鋰離子電池為便攜式醫(yī)療設(shè)備供能的優(yōu)勢分析

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

消費電子產(chǎn)品以及許多其他行業(yè)都越來越講究產(chǎn)品的移動性，醫(yī)療器械制造商也不例外，這樣的趨勢提高了現(xiàn)場救助設(shè)備、監(jiān)控設(shè)備和固定醫(yī)療設(shè)備的性能，進而推動了醫(yī)療保健行業(yè)的發(fā)展。不過除了便攜性以外，醫(yī)療器械制造商當(dāng)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(jiān)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(yán)重得多。

幾年前，醫(yī)療專業(yè)人員還無法將救助生命的設(shè)備帶到現(xiàn)場；因為那時便攜式儀器的技術(shù)尚未成熟。但如今，大量的監(jiān)控儀器、超聲設(shè)備和輸液泵可在遠(yuǎn)離醫(yī)院的場所使用——甚至戰(zhàn)場。便攜式設(shè)備的移動越來越方便。正是由于諸如鋰離子電池等技術(shù)的應(yīng)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(yī)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(zhuǎn)移到重癥監(jiān)護病房，從救護車轉(zhuǎn)移到急救室，或用救護車從一家醫(yī)院轉(zhuǎn)移到另一家醫(yī)院。同樣地，便攜式家用儀器和移動式監(jiān)控設(shè)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(yī)療機構(gòu)中。便攜式醫(yī)療器械必須真正實現(xiàn)完全意義上的便攜，為病人提供最佳服務(wù)。

對更小型、更輕便的醫(yī)療器械的需求也因此顯著增加，這大大激發(fā)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(shù)已經(jīng)有了許多突破，醫(yī)療設(shè)備設(shè)計工程師可以對此加以創(chuàng)新利用。

與其它傳統(tǒng)技術(shù)相比，鋰離子電池在便攜式醫(yī)療設(shè)備的應(yīng)用中具有很多優(yōu)勢。這包括能量密度更高、重量更輕、循環(huán)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(xué)性質(zhì)獨特，鋰離子技術(shù)對設(shè)計方面的限制與先前的電池技術(shù)如鎳氫化合物(NiMH)、鎳鎘(NiCd)和密封鉛酸(SLA)不同。同時，醫(yī)療設(shè)備在某些方面比消費電子產(chǎn)品有更嚴(yán)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(jiān)測且可靠的電池。

本文結(jié)合醫(yī)療器械的要求及鋰離子技術(shù)的特性，概述了便攜式電源系統(tǒng)設(shè)計的注意事項。并比較了鋰離子電池和其它化學(xué)電池的特性和容量。

1 能量密度和電壓



圖1. 鋰離子的能量密度遠(yuǎn)高于鎳化合物。

鋰離子電池技術(shù)的主要優(yōu)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(zhì)量兩種方式測量。鋰離子技術(shù)現(xiàn)可以提供近500Wh/L的體積能量密度和200Wh/kg的質(zhì)量能量密度(見圖1)。

與其它技術(shù)相比，鋰離子可以釋放更多的能量，而且體積更小，質(zhì)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(jié)其它電池時，僅需一節(jié)鋰離子電池即可滿足使用要求。便攜式儀器設(shè)計中使用的電池能量密度越高，其產(chǎn)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(chǎn)品中增添更多新功能(見圖2)。

2 自放電



圖2. 鋰離子電池有圓柱形和棱柱形兩種形狀，可制成不同尺寸和容量的電池。

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

所有電池均應(yīng)在室溫（25°C 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°C下放置6個月后自放電容量約為20%；但40°C放置6個月后該值則增加到約30%。NiMH電池也應(yīng)遵循類似的建議，避免長期儲存使反應(yīng)物失活。NiCd 和NiMH電池在25°C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(dāng)鋰離子電池儲存時的充電電量為30-50%時，可獲得最佳循環(huán)壽命。鋰離子電池25°C儲存6個月后的自放電容量僅為10%。

