可靠的備用電池有助於生命維持醫療設備在市電中斷、病人轉運和電池更換期間維持關鍵功能。然而，增加第二顆電池並不能完全消除電源系統故障。共用的連接器、充電電路、控制電子設備或電源轉換器仍可能導致兩條供電路徑同時中斷。
冗餘電池架構必須能夠應對設備風險分析中識別出的故障。每條可用的電源路徑都需要足夠的輸出能力、適當的故障隔離以及經過驗證的切換行為。工程師還必須考慮剩餘電池在低溫和電池老化條件下是否能夠支援所需的運行時間。
對於 醫療電池解決方案設計首先要考慮設備的基本性能和功耗要求。電池數量、電池化學成分、熱插拔功能和監控功能都應遵循這些要求。
快速回答： 當單一電池或電源路徑故障可能造成不可接受的風險，或必須在不中斷運作的情況下更換電池時，應考慮採用冗餘電池路徑。驗證剩餘電源是否能夠支援所需的負載和持續時間，並評估可能破壞冗餘的共用組件。
關鍵要點
確定電源故障後必須保持可用的功能和運作時間。
確認剩餘電池能夠支援所需的負載，包括啟動和瞬態需求。
評估共用充電器、轉換器、連接器、韌體和熱狀況，找出常見故障原因。
協調 電池管理系統 (BMS) 具有電源路徑保護、電源選擇和設備警報功能。
使用代表性的工作條件，驗證整個裝置的電池拆卸、故障隔離和電源轉換。
第一部分：醫療設備何時需要電池冗餘？
當單一電池或電源通路的故障可能造成不可接受的風險時，電池冗餘就顯得尤為重要。設計決策應先考慮設備的預期用途、關鍵性能以及對斷電的反應需求。
例如，轉運呼吸器可能需要在與市電斷開連接的情況下維持通氣。其電源架構必須考慮到預計的轉運時間、運作設定、警報功能以及可用的干預時間。第二顆電池可以提高可用性，但前提是當第一顆電池斷電時，它仍然能夠支援所需的功能。
在選擇架構之前，請先確定三個要求：
電源： 剩餘電源必須提供的連續和瞬態負載。
能源： 電源故障後所需的運轉時間。
過渡行為： 該設備能夠承受的電壓幹擾和中斷。
電池組可能擁有足夠的能量以滿足所需的運行時間，但電流容量不足以啟動馬達。反之，它可能能夠滿足峰值需求，但在老化或低溫處理後，可用能量可能不足。
對於 醫療電池解決方案這些要求應根據整台設備進行驗證。醫院緊急電源、外部UPS和內建電池的作用各不相同。設備斷電或在不同位置移動時，設施備用電源無法確保電源連續性。
第二部分：雙封裝、N+1 和 2N 架構
兩組電池可以提供額外的運行時間、冗餘備份，或者兩者兼具。差別在於當其中一組電池失效後，系統還能正常運作。
卓越的建築 | 工作原理 | 關鍵設計問題 |
|---|---|---|
雙包裝容量擴展 | 兩個電池組都為所需的功率或運行時間做出貢獻。 | 剩餘的包裝材料能否單獨滿足既定要求？ |
N + 1 | 除指定負載所需的 N 個單元外，還額外提供一個供電單元。 | 系統能否承受單一單元的損失？ |
2N | 提供兩套完整的供電裝置，每套裝置都能滿足規定的要求。 | 在定義的架構邊界內，這些路徑是否夠獨立？ |
如果設備需要兩個電池組才能支援其最大負載，那麼任何一個電池組失效都可能導致設備功能降低或關機。因此，這種設計不能被視為完全冗餘，無法滿足最大負載運行的需求。
同樣，雙組件系統在一個組件發生故障後仍能繼續運行，但備用時間會縮短。應明確說明備用時間，而不是暗示剩餘運行時間仍然可用。
2.1 識別共同故障點
必須對整個電源路徑進行冗餘評估，而不僅僅是在電池端子處。共用組件可能包括：
充電電路和外部適配器
直流/直流轉換器和功率選擇控制器
