医疗设备的精确电池备份解决方案

 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 2 充电电压会影响电池使用寿命
适当地对锂离子电池充电需要高精度充电电压。过充电会缩短电池使用寿命。

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TM 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：

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。
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。
系统的当前负载电流（平均负载电流和峰值负载电流）。
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。
在轻负载时 (<C/20) 对电池的开路"松弛"电压进行测量，在一个采样周期内电池电压不到几毫伏。完全充电后，所需的休息周期比电池深度耗尽后要短。
精确的电池容量估计可由下列方法计算得出：

测量电池开路电压（在松弛状态下）
监控负载时的电池电压曲线（找出电池阻抗）以及
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。