用于健康电池的医疗电源转换器

几十年来，可充电电池一直被用来储存电能。根据加斯顿•普兰特 （Gaston Planté） 于 1859 年发明的维基百科，许多应用都配备了铅酸电池。它们很重，但使用简单。免维护的 AGM 或 EFP 电池不仅使使用更轻松、更安全，而且提高了电流和存储性能以及使用寿命。

充电相对简单，现代设备在开始充电过程之前使用微处理器检查电池的类型和状态。通过使用多相温控充电算法，可以最大限度地延长电池的使用寿命（图 1）。

图 1：多相充电算法可避免电池过载或过热。充电器可以随时连接到电池

干电池用于许多行动和掌上型装置，但工具等应用需要更多的能量和更轻的解决方案。镍镉电池具有更高的功率密度和电流能力，并且已经以现有的干电池形式提供。但充电电流被限制在 C/5 或 C/10 左右（C = 标称容量，单位为 Ah），需要 10 小时或更长时间。从理论上讲，它们提供了更多的充电周期，但记忆效应往往会缩短使用寿命。自放电率为每月10-20%。

镉是有毒的，多年前在许多国家被禁止，并被镍氢电池取代。它们坚固耐用，更能抵抗过度充电或深度放电。记忆效应和自放电明显较低，但对于行动装置来说仍然不理想。几个小时内的快速充电需要更复杂的充电器。

锂离子电池提供更高的能量密度，每月自放电率仅为1-2%，并且没有记忆效应。它们还可以承受更宽的环境温度范围，是手机和笔记本电脑的理想解决方案。如今，它们已成为许多应用的首选。

可以以 0.5C 到 1C 的速率进行快速充电，但相位不同（图 2）。

图 2：锂离子电池的典型充电阶段

锂会着火，开采起来有问题。研究了基于其他危险性较小且易于开采的材料的电池拓扑结构，并提供不同的能量密度、更快的充电速度或更低的成本。它们都有一个共同点，即管理充电过程和监控每个电池的状态对于安全和长寿命至关重要。

几十年来，测量电池的充电状态（SoC）一直是一项重大挑战。对于铅酸电池，使用电压与充电曲线在某种程度上是准确的，但对于其他电池材料，放电曲线相当平坦（图3）。数值还取决于技术、充电循环次数和电池使用年限。

图 3：不同电池拓扑的典型电压与放电曲线

使用模拟电路测量充电和放电阶段的电流很复杂，但使用微控制器和电流传感器则很容易。通过这种称为库仑计数的过程，可以计算SoC，并且方程可以包括电池损耗、老化、自放电和温度。

电池管理系统（BMS）监控电池状态，避免在安全操作区域之外进行任何操作。它们控制充电过程，平衡每个电池中存储的能量，监控充电状态和温度等关键数据，并报告任何异常情况。图 4 显示了 BMS 系统的简化框图

图 4：数组中的每个电池或电池块都受到监控和控制，并将数据发送到中央电池管理系统

在低功耗应用中监测几个电池很容易，但在具有数百kWh或数MWh的大型数组以及大量串联和并联的电池中，这是一个真正的挑战。这些装置（图 5）用于储存可再生能源园区的盈余，平衡交流电网，或充当关键装置的 UPS（不间断电源）。

图5：带电池管理系统的大型储能系统

如图4所示，必须对每个电池进行监控，并且电路需要由12V或24V总线产生的单独隔离电源电压。听起来像是一个简单的设计挑战，可以通过低功耗、标准转换器模块来解决。

但对于数百个串联电池的大功率应用，整个电池组的电压可以达到 600 - 800 伏，需要加强隔离。大多数 24Vin DC/DC电源转换器专为需要 500V 或 1600V 隔离电压的典型工业应用而设计。

为避免隔离材料的退化和失效，允许连续施加的工作电压远低于隔离电压，并由安全标准定义（图 6）。这些值还取决于应用类型和环境条件。

图 6：工业应用的典型隔离电压

600 - 800Vdc 的电池组需要在DC/DC电源转换器内设置3000Vac（或4243Vdc）的增强隔离栅，这对于许多只有1600V隔离的标准转换器来说太高了。但是，具有 3kVac 隔离的转换器真的满足要求吗？

