挑戰
由於醫療系統必須備有穩定電源，為了確保電源不中斷，需要使用到備用電池。較大型醫療裝置所採用的不間斷電源一般來自鉛酸電池，這類裝置實際上需要造價同樣昂貴的精密運轉系統，系統不但龐大笨重，價格也不便宜。不過，現在有了最新型的電池電力量測電子技術，因此可以安全使用鋰離子電池，精確地判定剩餘電量。相較於過去使用的鉛酸電池技術，這種方式可以大幅縮減醫療儀器的尺寸與重量。
一般而言，鉛酸電池的替代品為鎳氫 (NiMH) 或鋰離子 (Li-Ion) 化學電池，兩者皆可提供較佳的能量密度。鋰離子電池可提供最高能量密度，不過具有較多易揮發的化學物質，如未經妥善處理則有安全上的顧慮。就病患使用的緊急系統而言，無論使用哪一種化學電池，都必須能精確預估剩餘電量。使用鋰離子電池，可同時提供精確的電力量測，以及最高的能量密度，在雙方面達到最佳效果。
過去的電池量測電子技術，會隨時間出現剩餘電量報告不準確的情形。我們只能根據個人經驗，判斷每個電池的使用時間能維持多久。鋰離子電池之所以可用容量隨時間降低的主要原因，是因為電解質陽極／陰極材料的內部阻抗增加。鋰離子電池已知的特性如下：阻抗與溫度的相關性極高、放電時阻抗會產生變化，以及高溫與些微的過壓充電，會大幅降低電池容量。在一百次的充電／放電週期之後，內部阻抗會變成原來的兩倍，如圖 1 所示 （週期的定義為超過 70% 的能量進出電池）。如果對充電電壓最大值 4.2V 的電池進行充電，即使電壓只比最大值多出 50mV，也會減少電池一半的壽命（圖 2）。放電超過 80% 的電池，在室溫至攝氏零度的環境中，會增加五倍的阻抗（~300mOhm 至大於 1.5ohm 直流電阻抗）。請參閱圖 3。
圖 1 阻抗會隨著充電／放電老化而改變。使用阻抗較高的老化鋰離子電池，會較快達到系統的終止電壓。
圖 2 充電電壓會影響電池的使用壽命，鋰離子電池需要高度精確的充電電壓，才能正確進行充電。過度充電會縮短電池的週期壽命。
圖 3 鋰離子阻抗與溫度以及放電深度 (DOD) 有關。鋰離子電池阻抗與溫度的關聯性相當高，每上升 10oC，會減少 1.5 倍的阻抗。
阻抗是整體方程式的關鍵。過去使用電池設計進行製造，是非常複雜的過程。需要了解在最小／室內／最大溫度中的一般放電特性，以針對放電預估，產生多項式方程式中使用的係數。如果想了解個別電池阻抗的實際變化情形，只能利用預估的方式。此外，傳統的電力量測裝置需要在近乎完全放電的狀態下，「重設」電池的最大容量。一般來說，這是由 7% 與 3% 預估剩餘容量的特定電壓進行啟動。改進作法是使用補償終止放電電壓值 (CEDVs)，依據電池負載電流修正 7% 與 3% 預估值的啟動電壓；這純粹根據電壓測量所進行。
如果考慮所有不確定因素，設計人員知道電池容量報告的準確度，可能最多會偏離 20%。由於電池容量隨時間減退的情形難以預測，也需要對使用者獲得的電力量測預估容量資訊，提供緩衝空間，設計人員一開始可能會將實際需要的容量加倍。可靠的醫療系統必須提供精確資訊，不能像筆記型電腦一樣顯示剩餘的運作時間，例如「電池容量還可維持 20 分鐘，您必須立即插上插頭！」（此訊息出現在電池電壓預估剩餘電量為 7% 時）。
解決方案
這種電池實際容量報告不精確的情形，並不會出現在德州儀器（TI）開發的下一代 Impedance TrackTM 演算法技術中。這種演算法會判定鋰離子電池的充電狀態，並使用下列參數作為綜合電池模組的一部分，完整預估放電行為：
1.電池的總化學容量 (Qmax) 最初依據規格表設定（例如 18650 圓柱形電池為 2400 mAhr），不過電池進行首次充電／放電週期後，會自動由電力量測進行更新。
2.進出電池的電量，是由「庫侖計算 (coulomb counting) 」程序所測量／獲取。
3.目前系統中的負載電流（平均與尖峰負載）。