連接器、線路和公共電源匯流排
韌體、通訊介面和輔助電源軌
共用組件的故障可能會影響兩個電池組。物理位置接近也可能導致兩個電池組同時遭受液體滲入、衝擊或高溫影響。
利用風險分析來確定哪些故障需要隔離、獨立保護、監控或其他控制措施。僅靠兩顆電池並不能證明足夠的容錯能力。
第三部分：電源路徑隔離與熱插拔控制
熱插拔設計允許在另一家合格的維修機構提供支援的同時，取出並更換電池。成功運作需要對電氣轉換和更換過程進行嚴格控制。
理想二極體電路和功率多工器可以管理電源選擇並限制電源間的反向電流。然而，反向電流阻斷並不能完全隔離所有電氣故障。應分別評估開關裝置短路、共母線故障和控制器電源損失。
3.1 控制電池的插入和取出
插入替換電池組時，電壓差可能會導致突波電流流入設備的輸入電容或其他連接的電源。因此，設計中可能需要採用受控開關、預充電或限流等措施。
除非電路架構設計能夠處理由此產生的電流，否則不要直接連接端電壓不同的電池組。
在允許移除電源之前，設備應確定剩餘電源是否能夠支援所需的負載。根據預期的工作流程，介面可以指示可以移除哪個電源包，並在備用容量不足時發出警告。
3.2 過渡期間的供應軌道驗證
目前尚無通用的開關時間目標值來界定可接受的熱插拔性能。應評估供電電路的電壓，並確認裝置的性能是否在其規定的範圍內。
有用的驗證條件包括：
測試條件 | 需要驗證什麼 |
|---|---|
在最大預期負載下拆卸電池 | 供電電壓保持在允許範圍內 |
剩餘電量低 | 可用功率和運行時間滿足規定的儲備 |
剩餘包裝 | 電阻增大不會導致不可接受的電壓降。 |
替換包裝插入 | 突波電流和反向電流均在元件限值範圍內。 |
電池保護關機 | 備用電源按預期響應 |
更換過程中通訊中斷 | 本地保護措施和既定的備用方案仍然可用。 |
保持電容或超級電容有助於應對短時電壓轉換。它們的選擇取決於負載、允許的電壓降、等效串聯電阻 (ESR)、溫度和老化情況。它們是電源路徑設計的補充，但並不能完全避免故障。
第四部分：電芯選擇、電池管理系統與熱保護
電池化學成分的選擇應符合設備的功率、運行時間、尺寸和服務要求。磷酸鐵鋰電池（LiFePO4）具有良好的熱穩定性和循環壽命，而鎳鉬酸鋰電池（NMC）則可為便攜式設備提供更高的能量密度。應在相關條件下比較特定型號的電池，而不是依賴化學成分通用的安全評級。
對於 客製化鋰電池組評估電池組在預期使用壽命結束時的可用能量和峰值電流能力。新電池組在室溫下的容量不足以證明其在整個設備使用壽命期間的備用性能。
4.1 分別定義包裝保護與系統控制
这 電池管理系統 (BMS) 監測電芯狀態並執行電池組的保護功能。設備的功率控制器負責電源選擇、負載支援和充電協調。這些功能可以整合在一起，但其各自的職責應保持明確。
電池均衡可以減少串聯電池之間的不平衡。被動均衡會消耗部分電池的能量，而主動均衡則會轉移能量。這兩種方法都不能修復效能下降的電池，也不能保證所有電池的可用容量相等。
電量狀態和健康狀態均為估算值。其不確定性應納入剩餘電量計算和低電量警告的考慮範圍，尤其是在電池組的使用年限、溫度或使用歷史有差異的情況下。
即使主機通訊失敗，本地保護機制也應保持有效。設備應能偵測過時或缺少的電池數據，並根據其設定的運作要求做出回應。
4.2 根據可用功率預算協調充電
當電源和充電電路支援時，可以同時充電。當輸入功率或熱容量有限時，順序充電可能更為合適。
