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锂离子电池:了解测试结果对植入式医疗设备中实际行为的意义

2020-02-24 14:59 来源:电源网编译 编辑:咩咩

电池寿命是当今许多应用中的重要因素。对于可植入的医疗设备,患者需要确信电池会在需要重新充电之间给它们较长的时间,即充电间隔。

几乎同等重要的是,电池的可用容量以及两次充电之间的时间将在其使用寿命内逐渐减少,这决定了电池需要更换多少年。这决定了电池的寿命以及可以使用多少个有用的充电/放电循环。选择电池时,长寿可能是一个关键的购买标准-一旦电池达到其使用寿命,将需要更换电池,这将涉及在植入式设备中的某种外科手术。

介绍

通常,在需要充电之前,可以将电池的使用时间减少20%,这被认为是容量减少的一个问题。结果,可再充电电池的使用寿命通常被定义为在容量下降到其原始值的80%之前的充放电循环次数。

对于医疗设备的设计人员而言,重要的一点是,他们必须获得有关市场上可用的各种可充电电池的准确信息。他们需要确信,当他们查看不同制造商的电池时,它们正在比较相同的参数,并且数据表上的数字反映在现实生活中的行为上。

在本文中,我们将研究设计师如何确保他们获得正确的信息,并以此为基础进行决策。我们将回顾哪些因素会影响锂离子电池的使用寿命,这些因素尤其重要,因为锂离子电池比其他技术更容易发生变化,并且其性能在很大程度上受测试,使用和储存条件的影响。 。

电池寿命如何受到影响

对于任何可充电电池,用户需要多久找到一个充电点取决于多个因素。

首先,有环境因素,例如温度和振动。环境因素对电池寿命有很大的影响,在25°C左右的温度下(锂离子电池通常认为的)退化最小。这也意味着热管理在某些应用(例如电动汽车)中可能很重要,以确保通过充电或放电产生的热量不会使电池温度过高。

但是对于植入式医疗设备中的电池,这些因素通常不会产生重大影响。这是因为医疗设备在植入后会保持在大约37°C的恒定温度下,冲击或振动很小。

对于医疗设备,对充电间隔的主要影响在于所谓的“操作因素”。其中包括充电和放电的速率以及电池充放电到的全部容量的百分比。存储也很重要-在将电池安装到设备中并投入使用后,长时间存储会保留多少百分比的电量会影响其行为。

充电电压是关键

在锂离子电池中,正极和负极之间的电位差随着电池的充电而增加,并且能量进入电池。随着使用中电池的放电,它会减少,并消耗能量。

这意味着可以在端子之间测量的电压是电池充满电的可靠指示,因此可以在其中剩余多少能量。例如,通过这种电压测量,您的智能手机或笔记本电脑可以确定电池剩余电量的百分比,然后据此估算电池耗尽所有电量之前需要花费的时间。

对于医疗应用,锂离子电池的额定电压通常为3.6V或3.7V。在实践中,标准程序是将电池充电至约4.1V的最大值,并使其放电至2.7V的低点。停止充电的最大电压称为充电终止电压(EoCV)电平。

但是,如果我们更改这些参数会怎样?相反,如果仅将电池放电至高于2.7V的最低电压,则它将仅放电掉部分电量。例如,如果我们在达到3V电压时停止将电池耗尽,则可能意味着电池仅放电至其容量的40%或50%。

这个低压点定义了所谓的放电深度(DoD)。因此,将电池完全放电视为100%DoD,而我们可以用较小的DoD百分比来测量寿命。可能会影响使用寿命的另一项变化是将上限电压端点从4.1V降低至较低值。

这些变化的原因是锂离子电池中发生了不同的化学反应,例如,使电解质降解或在阳极上沉积不溶性化合物,从而降低了其效率。

这些电压变化在实践中产生了令人惊讶的巨大差异。如果我们稍微改变电压的上限和下限,则电池寿命中的充放电循环次数只能减少到以前的20%,甚至更少。

尽管在这里我们仅讨论电荷和电压的微小变化,但切记要记住可充电电池可能最终在现场完全放电。例如,患者可能只是忘记在正确的时间为电池充电,从而使其电压下降得过低,或者可能将电池存放了较长的时间。

与我们刚刚讨论的寿命变化相比,这是一个不同的问题,但是对于许多锂离子电池而言,这种完全放电会造成损坏,从而大大降低其可用性。 EnerSys®通过其Zero-Volt™技术解决了这个问题,该技术可确保即使在电池放电至零伏后(图1和2),电池仍可以在峰值容量下运行。

锂离子电池:了解测试结果对植入式医疗设备中实际行为的意义

图1:可用电池容量

锂离子电池:了解测试结果对植入式医疗设备中实际行为的意义

图2:Quallion电池

测试结果

当我们测试了自己的Quallion®电池时,我们展示了出色的低容量衰减性能,同时在放电深度(DoD)值为100%(低至20%)的情况下循环电池。由此,即使经过多次充放电循环,电池容量的损失也降至最低。

通过降低充电终止电压(EoCV),甚至可以在电循环期间进一步改善容量衰减性能。将EoCV从最大建议值4.1V修改为较低的4.0V值将增加电池的可用容量。

当我们查看100%DoD(这是医疗应用中的常见用例)时,我们会在达到初始保留容量的80%时检查电池的循环寿命。大多数医疗应用指定此工作循环寿命值,并且所需的值会随医疗设备的预期用途而变化。

通常,医疗应用需要电池在100%DoD循环条件下满足500至1,000个循环,同时保持电池初始保留容量的80%。其医用电池中使用的Quallion®化学物质以80%或更高的保留容量超过了这些循环要求。

结论

即使工作条件中的很小差异(例如充电和放电电压)也可能对电池寿命或使用寿命产生重大影响。这意味着设备设计人员应确保他们以类似方式比较电池,并应检查电池制造商在其数据表上指定的测试条件。

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