휴대용 체외 진단 분석기는 검사 사이에 몇 시간씩 대기해야 할 뿐만 아니라, 시료 처리, 온도 제어, 광학 측정 또는 데이터 전송을 위해 훨씬 더 많은 전력을 소모합니다. 따라서 배터리는 평균 부하뿐만 아니라 이러한 전체 과정을 지원할 수 있어야 합니다. 외부 전원 공급이 중단될 경우, 필요한 대응 조치는 현재 검사를 완료하거나, 데이터를 보존하거나, 또는 정해진 횟수만큼 검사를 계속하는 것일 수 있습니다.
엔지니어링 맞춤형 리튬 배터리 팩 이러한 장비의 설계는 대기 전력 소모, 최대 부하 용량, 사용 가능한 백업 에너지라는 세 가지 예산으로 시작됩니다. 셀, BMS 및 호스트의 전력 아키텍처는 이 세 가지 조건을 모두 충족해야 합니다.
빠른 답변: 각 작동 모드에서 배터리 측 소모량을 측정하고, 최악의 경우 펄스 전류와 지속 시간을 기록하며, 외부 전원 손실 후에도 계속 작동해야 하는 부분을 정의합니다. 분석기와 호환되는 팩 전압 범위를 선택한 다음, 변환 손실, 노화, 온도 및 예비 용량을 고려하여 에너지 용량을 산정합니다. 특정 토폴로지가 런타임을 보장한다고 가정하는 대신, 실제 분석 프로파일을 사용하여 전체 분석기를 검증합니다.
주요 요점
개별 배송, 전원 차단 보관, 절전 모드 및 테스트 준비 대기 모드.
전자 소모량은 암페어시(Ah) 단위로 계산하고, 화학적 자가 방전은 별도로 평가하십시오.
전압 범위, 에너지 및 전류 요구 사항에 따라 직렬 및 병렬 연결 수를 선택하십시오.
병렬 셀 그룹은 독립적인 백업 전원이 아닙니다.
지정된 서비스 종료 배터리 상태에서 테스트 완료, 데이터 무결성 및 경보 기능을 검증합니다.
파트 1: 모드 기반 전력 예산 수립
1.1 분석기의 실제 작동 상태 정의
대기 모드는 절전 모드에 있는 컨트롤러 또는 즉시 작동할 준비가 된 온도 제어 기기를 의미할 수 있습니다. 이러한 상태는 요구 사항이 매우 다릅니다. 각 모드에 필요한 웨이크업 시간, 보존 데이터, 클록 기능 및 통신 동작을 정의해야 합니다. 배터리 저장 용량 요구 사항은 다른 부품에서 가져온 12~24개월의 보관 수명이 아니라 제품의 의도된 유통 및 서비스 주기를 기준으로 해야 합니다.
모드 | 잠재 부하 | 디자인 질문 |
|---|---|---|
배송 또는 장기 보관 | 잔류 보호 및 누출 | 지정된 보관 기간이 지난 후 남은 전하는 얼마입니까? |
수면 | 웨이크 아웃 회로, 시계, 게이지 및 주기적인 점검 | 분석기는 얼마나 빠르고 안정적으로 작동을 시작해야 합니까? |
준비 대기 | 컨트롤러, 디스플레이, 연결성 및 열 제어 기능 | 어떤 기능들이 활성화된 상태로 유지되어야 합니까? |
시험 | 히터, 모터, 광학 장치, 처리 장치 및 펌프(있는 경우) | 어떤 부하들이 중첩되어 피크를 결정하는가? |
백업 작업 | 정의된 분석 및 데이터 보존 기능 | 외부 전원 공급이 중단된 후에도 무엇이 계속 유지되어야 합니까? |
1.2 전자 드레인을 정확하게 계산하기
배터리 팩에서 직접 일정한 전류를 끌어다 쓸 경우, Qlost(Ah) = I(A) × 시간(h)으로 계산됩니다. 예를 들어, 8,760시간 동안 10µA의 전류를 사용하면 0.0876Ah, 즉 5Ah 배터리 용량의 1.75%가 소모됩니다. 720시간 동안 1µA의 전류를 사용하면 소모량은 0.00072Ah, 즉 용량의 0.0144%입니다. 이 수치에는 자가 방전 및 기타 모든 부하가 포함되지 않습니다.
