ชุดแบตเตอรี่ลิเธียมแบบถอดเปลี่ยนได้ขณะทำงาน สำหรับอุปกรณ์ทางการแพทย์และอุตสาหกรรม: การออกแบบระบบจ่ายไฟที่ไม่ต้องหยุดทำงาน

การเปลี่ยนแบตเตอรี่ที่หมดโดยไม่ต้องรีสตาร์ทอุปกรณ์สามารถช่วยปรับปรุงขั้นตอนการทำงานในรถเข็นทางการแพทย์ เครื่องมือพกพา และระบบเคลื่อนที่ในอุตสาหกรรมได้ อย่างไรก็ตาม แบตเตอรี่แบบถอดเปลี่ยนได้จะสามารถใช้งานได้จริงโดยไม่ต้องปิดเครื่องก็ต่อเมื่อโครงสร้างพลังงานโดยรวมรองรับการเสียบและถอดโดยยังคงรักษาฟังก์ชันการทำงานของอุปกรณ์ที่จำเป็นไว้ได้

ใช้เพื่อการ ชุดแบตเตอรี่ลิเธียมแบบกำหนดเองความท้าทายในการออกแบบนั้นไม่ได้จำกัดอยู่แค่เพียงความจุและกลไกการล็อกที่สะดวกสบายเท่านั้น วิศวกรต้องประสานงานแหล่งพลังงานสำรองที่มีอยู่ การแยกเส้นทางพลังงาน การเชื่อมต่อที่ควบคุมได้ และพฤติกรรมของอุปกรณ์หลักกับอุปกรณ์รอง “เวลาหยุดทำงานเป็นศูนย์” คือเป้าหมายด้านประสิทธิภาพในระดับระบบ ซึ่งจำเป็นต้องมีขอบเขตการทำงานที่กำหนดไว้และหลักฐานการทดสอบ

คำตอบที่รวดเร็ว: จัดหาแหล่งจ่ายไฟสำรองที่สามารถรองรับโหลดที่ต้องการได้อย่างเต็มที่ตลอดช่วงเวลาการเปลี่ยนที่อนุญาต ใช้ตัวสลับไฟหรือสถาปัตยกรรม ORing ที่มีคุณสมบัติเหมาะสมในการจัดการแหล่งจ่ายไฟ ควบคุมกระแสไฟกระชากขณะเสียบ ป้องกันการไหลย้อนกลับที่ไม่พึงประสงค์ และตรวจสอบการเชื่อมต่อของขั้วต่อ ตรวจสอบแรงดันไฟฟ้าของบัส การทำงานของอุปกรณ์ สัญญาณเตือน และการตอบสนองต่อข้อผิดพลาดระหว่างการถอดและการเสียบภายใต้สภาวะโหลด อุณหภูมิ และแบตเตอรี่ที่เลวร้ายที่สุด

ประเด็นที่สำคัญ

• แบตเตอรี่แบบถอดได้และระบบจ่ายไฟแบบเปลี่ยนได้ขณะทำงานนั้นเป็นแนวคิดการออกแบบที่แตกต่างกัน

• กำหนดขนาดของแหล่งจ่ายไฟสำรองให้เพียงพอสำหรับเวลาที่ผู้ปฏิบัติงานต้องเปลี่ยนอุปกรณ์ รวมถึงช่วงเวลาการสลับระบบไฟฟ้าด้วย

• ชุด BMS ทำหน้าที่ปกป้องแบตเตอรี่ ส่วนวงจรจ่ายไฟหลักของระบบจะประสานการจ่ายไฟอย่างต่อเนื่องของระบบ

• การจัดลำดับการเชื่อมต่อ ความสามารถในการตัดโหลด และการควบคุมกระแสไฟกระชาก ล้วนต้องอาศัยการออกแบบทางวิศวกรรมอย่างรอบคอบ

• การถอดเปลี่ยนอุปกรณ์ขณะทำงานช่วยลดการหยุดชะงักที่เกี่ยวข้องกับการชาร์จ แต่ไม่สามารถขจัดสาเหตุของการหยุดทำงานได้ทั้งหมด

