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挑战
由于医疗系统必须备有稳定电源，为了确保电源不中断，需要使用到备用电池。较大型医疗装置所采用的不间断电源一般来自铅酸电池，这类装置实际上需要造价同样昂贵的精密运转系统，系统不但庞大笨重，价格也不便宜。不过，现在有了最新型的电池电力量测电子技术，因此可以安全使用锂离子电池，精确地判定剩余电量。相较于过去使用的铅酸电池技术，这种方式可以大幅缩减医疗仪器的尺寸与重量。
一般而言，铅酸电池的替代品为镍氢 (NiMH) 或锂离子 (Li-Ion) 化学电池，两者皆可提供较佳的能量密度。锂离子电池可提供最高能量密度，不过具有较多易挥发的化学物质，如未经妥善处理则有安全上的顾虑。就病患使用的紧急系统而言，无论使用哪一种化学电池，都必须能精确预估剩余电量。使用锂离子电池，可同时提供精确的电力量测，以及最高的能量密度，在双方面达到最佳效果。
过去的电池量测电子技术，会随时间出现剩余电量报告不准确的情形。我们只能根据个人经验，判断每个电池的使用时间能维持多久。锂离子电池之所以可用容量随时间降低的主要原因，是因为电解质阳极／阴极材料的内部阻抗增加。锂离子电池已知的特性如下：阻抗与温度的相关性极高、放电时阻抗会产生变化，以及高温与些微的过压充电，会大幅降低电池容量。在一百次的充电／放电周期之后，内部阻抗会变成原来的两倍，如图1所示 （周期的定义为超过 70% 的能量进出电池）。如果对充电电压最大值 4.2V 的电池进行充电，即使电压只比最大值多出 50mV，也会减少电池一半的寿命（图2）。放电超过 80% 的电池，在室温至摄氏零度的环境中，会增加5倍的阻抗（~300mOhm 至大于 1.5ohm 直流电阻抗）。请参阅图 3。
阻抗是整体方程式的关键。过去使用电池设计进行制造，是非常复杂的过程。需要了解在最小／室内／最大温度中的一般放电特性，以针对放电预估，产生多项式方程式中使用的系数。如果想了解个别电池阻抗的实际变化情形，只能利用预估的方式。此外，传统的电力量测装置需要在近乎完全放电的状态下，“重设”电池的最大容量。一般来说，这是由 7% 与 3% 预估剩余容量的特定电压进行启动。改进作法是使用补偿终止放电电压值 (CEDVs)，依据电池负载电流修正 7% 与 3% 预估值的启动电压；这纯粹根据电压测量所进行。
如果考虑所有不确定因素，设计人员知道电池容量报告的准确度，可能最多会偏离 20%。由于电池容量随时间减退的情形难以预测，也需要对使用者获得的电力量测预估容量信息，提供缓冲空间，设计人员一开始可能会将实际需要的容量加倍。可靠的医疗系统必须提供精确信息，不能像笔记本电脑一样显示剩余的运作时间，例如“电池容量还可维持 20 分钟，您必须立即插上插头！”（此信息出现在电池电压预估剩余电量为 7% 时）。
解决方案
这种电池实际容量报告不精确的情形，并不会出现在德州仪器（TI）开发的下一代 Impedance TrackTM 算法技术中。这种算法会判定锂离子电池的充电状态，并使用下列参数作为综合电池模块的一部分，完整预估放电行为：
1. 电池的总化学容量 (Qmax) 最初依据规格表设定（例如 18650 圆柱形电池为 2400 mAhr），不过电池进行首次充电／放电周期后，会自动由电力量测进行更新。
2. 进出电池的电量，是由“库仑计算 (coulomb counting) ”程序所测量／获取。
3. 目前系统中的负载电流（平均与尖峰负载）。
4. 电池输送电流时，由于温度、电池老化影响，以及放电过程产生内部电阻变化等因素，每个电池的阻抗会随着充电状态而有所不同。
