- 便攜式醫(yī)療電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)的特性及注意事項(xiàng)

　　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。用戶可以在極短的時(shí)間內(nèi)獲得接近滿充的電量，且充電完成后的實(shí)際電壓絕不會(huì)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(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。

　　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(jiān)持將不可復(fù)位保險(xiǎn)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(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程中會(huì)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(cè)

　　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(cè)設(shè)備可以為終端用戶提供一些信息，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(cè)基本方法有兩種：基于電壓和庫侖計(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)，使用者無法將他們的便攜式器械保存在低溫環(huán)境下。

　　結(jié)論

　　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。

　　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)療專業(yè)人員和病人帶來治療等方面的好處。