CN115395629A

CN115395629A - 一种医疗车供电系统

Info

Publication number: CN115395629A
Application number: CN202211322851.9A
Authority: CN
Inventors: 金磊; 赵建林; 刘新刚; 余金明; 金健鹏; 周逸文; 黄挺; 刘凌; 孙赟
Original assignee: Beijing Guoan Guangchuan Network Technology Co Ltd
Current assignee: Beijing Guoan Guangchuan Network Technology Co Ltd
Priority date: 2022-10-27
Filing date: 2022-10-27
Publication date: 2022-11-25

Abstract

本发明提供一种医疗车供电系统。所述系统包括安装在医疗车上依次相连的以市电为初始电源的充电电源模块、充电模块、充电电流采样模块、电池组，与电池组输出端相连的电池电压采样模块、交流逆变电源和DC‑DC电源，还包括分别与充电模块、充电电流采样模块、电池电压采样模块相连的电源控制器；所述交流逆变电源和DC‑DC电源用于为设置在医疗车上的医疗设备、车厢电气设备提供正常工作所需的交流电源和直流电源。本发明能够使医疗车不仅可以在用电方便的场合工作，还可以在环境恶劣的野外工作；在紧急情况下能够实现对车载电池的快速充电。

Description

一种医疗车供电系统

技术领域

本发明涉及医疗设备及电源技术领域，具体涉及一种医疗车供电系统。

背景技术

医疗车是用于进行医学检查、医学治疗操作的机动车辆，内部配备有相关医学器械和专业的护士和医生。医疗车按照其使用对象可分为军用和民用两大类。军用医疗车可分为X光线车、卫生急救车，生物检验车，野战手术车，医疗指挥车、军用远程会诊车、军用方舱救护车等，主要用于战时战场伤病员救护，生化检测，灾区救援等情况下；民用医疗车可分为体检车，采血车，X射线诊断车，救护车，手术车等。

由于医疗车上配备了很多医学电子设备，需要有完备的供电系统。很多医疗车尤其是军用医疗车经常需要在非常恶劣的露天环境工作，比如高原、海边、山区等。恶劣的工作环境对医疗车供电系统提出了严峻的挑战，比如，锂离子电池在低温下的电化学反应速率降低，内阻急剧增大，充放电性能变差，容量衰减明显，动力性能变差，导致续驶里程严重缩短；一些紧急情况下需要为电池快速充电，但一般供电系统的充电设备的充电速度不可调，不具备快速充电功能。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种医疗车供电系统。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案。

一种医疗车供电系统，包括安装在医疗车上依次相连的以市电为初始电源的充电电源模块、充电模块、充电电流采样模块、电池组，与电池组输出端相连的电池电压采样模块、交流逆变电源和DC-DC电源，还包括分别与充电模块、充电电流采样模块、电池电压采样模块相连的电源控制器；所述交流逆变电源和DC-DC电源用于为设置在医疗车上的医疗设备、车厢电气设备提供正常工作所需的交流电源和直流电源；电源控制器用于协调各模块的工作，并基于实时采样的充电电流和电池电压输出占空比可调的脉冲信号至充电模块，按照设定的充电模式和速度对电池组进行充电。

进一步地，按照设定的充电模式对电池组进行充电的方法包括：

充电开始时，电源控制器输出占空比从0逐渐增大的脉冲信号至充电模块，充电模块为电池组进行涓流充电，直到电池组输出电压为k₁*E，E为电池组的充满电压，0<k₁<1；

电源控制器输出占空比逐渐增大的脉冲信号至充电模块，使充电电流采样模块的输出电压保持R*I₀不变，充电模块以固定充电电流I₀为电池组进行恒流充电，直到电池组输出电压为k₂*E，充电模块输出电压为R*I₀+k₂*E≥E；R为电流采样模块的采样电阻，I₀为涓流充电结束时的充电电流，k₁<k₂<1；

电源控制器输出占空比不变的脉冲信号至充电模块，充电模块以固定输出电压(R*I₀+k₂*E)为电池组进行恒压充电，直到电池组输出电压为E，充电结束。

更进一步地，通过改变k₂的大小调节充电速度，k₁不变时，k₂越大充电速度越快，k₂越小充电速度越慢。

进一步地，所述系统还包括用于为电池组加热的加热模块。

更进一步地，所述加热模块包括输出端分别与电池组的正负极相连的交流电源，所述交流电源为输出电流幅度和频率可调的程控电源，其控制端与所述电源控制器相连，还包括与所述电源控制器相连用于测量交流电源输出电流幅度的电流测量模块和用于测量电池组温度的温度传感器。