5. 电池断路的“松弛”电压是在轻负载 (
精确的电池容量预估，可由以下方式计算：
1. 测量电池断路电压（在松弛状态）
2. 监控负载时电池的电压分布（寻找电池阻抗）以及
3. 合并进出电池的电流。
所有使用完全相同化学／阳极／阴极材料的锂离子电池，都具有非常相似的松弛电压／充电状态分布。令人惊讶的是，这与电池制造过程无关。藉由这项信息，我们能判定电池的最大容量以及剩余容量。
举例而言，如果您知道以下信息：1) 3.6V 的松弛电压代表 10% 的充电状态；2) 充电时电力量测合并数值为 1000mA；3) 产生的 3.95V 断路电压代表 93% 的充电状态，则电池的真实容量为 1206mAh (1000mA/83%)。如果电池在接受 1A 的充电电流时，电压由 3.6 增加至 3.8V，则室温下 10% 充电状态的直流电阻抗为 0.2 Ohm。如果系统可容忍的最小电压是 3V，Impedance Track 就会计算并报告电池剩余的使用时间，例如在 10% 的充电状态下，1A 负载可维持 7 分钟。
过去几年间，电子硬件的制造不断进步。原始的芯片组包含3个独立的 IC：1) 电力量测微处理器；2) 模拟前端 (AFE)；3) 第二过电压保护组件。微处理器整合电流并执行电力量测算法，并直接与模拟前端进行通信。能容忍高电压的模拟前端，负责测量电池电压（与整合式模拟数字转换器共同进行），可提供过电流保护，并可执行电池平衡。这两种 IC 都可以安全独立地运作。独立的第二过电压保护组件，则作为第三层级的保护，可针对永久故障状况启动化学保险丝（锂离子电池最危险的状况就是电压过高，因为可能造成起火燃烧）。
最新的锂离子电池计量器，将微处理器与模拟前端整合为单一塑料封装，因而大幅降低了系统复杂性以及电路板的空间需求。与电力量测之间的通信，则是由 SMBus 标准协议负责（SMBus 是以 I2C 通信协议为基础）。详细信息请参阅 www.smbus.org 网站。电力量测可以直接和兼容的电池充电器或微处理器，进行通信。
Impedance Track 技术实际上是成本较低电池的解决方案，有了这项技术，就不需要生产学习的循环过程。就大容量的电池而言，这项过程可能需要几个小时才能完成。目前，每个生产的电池都配备“黄金影像”的档案，这个档案是在工程评估阶段所建立。Impedance Track 算法会依据电池状态，持续进行调整。因此在电池首次实际放电时，Impedance Track 可以在放电或充电的前 40% 之内，精确了解确实的电池容量，电池容量报告的正确率可达 99%。
结论
医疗工程人员可以使用 Impedance Track 电池量测技术，设计出具有更稳定电池备援的维生设备与便携设备。这项技术最重要的一点，就是可以大幅提升电力量测的准确度，不需要在预估 7% 剩余容量时进行“重设”；毕竟“重设”在医疗维生装置中，是不符合实际需求的作法。使用这项技术后，便不需要为符合特定的备援时间范围，对电池容量进行大幅的设计，也不需要在生产阶段对每个电池进行循环，因此能提供成本较低的解决方案。
了解并追踪每个电池的阻抗，是精确预测剩余运作时间与能量的关键。如前所述，影响电池老化最重要的原因是高温，以及使用超过最大电压的方式充电；即使只超过 50mV，都会让电池的寿命减半。锂离子电池的内部阻抗，会随着正常使用的充电／放电周期而增加（即老化），阻抗也会在低温时大幅增加（不缩减使用寿命）。
Impedance Track 算法的调整性质，可以藉由监控电池在松弛与负载状态下的电压，以及合并充电与放电过程中的电流，对老化因素进行监控。阻抗受到持续监控，便不需要凭经验“猜测”，在电池整个使用寿命过程中，皆可精确计算出确实的电池容量。