ส่วนที่ 1: กำหนดความต่อเนื่องที่ต้องการ

1.1 ระบุว่าฟังก์ชันใดบ้างที่ต้องยังคงใช้งานได้

เริ่มต้นด้วยข้อกำหนดที่วัดได้: ฟังก์ชันใดบ้างที่ยังคงทำงานอยู่ โหลดใดบ้างที่สามารถลดลงได้ ระยะเวลาที่แบตเตอรี่อาจไม่อยู่ได้นานแค่ไหน และแรงดันไฟฟ้าขั้นต่ำที่อุปกรณ์สามารถทนได้คือเท่าใด คอมพิวเตอร์สำหรับรถเข็นทางการแพทย์ เครื่องวิเคราะห์แบบพกพา และหุ่นยนต์เคลื่อนที่ อาจมีข้อกำหนดด้านพลังงานและความปลอดภัยที่แตกต่างกันมาก

ใช้เพื่อการ อุปกรณ์ทางการแพทย์ประเมินผลกระทบจากการสูญเสียพลังงานโดยใช้กระบวนการบริหารความเสี่ยงของอุปกรณ์ สำหรับอุปกรณ์อุตสาหกรรม ให้รวมถึงการรักษาข้อมูล การกู้คืนสถานะควบคุม และพฤติกรรมที่ปลอดภัยของชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหว การรักษาพลังงานของโปรเซสเซอร์ไม่ได้หมายความว่าเครื่องจักรจะต้องทำงานต่อไปในระหว่างการจัดการแบตเตอรี่เสมอไป

1.2 เลือกสถาปัตยกรรมแหล่งข้อมูลทางเลือก

อย่าคิดว่าแบตเตอรี่สองก้อนที่ต่อขนานกันจะแบ่งกระแสไฟเท่าๆ กัน การต่อแบตเตอรี่ที่มีแรงดันไฟฟ้าต่างกันแบบขนานโดยตรงอาจทำให้กระแสไฟปรับสมดุลไม่สามารถควบคุมได้ ต้องกำหนดลำดับความสำคัญของแหล่งจ่ายไฟ การทำงานแบบขนานที่อนุญาต และเส้นทางการชาร์จให้ชัดเจน

ส่วนที่ 2: การประสานงานเส้นทางพลังงานไฟฟ้า

2.1 แยกการป้องกัน BMS ออกจากการจัดการแหล่งจ่ายไฟ

การขอ ระบบจัดการแบตเตอรี่ ระบบจะตรวจสอบแรงดันไฟฟ้าของกลุ่มเซลล์ อุณหภูมิที่วัดได้ และกระแสไฟฟ้า พร้อมทั้งใช้ระบบป้องกันแบตเตอรี่ นอกจากนี้ยังอาจรายงานสถานะการชาร์จ (SOC) ข้อมูลสุขภาพ และข้อมูลความผิดพลาด ตัวควบคุมพลังงานหลักจะจัดการการเลือกแหล่งจ่ายไฟ ความต่อเนื่องของบัส และพฤติกรรมของโหลด ฟังก์ชันเหล่านี้สามารถสื่อสารกันได้ แต่ระบบจัดการแบตเตอรี่ (BMS) มาตรฐานจะไม่จัดหาให้โดยอัตโนมัติ

ทีไอ คำแนะนำเกี่ยวกับการป้องกันเส้นทางไฟฟ้า แยกแยะหน้าที่ของ hot-swap/eFuse สำหรับการควบคุมกระแสไฟกระชากและข้อผิดพลาด ออกจากหน้าที่ของไดโอดในอุดมคติและ power-mux สำหรับการจัดการแหล่งจ่ายไฟ เลือกอุปกรณ์ตามความต้องการแรงดัน กระแส และกระแสย้อนกลับที่แท้จริง

2.2 การควบคุมการไหลเข้าและการไหลย้อนกลับขณะเสียบปลั๊ก

แบตเตอรี่ที่เสียบใหม่เข้าไปอาจทำให้เกิดประจุในตัวเก็บประจุของโฮสต์ ความสัมพันธ์ I = C × dV/dt ช่วยในการประมาณกระแสประจุในระหว่างการเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้าอย่างค่อยเป็นค่อยไป ตรวจสอบความตึงของขั้วต่อ พฤติกรรมการตัดวงจรของ BMS และความเครียดจากความร้อนของอุปกรณ์ในระหว่างการเริ่มต้นทำงาน