控制器應在設備運作、電池充電和輔助負載之間分配功率。當市電斷開、插入電池組或充電需求變更時，應驗證功率轉換是否正常。
保護設定還必須能夠適應正常的設備瞬態，而不允許在電池和組件的批准限制之外運作。
4.3 處理電氣和熱故障
將電池組與負載斷開並不一定能阻止內部電芯短路。因此，除了電芯選擇、機械保護和散熱設計之外，還需要考慮電氣保護。
評估電池組之間的熱傳遞、外殼條件、感測器位置以及潛在的故障傳播。風扇或液冷是取決於特定應用的選擇，並非所有醫療電池系統的標準要求。
電子保護開關和傳統熔斷器功能各異。二者的協調配合應考慮故障電流、分斷能力、反應時間及可能的故障模式。只有在評估過恢復效能後，才能啟用故障後自動重新啟動功能。
第五部分：系統驗證與風險管理
IEC 60601-1 規定了醫用電氣設備的基本安全性和基本性能。適用的配套標準和特定設備標準可能會引入其他要求。 ISO 14971 提供了風險管理流程，用於識別危險、評估風險、實施控制措施並評估其有效性。
冗餘拓撲結構是一種可能的風險控制措施。其有效性必須在整個設備中得到驗證；僅標註「2N」並不代表符合要求。
5.1 將故障場景轉換為測試
首先從風險分析中確定的缺陷入手，並制定可衡量的驗收標準。
故障場景 | 驗收標準範例 |
|---|---|
主電源中斷 | 所需功能在規定的範圍內繼續運行 |
其中一塊電池無法使用。 | 剩餘資源支援指定的負載和持續時間 |
備用電池效能下降或已斷開連接 | 該設備可識別不可用的儲備金並提供所需的指示。 |
資料包通訊失敗 | 偵測到無效數據，並執行預先定義的備用回應。 |
插入電池會造成瞬態 | 未發生任何不可接受的複位、電壓波動或中斷。 |
共用電源路徑組件故障 | 由此產生的行為滿足適用的風險控制要求。 |
故障測試應採用與待評估故障相適應的受控方法進行。人為製造內部電池短路並不能取代預先規劃的系統級故障模擬。
5.2 包括老化和環境因素
測試典型運行工況，包括預期最高連續需求和相關負載瞬變。測試工況應包括低荷電狀態、老化電池組以及規定的工作溫度範圍。
確認在某個電源不可用後所需的備用電源持續時間。同時評估警報時機以及是否有足夠的能量來執行預期的回應。
記錄硬體、韌體、電芯型號、電池組配置、測試條件和驗收標準。任何影響功耗或電源管理的變更都應進行影響評估，以確定是否需要重新驗證。
5.3 保持可追溯的生產記錄
使用包裝標識符和受控記錄將產品與相關的組件批次、韌體版本和測試結果關聯起來。儲存方法應支援品質系統和服務流程。
雲端儲存和內建儲存都是可行的實現方式，但都不是普遍必要的。目標是可靠地檢索調查、維修和糾正措施所需的資訊。
第六部分：備份準備與維護
如果備用電池的效能下降直到主電源失效才被發現，那麼備用電池的作用就十分有限。就緒狀態監控應確保備用電池已連接、已充電，並且能夠勝任其預定任務。
僅憑電壓無法確定剩餘容量或功率能力。請使用經過驗證的電池容量估算方法、診斷程序以及適用於設備的定期性能檢查。
6.1 根據設備要求設定更換標準
更換標準應考慮可用運轉時間、負載下的電壓下降、異常溫度、物理損壞和診斷故障。單一的循環次數閾值可能無法充分反映備用電池的狀況。
請遵循設備製造商認可的充電和存放說明。設計為始終連接電源的設備可能需要與存放於倉庫中的可拆卸電池組不同的維護策略。
當有帶電的備用電池可用時，熱插拔可以支援延長運行時間，但工作流程必須考慮到更換錯誤、備用電池不足和連接器磨損等問題。