由于医疗系统必须备有稳定电源，为了确保电源不中断，需要使用到备用电池。较大型医疗装置所采用的不间断电源一般来自铅酸电池，这类装置实际上需要造价同样昂贵的精密运转系统，系统不但庞大笨重，价格也不便宜。不过，现在有了最新型的电池电力量测电子技术，因此可以安全使用锂离子电池，精确地判定剩余电量。相较于过去使用的铅酸电池技术，这种方式可以大幅缩减医疗仪器的尺寸与重量。
一般而言，铅酸电池的替代品为镍氢 (NiMH) 或锂离子 (Li-Ion) 化学电池，两者皆可提供较佳的能量密度。锂离子电池可提供最高能量密度，不过具有较多易挥发的化学物质，如未经妥善处理则有安全上的顾虑。就病患使用的紧急系统而言，无论使用哪一种化学电池，都必须能精确预估剩余电量。使用锂离子电池，可同时提供精确的电力量测，以及最高的能量密度，在双方面达到最佳效果。
过去的电池量测电子技术，会随时间出现剩余电量报告不准确的情形。我们只能根据个人经验，判断每个电池的使用时间能维持多久。锂离子电池之所以可用容量随时间降低的主要原因，是因为电解质阳极／阴极材料的内部阻抗增加。锂离子电池已知的特性如下：阻抗与温度的相关性极高、放电时阻抗会产生变化，以及高温与些微的过压充电，会大幅降低电池容量。在一百次的充电／放电周期之后，内部阻抗会变成原来的两倍，如图1所示 （周期的定义为超过 70% 的能量进出电池）。如果对充电电压最大值 4.2V 的电池进行充电，即使电压只比最大值多出 50mV，也会减少电池一半的寿命（图2）。放电超过 80% 的电池，在室温至摄氏零度的环境中，会增加5倍的阻抗（~300mOhm 至大于 1.5ohm 直流电阻抗）。请参阅图 3。
阻抗是整体方程式的关键。过去使用电池设计进行制造，是非常复杂的过程。需要了解在最小／室内／最大温度中的一般放电特性，以针对放电预估，产生多项式方程式中使用的系数。如果想了解个别电池阻抗的实际变化情形，只能利用预估的方式。此外，传统的电力量测装置需要在近乎完全放电的状态下，“重设”电池的最大容量。一般来说，这是由 7% 与 3% 预估剩余容量的特定电压进行启动。改进作法是使用补偿终止放电电压值 (CEDVs)，依据电池负载电流修正 7% 与 3% 预估值的启动电压；这纯粹根据电压测量所进行。
如果考虑所有不确定因素，设计人员知道电池容量报告的准确度，可能最多会偏离 20%。由于电池容量随时间减退的情形难以预测，也需要对使用者获得的电力量测预估容量信息，提供缓冲空间，设计人员一开始可能会将实际需要的容量加倍。可靠的医疗系统必须提供精确信息，不能像笔记本电脑一样显示剩余的运作时间，例如“电池容量还可维持 20 分钟，您必须立即插上插头！”（此信息出现在电池电压预估剩余电量为 7% 时）。
解决方案
这种电池实际容量报告不精确的情形，并不会出现在德州仪器（TI）开发的下一代 Impedance TrackTM 算法技术中。这种算法会判定锂离子电池的充电状态，并使用下列参数作为综合电池模块的一部分，完整预估放电行为：
1. 电池的总化学容量 (Qmax) 最初依据规格表设定（例如 18650 圆柱形电池为 2400 mAhr），不过电池进行首次充电／放电周期后，会自动由电力量测进行更新。
2. 进出电池的电量，是由“库仑计算 (coulomb counting) ”程序所测量／获取。
3. 目前系统中的负载电流（平均与尖峰负载）。
4. 电池输送电流时，由于温度、电池老化影响，以及放电过程产生内部电阻变化等因素，每个电池的阻抗会随着充电状态而有所不同。
5. 电池断路的“松弛”电压是在轻负载 (
