健康用バッテリ用の医療用コンバータ

充電式電池は、電気エネルギーを蓄えるために何十年にもわたって使用されてきました。1859年にガストン・プランテによって発明されたウィキペディアによると、多くのアプリケーションには鉛蓄電池が装備されています。重いですが、使い方は簡単です。メンテナンスフリーのAGMまたはEFPバッテリーは、使用をより簡単かつ安全にしただけでなく、電流とストレージの性能と寿命も向上させました。
充電は比較的簡単で、最新のデバイスはマイクロプロセッサを使用して、充電プロセスを開始する前にバッテリーの種類と状態を確認します。バッテリの寿命は、多相の温度制御充電アルゴリズムを使用することで最大化されます(図1)。

図1:多相充電アルゴリズムは、バッテリの過負荷や過熱を回避します。充電器はいつでもバッテリーに接続できます

乾電池は多くのモバイル機器やハンドヘルド機器に使用されていますが、工具などの用途では、より多くのエネルギーと軽量のソリューションが必要です。ニッカド電池は、より高い電力密度と電流能力を提供し、既存の乾電池フォーマットで利用可能でした。しかし、充電電流はC/5またはC/10程度(C=Ahの公称容量)程度に制限され、10時間以上かかりました。理論的には、充電サイクルは長くなりますが、メモリー効果により寿命が短くなることが非常によくありました。自己放電は月に10〜20%でした。

カドミウムは有毒であり、何年も前に多くの国で禁止され、ニッケル水素電池に置き換えられました。堅牢で、過充電や深放電に対する耐性が高くなります。メモリー効果と自己放電は大幅に低下しますが、それでもモバイルデバイスには理想的ではありません。数時間以内の急速充電には、より高度な充電器が必要です。

リチウムイオン電池は、エネルギー密度が高く、自己放電率は月にわずか1〜2%で、メモリー効果はありません。また、より広い周囲温度範囲にも耐えられるため、携帯電話やラップトップに最適なソリューションでした。今日では、多くのアプリケーションで第一の選択肢となっています。

0.5°Cから1°Cまでの急速充電が可能ですが、位相が異なります(図2)。

図2:リチウムイオン電池の一般的な充電段階

リチウムは発火する可能性があり、採掘に問題があります。他の、より危険が少なく、採掘が容易な材料に基づくバッテリートポロジが調査され、さまざまなエネルギー密度、より高速な充電、またはより低いコストを提供します。これらすべてに共通しているのは、充電プロセスを管理し、各セルの状態を監視することが、安全性と長寿命のために不可欠であるということです。

バッテリーの充電状態(SoC)を測定することは、何十年にもわたって大きな課題でした。電圧対充電曲線の使用は、鉛蓄電池ではある程度正確でしたが、他のセル材料では放電曲線は非常に平坦です(図3)。値は、技術、充電サイクル数、バッテリーの使用年数によっても異なります。

図3:さまざまなバッテリトポロジの一般的な電圧対放電曲線

充電と放電の段階で流れる電流の測定は、アナログ回路では複雑でしたが、マイクロコントローラと電流センサでは簡単です。このクーロンカウントと呼ばれるプロセスにより、SoCを計算でき、式にはバッテリーの損失、経年劣化、自己放電、および温度を含めることができます。

バッテリー管理システム(BMS)は、バッテリーの状態を監視し、安全な動作領域外での動作を回避します。充電プロセスを制御し、各セルに蓄えられたエネルギーのバランスを取り、充電状態や温度などの重要なデータを監視し、異常な状態を報告します。図4は、BMSシステムの簡略化されたブロック図を示しています。

図4:アレイ内の各セルまたはセルのブロックが監視および制御され、データが中央のバッテリ管理システムに送信されます

低電力アプリケーションで数個のセルを監視するのは簡単ですが、数百kWhまたは数MWhの大規模なアレイと、多数のセルを直列および並列に接続する場合は、実際の課題です。これらの設備(図5)は、再生可能エネルギーパークの余剰を貯蔵したり、ACグリッドのバランスをとったり、重要な設備のUPS(無停電電源装置)として機能したりします。

図5:バッテリー管理システムを備えた大規模エネルギー貯蔵システム

図4に示すように、各セルを監視する必要があり、回路には12Vまたは24Vのバスから生成される個別の絶縁型電源電圧が必要です。単純な設計上の課題のように聞こえますが、低消費電力の標準コンバータモジュールで解決できます。

しかし、何百ものセルが直列に接続された高出力アプリケーションの場合、完全なバッテリーパックの電圧は600〜800ボルトに達する可能性があり、強化された絶縁が必要です。ほとんどの24Vin DC/DCコンバータは、500Vまたは1600Vの絶縁電圧を必要とする一般的な産業用アプリケーション向けに設計されています。

絶縁材料の劣化や故障を避けるために、連続的に印加される動作電圧は絶縁電圧よりもはるかに低く、安全規格で定義されています(図6)。これらの値は、アプリケーションの種類や環境条件によっても異なります。

図6:産業用アプリケーションの標準的な絶縁電圧

600〜800Vdcのバッテリーパックには、DC/DCコンバーター内に3000Vac(または4243Vdc)の強化絶縁バリアが必要であり、1600Vの絶縁しかない多くの標準コンバーターには高すぎます。しかし、3kVac絶縁のコンバータは本当に要件を満たしているのでしょうか?