การทำงานของไดโอดในอุดมคติเพียงอย่างเดียวไม่ได้รับประกันการควบคุมกระแสไฟกระชาก การแบ่งกระแส หรือการป้องกันสภาวะกระแสย้อนกลับทุกรูปแบบ ตรวจสอบพฤติกรรมของตัวควบคุม การจัดเรียง FET และความจุที่ไม่มีการป้องกัน ใช้การชาร์จล่วงหน้าหรือเส้นทางพลังงานที่ควบคุมได้ที่เหมาะสมเมื่อจำเป็น

ทีไอ คำแนะนำในการเลือก MOSFET แบบถอดเปลี่ยนขณะทำงาน เน้นพื้นที่การทำงานที่ปลอดภัย (SOA) ประเมินการเริ่มต้นทำงานและภาวะลัดวงจรที่อุณหภูมิและเวลาจริง ไม่ใช่แค่ค่ากระแสคงที่หรือค่าความต้านทานต่ำของ FET เท่านั้น

2.3 ตรวจสอบการกำจัดสัญญาณรบกวนชั่วคราวและการแยกความผิดพลาด

การถอดอุปกรณ์อาจทำให้กระแสโหลดหยุดชะงักและทำให้เกิดการกระเด้งของหน้าสัมผัสหรือสัญญาณรบกวนแบบเหนี่ยวนำ ควรออกแบบการหนีบ การแยกวงจร และพฤติกรรมการถ่ายโอนแหล่งจ่ายให้เหมาะสม แหล่งจ่ายขาเข้าที่ลัดวงจรไม่ควรดึงกระแสจากแหล่งจ่ายปกติผ่านเส้นทางร่วมกัน

บันทึกสิ่งที่เกิดขึ้นเมื่อแหล่งจ่ายไฟที่เหลืออยู่หมดลง ระบบจัดการแบตเตอรี่ (BMS) เปิดทำงาน หรือตัวควบคุมพลังงานล้มเหลว ตัวแปลงไฟ สายดิน ขั้วต่อ และเฟิร์มแวร์ที่ใช้ร่วมกัน อาจยังคงเป็นจุดที่ทำให้เกิดความล้มเหลวได้ แม้ในระบบแบบสองชุดก็ตาม

ส่วนที่ 3: การกำหนดขนาดของเงินสำรองทดแทน

3.1 ปิดช่องว่างการทดแทนมนุษย์

การสลับระบบอิเล็กทรอนิกส์อาจรวดเร็ว แต่การค้นหาและติดตั้งชุดอุปกรณ์ทดแทนนั้นใช้เวลานานกว่า ควรกำหนดเวลาหยุดงานที่อนุญาตจากขั้นตอนการทำงานจริง รวมถึงการจัดการข้อผิดพลาด นอกจากนี้ บริดจ์ต้องรองรับความล่าช้าในการเริ่มต้นระบบและการตรวจสอบคุณสมบัติของแหล่งสัญญาณขาเข้าด้วย

สำหรับโหลดที่คงที่โดยประมาณ การประมาณพลังงานเบื้องต้นคือ Eload = P × t โหลด 40 วัตต์ที่ใช้งานเป็นเวลา 30 วินาทีต้องการพลังงานประมาณ 0.33 วัตต์ชั่วโมงที่โหลดนั้น ที่ประสิทธิภาพการแปลง 90% จะต้องใช้พลังงานประมาณ 0.37 วัตต์ชั่วโมงจากแหล่งเก็บพลังงานก่อนที่จะเพิ่มพลังงานสำรองสำหรับอายุการใช้งาน อุณหภูมิ และความไม่แน่นอน ความสามารถในการจ่ายกระแสสูงสุดจะต้องตรวจสอบแยกต่างหากจากความจุพลังงาน

