可靠的备用电池有助于生命维持医疗设备在市电中断、病人转运和电池更换期间维持关键功能。然而，增加第二块电池并不能完全消除电源系统故障。共用的连接器、充电电路、控制电子设备或电源转换器仍然可能导致两条供电路径同时中断。
冗余电池架构必须能够应对设备风险分析中识别出的故障。每条可用的电源路径都需要足够的输出能力、适当的故障隔离以及经过验证的切换行为。工程师还必须考虑剩余电池在低温和电池老化条件下是否能够支持所需的运行时间。
对于 医疗电池解决方案设计首先要考虑设备的基本性能和功耗要求。电池数量、电池化学成分、热插拔功能和监控功能都应遵循这些要求。
快速回答： 当单个电池或电源路径故障可能造成不可接受的风险，或者必须在不中断运行的情况下更换电池时，应考虑采用冗余电池路径。验证剩余电源是否能够支持所需的负载和持续时间，并评估可能破坏冗余的共享组件。
关键精华
确定电源故障后必须保持可用的功能和运行时间。
确认剩余电池能够支持所需的负载，包括启动和瞬态需求。
评估共享充电器、转换器、连接器、固件和热状况，找出常见故障原因。
协调 电池管理系统 (BMS) 具有电源路径保护、电源选择和设备报警功能。
使用代表性的工作条件，验证整个设备的电池拆卸、故障隔离和电源转换。
第一部分：医疗设备何时需要电池冗余？
当单个电池或电源通路的故障可能造成不可接受的风险时，电池冗余就显得尤为重要。设计决策应首先考虑设备的预期用途、关键性能以及对断电的响应要求。
例如，转运呼吸机可能需要在与市电断开连接的情况下维持通气。其电源架构必须考虑到预计的转运时间、运行设置、报警功能以及可用的干预时间。第二块电池可以提高可用性，但前提是当第一块电池断电时，它仍然能够支持所需的功能。
在选择架构之前，请先确定三个要求：
电源： 剩余电源必须提供的连续和瞬态负载。
能源： 电源故障后所需的运行时间。
过渡行为： 该设备能够承受的电压干扰和中断。
电池组可能具备足够的能量以满足运行时间要求，但电流不足以启动电机。反之，它可能能够满足峰值需求，但在老化或低温处理后，可用能量可能不足。
对于 医疗电池解决方案这些要求应根据整台设备进行验证。医院应急电源、外部UPS和内置电池的作用各不相同。设备断电或在不同位置移动时，设施备用电源无法确保供电连续性。
第二部分：双封装、N+1 和 2N 架构
两组电池可以提供额外的运行时间、冗余备份，或者两者兼具。区别在于当其中一组电池失效后，系统还能正常运行。
卓越 | 工作原理 | 关键设计问题 |
|---|---|---|
双包装容量扩展 | 两个电池组都为所需的功率或运行时间做出贡献。 | 剩余的包装材料能否单独满足既定要求？ |
N + 1 | 除指定负载所需的 N 个单元外，还额外提供一个供电单元。 | 系统能否承受单个单元的损失？ |
2N | 提供两套完整的供电装置，每套装置均能满足规定的要求。 | 在定义的架构边界内，这些路径是否足够独立？ |
如果设备需要两个电池组才能支持其最大负载，那么任何一个电池组失效都可能导致设备功能降低或关机。因此，这种设计不能被视为完全冗余，无法满足最大负载运行的需求。
同样，双组件系统在一个组件发生故障后仍能继续运行，但备用时间会缩短。应明确说明备用时间，而不是暗示剩余运行时间仍然可用。
2.1 识别共同故障点
必须对整个电源路径进行冗余评估，而不仅仅是在电池端子处。共享组件可能包括：
充电电路和外部适配器
直流/直流转换器和功率选择控制器
连接器、线路和公共电源总线
固件、通信接口和辅助电源轨
共用组件的故障可能会影响两个电池组。物理位置接近也可能导致两个电池组同时遭受液体渗入、冲击或高温影响。
利用风险分析来确定哪些故障需要隔离、独立保护、监控或其他控制措施。仅靠两块电池并不能证明足够的容错能力。
第三部分：电源路径隔离和热插拔控制
热插拔设计允许在另一家合格的维修机构提供支持的同时，取出并更换电池。成功运行需要对电气转换和更换过程进行严格控制。
理想二极管电路和功率多路复用器可以管理电源选择并限制电源间的反向电流。然而，反向电流阻断并不能完全隔离所有电气故障。应分别评估开关器件短路、共母线故障和控制器电源损失。
3.1 控制电池的插入和取出
插入替换电池组时，电压差可能会导致浪涌电流流入设备的输入电容或其他连接的电源。因此，设计中可能需要采用受控开关、预充电或限流等措施。
除非电路架构设计能够处理由此产生的电流，否则不要直接连接端电压不同的电池组。
在允许移除电源之前，设备应确定剩余电源是否能够支持所需的负载。根据预期的工作流程，界面可以指示可以移除哪个电源包，并在备用容量不足时发出警告。
