医疗设备的备份电池解决方案

所面临的挑战

在医疗系统中，稳定可靠的电源至关重要。为了保证有一个不间断的电源，我们使用了一个备用电池。在过去，较大的医疗设备都是使用铅酸电池来提供不间断的电源。事实上，他们还需要非常昂贵的复杂的动态系统，从而使医疗设备系统的体积变大、变得笨重而且很昂贵。现在有了最新一代电池电量监测电子产品，我们就可以放心地使用锂离子 (Li-Ion) 电池以便精确地确定可用电量。相对于过去的铅酸电池技术而言，这就使医疗设备变得更小巧、更轻便。

铅酸电池通常的替代产品为镍氢 (NiMH) 电池或锂离子 (Li-Ion) 化学电池，这两种替代产品均可提供更好的能量密度。锂离子电池利用更易挥发的化学成分提供了最高的能量密度，如果处理不当，这种化学成分可能会带来一定的危险。就对于患者很关键的系统而言，无论使用哪种电池化学，精确预测剩余电量都是至关重要的。有了锂离子电池，我们就可实现上述的最佳特性：精确地了解电池电量和最高的能量密度。

利用以前的电池电量测量电子产品，其报告的剩余电量误差会随着时间的推移而逐渐加大。我们只能根据经验对单个电池随着时间的推移而“老化”的程度进行猜测。锂离子电池的可用电量会随时间推移而下降的主要原因在于电解质正极/阴极材料不断增加的内部阻抗。锂离子电池具有一些众所周知的特性，如：阻抗与温度的关系非常密切、在放电时阻抗会发生变化以及高温和快速过压充电会使电池容量大大下降。100 个充/放电周期以后电池的内部阻抗[1] 会增加一倍，如图 1 所示（流入或流出电池的电量超过 70% 即定义为一个周期）。甚至以超过 4.2V 最大电池电压 50mV 的电压进行充电也会使电池的使用寿命缩短一半[1]（请参见图 2）。从室温到 0 摄氏度[1]放电超过 80% 的电池的阻抗将会增加 5 倍（从 N300mOhrn 增加到超过 1.50hm DC 阻抗），请参见图 3。



              图 1 阻抗随充/放电老化而变化

具有更高阻抗的老化锂离子电会较早地达到系统终止电压



          图 3 锂离子电池阻抗与温度和放电深度 (DOD) 密切相关。

锂离子电池阻抗与温度密切相关，温度每增加 10oC 阻抗就会下降大约 1.5 倍。

阻抗是整个方程式的关键。在过去，要想利用电池组设计进行生产工作非常棘手。需要获得在最低/室温/最高温度下的典型放电特性以生成放电估计多项式方程中使用的系数。只有知道各个电池的阻抗如何发生变化才能估计出上述放电特性。此外，传统的电池电量监测器件需要“复位”电池组在近乎完全放电时的最大容量。通常，这是由一个 7% 的特定电压脱扣 (trip) 和 3% 估计剩余电量实现的。作为一种改进，补偿性放电终止电压值 (CEDV) 根据电池负载电流被用于修改 7% 的脱扣电压和 3% 估计剩余电量，这只是基于电压测量值。

解决了所有这些不确定因素以后，设计人员了解到所报告的容量精确性可能会有高达 20% 的偏差。由于电池可能会因为使用时间过长而意外老化，并有可能对由电量监测计估算以及提供给用户的估计电量信息进行缓冲，设计人员可能会事先将实际需要的电量增加一倍。当然，一个稳定可靠的医疗系统不会像膝上型电脑那样报告剩余电量：“还有 20 分钟的剩余电量，您需要立即插上电源。”（当电池达到估计的 7% 剩余电量电压时就会出现该信息。）

解决方案

TI 推出的新一代阻抗跟踪(Impedance TrackTM)算法技术解决了真实剩余电池电量报告的不准确性问题。该算法确定了锂离子电池的充电状态，并将下列参数作为整个电池模型的一部分来全面预测放电行为：

1、最初，电池总化学容量 (Qmax) 就是产品说明书规定的容量（例如，18650圆柱形锂离子电池的容量为2400mAhr），但是电池电量监测计会在电池的第一个充/放电周期以后自动更新。