컨버터 뒤쪽 부하의 경우, 변환 효율과 대기 손실을 포함해야 합니다. 대기 시간뿐만 아니라 주기적인 웨이크 사이클 동안의 평균 배터리 측 전류를 측정하십시오. 보호 IC, 게이지, 호스트 누설 전류, 충전기 역방향 누설 전류, 분배기 네트워크, 표시기 및 모든 밸런싱 작업을 포함해야 합니다. 직렬 팩의 경우, 모니터링 드레인이 불균등하면 전체 전류가 작아 보이더라도 불균형이 발생할 수 있습니다.
1.3 자가퇴원을 별도의 기전으로 취급하십시오
전자 누설과 화학적 자가 방전은 다릅니다. 자가 방전은 특정 배터리 셀, 보관 온도, 충전 상태(SOC), 사용 기간 및 상태에 따라 달라집니다. NMC 또는 LFP 배터리에 대해 일률적인 월별 방전율을 적용하거나, 근거 자료 없이 단기 테스트 결과를 장기간 보관에 적용하여 추정해서는 안 됩니다. 또한, 시간 경과에 따른 노화는 실제 사용 용량을 감소시키며, 이는 가역적인 충전 손실과는 다릅니다.
의도된 조건에서 저장 테스트를 수행합니다. 잔존 전하량, 재충전 후 복구 가능 용량, 전압 분포 및 웨이크업 동작을 측정합니다. 초기 저장 SOC, 재충전 주기 및 출하 또는 서비스에 필요한 최소 조건을 명시합니다.
파트 2: 대기 전력 소모를 줄이면서도 준비 상태를 유지하는 방법
2.1 시스템 수준에서 절전 모드 및 배송 모드 확인
절전 모드 및 출항 모드 기능은 기기별로 다릅니다. 저전력 모니터링 상태에서는 부하가 반드시 차단되는 것은 아니며, 부하 차단 상태에서도 셀 자체 방전이나 내부 방전이 완전히 제거되는 것은 아닙니다. 전체 회로도, 보호 동작, 웨이크업 소스 및 온도에 따른 누설 전류를 확인하십시오.
부하 스위치는 디스플레이, 라디오 및 기타 필수적이지 않은 도메인을 분리할 수 있습니다. 운영 요구 사항에 따라 필요한 기능만 유지하십시오. 통신 또는 측정 핀이 의도치 않게 연결이 끊긴 도메인에 역전원을 공급하지 않도록 하십시오. 배터리 팩이 완전히 방전된 상태와 장기간 보관 후 복구 여부를 확인하십시오.
2.2 전체 조립품 측정
의도된 펌웨어 및 액세서리가 포함된 대표적인 생산 어셈블리를 사용하여 테스트하십시오. PCB 오염, 습도 및 부품 공차는 누설 전류에 영향을 미칠 수 있습니다. 세척 또는 코팅 제어는 낮은 전류를 보장한다고 가정하기보다는 해당 용도에 맞게 검증해야 합니다.
작은 대기 전류와 큰 웨이크 펄스 모두에 적합한 계측 장비를 사용하십시오. 주기적인 모니터링 및 통신을 포착할 수 있도록 충분한 시간 동안 측정하십시오. TI의 의료 디자인 리소스 대기 전류가 낮은 전자 장치를 사용하는 것이 배터리 수명 연장의 한 가지 방법임을 확인했지만, 실제 분석기 예산은 아직 측정이 필요합니다.
파트 3: 최대 부하 및 전압 강하를 고려한 설계
3.1 배터리 단자에서의 전류 특성 분석
진폭, 지속 시간, 반복률, 시동 돌입 전류 및 동시 부하를 기록하십시오. 히터 또는 모터의 요구량은 짧은 측정 펄스와 동일하지 않습니다. 지원되는 최저 팩 전압을 포함하십시오. 일반적으로 정전력 부하는 전압이 낮아질수록 더 많은 전류를 소모합니다.
C-rate는 전류(A) / 용량(Ah)으로 계산되며, 적절한 부하 레벨에서 평가됩니다. 예를 들어, 각 병렬 그룹에 2.5Ah 셀 두 개가 이상적으로 용량을 공유하는 5A 팩 부하의 경우 셀당 2.5A, 즉 약 1C가 됩니다. 실제 용량 공유는 저항 및 상호 연결 대칭성에 따라 달라집니다. 펄스 지속 시간, 휴지 시간, SOC 및 온도 등 모델별 연속 및 펄스 제한값을 사용하십시오.