精确的电池容量预估，可由以下方式计算：
1. 测量电池断路电压（在松弛状态）
2. 监控负载时电池的电压分布（寻找电池阻抗）以及
3. 合并进出电池的电流。
所有使用完全相同化学／阳极／阴极材料的锂离子电池，都具有非常相似的松弛电压／充电状态分布。令人惊讶的是，这与电池制造过程无关。藉由这项信息，我们能判定电池的最大容量以及剩余容量。
举例而言，如果您知道以下信息：1) 3.6V 的松弛电压代表 10% 的充电状态；2) 充电时电力量测合并数值为 1000mA；3) 产生的 3.95V 断路电压代表 93% 的充电状态，则电池的真实容量为 1206mAh (1000mA/83%)。如果电池在接受 1A 的充电电流时，电压由 3.6 增加至 3.8V，则室温下 10% 充电状态的直流电阻抗为 0.2 Ohm。如果系统可容忍的最小电压是 3V，Impedance Track 就会计算并报告电池剩余的使用时间，例如在 10% 的充电状态下，1A 负载可维持 7 分钟。
过去几年间，电子硬件的制造不断进步。原始的芯片组包含3个独立的 IC：1) 电力量测微处理器；2) 模拟前端 (AFE)；3) 第二过电压保护组件。微处理器整合电流并执行电力量测算法，并直接与模拟前端进行通信。能容忍高电压的模拟前端，负责测量电池电压（与整合式模拟数字转换器共同进行），可提供过电流保护，并可执行电池平衡。这两种 IC 都可以安全独立地运作。独立的第二过电压保护组件，则作为第三层级的保护，可针对永久故障状况启动化学保险丝（锂离子电池最危险的状况就是电压过高，因为可能造成起火燃烧）。
最新的锂离子电池计量器，将微处理器与模拟前端整合为单一塑料封装，因而大幅降低了系统复杂性以及电路板的空间需求。与电力量测之间的通信，则是由 SMBus 标准协议负责（SMBus 是以 I2C 通信协议为基础）。详细信息请参阅 www.smbus.org 网站。电力量测可以直接和兼容的电池充电器或微处理器，进行通信。
Impedance Track 技术实际上是成本较低电池的解决方案，有了这项技术，就不需要生产学习的循环过程。就大容量的电池而言，这项过程可能需要几个小时才能完成。目前，每个生产的电池都配备“黄金影像”的档案，这个档案是在工程评估阶段所建立。Impedance Track 算法会依据电池状态，持续进行调整。因此在电池首次实际放电时，Impedance Track 可以在放电或充电的前 40% 之内，精确了解确实的电池容量，电池容量报告的正确率可达 99%。
结论
医疗工程人员可以使用 Impedance Track 电池量测技术，设计出具有更稳定电池备援的维生设备与便携设备。这项技术最重要的一点，就是可以大幅提升电力量测的准确度，不需要在预估 7% 剩余容量时进行“重设”；毕竟“重设”在医疗维生装置中，是不符合实际需求的作法。使用这项技术后，便不需要为符合特定的备援时间范围，对电池容量进行大幅的设计，也不需要在生产阶段对每个电池进行循环，因此能提供成本较低的解决方案。
了解并追踪每个电池的阻抗，是精确预测剩余运作时间与能量的关键。如前所述，影响电池老化最重要的原因是高温，以及使用超过最大电压的方式充电；即使只超过 50mV，都会让电池的寿命减半。锂离子电池的内部阻抗，会随着正常使用的充电／放电周期而增加（即老化），阻抗也会在低温时大幅增加（不缩减使用寿命）。
Impedance Track 算法的调整性质，可以藉由监控电池在松弛与负载状态下的电压，以及合并充电与放电过程中的电流，对老化因素进行监控。阻抗受到持续监控，便不需要凭经验“猜测”，在电池整个使用寿命过程中，皆可精确计算出确实的电池容量。