2、由“库仑计数”程序对已流入或流出电池的电荷数量进行测量/采集。

3、系统的当前负载电流（平均负载电流和峰值负载电流）。

4、由于单个电池阻抗在各种充电状态下不尽相同，因此在提供电流的同时电池的内部阻抗会随着温度、电池老化的影响和放电的情况而变化。

5、在轻负载时 (
精确的电池容量估计可由下列方法计算得出：

1、测量电池开路电压（在松弛状态下）

2、监控负载时的电池电压曲线（找出电池阻抗）以及

3、积分流入和流出电池的电流。

采用完全相同的化学/阳极/阴极材料的锂离子电池具有非常相似的松弛电压/充电状态曲线。令人惊讶的是，其不会因电池制造的不同而不同。这就使我们可以确定电池的最大容量和电池的剩余容量。

例如，如果您已知：1)3.6V松弛电压与 10% 的充电状态密切相关；2)在充电过程中，电池电量监测计对 1000mA 的电流进行了积分；3)得出的 3.95V 开路电压与 93% 的充电状态密切相关，该电池的真实容量为 1206mAh (1000mA/83%)。利用 1A 电流进行充电时，如果电池电压从 3.6V 上升到 3.8V，那么在 10% 充电状态和室温条件下 DC 阻抗为 0.2 Q。如果系统可以容许的最小电压为 3V，那么阻抗跟踪将会计算并报告在 10% 充电状态的 1A 负载条件下还有大约 7 分钟的剩余电池电量。

在刚刚过去的几年里，电子硬件实施得到了发展。最初的芯片组是由三个独立的芯片组成：1)电池电量计微处理器；2)模拟前端 (AFE)；以及 3)二次过压保护器。微处理器对电流进行了积分并运行电池电量计监测算法，并且还直接与 AFE 通信。高压容限 AFE 利用集成的模数转换器 (ADC) 对电池电压进行了测量，提供了过流保护并进行电池平衡。两个芯片都能安全地独立运行。第三级保护来自一个独立的二次电压保护器，对于一个永久性错误条件，该保护器会触发一个化学保险丝（对于锂离子电池而言，过压是最危险的情况，因为其有可能会引起燃烧）。

最新一代锂离子电池容量指示器在一个塑料封装中集成了微控制器和 AFE 芯片，从而大大降低了系统级复杂性和板级空间要求。与电池电量监测计的通信是通过 SMBus 标准协议完成的（SMBuS 基于 I2C 通信协议）。

阻抗跟踪技术实际上就是一种更低成本的电池解决方案实施，该技术无需使用电池自动记忆周期功能。对于所有大容量电池而言，实现该功能都要花费数小时的时间。现在，所有下线的电池都利用一个称为“黄金图像”的工具进行了编程。在工程评估阶段就完成了该文件的创建。该阻抗跟踪算法将一直适合电池的状态，因此电池在现场的第一次放电期间，阻抗跟踪会在电池的第一个 40% 放电或充电中精确记忆真正的电池组容量。之后，所报告的电池容量精确度将达到 99%。

结论

阻抗跟踪电池电量测量技术可以使医疗工程组织利用比以往稳定的备用电池设计出的生命支持设备和便携式设备更加可靠。更重要的是，该技术不但提供了大大改进的电量监测计监测精度，而且还去除了 7% 估计剩余电量所必需的“复位”环节（在生命支持医疗应用中，该环节并不合乎实际）。其无需全面过分设计 (over-engineer) 电池容量来满足特定的备用期限，并且在生产阶段无需重复每一个电池组从而提供了更低成本的解决方案。

了解并跟踪单个电池阻抗是精确预测剩余电量的关键。如前所述，最重要的电池老化效应是由于高温以及以高于其最高额定电压进行充电引起的，甚至以高于额定电压 50mV 的电压进行充电也可能会使电池的使用寿命缩短一半。锂离子电池内部阻抗会在正常使用充/放电周期内增加（老化），并且阻抗在低温时会大大增加（而不会缩短使用寿命）。

阻抗跟踪算法的自适应特性通过监控松弛和负载状态下的电池电压，并积分充/放电过程中的电流来监控这些老化因子。由于是连续监控，所以没有必要对阻抗进行“猜测”，因此在整个电池使用寿命内都可以精确地计算真正的电池容量。