3.2 요구사항에 따라 전압 및 토폴로지 선택
5S2P 팩은 각 그룹당 2개의 셀이 병렬로 연결된 5개의 직렬 연결된 그룹으로 구성되며, 총 10개의 셀이 사용됩니다. 셀의 정격 전압은 공칭 3.6~3.7V, 최대 전압은 4.2V이므로, 팩의 공칭 전압은 18.0~18.5V이고 최대 전압은 21.0V입니다. 이 값은 다른 배터리 화학 성분에는 적용되지 않습니다. 분석기는 인증된 전체 방전-충전 전압 범위를 수용해야 합니다.
병렬 셀 구성은 용량을 증가시키고 등가 그룹 저항을 감소시킬 수 있지만, 두 개의 독립적인 보호 기능을 갖춘 백업 팩을 생성하는 것은 아닙니다. 셀 단락, 공용 BMS 고장 또는 공통 커넥터 오류는 전체 어셈블리에 영향을 미칠 수 있습니다. 진정한 이중화는 전력 경로를 개별적으로 분석하고 오류를 격리하는 것을 전제로 합니다.
셀 그룹, 배선, 퓨즈, FET 및 커넥터를 포함하여 I × R을 통해 새그를 추정하고, 이를 동적으로 측정합니다. 병렬 회로 수는 에너지 및 열/전류 요구 사항을 모두 충족해야 합니다. BMS 적격 부하 변동 중에 불필요한 트립이 발생하지 않도록 각 직렬 그룹을 보호해야 합니다.
3.3 정당한 이유가 있을 때만 펄스 버퍼링을 추가하십시오.
커패시터 또는 슈퍼커패시터는 짧은 과도 전류를 견딜 수 있지만, 설계된 충전 경로, 전압 호환성 및 돌입 전류 제어가 필요합니다. 커패시터 전류가 거의 일정할 경우, C ≥ I × Δt / ΔV입니다. 5A, 0.5초 펄스에 1V의 허용 용량 강하가 있는 경우, 이상적으로는 ESR, 허용 오차, 노화 및 온도 여유를 고려하기 전에 최소 2.5F의 용량이 필요합니다. 초기 ESR 강하는 추가적인 값입니다.
슈퍼커패시터를 배터리에 직접 연결할 때는 반드시 해당 슈퍼커패시터의 전압 정격, 서지 전류, 밸런싱 필요성 및 고장 동작을 평가해야 합니다. 버퍼링 기능을 활용하는 것과 더 적합한 셀을 사용하거나 병렬 연결 개수를 늘리는 것을 비교해 보십시오.
파트 4: 정의된 워크플로에 맞는 백업 에너지 용량 산정
4.1 요구되는 결과 명시
백업이 하나의 분석을 완료해야 하는지, 특정 시간 범위를 지원해야 하는지, 결과를 보존해야 하는지, 또는 온도 제어를 유지해야 하는지를 정의하십시오. 분석 유형, 초기 충전 조건, 필요한 경보 및 예비 용량이 부족하여 다른 테스트를 시작할 수 없는 경우의 동작 방식을 명시하십시오. 모든 분석기에 2시간 백업 요구 사항이나 80% DoD(Defined Operational Load) 규칙을 일괄적으로 적용하는 것은 적절하지 않습니다.
부하에서의 에너지는 Eload(Wh) = 전력을 시간에 대해 적분한 값입니다. 단순화된 정상 상태의 경우, 15W의 전력을 2시간 동안 사용하려면 부하에서 30Wh의 에너지가 필요합니다. 변환 효율이 90%일 때, 배터리에서 공급되는 에너지는 예비 용량 및 감산 전 약 33.3Wh입니다. 암페어시(Ah)에 시간을 곱한 값은 와트시(Wh)가 아니며, 충전 용량을 에너지로 변환할 때는 전압을 고려해야 합니다.
4.2 명시적이고 검증된 마진 적용
예시적인 예비 모델로서, 정격 에너지의 80%만 사용 종료 시점에 남아 있고 그중 90%가 적합한 전압/부하 범위 내에서 사용 가능하다고 가정할 때, 정격 에너지에는 최소 30 / (0.90 × 0.80 × 0.90) ≈ 46.3 Wh가 필요합니다. 여기에 별도의 분석 완료 예비량과 타당한 온도 여유분을 추가해야 합니다. 이러한 요소들은 설계 가정일 뿐이며 보편적인 배터리 정격이 아니므로, 측정된 가용 에너지에 이미 반영된 효과를 중복 계산해서는 안 됩니다.
펄스형 워크플로우의 경우, SOC만 사용하는 것보다 남은 테스트 횟수 또는 보수적인 완료 표시기가 더 유용할 수 있습니다. TI의 펄스 부하 측정 관련 논의 잔여 전하량과 유효 펄스 간의 차이점을 강조합니다. 실제 세포 및 분석 프로필에 맞게 측정기를 구성하고 검증하십시오.