3.2 验证过渡期间的供应轨道
目前尚无通用的开关时间目标值来界定可接受的热插拔性能。请评估供电电路的电压，并确认器件的性能是否在其规定的范围内。
有用的验证条件包括：
测试条件 | 要验证什么 |
|---|---|
在最大预期负载下拆卸电池 | 供电电压保持在允许范围内 |
剩余电量低 | 可用功率和运行时间满足规定的储备 |
剩余包装 | 电阻增大不会导致不可接受的电压降。 |
替换包装插入 | 浪涌电流和反向电流均在元件限值范围内。 |
电池保护关机 | 备用电源按预期响应 |
更换过程中通信中断 | 本地保护措施和既定的备用方案仍然可用。 |
保持电容或超级电容有助于应对短时电压转换。它们的选择取决于负载、允许的电压降、等效串联电阻 (ESR)、温度和老化情况。它们是对电源路径设计的补充，但并不能完全避免故障。
第四部分：电芯选择、电池管理系统和热保护
电池化学成分的选择应符合设备的功率、运行时间、尺寸和服务要求。磷酸铁锂电池（LiFePO4）具有良好的热稳定性和循环寿命，而镍钼酸锂电池（NMC）则可为便携式设备提供更高的能量密度。应在相关条件下比较特定型号的电池，而不是依赖于化学成分通用的安全评级。
对于 定制锂电池组评估电池组在预期使用寿命结束时的可用能量和峰值电流能力。新电池组在室温下的容量不足以证明其在整个设备使用寿命期间的备用性能。
4.1 分别定义包装保护和系统控制
此 电池管理系统 (BMS) 监测电池组状态并执行电池组的保护功能。设备的功率控制器负责电源选择、负载支持和充电协调。这些功能可以集成在一起，但其职责应保持明确。
电池均衡可以减少串联电池之间的不平衡。被动均衡会消耗部分电池的能量，而主动均衡则会转移能量。这两种方法都不能修复性能下降的电池，也不能保证所有电池的可用容量相等。
电量状态和健康状态均为估算值。其不确定性应纳入剩余电量计算和低电量警告的考量范围，尤其是在电池组的使用年限、温度或使用历史存在差异的情况下。
即使主机通信失败，本地保护机制也应保持有效。设备应能检测过时或缺失的电池数据，并根据其设定的运行要求做出响应。
4.2 根据可用功率预算协调充电
当电源和充电电路支持时，可以同时充电。当输入功率或热容量有限时，顺序充电可能更为合适。
控制器应在设备运行、电池充电和辅助负载之间分配功率。当市电断开、插入电池组或充电需求发生变化时，应验证功率转换是否正常。
保护设置还必须能够适应正常的设备瞬态，而不允许在电池和组件的批准限制之外运行。
4.3 处理电气和热故障
将电池组与负载断开并不一定能阻止内部电芯短路。因此，除了电芯选择、机械保护和散热设计之外，还需要考虑电气保护。
评估电池组之间的热传递、外壳条件、传感器位置以及潜在的故障传播。风扇或液冷是取决于具体应用的选择，并非所有医疗电池系统的标准要求。
电子保护开关和传统熔断器功能各异。二者的协调配合应考虑故障电流、分断能力、响应时间和可能的故障模式。只有在评估过恢复性能后，才能启用故障后自动重启功能。
第五部分：系统验证和风险管理
IEC 60601-1 规定了医用电气设备的基本安全性和基本性能。适用的配套标准和特定设备标准可能会引入其他要求。ISO 14971 提供了风险管理流程，用于识别危险、评估风险、实施控制措施并评估其有效性。
冗余拓扑结构是一种可能的风险控制措施。其有效性必须在整个设备中得到验证；仅标注“2N”并不代表符合要求。
5.1 将故障场景转化为测试
首先从风险分析中确定的缺陷入手，并制定可衡量的验收标准。
故障场景 | 验收标准示例 |
|---|---|
主电源中断 | 所需功能在规定的范围内继续运行 |
其中一块电池无法使用。 | 剩余资源支持指定的负载和持续时间 |
备用电池性能下降或已断开连接 | 该设备可识别不可用的储备金并提供所需的指示。 |
数据包通信失败 | 检测到无效数据，并执行预定义的备用响应。 |
插入电池会引起瞬态 | 未发生任何不可接受的复位、电压波动或中断。 |
共享电源路径组件故障 | 由此产生的行为满足适用的风险控制要求。 |
故障测试应采用与待评估故障相适应的受控方法进行。人为制造内部电池短路并不能替代预先计划的系统级故障模拟。
5.2 包括老化和环境因素
测试典型运行工况，包括预期最高连续需求和相关负载瞬变。测试工况应包括低荷电状态、老化电池组以及规定的工作温度范围。
确认在某个电源不可用后所需的备用电源持续时间。同时评估报警时机以及是否有足够的能量来执行预期的响应。
记录硬件、固件、电芯型号、电池组配置、测试条件和验收标准。任何影响功耗或电源管理的变更都应进行影响评估，以确定是否需要重新验证。