这些大型电池系统连接到交流电网，靠近风力涡轮机、太阳能公园或变电站。它们暴露在高瞬态下，应符合 OVC III（过电压类别 III）的要求，要求 400Vac 三相电源具有 4kV 隔离电压。

虽然这些OVC类别是针对交流应用而设计的，但有助于找到直流电池的解决方案。遗憾的是，在制造商网站上搜索具有 4kVac 隔离的工业DC/DC电源转换器时，通常没有匹配项

但是，在有些市场中，最高的隔离屏障至关重要。连接到医疗设备的患者必须受到保护，免受任何电击，因此该市场对隔离和泄漏电流的要求非常严格。

医疗标准定义了不同的患者保护手段（MOP）和操作员（MOOP）。连接到患者和侵入性系统的设备必须满足2 MOPP（两种患者保护手段），隔离电压为4kVac。为本标准指定的转换器可用于上述BMS系统。

P-DUKE 拥有各种DC/DC电源转换器，可满足这些2MOPP要求，并提供更高的 5kVac 隔离电压。功率等级从1W到60W的全套产品系列提供单路和双路输出。凭借5V至75V的各种输入电压范围，它们可以部署在所有不同的应用中。使用P-DUKE网站上的产品搜索功能可以很容易地找到合适的解决方案。

图 7：P-DUKE 拥有一套非常全面的医疗级DC/DC电源转换器，具有单路和双路输出，功率水平从1W到60W不等

例如，MPD30-24S12W是一款具有9 -36输入和12V输出的30W转换器，可以从12V或24V总线为连接到电池或电池数组的BMS电路创建单独的隔离电源电压。

医疗标准还要求泄漏电流在微安范围内，爬电距离为8mm。这是转换器内部输入和输出之间沿隔离材料的最短距离。与电容器类似，转换器内部隔离的材料（ε0）和厚度（d）定义了输入到输出的电容：

材料越厚，距离越宽，输入和输出之间的电容就越低。虽然在系统中使用一个或两个转换器并不重要，但在大型 BMS 系统中组合数百个不同电压等级的转换器时，它成为一个重要因素。交流电压、瞬态和噪声可以跨越这些隔离栅进行耦合。它不仅会干扰高度敏感的测量或通信设备，还会导致高压交流电源产生高而危险的泄漏电流。

让我们比较一个实际的例子。P-DUKE 的医疗转换器 MPD30 的隔离电容仅为 20pF。即使对于1MHz的传感器信号，这也意味着8kΩ的高阻抗。标准工业转换器的隔离电容可以超过1500pf。这高出 75 倍，1Mhz 信号的阻抗降至仅 107Ω。当许多转换器并联时，总电容和阻抗可以达到噪声耦合的临界值，也可以达到这些栅极跨越的交流漏电流的临界值。

在一个应用中有 100 个医疗级转换器，总电容仅为 2nF，根据公式 I = U*2*π*f*C，400V/50Hz 应用中的泄漏电流仅为0.25μA。

使用工业级转换器时，总电容为150nF，漏电流将增加到19mA左右。虽然还不是致命的，但它会引起严重的电击。与系统中其他设备的漏电流一起，可以跳闸 35mA RCD 断路器（剩余电流断路器）。

与医疗应用一样，可靠性是电池存储系统的另一个重要因素。P-DUKE 的 MPD30 电源转换器系列专为实现最高可靠性而设计，MTBF 值大于 100 万小时（满载时为 MIL-HDBK-217F）。P-DUKE 还为这些医疗设备提供 5 年产品保修，比许多其他转换器制造商的 2 年保修要长得多。

你有没有想过我们为什么说：健康电池的医疗电源转换器？需要高度复杂的BMS系统来保证如此大型电池组的安全和持久运行。这些应用具有挑战性，但凭借 P-DUKE 的医疗电源转换器和强大的技术支持，可以解决这些应用，以确保健康的运行和长的使用寿命。

原文链接：https://www.pduke.com.cn/sc/news_detail5_137.htm

MPD30产品资料: https://www.pduke.com.cn/sc/product_list322.htm

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