更进一步地，所述加热模块在电源控制器控制下为电池组加热的方法包括：

S1、实时获取电池组的温度T和输出电压V；

S2、从存储单元获取所述T、V对应的A、f，所述A、f分别为使电池生热率最高的交流电源输出的电流幅值和频率；

S3、调整交流电源输出电压和频率，使其输出的电流幅值和频率分别等于所述A、f；

S4、重复S1~S3，直到电池温度T达到设定的加热温度。

更进一步地，T、V对应的A、f的计算方法包括：

根据热电效应原理，建立以电池生热率为函数、以A、f为自变量的数学模型，所述模型中包含随T、f变化的电池阻抗；

采用优化算法，以A不超过其最大值为约束条件，计算T、SOC取不同值时使电池生热率最大的A、f，得到T、V对应的A、f，A的最大值通过基于电池的安全工作电压、V和电池阻抗计算获得。

进一步地，所述系统还包括安装在医疗车顶的太阳能电源板，以及两个输入端分别与太阳能电源板的输出和充电电源模块的输出相连的切换开关，切换开关的输出端与充电模块的输入端相连，切换开关的控制端与电源控制器相连。

进一步地，所述医疗设备包括护理设备、手术设备、放射治疗设备、理化设备、激光设备、透析治疗设备和急救设备中的至少一种。

进一步地，所述车厢电气设备包括照明电器、空调机和排风扇中的至少一种。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果。

本发明通过设置安装在医疗车上的充电电源模块、充电模块、充电电流采样模块、电池组、电池电压采样模块、交流逆变电源、DC-DC电源和电源控制器，所述交流逆变电源和DC-DC电源用于为设置在医疗车上的医疗设备、车厢电气设备提供正常工作所需的交流电源和直流电源，电源控制器用于协调各模块的工作，并基于实时采样的充电电流和电池电压输出占空比可调的脉冲信号至充电模块，按照设定的充电模式和速度对电池组进行充电，能够使医疗车不仅可以在用电方便的场合工作，还可以在环境恶劣的野外工作；在紧急情况下能够实现对车载电池的快速充电。

附图说明

图1为本发明实施例一种医疗车供电系统的组成框图。

图2为加热模块的组成框图。

图3为太阳能电源板与切换开关的连接示意图。

图中，1-充电电源模块，2-充电模块，3-充电电流采样模块，4-电池组，5-交流逆变电源，6-DC-DC电源，7-电池电压采样模块，8-电源控制器，9-交流电源，10-电流测量模块，11-温度传感器，12-太阳能电源板，13-切换开关。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明白，以下结合附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明实施例一种医疗车供电系统的组成框图，包括安装在医疗车上依次相连的以市电为初始电源的充电电源模块1、充电模块2、充电电流采样模块3、电池组4，与电池组4输出端相连的电池电压采样模块7、交流逆变电源5和DC-DC电源6，还包括分别与充电模块2、充电电流采样模块3、电池电压采样模块7相连的电源控制器8；所述交流逆变电源5和DC-DC电源6用于为设置在医疗车上的医疗设备、车厢电气设备提供正常工作所需的交流电源9和直流电源；电源控制器8用于协调各模块的工作，并基于实时采样的充电电流和电池电压输出占空比可调的脉冲信号至充电模块2，按照设定的充电模式和速度对电池组4进行充电。

本实施例所述系统主要由充电电源模块1、充电模块2、充电电流采样模块3、电池组4、电池电压采样模块7、交流逆变电源5、DC-DC电源6和电源控制器8。所有模块均安装在医疗车上，各模块的连接关系如图1所示。下面对每个模块的工作原理及功用分别进行介绍。

充电电源模块1，主要用于为充电模块2提供直流供电电源，也可以说是通过充电模块2为电池组4充电。充电电源模块1以220V/50H_Z交流市电（通过车厢电源接口接入）为初始电源，一般主要由降压变压器、整流电路和滤波电路等组成。

