قد يقضي جهاز تحليل التشخيص المخبري المحمول ساعات في الانتظار بين الاختبارات، ثم يستهلك طاقة أكبر بكثير لمعالجة العينات، والتحكم في درجة الحرارة، والقياس البصري، أو نقل البيانات. يجب أن تدعم بطاريته هذه العملية برمتها، وليس فقط متوسط الحمل. في حال انقطاع التيار الكهربائي الخارجي، قد يكون المطلوب إكمال التحليل الحالي، أو حفظ البيانات، أو مواصلة عدد محدد من الاختبارات.
الهندسة مجموعات بطاريات الليثيوم المخصصة يبدأ حساب استهلاك الطاقة لهذه الأجهزة بثلاث ميزانيات منفصلة: استهلاك الطاقة في وضع الاستعداد، وقدرة تحمل ذروة الأحمال، والطاقة الاحتياطية القابلة للاستخدام. يجب أن تلبي بنية الطاقة الخاصة بالخلية ونظام إدارة البطارية والجهاز المضيف هذه الميزانيات الثلاث معًا.
جواب سريع: قم بقياس استهلاك الطاقة من جانب البطارية في كل وضع تشغيل، وسجل أسوأ تيار نبضي ومدته، وحدد ما يجب أن يستمر بعد انقطاع التيار الكهربائي الخارجي. اختر نطاق جهد البطارية المتوافق مع المحلل، ثم حدد الطاقة اللازمة لفقدان الطاقة أثناء التحويل، والتقادم، ودرجة الحرارة، والاحتياطي. تحقق من صحة المحلل بالكامل باستخدام بيانات تحليل واقعية بدلاً من افتراض أن تصميمًا معينًا يضمن وقت التشغيل.
الوجبات السريعة الرئيسية
الشحن المنفصل، والتخزين مع إيقاف التشغيل، ووضع السكون، ووضع الاستعداد الجاهز للاختبار.
احسب استهلاك الطاقة الإلكترونية بالأمبير-ساعة؛ وقم بتقييم التفريغ الذاتي الكيميائي بشكل منفصل.
اختر عدد التوصيلات المتسلسلة والمتوازية بناءً على نطاق الجهد ومتطلبات الطاقة والتيار.
لا تُعتبر مجموعة الخلايا المتوازية مصدراً مستقلاً للطاقة الاحتياطية.
التحقق من اكتمال الاختبار، وسلامة البيانات، والإنذارات عند حالة البطارية المحددة لنهاية الخدمة.
الجزء الأول: بناء ميزانية طاقة قائمة على الوضع
1.1 تحديد حالات التشغيل الفعلية للمحلل
قد يعني وضع الاستعداد وحدة تحكم في وضع السكون أو جهازًا مضبوط الحرارة جاهزًا للتشغيل الفوري. ولكل وضع متطلبات مختلفة تمامًا. حدد وقت الاستيقاظ المطلوب، والبيانات المحفوظة، ووظيفة الساعة، وسلوك الاتصال لكل وضع. يجب أن تستند متطلبات تخزين البطارية إلى دورة التوزيع والخدمة المُخصصة للمنتج، وليس إلى عمر افتراضي مُفترض يتراوح بين 12 و24 شهرًا مُستعار من مُكوّن آخر.
المعالم | الأحمال المحتملة | سؤال التصميم |
|---|---|---|
الشحن أو التخزين لفترات طويلة | الحماية المتبقية والتسريب | ما هي الشحنة المتبقية بعد فترة التخزين المحددة؟ |
النوم | دائرة التنبيه، والساعة، والمقياس، والفحوصات الدورية | ما مدى سرعة وموثوقية استيقاظ المحلل؟ |
جاهزون للاستعداد | وحدة التحكم، والشاشة، والاتصال، والتحكم الحراري المحتمل | ما هي الوظائف التي يجب أن تظل نشطة؟ |
فحص | السخانات والمحركات والبصريات والمعالجة والمضخات إن وجدت | ما هي الأحمال التي تتداخل وتحدد الذروة؟ |
عملية النسخ الاحتياطي | وظائف محددة للتحليل وحفظ البيانات | ما الذي يجب أن يستمر بعد انقطاع التيار الكهربائي الخارجي؟ |
1.2 حساب استهلاك الطاقة الإلكترونية بشكل صحيح
عند سحب تيار ثابت مباشرةً من البطارية، فإنّ Qlost (Ah) = I (A) × الزمن (h). على سبيل المثال، يستهلك تيار مقداره 10 ميكرو أمبير على مدى 8,760 ساعة 0.0876 أمبير ساعة، أي ما يعادل 1.75% من سعة بطارية سعتها 5 أمبير ساعة. أما عند سحب تيار مقداره 1 ميكرو أمبير على مدى 720 ساعة، فيبلغ الاستهلاك 0.00072 أمبير ساعة، أي ما يعادل 0.0144% من تلك السعة. هذه الأرقام لا تشمل التفريغ الذاتي أو أي أحمال أخرى.