4.電池輸送電流時，由於溫度、電池老化影響，以及放電過程產生內部電阻變化等因素，每個電池的阻抗會隨著充電狀態而有所不同。
5.電池斷路的「鬆弛」電壓是在輕負載 (
精確的電池容量預估，可由以下方式計算：
1.測量電池斷路電壓（在鬆弛狀態）
2.監控負載時電池的電壓分布（尋找電池阻抗）以及
3.合併進出電池的電流。
所有使用完全相同化學／陽極／陰極材料的鋰離子電池，都具有非常相似的鬆弛電壓／充電狀態分布。令人驚訝的是，這與電池製造過程無關。藉由這項資訊，我們能判定電池的最大容量以及剩餘容量。
舉例而言，如果您知道以下資訊：1) 3.6V 的鬆弛電壓代表 10% 的充電狀態；2) 充電時電力量測合併數值為 1000mA；以及 3) 產生的 3.95V 斷路電壓代表 93% 的充電狀態，則電池的真實容量為 1206mAh (1000mA/83%)。如果電池在接受 1A 的充電電流時，電壓由 3.6 增加至 3.8V，則室溫下 10% 充電狀態的直流電阻抗為 0.2 Ohm。如果系統可容忍的最小電壓是 3V，Impedance Track 就會計算並報告電池剩餘的使用時間，例如在 10% 的充電狀態下，1A 負載可維持 7 分鐘。
過去幾年間，電子硬體的製造不斷進步。原始的晶片組包含三個獨立的 IC：1) 電力量測微處理器；2) 類比前端 (AFE)；以及 3) 第二過電壓保護元件。微處理器整合電流並執行電力量測演算法，並直接與類比前端進行通訊。能容忍高電壓的類比前端，負責測量電池電壓（與整合式類比數位轉換器共同進行），可提供過電流保護，並可執行電池平衡。這兩種 IC 都可以安全獨立地運作。獨立的第二過電壓保護元件，則作為第三層級的保護，可針對永久故障狀況啟動化學保險絲（鋰離子電池最危險的狀況就是電壓過高，因為可能造成起火燃燒）。
最新的鋰離子電池計量器，將微處理器與類比前端整合為單一塑膠封裝，因而大幅降低了系統複雜性以及電路板的空間需求。與電力量測之間的通訊，則是由 SMBus 標準協定負責（SMBus 是以 I2C 通訊協定為基礎）。詳細資訊請參閱 www.smbus.org 網站。電力量測可以直接和相容的電池充電器或微處理器，進行通訊。
Impedance Track 技術實際上是成本較低電池的解決方案，有了這項技術，就不需要生產學習的循環過程。就大容量的電池而言，這項過程可能需要幾個小時才能完成。目前，每個生產的電池都配備「黃金影像」的檔案，這個檔案是在工程評估階段所建立。Impedance Track 演算法會依據電池狀態，持續進行調整。因此在電池首次實際放電時，Impedance Track 可以在放電或充電的前 40% 之內，精確了解確實的電池容量，電池容量報告的正確率可達 99%。
結論
醫療工程人員可以使用 Impedance Track 電池量測技術，設計出具有更穩定電池備援的維生設備與可攜式裝置。這項技術最重要的一點，就是可以大幅提升電力量測的準確度，不需要在預估 7% 剩餘容量時進行「重設」；畢竟「重設」在醫療維生裝置中，是不符合實際需求的作法。使用這項技術後，便不需要為符合特定的備援時間範圍，對電池容量進行大幅的設計，也不需要在生產階段對每個電池進行循環，因此能提供成本較低的解決方案。
了解並追蹤每個電池的阻抗，是精確預測剩餘運作時間與能量的關鍵。如前所述，影響電池老化最重要的原因是高溫，以及使用超過最大電壓的方式充電；即使只超過 50mV，都會讓電池的壽命減半。鋰離子電池的內部阻抗，會隨著正常使用的充電／放電週期而增加（即老化），阻抗也會在低溫時大幅增加（不縮減使用壽命）。
Impedance Track 演算法的調整性質，可以藉由監控電池在鬆弛與負載狀態下的電壓，以及合併充電與放電過程中的電流，對老化因素進行監控。阻抗受到持續監控，便不需要憑經驗「猜測」，在電池整個使用壽命過程中，皆可精確計算出確實的電池容量。