5.3 保持可追溯的生产记录
使用包装标识符和受控记录将产品与相关的组件批次、固件版本和测试结果关联起来。存储方法应支持质量体系和服务流程。
云存储和内置存储都是可行的实现方式，但都不是普遍必需的。目标是可靠地检索调查、维修和纠正措施所需的信息。
第六部分：备份准备和维护
如果备用电池的性能下降直到主电源失效才被发现，那么备用电池的作用就十分有限。就绪状态监控应确保备用电池已连接、已充电，并且能够胜任其预定任务。
仅凭电压无法确定剩余容量或功率能力。请使用经验证的电池容量估算方法、诊断程序以及适用于设备的定期性能检查。
6.1 根据设备要求设定更换标准
更换标准应考虑可用运行时间、负载下的电压下降、异常温度、物理损坏和诊断故障。单一的循环次数阈值可能无法充分反映备用电池的状况。
请遵循设备制造商认可的充电和存放说明。设计为始终连接电源的设备可能需要与存放于仓库中的可拆卸电池组不同的维护策略。
当有带电的备用电池可用时，热插拔可以支持延长运行时间，但工作流程必须考虑到更换错误、备用电池不足和连接器磨损等问题。
6.2 利用诊断结果支持服务决策
本地电池管理系统 (BMS) 的估算值和记录的运行数据有助于识别性能下降的情况。预测分析可以提供额外信息，但并不能保证检测到未来发生的每一种故障。
即使没有云连接，也应保持必要的保护和警报功能。维护决策应结合诊断结果、已验证的服务标准以及设备的预期用途。
有效的冗余电池设计能够演示当一个电源发生故障时会发生什么，剩余电源能够支持设备运行多长时间，以及如何将备用电源不足的情况告知操作人员。这些经过验证的行为为可靠的备用电源运行奠定了基础。
常见问题解答
N+1冗余和2N冗余有什么区别？
N 代表满足指定负载所需的供电容量或供电单元数量。N+1 表示增加一个单元，以便在剩余单元满足运行要求的前提下，系统能够容忍一个单元的故障。
2N 提供两套完整的供电系统，每套系统均能独立支持指定的负载。对于电池系统，这种支持能力必须包括功率和所需的备用时间。
这两种标签都不能保证完全的故障隔离。请明确架构边界并识别所有共享组件。
使用两组电池是否会使医疗设备变得多余？
只有当系统能够在维持所需功能的同时容忍任一电池组的相关故障时，才能实现冗余。两个必须同时运行才能为负载供电的电池组可以提供额外的容量，但可能无法提供冗余。
共用的转换器、连接器或控制电路也可能成为单点故障。电池组之间的电气隔离本身并不能阻止相邻电池组之间的热传导。
对于冗余医疗电池组，应该选择磷酸铁锂电池还是NMC锂电池？
将各种电芯与设备的运行时间、峰值电流、重量、体积、充电和使用寿命要求进行对比。磷酸铁锂电池（LiFePO4）具有良好的热稳定性和循环寿命，而镍钼酸锂电池（NMC）则可为小型设备提供更高的能量密度。
这两种化学特性本身都不能确保系统安全。电池质量、电池组结构、保护措施、热设计以及整机验证仍然至关重要。切勿将通用分解温度作为允许的工作温度范围进行比较。
冗余电池系统中的热插拔是如何工作的？
电池移除期间，另一个合格的电源会通过受控的电源路径为设备供电。理想二极管电路或功率多路复用器可以管理电源选择并限制反向电流，而额外的电路可能用于浪涌电流控制和故障隔离。
热插拔性能取决于整体设计。需验证电源电压降、转换时间、峰值负载能力以及器件在拔出和插入过程中的行为。目前尚无通用的开关时间规范能够保证不间断运行。
冗余医疗电池设计应适用哪些标准？
IEC 60601-1 规定了医用电气设备的基本安全性和基本性能。适用的配套标准和特定设备标准可能会引入额外的要求。ISO 14971 为识别危险、评估风险和实施风险控制提供了框架。
选择 2N 拓扑结构并不意味着自动证明其符合规范。请记录相关故障场景、架构决策以及针对目标设备和目标市场的验证证据。
如何测试冗余电池架构？
在市电断电、电池移除以及典型的电池或电源路径故障情况下，对整个设备进行测试。确认剩余电源能够支持所需功能，且不会出现不可接受的电压下降、复位或报警丢失等情况。
应考虑电池老化、低电量、规定工作范围内的极端温度以及最大预期负载等因素。评估通信丢失、传感器故障、充电器故障以及与风险分析相关的共享组件故障。
如何确认备用电池已准备就绪？
监控每个电池组的可用性、温度、充电状态和健康状况，并使用已验证的检查方法来检测断开连接或性能下降的备用电源。当所需的备用电源不可用时，定义警告或操作限制。
维护人员应根据设备的维护标准验证其可用容量和功率能力。如果备用电池的性能衰减在主电池失效前未被发现，则备用电池提供的保护作用有限。