3 倍率特性

選擇材料時，應(yīng)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(shè)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(guān)閉。

高倍率的NiCd電池的連續(xù)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(nèi)部阻抗。許多SLA電池的連續(xù)放電率可達3C甚至更高。大部分的鋰離子電池的連續(xù)放電率僅為1C，但采用該技術(shù)的新電池，其連續(xù)放電率極高，達到80A，可持續(xù)30秒，在與NiCd和SLA電池的競爭中具有很大的優(yōu)勢。

4 循環(huán)壽命

電池的循環(huán)壽命是電池容量下降到其原始容量的某一規(guī)定百分比之前，電池所經(jīng)歷的充放電循環(huán)次數(shù)。鉛酸電池的循環(huán)壽命約為250至500次，具體取決于制造商的產(chǎn)品質(zhì)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?？赡褪?00-700次充放電循環(huán)，其容量僅下降為額定容量的80%。不管使用何種化學(xué)物質(zhì)，電池放電深度越深，用戶可使用的循環(huán)次數(shù)就越少。

5 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(fā)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(tài)達到電量80-90%的狀態(tài)。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(nèi)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(huán)壽命；但其每次可用的電量將會下降。在某些醫(yī)療器械中電池是一種后備裝置，它始終保持充電的狀態(tài)，以保證隨時可用。鋰離子的化學(xué)性質(zhì)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(yī)療器械的基礎(chǔ)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(fā)電池再次充電前確保電池放電量至少為20%，隨后進行標(biāo)準(zhǔn)充電。鋰離子技術(shù)與SLA相比顯著提高了能量密度，在大多數(shù)情況下足以防止鋰離子電池電量完全充滿。

6 安全電路



圖3. 鋰離子電池組設(shè)計中需要采用電子安全裝置。電池組內(nèi)還包含電量監(jiān)測裝置和充電電路。

每種電池技術(shù)均有其一整套安全考慮。NiCd電池組帶有某種電流分?jǐn)嘣O(shè)備以防止發(fā)生嚴(yán)重故障，這是優(yōu)秀的電池設(shè)計必不可少的。NiMH具有發(fā)熱的化學(xué)性質(zhì)，因此電池中需配有熱量感應(yīng)設(shè)備，與充電器相聯(lián)系，防止過度充電，電池組本身還帶有電流分?jǐn)嘣O(shè)備。在鋰離子電池組中，一旦發(fā)生過電壓，即有鋰金屬產(chǎn)生。這說明電池中應(yīng)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(nèi)(見圖3)。

雖然SLA電池一般不需要外部安全元件，但許多醫(yī)療設(shè)備制造商仍堅持將不可復(fù)位保險絲置于電池內(nèi)部或周圍。由于大部分SLA電池都帶有突出的正負(fù)極板，如果沒有保險絲，當(dāng)其置于金屬板上時，就很容易發(fā)生短路，而金屬板大量存在于醫(yī)療保健設(shè)備中。這些電池還可能出現(xiàn)其它短路的危險。如果發(fā)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(shè)計者必須認(rèn)識到這些都是電池的選擇過程中會考慮到的權(quán)衡因素?？偟膩碚f，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。

7 電量監(jiān)測

來越多的醫(yī)療器械制造商開始采用鋰離子技術(shù)，電池管理特性在行業(yè)中也越來越常見。電量監(jiān)測設(shè)備可以為終端用戶提供一些信息，如電池預(yù)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(zhí)行。

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

8 耐高溫性

鋰離子電池在40°-45°C的高溫條件下，性能優(yōu)于其它電池。SLA和NiMH電池在高熱量環(huán)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(huán)境下。

9 結(jié)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(shù)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(shù)的電池大致相當(dāng)。此外，鋰離子電池供應(yīng)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(huán)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(yōu)勢。醫(yī)療電子產(chǎn)品制造商可以利用這些特性，拓寬產(chǎn)品市場，并最終給消費者、醫(yī)療專業(yè)人員和病人帶來治療等方面的好處。