6.2 利用診斷結果支持服務決策
本地電池管理系統 (BMS) 的估算值和記錄的運行資料有助於識別效能下降的情況。預測分析可以提供額外信息，但並不能保證檢測到未來發生的每一種故障。
即使沒有雲端連接，也應保持必要的保護和警報功能。維護決策應結合診斷結果、已驗證的服務標準以及設備的預期用途。
有效的冗餘電池設計能夠展示當一個電源發生故障時會發生什麼，剩餘電源能夠維持設備運行多長時間，以及如何將備用電源不足的情況告知操作人員。這些經過驗證的行為為可靠的備用電源運作奠定了基礎。
常見問題
N+1冗餘和2N冗餘有什麼差別？
N 代表滿足指定負載所需的供電容量或供電單元數量。 N+1 表示增加一個單元，以便在剩餘單元滿足運作要求的前提下，系統能夠容忍一個單元的故障。
2N 提供兩組完整的供電系統，每套系統都能獨立支援指定的負載。對於電池系統，這種支援能力必須包括功率和所需的備用時間。
這兩種標籤都不能保證完全的故障隔離。請明確架構邊界並識別所有共用元件。
使用兩組電池是否會使醫療設備變得多餘？
只有當系統能夠在維持所需功能的同時容忍任一電池組的相關故障時，才能實現冗餘。兩個必須同時運作才能為負載供電的電池組可以提供額外的容量，但可能無法提供冗餘。
共用的轉換器、連接器或控制電路也可能成為單點故障。電池組之間的電氣隔離本身並不能阻止相鄰電池組之間的熱傳導。
對於冗餘醫療電池組，應該選擇磷酸鋰鐵電池還是NMC鋰電池？
將各種電芯與設備的運作時間、峰值電流、重量、體積、充電和使用壽命要求進行比較。磷酸鐵鋰電池（LiFePO4）具有良好的熱穩定性和循環壽命，而鎳鉬酸鋰電池（NMC）則可為小型設備提供更高的能量密度。
這兩種化學特性本身都無法確保系統安全。電池品質、電池組結構、保護措施、熱設計以及整機驗證仍然至關重要。切勿將通用分解溫度作為允許的工作溫度範圍進行比較。
冗餘電池系統中的熱插拔是如何運作的？
電池移除期間，另一個合格的電源會透過受控的電源路徑為設備供電。理想二極體電路或功率多工器可以管理電源選擇並限制反向電流，而額外的電路可能用於突波電流控制和故障隔離。
熱插拔性能取決於整體設計。需驗證電源電壓降、轉換時間、峰值負載能力以及裝置在拔出和插入過程中的行為。目前尚無通用的開關時間規範能夠保證不間斷運作。
冗餘醫療電池設計應適用哪些標準？
IEC 60601-1 規定了醫用電氣設備的基本安全性和基本性能。適用的輔助標準和特定設備標準可能會引入額外的要求。 ISO 14971 為識別危險、評估風險和實施風險控制提供了架構。
選擇 2N 拓樸結構並不意味著自動證明其符合規範。請記錄相關故障場景、架構決策以及針對目標設備和目標市場的驗證證據。
如何測試冗餘電池架構？
在市電斷電、電池移除以及典型的電池或電源路徑故障情況下，對整個設備進行測試。確認剩餘電源能夠支援所需功能，且不會出現不可接受的電壓下降、重設或警報遺失等情況。
應考慮電池老化、低電量、規定工作範圍內的極端溫度、最大預期負載等因素。評估通訊遺失、感測器故障、充電器故障以及與風險分析相關的共享組件故障。
如何確認備用電池已準備就緒？
監控每個電池組的可用性、溫度、充電狀態和健康狀況，並使用已驗證的檢查方法來檢測斷開連接或效能下降的備用電源。當所需的備用電源不可用時，定義警告或操作限制。
維修人員應根據設備的維護標準驗證其可用容量和功率能力。如果備用電池的效能衰減在主電池失效前未被發現，則備用電池提供的保護作用有限。
