聲設備和輸液泵可在遠離醫院的場所使用——甚至戰場。便攜式設備的移動越來越方便。正是由于諸如鋰離子電池等技術的應用，重達50磅的笨重除顫器才可以被更輕便、更緊湊的用戶友好型裝置取代，也不會造成醫護人員肌肉的拉傷。

    病人的移動性也變得越來越重要。如今的病人可能會從放射科轉移到重癥監護病房，從救護車轉移到急救室，或用救護車從一家醫院轉移到另一家醫院。同樣地，便攜式家用儀器和移動式監控設備的普及，使病人可以待在喜歡的地方，而并不一定要留在醫療機構中。便攜式醫療器械必須真正實現完全意義上的便攜，為病人提供最佳服務。

    對更小型、更輕便的醫療器械的需求也因此顯著增加，這大大激發了人們對更高能量密度、更小巧的電池組的興趣。筆記本電腦和手機使用的鋰離子電池技術已經有了許多突破，醫療設備設計工程師可以對此加以創新利用。

    與其它傳統技術相比，鋰離子電池在便攜式醫療設備的應用中具有很多優勢。這包括能量密度更高、重量更輕、循環壽命更長、電池容量保持特性更好，以及適用溫度范圍更廣。

    由于化學性質獨特，鋰離子技術對設計方面的限制與先前的電池技術如鎳氫化合物(NiMH)、鎳鎘(NiCd)和密封鉛酸(SLA)不同。同時，醫療設備在某些方面比消費電子產品有更嚴格的操作要求；由于可靠性非常重要，因此需要有功能強大的電池組，帶有精確電量監測且可靠的電池。

    本文結合醫療器械的要求及鋰離子技術的特性，概述了便攜式電源系統設計的注意事項。并比較了鋰離子電池和其它化學電池的特性和容量。

    能量密度和電壓

    鋰離子電池技術的主要優勢在于其能量密度的顯著提高。相同體積和重量時，鋰離子電池可儲存和釋放的能量比其它充電電池更高。能量密度以體積和質量兩種方式測量。鋰離子技術現可以提供近500Wh/L的體積能量密度和200Wh/kg的質量能量密度。

    與其它技術相比，鋰離子可以釋放更多的能量，而且體積更小，質量更輕。鋰離子電池的工作電壓比其它充電電池更高，通常約為3.7V，而NiCd或NiMH電池為1.2V。這意味著需要使用多節其它電池時，僅需一節鋰離子電池即可滿足使用要求。便攜式儀器設計中使用的電池能量密度越高，其產品的體積越小，便攜性也越好。電池組體積的縮小表示工程師可以利用多余空間，在同一產品中增添更多新功能。

    自放電

    充電電池的容量會不斷損失。該現象即稱為自放電。但若儲存得當，其損失的大部分容量仍可恢復。

    所有電池均應在室溫（25℃或更低）下儲存，以保持最大的電池容量。終端用戶須將SLA電池放在低溫下儲存，并盡可能每次充電量接近其容量的100%，以保持最佳性能。密封鉛電池在25℃下放置6個月后自放電容量約為20%；但40℃放置6個月后該值則增加到約30%。NiMH電池也應遵循類似的建議，避免長期儲存使反應物失活。NiCd和NiMH電池在25℃下放置1個月，其自放電率約為20%，隨后自放電率的增速顯著減慢。相反，當鋰離子電池儲存時的充電電量為30-50%時，可獲得最佳循環壽命。鋰離子電池25℃儲存6個月后的自放電容量僅為10%。

    倍率特性

    選擇材料時，應考慮到其終端裝置的涌流和最大放電率。電池或電池組以高倍率放電會造成電壓下降。如果設計時沒有考慮到這方面，終端裝置可能會由于電壓不足而關閉。

    高倍率的NiCd電池的連續放電率可達2C（電池額定容量的兩倍）甚至更高，具體取決于電池原料及內部阻抗。許多SLA電池的連續放電率可達3C甚至更高。大部分的鋰離子電池的連續放電率僅為1C，但采用該技術的新電池，其連續放電率極高，達到80A，可持續30秒，在與NiCd和SLA電池的競爭中具有很大的優勢。

    循環壽命

    電池的循環壽命是電池容量下降到其原始容量的某一規定百分比之前，電池所經歷的充放電循環次數。鉛酸電池的循環壽命約為250至500次，具體取決于制造商的產品質量和放電深度（放電容量最多至額定容量的60%）。NiCd、NiMH和鋰離子電池通常可耐受500-700次充放電循環，其容量僅下降為額定容量的80%。不管使用何種化學物質，電池放電深度越深，用戶可使用的循環次數就越少。