بالنسبة للأحمال المتصلة بالمحولات، يجب تضمين كفاءة التحويل وفقدان الطاقة في وضع السكون. قِس متوسط تيار جانب البطارية خلال دورات التشغيل الدورية، وليس فقط خلال فترة السكون. قِس تيار دائرة الحماية المتكاملة، ومقياس التيار، وتسريب الطاقة من الجهاز المضيف، وتسريب التيار العكسي من الشاحن، وشبكات تقسيم الجهد، والمؤشرات، وأي عملية موازنة. في البطاريات المتصلة على التوالي، قد يؤدي عدم تساوي معدل سحب الطاقة أثناء المراقبة إلى اختلال التوازن حتى عندما يبدو التيار الإجمالي منخفضًا.
1.3 التعامل مع التفريغ الذاتي كآلية منفصلة
يختلف التسرب الإلكتروني عن التفريغ الذاتي الكيميائي. يعتمد التفريغ الذاتي على نوع الخلية، ودرجة حرارة التخزين، وحالة الشحن، وعمرها، وظروفها. لا تُحدد نسبة مئوية شهرية ثابتة لبطاريات NMC أو LFP، ولا تُعمم نتائج اختبار قصير على سنوات من التخزين دون أدلة داعمة. كما أن التقادم الزمني يُقلل من السعة القابلة للتفريغ، وهو ليس مرادفًا لفقدان الشحنة القابل للعكس.
قم بإجراء اختبارات التخزين في الظروف المحددة. قِس الشحنة المتبقية، والسعة القابلة للاسترداد بعد إعادة الشحن، وانتشار الجهد، وسلوك التنبيه. حدد حالة الشحن الأولية للتخزين، وفترات إعادة الشحن، والحد الأدنى من الشروط اللازمة للشحن أو الخدمة.
الجزء الثاني: تقليل استهلاك الطاقة في وضع الاستعداد دون التأثير على الجاهزية
2.1 التحقق من وضع السكون ووضع الشحن على مستوى النظام
تختلف وظائف وضع السكون ووضع السفينة باختلاف الجهاز. لا يؤدي وضع مراقبة الطاقة المنخفضة بالضرورة إلى فصل الحمل، كما أن فصل الحمل لا يمنع التفريغ الذاتي للخلايا أو الاستنزاف الداخلي. تحقق من المخطط الكامل، وسلوك الحماية، ومصدر التنبيه، والتسريب المعتمد على درجة الحرارة.
يمكن لمفاتيح الحمل عزل الشاشة والراديو والمجالات الأخرى غير الأساسية. احتفظ فقط بالوظائف التي تبررها متطلبات التشغيل. تأكد من أن دبابيس الاتصال أو القياس لا يمكنها إعادة تزويد مجال مفصول بالطاقة عن طريق الخطأ. تأكد من استعادة الطاقة مع بطارية فارغة وبعد تخزين طويل.
2.2 قياس المجموعة بأكملها
اختبر على نماذج إنتاجية نموذجية باستخدام البرامج الثابتة والملحقات المخصصة. قد يؤثر تلوث لوحة الدوائر المطبوعة والرطوبة وتفاوتات المكونات على التسريب. يجب أن تكون ضوابط التنظيف أو الطلاء مناسبة للتطبيق بدلاً من افتراض أنها تضمن تيارًا منخفضًا.