これらの大型バッテリーシステムは、風力タービン、ソーラーパーク、変電所の近くでACグリッドに接続されています。これらのデバイスは高い過渡現象にさらされるため、400Vacの三相主電源に4kVの絶縁電圧を必要とするOVC III (過電圧カテゴリIII)に準拠する必要があります。

ACアプリケーション向けに仕様が規定されていますが、これらのOVCカテゴリはDCバッテリのソリューションを見つけるのに役立ちます。残念ながら、メーカーのウェブサイトで4kVac絶縁の産業用DC/DCコンバータを検索しても、通常一致するものはありません。
しかし、分離の障壁が最も高い市場があります。医療機器に接続された患者は、感電から保護する必要があるため、この市場には非常に厳しい絶縁と漏れ電流の要件があります。

医療規格では、患者(MOPP)とオペレーター(MOOP)のさまざまな保護手段(MOP)が定義されています。患者や侵襲的システムに接続される機器は、4kVacの絶縁電圧で2 MOPP(2つの患者保護手段)を満たす必要があります。この規格に指定されているコンバータは、上記のBMSシステムで使用できます。

P-DUKEは、これらの2MOPP要件を満たし、5kVacのさらに高い絶縁電圧を提供する幅広いDC/DCコンバータを提供しています。1Wから最大60Wまでの電力レベルを備えた包括的な製品ファミリのセットは、シングル出力とデュアル出力で利用できます。5Vから最大75Vまでのさまざまな入力電圧範囲で、あらゆるアプリケーションに展開できます。P-DUKEのウェブサイトの製品検索機能を使えば、適切な解決策を簡単に見つけることができます。

図7:P-DUKEは、シングルおよびデュアル出力と1Wから最大60Wの電力レベルを備えた医療グレードのDC/DCコンバータの非常に包括的なセットを備えています

たとえば、9 -36入力と12V出力を備えた30WコンバータであるMPD30-24S12Wは、12Vまたは24Vバスから、セルまたはセルアレイに接続されたBMS回路用の個別の絶縁電源電圧を生成できます。

また、医療規格では、マイクロアンペアの範囲の漏れ電流と8mmの沿面距離が要求されています。これは、コンバータ内部の入力と出力の間の絶縁材料に沿った最短距離です。コンデンサと同様に、コンバータ内部の絶縁の材質(ε0)と厚さ(d)によって、入力から出力への静電容量が決まります。

材料が厚く、距離が広いほど、入力と出力の間の静電容量は小さくなります。システムで1つまたは2つのコンバータを使用する場合は重要ではありませんが、大規模なBMSシステムで異なる電圧レベルの数百個のコンバータを組み合わせる場合は重要な要素になります。AC電圧、過渡現象、ノイズは、これらの絶縁バリアを越えて結合することができます。高感度の測定機器や通信機器を妨害するだけでなく、高電圧AC電源からの高く危険な漏れ電流につながる可能性があります。

実際の例を比較してみましょう。P-DUKEの医療用コンバータMPD30の絶縁容量はわずか20pFです。1MHzのセンサ信号でも、これは8kΩの高インピーダンスに相当します。標準的な産業用コンバータは、1500pfを超える絶縁容量を持つことができます。これは75倍高く、1MHz信号のインピーダンスはわずか107Ωに低下します。多くのコンバータが並列に接続されている場合、総容量とインピーダンスは、ノイズ結合だけでなく、これらのバリアを両端のACリーク電流に対しても臨界値に達する可能性があります。

アプリケーションに100個の医療グレードのコンバータがある場合、総容量はわずか2nFであり、式I = U * 2 * π * f * Cによると、400V / 50Hzアプリケーションのリーク電流はわずか0,25μAになります。

工業用グレードのコンバータを使用する場合、総容量は150nFになり、リーク電流は約19mAに増加します。まだ致命的ではありませんが、重大な感電を引き起こします。システム内の他のデバイスの漏れ電流とともに、35mA RCDブレーカー(残留電流回路ブレーカー)をトリップさせることができます。

医療用途と同様に、信頼性も蓄電池システムにとって重要な要素です。P-DUKEのMPD30コンバータファミリは、MTBF値が100万時間(全負荷時のMIL-HDBK-217F)を超える最高の信頼性を実現するように設計されています。また、P-DUKEは、これらの医療機器に対して、他の多くのコンバータメーカーの2年よりもはるかに長い5年間の製品保証を提供しています。

なぜ私たちが言ったのか疑問に思いましたか:健康なバッテリー用の医療用コンバーター?このような大型バッテリーパックの安全で長持ちする動作を保証するには、高度に洗練されたBMSシステムが必要です。これらのアプリケーションは困難ですが、P-DUKEの医療用コンバーターと強力な技術サポートにより、長寿命で健全な動作を確保するために解決できます。