파트 5: 분석기 및 적용 가능한 표준의 유효성 검증
5.1 전체 전력 아키텍처 테스트
Test | 정의하기 위한 기준을 통과하세요 |
|---|---|
장시간 저장 및 절전 모드 해제 | 에너지 보존, 안정적인 기상 기능 및 안전한 충전. |
최악의 경우 분석 부하 | 레일 안정성, 허용 가능한 온도 범위 및 의도치 않은 재설정 없음. |
외부 전원 손실 및 복구 | 필수적인 분석 동작, 데이터 무결성 및 통제된 소스 전송. |
숙성 및 온도 조절 처리된 팩 | 지정된 한계 내에서 필요한 유효 에너지 및 펄스 용량. |
게이지, 센서 및 통신 오류 | 적절한 경보 시스템과 통제된 작동 제한. |
펌웨어 및 구성 요소 변경 | 영향을 받는 대기 모드, 최대 부하 모드 및 백업 모드를 반복하십시오. |
팩 개정 번호, 셀 로트, 펌웨어, SOC 준비, 컨디셔닝, 부하 프로파일 및 차단 기준을 기록하십시오. 전력 교란이 측정에 영향을 미칠 수 있는 경우 전체 분석기 테스트를 사용하여 분석 성능을 확인하십시오. 프로그래밍 가능한 부하만으로는 결과 정확도를 확인할 수 없습니다.
5.2 잘못된 규정 준수 가정을 피하십시오
체외진단 장비는 제품별 표준 평가가 필요합니다. IEC 61010-2-101 본 문서는 체외진단(IVD) 의료기기에 관한 것으로, IEC 61010-1 표준과 함께 사용하도록 작성되었습니다. 분석기가 의료 분야에서 사용된다는 이유만으로 IEC 60601-1을 자동으로 준거 표준으로 제시해서는 안 됩니다. 적용 가능한 표준 및 시장 요구 사항은 해당 기기의 규정 준수 담당팀에 확인하십시오.
IEC 62133-2, UL 2054 및 UN 38.3(해당되는 경우)과 같은 배터리 안전 및 운송 요구 사항은 서로 다른 범위를 다룹니다. ISO 13485는 품질 관리에 관한 것이지 보장된 작동 시간에 관한 것이 아닙니다. 배터리 인증 및 변경 관리 증빙 자료를 장치 검증 계획과 연계하십시오.
럭셔리 IVD 분석기 배터리 통합모드 전류, 펄스 파형, 입력 전압 제한 및 필요한 백업 워크플로를 제공합니다. 맞춤형 배터리 검토를 요청하세요 패키지 레이아웃과 인터페이스를 수정하기 전에.
FAQ
5S2P는 모든 휴대용 체외진단 분석기에 적합한가요?
아니요. 전체 입력 전압 범위, 에너지, 최대 전류, 인클로저 및 열 요구 사항을 고려하여 토폴로지를 선택하십시오. 5S2P는 가능한 구성 중 하나일 뿐 표준 플랫폼은 아닙니다.
선박 모드 보관은 수년간 보관을 보장하나요?
아니요. 지정된 시간 간격 동안 잔류 방전, 셀 자가 방전, 캘린더 노화, 웨이크업 및 잔여 사용 가능 에너지를 확인하십시오.
NMC의 자발적 퇴원율을 월 20~40%로 가정해야 할까요?
아니요. 그것은 타당한 일반적인 설계 가정이 아닙니다. 모델별 증거를 확보하고 의도된 보관 조건에서 전체 조립품을 테스트하십시오.
병렬 셀을 추가하면 백업 이중화가 제공됩니까?
아니요. 용량과 전류 공유 기능을 향상시킵니다. 독립형 백업에는 분석된 소스 경로, 보호 및 오류 격리가 필요합니다.
설계에 80% DoD 제한을 적용해야 합니까?
아니요. 셀 제한, 서비스 수명, 부하 전압 요구 사항 및 예비력 정책을 고려하여 사용 가능한 작동 범위를 선택한 다음 이를 검증하십시오.
런타임 재검증이 필요한 변경 사항은 무엇입니까?
셀, 팩 보호, 커넥터, 변환기, 펌웨어 및 분석 작동의 변경 사항을 평가합니다. 드레인, 피크 부하, 차단 동작 또는 소스 전환 변경으로 인해 영향을 받은 테스트를 반복합니다.
