受夠了「電池容量還可維持20分鐘」，卻老是在5分鐘後就斷電嗎？新一代演算技術Impedance Track由於可以各式參數中計算出鋰離子電池的充電狀態，因此可精準掌握電池的剩餘電量，特別有助各式醫療裝置在充電與否的關鍵抉擇。
由於醫療系統必須備有穩定電源，為了確保電源不中斷，備用電池更是必備品。對較大型的醫療裝置來說，採用的不間斷電源多半來自鉛酸電池，這類裝置實際上需要造價同樣昂貴的精密系統才能運轉，不但龐大笨重，價格也不便宜。 不過，隨著電池電力量測電子技術的演進，相關人員就可以安全地使用鋰離子電池，精確判定剩餘電量。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。
預估電量不準確 實際應用困擾多
鉛酸電池的替代品多為鎳氫(NiMH)或鋰離子(Li-Ion)化學電池，兩者皆可提供較佳的能量密度。不過，鋰離子電池卻具有較多易揮發的化學物質，一旦未經妥善處理，就容易有安全上的顧慮。
此外，就病患使用的緊急系統而言，無論使用哪一種化學電池，都必須精確預估剩餘電量，才能讓醫療服務正常進行。而若使用鋰離子電池，則可同時提供精確電力量測，以及最高的能量密度，在雙方面都達到最佳效果。
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。很多時候都只能根據個人經驗，才能判斷每個電池的使用時間能維持多久。試想，醫療救護人員在緊急護送傷患就醫的時候，若是原來被告知還有20%電量的可攜式醫療裝置，在一瞬之間電力耗盡，將會造成多大的影響？也因此，實際電量的估算，引起近來的一陣話題。
鋰離子電池可用容量之所以會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。其相關特性包括：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，都會大幅降低電池容量。
一般來說，在一百次的充電與放電週期之後，內部阻抗就會變成原來的兩倍(圖1)，在這裡的週期定義為超過70%的能量進出電池。舉例來說，如果對充電電壓最大值4.2伏特的電池進行充電，即使電壓只比最大值多出50毫伏特，也會減少電池一半的壽命(圖2)。而放電超過80%的電池，在室溫0℃的環境中，則會增加五倍的阻抗，即300毫歐姆倍數增加至大於1.5歐姆的直流電阻抗(圖3)。
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| 圖1 阻抗會隨著充電/放電老化而改變，而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。 |
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| 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，但過度充電也會縮短電池的週期壽命。 |
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| 圖3 鋰離子阻抗與溫度以及放電深度(DOD)有關，如每上升10℃，就會減少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。過程中須要了解在最低、室內、最高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，就只能利用預估的方式。此外，傳統電力量測裝置須要在近乎完全放電的狀態下，「重設」電池的最大容量。也就是說，要由7%與3%預估剩餘容量的特定電壓進行啟動。
目前的改進作法是使用補償終止放電電壓值(CEDV)，依據電池負載電流修正7%與3%預估值的啟動電壓，而這一切純粹根據電壓測量所進行。
如果將所有不確定因素都考慮進去，設計人員最後知道電池容量報告的準確度，最多可能會偏離高達20%。也由於電池容量隨時間減退的情形難以預測，因此使用者更加需要電力量測預估容量資訊。
舉例來說，可靠醫療系統必須提供精確資訊，不能像筆記型電腦一樣顯示不精準的剩餘運作時間，例如當電池電壓預估剩餘電量為7%，系統告知「電池容量還可維持20分鐘」時，實際運作時間卻不到20分鐘，將可能造成無法挽回的缺憾。 在這樣的情形下，為了提供緩衝空間，在最初的設計時，開發人員就可能須要將實際容量加倍，這也可能帶來高昂成本與複雜的系統。
新一代演算法 提供精準剩餘電量
值得慶幸的是，這種電池實際容量報告不精確的情形，並不會出現在新開發的下一代演算法技術Impedance Track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。
相關參數包括電池的總化學容量(Qmax)，最初依據規格表設定，例如18650圓柱形電池為2,400毫安時(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。此外，進出電池的電量，是由庫侖計算(Coulomb Counting)程序所測量並獲取，而目前系統中的負載電流，即平均與尖峰負載，也同樣左右鋰離子電池的充電狀態。
而電池輸送電流時，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，每個電池的阻抗也都會隨著充電狀態而有所不同。至於電池斷路的鬆弛電壓是在輕負載(＜C/20)時測量，取樣期間電池電壓的變化小於數微伏特。電池完全充電後，相較於電量耗盡時，所需的休息時間較短。
精確的電池容量預估，計算方式包括在鬆弛狀態測量電池斷路電壓、監控負載時電池的電壓分布，即尋找電池阻抗以及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與充電狀態分布。令人驚訝的是，這與電池製造過程無關。藉由這項資訊，即能判定電池的最大容量以及剩餘容量。
舉例而言，如果已獲得3.6伏特的鬆弛電壓代表10%充電狀態；充電時電力量測合併數值為1,000毫安培；以及產生的3.95伏特斷路電壓代表93%的充電狀態等資訊，那麼即可推算出電池的真實容量為1,206毫安時(1,000毫安培/83%)。如果電池在接受1安培的充電電流時，電壓由3.6伏特增加至3.8伏特，則室溫下10%充電狀態的直流電阻抗為0.2歐姆；如果系統可容忍的最小電壓是3伏特，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，1安培負載可維持7分鐘。
過去幾年間，電子硬體的製造不斷進步。原始晶片組包含三個獨立的IC，分別是電力量測微處理器、類比前端(AFE)以及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，同時直接與類比前端進行通訊。能容忍高電壓的類比前端，則負責測量電池電壓，並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，避免鋰離子電池因為電壓過高造成起火燃燒。
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及電路板的空間需求。與電力量測之間的通訊，則是由以I2C通訊協定為基礎的SMBus標準協定負責，詳細資訊可參閱www.smbus.org網站。電力量測則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，就不須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%。
而一般醫療工程人員可使用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，不須要在預估7%剩餘容量時進行「重設」；畢竟在醫療維生裝置中，「重設」是不符實際需求的作法。使用這項技術後，便不須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，也毋須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50毫伏特，都會讓電池壽命減半。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；在不縮減使用壽命的前提下，阻抗也會在低溫時大幅增加。
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，便不須憑經驗猜測，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。
(本文作者任職於德州儀器)