3.2 ประเมินตัวเก็บประจุโดยใช้พลังงานที่ใช้งานได้

สำหรับการเก็บพลังงานแบบคาปาซิเตอร์ พลังงานที่ใช้งานได้โดยประมาณคือ E = 0.5 × C × (Vhigh² – Vlow²) โดยมีหน่วยเป็นจูล ช่วงอินพุตที่ใช้งานได้ของตัวแปลง แรงดันตกคร่อม ESR และการรั่วไหลจะลดขอบเขตที่ใช้งานได้ลง

เพื่อเป็นตัวอย่าง โหลด 40 วัตต์ เป็นเวลา 5 วินาที ต้องการพลังงาน 200 จูล โดยใช้ช่วงแรงดันของตัวเก็บประจุตั้งแต่ 24 โวลต์ ถึง 18 โวลต์ และประสิทธิภาพการแปลง 90% การคำนวณในอุดมคติจะให้ค่าความจุประมาณ 1.76 ฟารัด ก่อนการลดกำลังและสำรอง นี่เป็นเพียงตัวอย่างการคำนวณขนาด ไม่ใช่การออกแบบชุดตัวเก็บประจุที่สมบูรณ์ การปรับสมดุลเซลล์ การกำหนดแรงดัน กระแสชั่วขณะ และการควบคุมความปลอดภัยยังคงมีความจำเป็น

3.3 ตรวจสอบความพร้อมในการสำรองข้อมูล

รายงานว่าแหล่งพลังงานที่เหลืออยู่สามารถรองรับการสลับได้หรือไม่ แทนที่จะแสดงเฉพาะสถานะการชาร์จ (SOC) ของชุดแบตเตอรี่หลัก ตรวจสอบความถูกต้องของพลังงานสำรองที่อุณหภูมิต่ำและสภาวะใกล้หมดอายุการใช้งาน กำหนดคำเตือนหรือระบบสำรองที่ควบคุมได้เมื่อพลังงานสำรองไม่พร้อมใช้งาน

ส่วนที่ 4: การออกแบบอินเทอร์เฟซทางกายภาพ

4.1 เลือกผู้ติดต่อสำหรับหน้าที่การแลกเปลี่ยนจริง

ระบุแรงดันไฟฟ้ากระแสตรง กระแสไฟฟ้าต่อเนื่องและกระแสไฟฟ้าแบบพัลส์ รอบการเสียบ การจัดแนว การยึด และว่าอนุญาตให้เสียบหรือถอดขณะมีโหลดหรือไม่ พิกัดกระแสไฟฟ้าคงที่ของคอนเนคเตอร์ไม่ได้หมายความว่าสามารถถอดขณะมีกระแสไฟฟ้าได้โดยอัตโนมัติ

ในกรณีที่มีการใช้ลำดับการเชื่อมต่อ ให้ระบุการจ่ายไฟ การส่งคืน การตรวจจับ และการเชื่อมต่อการสื่อสารอย่างชัดเจน คุณสมบัติการนำทาง การกำหนดรหัส และตัวล็อคควรป้องกันการเสียบไม่สนิทและการเชื่อมต่อที่ไม่เข้ากัน ข้อกำหนดการต่อลงดินก่อนขึ้นอยู่กับการออกแบบอินเทอร์เฟซ อย่าคิดว่าลำดับคงที่นั้นเหมาะสมกับระบบแบตเตอรี่ทุกระบบ

4.2 การบูรณาการการตรวจจับและการสื่อสารกับโฮสต์

ใช้ข้อมูลการมีอยู่และการล็อคเมื่อจำเป็น และตรวจสอบแรงดันไฟฟ้า อุณหภูมิ ข้อมูลระบุตัวตน และสถานะความผิดพลาดก่อนเปิดใช้งานแหล่งจ่ายไฟ หน้าสัมผัสการสื่อสารไม่ควรจ่ายไฟโดยไม่ตั้งใจผ่านขาของสัญญาณในขณะที่หน้าสัมผัสหลักไม่อยู่

การตรวจสอบสิทธิ์สามารถช่วยปฏิเสธแพ็กเก็ตที่ไม่เข้ากันได้ แต่โฮสต์จำเป็นต้องมีการตอบสนองที่ชัดเจนต่อการสื่อสารที่ล้มเหลวหรือล่าช้า การป้องกันที่สำคัญต่อความปลอดภัยไม่ควรขึ้นอยู่กับการแลกเปลี่ยนข้อมูลที่ประสบความสำเร็จเพียงอย่างเดียว

