锂离子电池为便携式医疗设备供能的优势

2009-01-02 23:35:49来源: 中电网

 

  一种能量密度更高的技术可以释放比其它同类产品更多的能量,且体积更小。

  消费电子产品以及许多其他行业都越来越讲究产品的移动性,医疗器械制造商也不例外,这样的趋势提高了现场救助设备、监控设备和固定医疗设备的性能,进而推动了医疗保健行业的发展。不过除了便携性以外,医疗器械制造商当然还希望能够制造出可靠性高的器械,因为人们的生命往往命悬一线。手机坏了固然是恼人的事,但如果便携式心脏监控仪或者输液泵由于电池耗尽而停止运作,终端用户——及病人——面临的问题则严重得多。

  几年前,医疗专业人员还无法将救助生命的设备带到现场;因为那时便携式仪器的技术尚未成熟。但如今,大量的监控仪器、超声设备和输液泵可在远离医院的场所使用——甚至战场。便携式设备的移动越来越方便。正是由于诸如锂离子电池等技术的应用,重达50磅的笨重除颤器才可以被更轻便、更紧凑的用户友好型装置取代,也不会造成医护人员肌肉的拉伤。

  病人的移动性也变得越来越重要。如今的病人可能会从放射科转移到重症监护病房,从救护车转移到急救室,或用救护车从一家医院转移到另一家医院。同样地,便携式家用仪器和移动式监控设备的普及,使病人可以待在喜欢的地方,而并不一定要留在医疗机构中。便携式医疗器械必须真正实现完全意义上的便携,为病人提供最佳服务。

  对更小型、更轻便的医疗器械的需求也因此显著增加,这大大激发了人们对更高能量密度、更小巧的电池组的兴趣。笔记本电脑和手机使用的锂离子电池技术已经有了许多突破,医疗设备设计工程师可以对此加以创新利用。

  与其它传统技术相比,锂离子电池在便携式医疗设备的应用中具有很多优势。这包括能量密度更高、重量更轻、循环寿命更长、电池容量保持特性更好,以及适用温度范围更广。

  由于化学性质独特,锂离子技术对设计方面的限制与先前的电池技术如镍氢化合物(NiMH)、镍镉(NiCd)和密封铅酸(SLA)不同。同时,医疗设备在某些方面比消费电子产品有更严格的操作要求;由于可靠性非常重要,因此需要有功能强大的电池组,带有精确电量监测且可靠的电池。

  本文结合医疗器械的要求及锂离子技术的特性,概述了便携式电源系统设计的注意事项。并比较了锂离子电池和其它化学电池的特性和容量。

  能量密度和电压



图1. 锂离子的能量密度远高于镍化合物。

  锂离子电池技术的主要优势在于其能量密度的显著提高。相同体积和重量时,锂离子电池可储存和释放的能量比其它充电电池更高。能量密度以体积和质量两种方式测量。锂离子技术现可以提供近500Wh/L的体积能量密度和200Wh/kg的质量能量密度(见图1)。

  与其它技术相比,锂离子可以释放更多的能量,而且体积更小,质量更轻。锂离子电池的工作电压比其它充电电池更高,通常约为3.7V,而NiCd或NiMH电池为1.2V 。这意味着需要使用多节其它电池时,仅需一节锂离子电池即可满足使用要求。便携式仪器设计中使用的电池能量密度越高,其产品的体积越小,便携性也越好。电池组体积的缩小表示工程师可以利用多余空间,在同一产品中增添更多新功能(见图2)。

  自放电



图2. 锂离子电池有圆柱形和棱柱形两种形状,可制成不同尺寸和容量的电池。  

  充电电池的容量会不断损失。该现象即称为自放电。但若储存得当,其损失的大部分容量仍可恢复。

  所有电池均应在室温(25°C 或更低)下储存,以保持最大的电池容量。终端用户须将SLA电池放在低温下储存,并尽可能每次充电量接近其容量的100%,以保持最佳性能。密封铅电池在25°C下放置6个月后自放电容量约为20%;但40°C放置6个月后该值则增加到约30%。NiMH电池也应遵循类似的建议,避免长期储存使反应物失活。NiCd 和NiMH电池在25°C下放置1个月,其自放电率约为20%,随后自放电率的增速显著减慢。

  相反,当锂离子电池储存时的充电电量为30-50%时,可获得最佳循环寿命。锂离子电池25°C储存6个月后的自放电容量仅为10%。

  倍率特性

  选择材料时,应考虑到其终端装置的涌流和最大放电率。电池或电池组以高倍率放电会造成电压下降。如果设计时没有考虑到这方面,终端装置可能会由于电压不足而关闭。

  高倍率的NiCd电池的连续放电率可达2C(电池额定容量的两倍)甚至更高,具体取决于电池原料及内部阻抗。许多SLA电池的连续放电率可达3C甚至更高。大部分的锂离子电池的连续放电率仅为1C,但采用该技术的新电池,其连续放电率极高,达到80A,可持续30秒,在与NiCd和SLA电池的竞争中具有很大的优势。