استخدم أجهزة قياس مناسبة لكل من تيارات الاستعداد الصغيرة ونبضات التشغيل الأكبر. قم بالقياس على مدى فترة زمنية كافية لتسجيل المراقبة الدورية والتواصل. موارد التصميم الطبي لشركة TI تحديد الإلكترونيات ذات التيار الساكن المنخفض كأحد الطرق لإطالة عمر البطارية؛ ولا تزال ميزانية المحلل الفعلية تتطلب القياس.
الجزء الثالث: التصميم لتحمل الأحمال القصوى وانخفاض الجهد
3.1 تحديد خصائص التيار عند أطراف البطارية
سجّل السعة، والمدة، ومعدل التكرار، وتيار بدء التشغيل، والأحمال المتزامنة. لا يمكن استبدال طلب السخان أو المحرك بنبضة قياس قصيرة. أضف أدنى جهد مدعوم للبطارية: عادةً ما يسحب الحمل ذو القدرة الثابتة تيارًا أكبر مع انخفاض الجهد.
معدل الشحن والتفريغ = التيار (أمبير) / السعة (أمبير-ساعة)، ويُحسب عند المستوى الصحيح. على سبيل المثال، حمولة بطارية 5 أمبير مع خليتين مثاليتين سعة كل منهما 2.5 أمبير-ساعة في كل مجموعة متوازية تعطي 2.5 أمبير لكل خلية، أي ما يقارب 1C. يعتمد التوزيع الفعلي على المقاومة وتناظر التوصيلات. استخدم حدود التشغيل المستمر والنبضي الخاصة بكل طراز، بما في ذلك مدة النبضة وفترات الراحة وحالة الشحن ودرجة الحرارة.
3.2 تحديد الجهد الكهربائي والطوبولوجيا من المتطلبات
تحتوي حزمة 5S2P على خمس مجموعات موصولة على التوالي، كل مجموعة تضم خليتين موصولتين على التوازي، ليصبح المجموع عشر خلايا. مع خلايا ذات جهد اسمي يتراوح بين 3.6 و3.7 فولت وجهد أقصى 4.2 فولت، يكون الجهد الاسمي للحزمة بين 18.0 و18.5 فولت، والجهد الأقصى 21.0 فولت. لا تنطبق هذه القيم على أنواع كيميائية أخرى. يجب أن يقبل جهاز التحليل كامل نطاق جهد الشحن والتفريغ المعتمد.
يمكن للخلايا المتوازية زيادة السعة وتقليل مقاومة المجموعة المكافئة، لكنها لا تُنشئ مجموعتي طاقة احتياطية محميتين بشكل مستقل. قد يؤثر قصر الدائرة في إحدى الخلايا، أو عطل نظام إدارة البطارية المشترك، أو عطل في الموصل المشترك على المجموعة بأكملها. يتطلب أي ادعاء بالتكرار تحليل مسارات الطاقة بشكل منفصل وعزل الأعطال.
قم بتقدير انخفاض الجهد من خلال حاصل ضرب التيار في المقاومة (I × R)، بما في ذلك مجموعات الخلايا والأسلاك والفيوزات وترانزستورات FET والموصلات، ثم قم بقياسه ديناميكيًا. يجب أن يفي عدد الخلايا المتوازية بمتطلبات الطاقة والحرارة/التيار. BMS يجب حماية كل مجموعة متسلسلة دون حدوث أعطال مزعجة أثناء تغيرات الحمل المؤهلة.
3.3 إضافة التخزين المؤقت للنبضات فقط عند الضرورة
يمكن للمكثف أو المكثف الفائق تحمل تيار عابر قصير، ولكنه يحتاج إلى مسار شحن مصمم، وتوافق مع الجهد، والتحكم في تيار البدء. للحصول على تيار مكثف ثابت تقريبًا، يجب أن تكون السعة (C) أكبر من أو تساوي حاصل ضرب التيار (I) في فرق الجهد (Δt) / فرق الجهد (ΔV). يتطلب نبض تيار 5 أمبير لمدة 0.5 ثانية مع انخفاض سعوي مسموح به قدره 1 فولت سعة لا تقل عن 2.5 فاراد، قبل احتساب مقاومة السلسلة المكافئة (ESR)، والتفاوتات المسموح بها، والتقادم، وهامش درجة الحرارة. ويُضاف إلى ذلك الانخفاض الأولي في مقاومة السلسلة المكافئة.