ส่วนที่ 5: การจัดการความเสี่ยงด้านความร้อนและการปฏิบัติตามข้อกำหนด

5.1 เลือกสารเคมีและระบบทำความเย็นให้เหมาะสมกับโหลด

NMC สามารถรองรับการออกแบบที่เน้นพลังงานและมีขนาดกะทัดรัด ในขณะที่ LiFePO4 เหมาะสำหรับแอปพลิเคชันที่ให้ความสำคัญกับการใช้งานซ้ำและความเสถียรทางความร้อน เลือกแบบจำลองเซลล์ที่เหมาะสมตามภาระ ช่วงแรงดัน ขนาด ขีดจำกัดอุณหภูมิ และเป้าหมายอายุการใช้งาน ฉลากทางเคมีเพียงอย่างเดียวไม่สามารถกำหนดความสามารถในการใช้งานแบบพัลส์หรือความปลอดภัยของชุดแบตเตอรี่ได้

วัดความร้อนจากเซลล์ ตัวเชื่อมต่อ และอุปกรณ์ในเส้นทางจ่ายไฟ รวมถึงการทำงานจากแหล่งจ่ายไฟเดียวและเหตุการณ์การเสียบปลั๊ก ระบบระบายความร้อนแบบพาสซีฟอาจเพียงพอสำหรับแบตเตอรี่บางประเภท การระบายความร้อนแบบบังคับจะทำให้สิ้นเปลืองพลังงาน เกิดการปนเปื้อน และต้องคำนึงถึงการบำรุงรักษามากขึ้น ควรเว้นระยะห่างระหว่างช่องระบายอากาศและพื้นผิวที่ร้อนกับผู้ใช้งาน

การแยกทางไฟฟ้าสามารถลดพลังงานที่ส่งไปยังจุดบกพร่องได้ แต่ไม่สามารถหยุดปฏิกิริยาความร้อนภายในเซลล์ได้เสมอไป การควบคุมการแพร่กระจายความร้อนและการตอบสนองต่อเหตุการณ์จำเป็นต้องได้รับการประเมินแยกต่างหาก การตรวจจับก๊าซเป็นตัวเลือกเฉพาะสำหรับการใช้งาน ไม่ใช่ข้อกำหนดสากลหรือการรับประกันช่วงเวลาเตือนภัยที่แน่นอน

5.2 ประเมินมาตรฐานในระดับที่เหมาะสม

ความปลอดภัยทางไฟฟ้าและประสิทธิภาพที่สำคัญในระดับอุปกรณ์ ความปลอดภัยของแบตเตอรี่ ข้อกำหนดด้านการขนส่ง และการรับรองระบบคุณภาพ ล้วนเกี่ยวข้องกับหัวข้อที่แตกต่างกัน ประเมินข้อกำหนด IEC 60601 ที่เกี่ยวข้องกับอุปกรณ์ทางการแพทย์ ข้อกำหนดเซลล์/แพ็คที่เหมาะสม เช่น IEC 62133-2 หรือ UL 2054 ในกรณีที่เกี่ยวข้อง และการทดสอบการขนส่ง UN 38.3

ISO.14971 มาตรฐาน ISO 13485 ให้กรอบการบริหารความเสี่ยงสำหรับอุปกรณ์ทางการแพทย์ โดยเน้นที่ระบบคุณภาพมากกว่าการรับรองวงจรเปลี่ยนแบตเตอรี่ขณะทำงานแต่ละวงจร การใช้งานในพื้นที่อันตรายต้องได้รับการประเมินแยกต่างหากตามข้อกำหนดการป้องกันการระเบิดที่เกี่ยวข้อง การอนุมัติแบตเตอรี่แบบทั่วไปนั้นไม่เพียงพอ