  循环寿命

  电池的循环寿命是电池容量下降到其原始容量的某一规定百分比之前,电池所经历的充放电循环次数。铅酸电池的循环寿命约为250至500次,具体取决于制造商的产品质量和放电深度(放电容量最多至额定容量的60%)。NiCd、NiMH和锂离子电池通常可耐受500-700次充放电循环,其容量仅下降为额定容量的80%。不管使用何种化学物质,电池放电深度越深,用户可使用的循环次数就越少。

  充电差异

  锂离子电池的充电方式不同于其它电池。SLA电池最好采用恒压充电,速率通常为额定容量的1/10(C/10),充电时间为14-16小时,或涓流充电或浮充充电,充电速率为C/20 至 C/30。NiCd电池充电的终止推荐采用-△V的方式,此时充电器的电压到达峰值。NiMH电池由于其发热的特点,充电过程中要求采用温度检测,ΔT/Δt为其首选方式。特制的快充式NiCd和NiMH电池可在C/2-C/3的速率下充电4-6小时。极低阻尼镍电池作为快充式电池的一种,可在1C速率下充电1小时。最后,锂离子电池建议采用恒流/恒压充电(CC/CV)。

  通常,锂离子电池供电的器械以1C的速率充电60-75分钟至4.1V后,即可从原来的低能状态达到电量80-90%的状态。其它电池,除可采用高电流充电的特制电池外,同样充电至80-90%时可能需要更多的时间。锂离子电池还需慢充4-5小时至4.2V,获得剩余的10-20%的电量。这种充电方式有两个好处。用户可以在极短的时间内获得接近满充的电量,且充电完成后的实际电压绝不会超过4.2V。

  须注意的是:如果仅将锂离子电池充至4.1V而非4.2V,可延长其循环寿命;但其每次可用的电量将会下降。在某些医疗器械中电池是一种后备装置,它始终保持充电的状态,以保证随时可用。锂离子的化学性质决定其不适合采用涓流充电;锂离子电池不能采用恒定浮充充电。但有几种方法可以在不损害电池或影响医疗器械的基础上,有效降低锂离子电池过度充电的可能性。方法之一是在触发电池再次充电前确保电池放电量至少为20%,随后进行标准充电。锂离子技术与SLA相比显著提高了能量密度,在大多数情况下足以防止锂离子电池电量完全充满。

  安全电路



图3. 锂离子电池组设计中需要采用电子安全装置。电池组内还包含电量监测装置和充电电路。

  每种电池技术均有其一整套安全考虑。NiCd电池组带有某种电流分断设备以防止发生严重故障,这是优秀的电池设计必不可少的。NiMH具有发热的化学性质,因此电池中需配有热量感应设备,与充电器相联系,防止过度充电,电池组本身还带有电流分断设备。在锂离子电池组中,一旦发生过电压,即有锂金属产生。这说明电池中应使用安全电路,使充放电过程中电池电压保持在特定的范围内(见图3)。

  虽然SLA电池一般不需要外部安全元件,但许多医疗设备制造商仍坚持将不可复位保险丝置于电池内部或周围。由于大部分SLA电池都带有突出的正负极板,如果没有保险丝,当其置于金属板上时,就很容易发生短路,而金属板大量存在于医疗保健设备中。这些电池还可能出现其它短路的危险。如果发生短路,装置即有爆炸的可能。锂离子电池组短路的危险较小,安全电路主要用于保护电池。

  在电池中加入安全电路增加了器械的成本,耗费了更多的空间。设计者必须认识到这些都是电池的选择过程中会考虑到的权衡因素。总的来说,尽管有安全电路的存在,锂离子电池仍可以缩小电池组体积,减轻其重量,并能释放更多的能量。

  电量监测

  来越多的医疗器械制造商开始采用锂离子技术,电池管理特性在行业中也越来越常见。电量监测设备可以为终端用户提供一些信息,如电池预计使用时间等。管理特性的引入,很大程度上明确了电池电量评估及充电方案的执行。

  就电池管理而言,使用锂离子电池的设计者有多种选择方案。例如,一些锂离子电池电量监测设备中含有信息特征,可以报告已经过的充放电循环次数。此类信息在一些重要的医疗设备中具有重要作用。电量监测基本方法有两种:基于电压和库仑计数。将两种技术相结合的解决方案,其准确性高达99%。

  耐高温性

  锂离子电池在40°-45°C的高温条件下,性能优于其它电池。SLA和NiMH电池在高热量环境下无法正常工作。这成为其在急救工具中使用的一个限制因素,因为此时,使用者无法将他们的便携式器械保存在低温环境下。

  结论

  在为便携式器械选择最佳电源方案时,必须对其总成本和整体性能进行评估。锂离子技术的高电压特性可以减少电池使用量,由此降低了电池组的成本,使之与使用镍技术的电池大致相当。此外,锂离子电池供应商不断使用新材料,以降低电池成本。

  锂离子电池体积小、重量轻、能量高、循环寿命长、耐久性好、电压高及耐热性好的特点使其具有潜在的优势。医疗电子产品制造商可以利用这些特性,拓宽产品市场,并最终给消费者、医疗专业人员和病人带来治疗等方面的好处。

关键字:安全  能量密度  电压  放电

编辑:汤宏琳 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/medical_electronics/2009/0102/article_507.html
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