鋰離子電池為便攜式醫(yī)療設(shè)備供能的優(yōu)勢(shì)分析

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

消費(fèi)電子產(chǎn)品以及許多其他行業(yè)都越來(lái)越講究產(chǎn)品的移動(dòng)性，醫(yī)療器械制造商也不例外，這樣的趨勢(shì)提高了現(xiàn)場(chǎng)救助設(shè)備、監(jiān)控設(shè)備和固定醫(yī)療設(shè)備的性能，進(jìn)而推動(dòng)了醫(yī)療保健行業(yè)的發(fā)展。不過(guò)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?yàn)槿藗兊纳鼞乙痪€(xiàn)。手機(jī)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(yùn)作，終端用戶(hù)——及病人——面臨的問(wèn)題則嚴(yán)重得多。

幾年前，醫(yī)療專(zhuān)業(yè)人員還無(wú)法將救助生命的設(shè)備帶到現(xiàn)場(chǎng)；因?yàn)槟菚r(shí)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(chǎng)所使用——甚至戰(zhàn)場(chǎng)。便攜式設(shè)備的移動(dòng)越來(lái)越方便。正是由于諸如鋰離子電池等技術(shù)的應(yīng)用，重達(dá)50磅的笨重除顫器才可以被更輕便、更緊湊的用戶(hù)友好型裝置取代，也不會(huì)造成醫(yī)護(hù)人員肌肉的拉傷。

病人的移動(dòng)性也變得越來(lái)越重要。如今的病人可能會(huì)從放射科轉(zhuǎn)移到重癥監(jiān)護(hù)病房，從救護(hù)車(chē)轉(zhuǎn)移到急救室，或用救護(hù)車(chē)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(dòng)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(jī)構(gòu)中。便攜式醫(yī)療器械必須真正實(shí)現(xiàn)完全意義上的便攜，為病人提供最佳服務(wù)。

對(duì)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(duì)更高能量密度、更小巧的電池組的興趣。筆記本電腦和手機(jī)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(jì)工程師可以對(duì)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(shì)。這包括能量密度更高、重量更輕、循環(huán)壽命更長(zhǎng)、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(dú)特，鋰離子技術(shù)對(duì)設(shè)計(jì)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(shí)，醫(yī)療設(shè)備在某些方面比消費(fèi)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(qiáng)大的電池組，帶有精確電量監(jiān)測(cè)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(jì)的注意事項(xiàng)。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(shì)在于其能量密度的顯著提高。相同體積和重量時(shí)，鋰離子電池可儲(chǔ)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?jī)煞N方式測(cè)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(jiàn)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(shí)，僅需一節(jié)鋰離子電池即可滿(mǎn)足使用要求。便攜式儀器設(shè)計(jì)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(jiàn)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(huì)不斷損失。該現(xiàn)象即稱(chēng)為自放電。但若儲(chǔ)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(chǔ)存，以保持最大的電池容量。終端用戶(hù)須將SLA電池放在低溫下儲(chǔ)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(gè)月后自放電容量約為20%；但40°C放置6個(gè)月后該值則增加到約30%。NiMH電池也應(yīng)遵循類(lèi)似的建議，避免長(zhǎng)期儲(chǔ)存使反應(yīng)物失活。NiCd 和NiMH電池在25°C下放置1個(gè)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(chǔ)存時(shí)的充電電量為30-50%時(shí)，可獲得最佳循環(huán)壽命。鋰離子電池25°C儲(chǔ)存6個(gè)月后的自放電容量?jī)H為10%。

3 倍率特性

選擇材料時(shí)，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(huì)造成電壓下降。如果設(shè)計(jì)時(shí)沒(méi)有考慮到這方面，終端裝置可能會(huì)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(dá)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(dá)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(dá)到80A，可持續(xù)30秒，在與NiCd和SLA電池的競(jìng)爭(zhēng)中具有很大的優(yōu)勢(shì)。

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?jī)H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(hù)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(shí)間為14-16小時(shí)，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(shí)充電器的電壓到達(dá)峰值。NiMH電池由于其發(fā)熱的特點(diǎn)，充電過(guò)程中要求采用溫度檢測(cè)，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(shí)。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(shí)。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(lái)的低能狀態(tài)達(dá)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(shí)可能需要更多的時(shí)間。鋰離子電池還需慢充4-5小時(shí)至4.2V，獲得剩余的10-20%的電量。這種充電方式有兩個(gè)好處。用戶(hù)可以在極短的時(shí)間內(nèi)獲得接近滿(mǎn)充的電量，且充電完成后的實(shí)際電壓絕不會(huì)超過(guò)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(zhǎng)其循環(huán)壽命；但其每次可用的電量將會(huì)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(shí)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(guò)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(jìn)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(mǎn)。

6 安全電路



圖3. 鋰離子電池組設(shè)計(jì)中需要采用電子安全裝置。電池組內(nèi)還包含電量監(jiān)測(cè)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(jì)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(guò)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(guò)電壓，即有鋰金屬產(chǎn)生。這說(shuō)明電池中應(yīng)使用安全電路，使充放電過(guò)程中電池電壓保持在特定的范圍內(nèi)(見(jiàn)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(jiān)持將不可復(fù)位保險(xiǎn)絲置于電池內(nèi)部或周?chē)?。由于大部分SLA電池都帶有突出的正負(fù)極板，如果沒(méi)有保險(xiǎn)絲，當(dāng)其置于金屬板上時(shí)，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(xiǎn)。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(xiǎn)較小，安全電路主要用于保護(hù)電池。

在電池中加入安全電路增加了器械的成本，耗費(fèi)了更多的空間。設(shè)計(jì)者必須認(rèn)識(shí)到這些都是電池的選擇過(guò)程中會(huì)考慮到的權(quán)衡因素。總的來(lái)說(shuō)，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(cè)

來(lái)越多的醫(yī)療器械制造商開(kāi)始采用鋰離子技術(shù)，電池管理特性在行業(yè)中也越來(lái)越常見(jiàn)。電量監(jiān)測(cè)設(shè)備可以為終端用戶(hù)提供一些信息，如電池預(yù)計(jì)使用時(shí)間等。管理特性的引入，很大程度上明確了電池電量評(píng)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(jì)者有多種選擇方案。例如，一些鋰離子電池電量監(jiān)測(cè)設(shè)備中含有信息特征，可以報(bào)告已經(jīng)過(guò)的充放電循環(huán)次數(shù)。此類(lèi)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(cè)基本方法有兩種：基于電壓和庫(kù)侖計(jì)數(shù)。將兩種技術(shù)相結(jié)合的解決方案，其準(zhǔn)確性高達(dá)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(wú)法正常工作。這成為其在急救工具中使用的一個(gè)限制因素，因?yàn)榇藭r(shí)，使用者無(wú)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(shí)，必須對(duì)其總成本和整體性能進(jìn)行評(píng)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(zhǎng)、耐久性好、電壓高及耐熱性好的特點(diǎn)使其具有潛在的優(yōu)勢(shì)。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(chǎng)，并最終給消費(fèi)者、醫(yī)療專(zhuān)業(yè)人員和病人帶來(lái)治療等方面的好處。