لا تقم بتوصيل مكثف فائق مباشرةً بالبطارية دون تقييم تصنيف جهده، وتيار الاندفاع، واحتياجات الموازنة، وسلوكه في حالة الأعطال. قارن بين التخزين المؤقت واستخدام خلية أنسب أو زيادة عدد الخلايا الموصولة بالتوازي.
الجزء الرابع: تحديد حجم الطاقة الاحتياطية لسير عمل محدد
4.1 تحديد النتيجة المطلوبة
حدد ما إذا كان يجب على البطارية الاحتياطية إكمال تحليل واحد، أو دعم فترة زمنية محددة، أو الحفاظ على النتائج، أو ضمان التحكم الحراري. حدد نوع التحليل، وحالة الشحن الأولي، والإنذارات المطلوبة، والسلوك في حال عدم كفاية البطارية الاحتياطية لبدء اختبار آخر. إن اشتراط ساعتين كحد أقصى للبطارية الاحتياطية أو قاعدة 80% من سعة التفريغ لا يناسب جميع أجهزة التحليل.
الطاقة عند الحمل هي Eload (واط ساعة) = تكامل القدرة على الزمن. في حالة الاستقرار المبسطة، يتطلب استهلاك 15 واط لمدة ساعتين 30 واط ساعة عند الحمل. عند كفاءة تحويل 90%، تبلغ الطاقة المُوَصَّلة من البطارية حوالي 33.3 واط ساعة قبل احتساب الاحتياطي وتخفيض القدرة. لا يُساوي حاصل ضرب الأمبير-ساعة في الزمن واط-ساعة؛ يجب تضمين الجهد عند تحويل سعة الشحن إلى طاقة.
4.2 تطبيق هوامش صريحة ومُدققة
كنموذج توضيحي أولي، إذا تبقى 80% فقط من الطاقة المقدرة عند نهاية الخدمة، وكان 90% منها متاحًا ضمن نطاق الجهد/الحمل المؤهل، فإن الطاقة المقدرة ستحتاج على الأقل إلى 30 / (0.90 × 0.80 × 0.90) ≈ 46.3 واط/ساعة. أضف أي احتياطي منفصل لإتمام التحليل وهامش درجة الحرارة المبرر. هذه العوامل هي افتراضات تصميمية، وليست تصنيفات عامة للبطاريات، ويجب ألا تُحتسب مرتين التأثيرات التي تم رصدها بالفعل في الطاقة القابلة للاستخدام المقاسة.
بالنسبة لسير العمل النبضي، قد يكون عدد الاختبارات المتبقية أو مؤشر الإنجاز المتحفظ أكثر فائدة من SOC وحده. مناقشة شركة TI حول قياس الحمل النبضي يُبرز هذا التمييز بين الشحنة المتبقية والنبضات المفيدة. قم بضبط ومعايرة المقياس وفقًا للخلية الفعلية وملف تعريف التحليل.
الجزء الخامس: التحقق من صحة جهاز التحليل والمعايير المطبقة
5.1 اختبار بنية الطاقة الكاملة
اختبار | معايير الاجتياز لتحديد |
|---|---|
التخزين الطويل والاستيقاظ | طاقة محفوظة، واستيقاظ موثوق، وإعادة شحن آمنة. |
أحمال التحليل في أسوأ الحالات | استقرار السكة، ودرجات حرارة مقبولة، وعدم حدوث إعادة ضبط غير مقصودة. |
فقدان واستعادة المصادر الخارجية | السلوك المطلوب للفحص، وسلامة البيانات، ونقل المصدر الخاضع للرقابة. |
عبوات قديمة ومُكيّفة حرارياً | الطاقة القابلة للاستخدام المطلوبة وقدرة النبض عند حدود محددة. |
أعطال في العدادات والمستشعرات والاتصالات | أجهزة إنذار مناسبة وقيود تشغيل مضبوطة. |
تغييرات البرامج الثابتة والمكونات | أعد إجراء اختبارات وضع الاستعداد، واختبارات ذروة الحمل، واختبارات النسخ الاحتياطي المتأثرة. |
سجل مراجعة حزمة البيانات، ورقم دفعة الخلايا، والبرنامج الثابت، وإعداد حالة الشحن، والتكييف، وملف تعريف الحمل، ومعايير القطع. استخدم اختبار المحلل الكامل لتأكيد الأداء التحليلي في الحالات التي قد تؤثر فيها اضطرابات الطاقة على القياس؛ إذ لا يمكن للحمل القابل للبرمجة وحده تحديد دقة النتائج.
