便携式医疗电源系统设计的特性及注意事项

　　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。

　　1 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）。

　　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%。

　　3 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。

　　4 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。

　　5 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