ส่วนที่ 6: ตรวจสอบความถูกต้องของอุปกรณ์ทั้งหมด

กำหนดเกณฑ์การยอมรับจากข้อกำหนดของอุปกรณ์ แทนที่จะใช้ตัวเลขเวลาสวิตช์แบบสากล สังเกตทั้งรูปคลื่นของแหล่งจ่ายไฟและการทำงานจริงของอุปกรณ์ การตรวจสอบสัญญาณบัสที่สะอาดเพียงอย่างเดียวไม่สามารถสร้างความสมบูรณ์ของข้อมูลหรือประสิทธิภาพการทำงานที่จำเป็นทางการแพทย์อย่างต่อเนื่องได้

สำหรับการวางแผนโครงการ โปรดระบุรายละเอียดโหลด ระยะเวลาการเปลี่ยนทดแทนที่อนุญาต ช่วงแรงดันไฟฟ้าของแหล่งจ่าย และข้อจำกัดของอินเทอร์เฟซผ่านทาง การให้คำปรึกษาเกี่ยวกับแบตเตอรี่แบบกำหนดเองประเมินผลประโยชน์ด้านต้นทุนโดยใช้ขั้นตอนการทำงานจริง กลุ่มอะไหล่ และความต้องการในการบำรุงรักษา แทนที่จะสันนิษฐานว่าการออกแบบระบบเปลี่ยนอะไหล่ขณะทำงานทุกแบบจะให้ผลประหยัดเท่ากัน

คำถามที่พบบ่อย

ชุดแบตเตอรี่แบบถอดได้รองรับการเปลี่ยนขณะใช้งานโดยอัตโนมัติหรือไม่?

ไม่ อุปกรณ์ทั้งหมดจำเป็นต้องมีแหล่งจ่ายไฟสำรองที่พร้อมใช้งาน การควบคุมเส้นทางพลังงานที่เหมาะสม และอินเทอร์เฟซสำหรับเปลี่ยนทดแทนขณะใช้งานที่ผ่านการตรวจสอบแล้ว

ระบบไฟฟ้าสำรองจะต้องใช้งานได้นานแค่ไหน?

ต้องครอบคลุมเวลาที่อนุญาตให้เปลี่ยนตัวผู้ปฏิบัติงาน คุณสมบัติของแหล่งจ่ายขาเข้า และปริมาณสำรอง ช่วงเวลาการถ่ายโอนทางไฟฟ้าเป็นเพียงส่วนหนึ่งของข้อกำหนดนั้นเท่านั้น

ฉันสามารถต่อแบตเตอรี่สองก้อนแบบขนานเข้าด้วยกันโดยตรงได้หรือไม่?

เฉพาะเมื่อระบบได้รับการออกแบบและมีคุณสมบัติเหมาะสมสำหรับการจัดเรียงนั้นโดยเฉพาะเท่านั้น แรงดันไฟฟ้าของชุดแบตเตอรี่ที่ไม่เท่ากันอาจทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าที่ไม่สามารถควบคุมได้ การแยกแหล่งจ่ายไฟและพฤติกรรมการชาร์จจะต้องได้รับการพิจารณา

ระบบ BMS เพียงอย่างเดียวสามารถป้องกันการรีเซ็ตอุปกรณ์ได้หรือไม่?

ไม่ การป้องกันแพ็กเกจและการจัดการแหล่งที่มาของโฮสต์มีบทบาทที่แตกต่างกัน ตรวจสอบการทำงานร่วมกันของทั้งสองส่วนกับอุปกรณ์ทั้งหมด

รับประกันว่าจะไม่มีช่วงเวลาหยุดทำงานเลยใช่หรือไม่?

นี่คือเป้าหมายประสิทธิภาพที่กำหนดไว้สำหรับเงื่อนไขการเปลี่ยนแบตเตอรี่ที่ได้รับการตรวจสอบแล้ว ซึ่งไม่ได้ครอบคลุมถึงแบตเตอรี่ อุปกรณ์ หรือความผิดพลาดของผู้ใช้งานทุกประเภท

เคมีแบบไหนดีที่สุด?

เลือกแบบจำลองเซลล์ที่มีคุณสมบัติเหมาะสมตามข้อกำหนดด้านพลังงาน กำลังไฟฟ้า อุณหภูมิ และอายุการใช้งาน ทั้ง NMC และ LiFePO4 สามารถใช้งานได้ในระบบที่ได้รับการออกแบบอย่างเหมาะสม