    充電差異

    鋰離子電池的充電方式不同于其它電池。SLA電池最好采用恒壓充電，速率通常為額定容量的1/10(C/10)，充電時間為14-16小時，或涓流充電或浮充充電，充電速率為C/20至C/30。NiCd電池充電的終止推薦采用-△V的方式，此時充電器的電壓到達峰值。NiMH電池由于其發熱的特點，充電過程中要求采用溫度檢測，ΔT/Δt為其首選方式。特制的快充式NiCd和NiMH電池可在C/2-C/3的速率下充電4-6小時。極低阻尼鎳電池作為快充式電池的一種，可在1C速率下充電1小時。最后，鋰離子電池建議采用恒流/恒壓充電(CC/CV)。

    通常，鋰離子電池供電的器械以1C的速率充電60-75分鐘至4.1V后，即可從原來的低能狀態達到電量80-90%的狀態。其它電池，除可采用高電流充電的特制電池外，同樣充電至80-90%時可能需要更多的時間。

    鋰離子電池還需慢充4-5小時至4.2V，獲得剩余的10-20%的電量。這種充電方式有兩個好處。用戶可以在極短的時間內獲得接近滿充的電量，且充電完成后的實際電壓絕不會超過4.2V。

    須注意的是：如果僅將鋰離子電池充至4.1V而非4.2V，可延長其循環壽命；但其每次可用的電量將會下降。在某些醫療器械中電池是一種后備裝置，它始終保持充電的狀態，以保證隨時可用。鋰離子的化學性質決定其不適合采用涓流充電；鋰離子電池不能采用恒定浮充充電。但有幾種方法可以在不損害電池或影響醫療器械的基礎上，有效降低鋰離子電池過度充電的可能性。方法之一是在觸發電池再次充電前確保電池放電量至少為20%，隨后進行標準充電。鋰離子技術與SLA相比顯著提高了能量密度，在大多數情況下足以防止鋰離子電池電量完全充滿。

    安全電路

    每種電池技術均有其一整套安全考慮。NiCd電池組帶有某種電流分斷設備以防止發生嚴重故障，這是優秀的電池設計必不可少的。NiMH具有發熱的化學性質，因此電池中需配有熱量感應設備，與充電器相聯系，防止過度充電，電池組本身還帶有電流分斷設備。在鋰離子電池組中，一旦發生過電壓，即有鋰金屬產生。這說明電池中應使用安全電路，使充放電過程中電池電壓保持在特定的范圍內。

    雖然SLA電池一般不需要外部安全元件，但許多醫療設備制造商仍堅持將不可復位保險絲置于電池內部或周圍。由于大部分SLA電池都帶有突出的正負極板，如果沒有保險絲，當其置于金屬板上時，就很容易發生短路，而金屬板大量存在于醫療保健設備中。這些電池還可能出現其它短路的危險。如果發生短路，裝置即有爆炸的可能。鋰離子電池組短路的危險較小，安全電路主要用于保護電池。

    在電池中加入安全電路增加了器械的成本，耗費了更多的空間。設計者必須認識到這些都是電池的選擇過程中會考慮到的權衡因素。總的來說，盡管有安全電路的存在，鋰離子電池仍可以縮小電池組體積，減輕其重量，并能釋放更多的能量。

    電量監測

    來越多的醫療器械制造商開始采用鋰離子技術，電池管理特性在行業中也越來越常見。電量監測設備可以為終端用戶提供一些信息，如電池預計使用時間等。管理特性的引入，很大程度上明確了電池電量評估及充電方案的執行。

    就電池管理而言，使用鋰離子電池的設計者有多種選擇方案。例如，一些鋰離子電池電量監測設備中含有信息特征，可以報告已經過的充放電循環次數。此類信息在一些重要的醫療設備中具有重要作用。電量監測基本方法有兩種：基于電壓和庫侖計數。將兩種技術相結合的解決方案，其準確性高達99%。

    耐高溫性

    鋰離子電池在40℃-45℃的高溫條件下，性能優于其它電池。SLA和NiMH電池在高熱量環境下無法正常工作。這成為其在急救工具中使用的一個限制因素，因為此時，使用者無法將他們的便攜式器械保存在低溫環境下。

    結論

    在為便攜式器械選擇最佳電源方案時，必須對其總成本和整體性能進行評估。鋰離子技術的高電壓特性可以減少電池使用量，由此降低了電池組的成本，使之與使用鎳技術的電池大致相當。此外，鋰離子電池供應商不斷使用新材料，以降低電池成本。

    鋰離子電池體積小、重量輕、能量高、循環壽命長、耐久性好、電壓高及耐熱性好的特點使其具有潛在的優勢。醫療電子產品制造商可以利用這些特性，拓寬產品市場，并最終給消費者、醫療專業人員和病人帶來治療等方面的好處。■