5.2 تجنب افتراض الامتثال الخاطئ
تتطلب معدات التشخيص المختبري تقييمًا للمعايير الخاصة بالمنتج. إيك شنومكس-شنومكس-شنومكس يتناول هذا الجهاز معدات التشخيص المختبري (IVD) الطبية، وهو مصمم للاستخدام مع معيار IEC 61010-1. لا تعتمد تلقائيًا على معيار IEC 60601-1 كمعيار مرجعي لمجرد استخدام الجهاز في مجال الرعاية الصحية. تأكد من الإصدارات المطبقة ومتطلبات السوق مع فريق الامتثال الخاص بالجهاز.
تتناول متطلبات سلامة البطاريات ونقلها، مثل IEC 62133-2 وUL 2054 وUN 38.3 عند الاقتضاء، نطاقات مختلفة. أما معيار ISO 13485 فيتعلق بإدارة الجودة، وليس بضمان وقت التشغيل. اربط تأهيل البطارية وأدلة التحكم في التغييرات بخطة التحقق من صحة الجهاز.
في عمل دمج بطارية محلل التشخيص المختبري، توفير تيارات الوضع، وآثار النبض، وحدود جهد الإدخال، وسير العمل الاحتياطي المطلوب. اطلب مراجعة مخصصة للبطارية قبل إصلاح تصميم الحزمة وواجهة المستخدم.
الأسئلة الشائعة
هل تقنية 5S2P مناسبة لكل جهاز تحليل تشخيصي محمول؟
لا. اختر التكوين من بين نطاق جهد الإدخال الكامل، والطاقة، وذروة التيار، ومتطلبات الغلاف والحرارة. يُعدّ 5S2P أحد التكوينات الممكنة، وليس منصة قياسية.
هل يضمن وضع الشحن سنوات من التخزين؟
لا. تحقق من معدل التفريغ المتبقي، والتفريغ الذاتي للخلايا، والتقادم الزمني، والاستيقاظ، والطاقة المتبقية القابلة للاستخدام خلال الفترة الزمنية المحددة.
هل ينبغي افتراض أن نسبة الخروج الذاتي من المستشفى تتراوح بين 20 و40% شهرياً؟
لا، هذا ليس افتراضاً تصميمياً عاماً سليماً. يجب الحصول على أدلة خاصة بالنموذج واختبار التجميع الكامل في ظل ظروف التخزين المقصودة.
هل توفر إضافة الخلايا المتوازية تكرارًا احتياطيًا؟
لا، بل يزيد ذلك من السعة وقدرة مشاركة التيار. ويتطلب النسخ الاحتياطي المستقل تحليل مسارات المصدر، والحماية، وعزل الأعطال.
هل يجب أن يستخدم التصميم حد وزارة الدفاع بنسبة 80%؟
لا. اختر نطاق التشغيل القابل للاستخدام من حدود الخلية، وعمر الخدمة، ومتطلبات جهد الحمل، وسياسة الاحتياطي، ثم تحقق من صحته.
ما هي التغييرات التي تتطلب إعادة التحقق أثناء التشغيل؟
قم بتقييم التغييرات التي طرأت على الخلايا، وحماية التغليف، والموصلات، والمحولات، والبرامج الثابتة، وعملية التحليل. أعد الاختبارات المتأثرة بتغيرات في التصريف، أو أحمال الذروة، أو سلوك القطع، أو تبديل المصدر.