由於醫療系統必須備有穩定電源，為了確保電源不中斷，需要使用到備用電池。較大型醫療裝置所採用的不間斷電源一般來自鉛酸電池，這類裝置實際上需要造價同樣昂貴的精密運轉系統，系統不但龐大笨重，價格也不便宜。不過，現在有了最新型的電池電力量測電子技術，因此可以安全使用鋰離子電池，精確地判定剩餘電量。相較於過去使用的鉛酸電池技術，這種方式可以大幅縮減醫療儀器的尺寸與重量。
一般而言，鉛酸電池的替代品為鎳氫 (NiMH) 或鋰離子 (Li-Ion) 化學電池，兩者皆可提供較佳的能量密度。鋰離子電池可提供最高能量密度，不過具有較多易揮發的化學物質，如未經妥善處理則有安全上的顧慮。就病患使用的緊急系統而言，無論使用哪一種化學電池，都必須能精確預估剩餘電量。使用鋰離子電池，可同時提供精確的電力量測，以及最高的能量密度，在雙方面達到最佳效果。
過去的電池量測電子技術，會隨時間出現剩餘電量報告不準確的情形。我們只能根據個人經驗，判斷每個電池的使用時間能維持多久。鋰離子電池之所以可用容量隨時間降低的主要原因，是因為電解質陽極／陰極材料的內部阻抗增加。鋰離子電池已知的特性如下：阻抗與溫度的相關性極高、放電時阻抗會產生變化，以及高溫與些微的過壓充電，會大幅降低電池容量。在一百次的充電／放電週期之後，內部阻抗會變成原來的兩倍，如圖 1 所示 （週期的定義為超過 70% 的能量進出電池）。如果對充電電壓最大值 4.2V 的電池進行充電，即使電壓只比最大值多出 50mV，也會減少電池一半的壽命（圖 2）。放電超過 80% 的電池，在室溫至攝氏零度的環境中，會增加五倍的阻抗（~300mOhm 至大於 1.5ohm 直流電阻抗）。請參閱圖 3。
圖 1 阻抗會隨著充電／放電老化而改變。使用阻抗較高的老化鋰離子電池，會較快達到系統的終止電壓。
圖 2 充電電壓會影響電池的使用壽命，鋰離子電池需要高度精確的充電電壓，才能正確進行充電。過度充電會縮短電池的週期壽命。
圖 3 鋰離子阻抗與溫度以及放電深度 (DOD) 有關。鋰離子電池阻抗與溫度的關聯性相當高，每上升 10oC，會減少 1.5 倍的阻抗。
阻抗是整體方程式的關鍵。過去使用電池設計進行製造，是非常複雜的過程。需要了解在最小／室內／最大溫度中的一般放電特性，以針對放電預估，產生多項式方程式中使用的係數。如果想了解個別電池阻抗的實際變化情形，只能利用預估的方式。此外，傳統的電力量測裝置需要在近乎完全放電的狀態下，「重設」電池的最大容量。一般來說，這是由 7% 與 3% 預估剩餘容量的特定電壓進行啟動。改進作法是使用補償終止放電電壓值 (CEDVs)，依據電池負載電流修正 7% 與 3% 預估值的啟動電壓；這純粹根據電壓測量所進行。
如果考慮所有不確定因素，設計人員知道電池容量報告的準確度，可能最多會偏離 20%。由於電池容量隨時間減退的情形難以預測，也需要對使用者獲得的電力量測預估容量資訊，提供緩衝空間，設計人員一開始可能會將實際需要的容量加倍。可靠的醫療系統必須提供精確資訊，不能像筆記型電腦一樣顯示剩餘的運作時間，例如「電池容量還可維持 20 分鐘，您必須立即插上插頭！」（此訊息出現在電池電壓預估剩餘電量為 7% 時）。
解決方案
這種電池實際容量報告不精確的情形，並不會出現在德州儀器（TI）開發的下一代 Impedance TrackTM 演算法技術中。這種演算法會判定鋰離子電池的充電狀態，並使用下列參數作為綜合電池模組的一部分，完整預估放電行為：
1.電池的總化學容量 (Qmax) 最初依據規格表設定（例如 18650 圓柱形電池為 2400 mAhr），不過電池進行首次充電／放電週期後，會自動由電力量測進行更新。
2.進出電池的電量，是由「庫侖計算 (coulomb counting) 」程序所測量／獲取。
3.目前系統中的負載電流（平均與尖峰負載）。
4.電池輸送電流時，由於溫度、電池老化影響，以及放電過程產生內部電阻變化等因素，每個電池的阻抗會隨著充電狀態而有所不同。
5.電池斷路的「鬆弛」電壓是在輕負載 (
精確的電池容量預估，可由以下方式計算：
1.測量電池斷路電壓（在鬆弛狀態）
2.監控負載時電池的電壓分布（尋找電池阻抗）以及
3.合併進出電池的電流。
所有使用完全相同化學／陽極／陰極材料的鋰離子電池，都具有非常相似的鬆弛電壓／充電狀態分布。令人驚訝的是，這與電池製造過程無關。藉由這項資訊，我們能判定電池的最大容量以及剩餘容量。
舉例而言，如果您知道以下資訊：1) 3.6V 的鬆弛電壓代表 10% 的充電狀態；2) 充電時電力量測合併數值為 1000mA；以及 3) 產生的 3.95V 斷路電壓代表 93% 的充電狀態，則電池的真實容量為 1206mAh (1000mA/83%)。如果電池在接受 1A 的充電電流時，電壓由 3.6 增加至 3.8V，則室溫下 10% 充電狀態的直流電阻抗為 0.2 Ohm。如果系統可容忍的最小電壓是 3V，Impedance Track 就會計算並報告電池剩餘的使用時間，例如在 10% 的充電狀態下，1A 負載可維持 7 分鐘。
過去幾年間，電子硬體的製造不斷進步。原始的晶片組包含三個獨立的 IC：1) 電力量測微處理器；2) 類比前端 (AFE)；以及 3) 第二過電壓保護元件。微處理器整合電流並執行電力量測演算法，並直接與類比前端進行通訊。能容忍高電壓的類比前端，負責測量電池電壓（與整合式類比數位轉換器共同進行），可提供過電流保護，並可執行電池平衡。這兩種 IC 都可以安全獨立地運作。獨立的第二過電壓保護元件，則作為第三層級的保護，可針對永久故障狀況啟動化學保險絲（鋰離子電池最危險的狀況就是電壓過高，因為可能造成起火燃燒）。
最新的鋰離子電池計量器，將微處理器與類比前端整合為單一塑膠封裝，因而大幅降低了系統複雜性以及電路板的空間需求。與電力量測之間的通訊，則是由 SMBus 標準協定負責（SMBus 是以 I2C 通訊協定為基礎）。詳細資訊請參閱 www.smbus.org 網站。電力量測可以直接和相容的電池充電器或微處理器，進行通訊。
Impedance Track 技術實際上是成本較低電池的解決方案，有了這項技術，就不需要生產學習的循環過程。就大容量的電池而言，這項過程可能需要幾個小時才能完成。目前，每個生產的電池都配備「黃金影像」的檔案，這個檔案是在工程評估階段所建立。Impedance Track 演算法會依據電池狀態，持續進行調整。因此在電池首次實際放電時，Impedance Track 可以在放電或充電的前 40% 之內，精確了解確實的電池容量，電池容量報告的正確率可達 99%。
結論
醫療工程人員可以使用 Impedance Track 電池量測技術，設計出具有更穩定電池備援的維生設備與可攜式裝置。這項技術最重要的一點，就是可以大幅提升電力量測的準確度，不需要在預估 7% 剩餘容量時進行「重設」；畢竟「重設」在醫療維生裝置中，是不符合實際需求的作法。使用這項技術後，便不需要為符合特定的備援時間範圍，對電池容量進行大幅的設計，也不需要在生產階段對每個電池進行循環，因此能提供成本較低的解決方案。
了解並追蹤每個電池的阻抗，是精確預測剩餘運作時間與能量的關鍵。如前所述，影響電池老化最重要的原因是高溫，以及使用超過最大電壓的方式充電；即使只超過 50mV，都會讓電池的壽命減半。鋰離子電池的內部阻抗，會隨著正常使用的充電／放電週期而增加（即老化），阻抗也會在低溫時大幅增加（不縮減使用壽命）。
Impedance Track 演算法的調整性質，可以藉由監控電池在鬆弛與負載狀態下的電壓，以及合併充電與放電過程中的電流，對老化因素進行監控。阻抗受到持續監控，便不需要憑經驗「猜測」，在電池整個使用壽命過程中，皆可精確計算出確實的電池容量。