充电模块2，主要用于在电源控制器8作用下按照设定的充电模式输出符合要求的电压/电流为电池组4充电。充电模块2一般主要由RC电路和开关管组成。开关管的控制端与电源控制器8相连，电源控制器8通过输出占空比可调的脉冲信号至开关管的控制端，改变开关管的导通时间和截止时间，来调整充电模块2的输出电压/电流。一般导通时间越长或占空比越大，充电模块2输出电压/电流越大。一般情况下，充电模块2只有在充电状态才与电池组4接通；非充电状态与电池组4断开。

充电电流采样模块3，用于测量充电电流，即充电模块2输出电流或电池组4输入电流。充电电流采样模块3一般是串联在充电模块2与电池组4之间的一个阻值较小的采样电阻，通过测量采样电阻两端的电压（再除以采样电阻的阻值）得到充电电流。

电池电压采样模块7，用于测量电池组4输出电压（也叫剩余电压或SOC）。电池电压采样模块7一般采用电阻串联分压方式，比如并联在电池组4两端的两个串联电阻R1、R2，通过测量其中一个电阻（如R1）两端的电压（再除以分压比R1/(R1+R2)）得到电池组4电压。

电池组4，是所述系统的储能单元，用于为交流逆变电源5和DC-DC电源6提供直流工作电压。电池组4在所述系统中起着至关重要的作用，其性能好坏直接影响系统的负载能力和连续续航时间。电池组4可采用蓄电池，蓄电池的种类大致可以为铅酸蓄电池、镍氢蓄电池、镍氢蓄电池、锂离子电池、镍镉电池、钠硫蓄电池等。目前应用最广的锂离子电池，锂离子电池是一类由锂金属或锂合金为负极材料、使用非水电解质溶液的电池具有小巧轻便，相对于传统的铅酸电池更高效、安全、环保等优点。

交流逆变电源5，用于将电池组4输出的直流电压转换成交流电压，为医疗车上的交流用电设备供电。交流逆变电源5一般以输出220V/50H_Z交流电为主，根据具体需求，还可输出多组不同幅值的交流电压。交流逆变电源5的数量不限于1个，可设置输出功率相同或不同的多个电源。

DC-DC电源6，用于将电池组4输出的直流电压转换成大小不等于电池组4电压的直流电压，为医疗车上的直流用电设备供电。DC-DC电源6同样可根据需要输出不同幅值的直流电压。

电源控制器8，主要用于通过输出各种控制信号协调各模块的工作，还用于完成一些简单的数据处理任务。比如，控制充放电的启停转换，根据充电电流采样模块3和电池电压采样模块7的输出计算充电电流和电池电压，输出占空比可调的脉冲信号至充电模块2，按照设定的充电模式和速度对电池组4进行充电。不同于一般的充电设备，本实施例的充电模块2在电源控制器8作用下可自由调整充电速度，当然也就可以实现快速充电，以满足一些特殊情况下快速充电需求。

作为一可选实施例，按照设定的充电模式对电池组4进行充电的方法包括：

充电开始时，电源控制器8输出占空比从0逐渐增大的脉冲信号至充电模块2，充电模块2为电池组4进行涓流充电，直到电池组4输出电压为k₁*E，E为电池组4的充满电压，0<k₁<1；

电源控制器8输出占空比逐渐增大的脉冲信号至充电模块2，使充电电流采样模块3的输出电压保持R*I₀不变，充电模块2以固定充电电流I₀为电池组4进行恒流充电，直到电池组4输出电压为k₂*E，充电模块2输出电压为R*I₀+k₂*E≥E；R为电流采样模块的采样电阻，I₀为涓流充电结束时的充电电流，k₁<k₂<1；

电源控制器8输出占空比不变的脉冲信号至充电模块2，充电模块2以固定输出电压(R*I₀+k₂*E)为电池组4进行恒压充电，直到电池组4输出电压为E，充电结束。

本实施例给出了电池组4充电的一种技术方案。实施例的充电过程包括3个阶段，按照时间顺序分别是涓流充电、恒流充电和恒压充电。第一个充电阶段是涓流充电，充电开始时，采用涓流充电，充电模块2通过输出微小的电流激活电池，充电模块2的输出电压从0开始慢慢增加，直到电池组4电压升至k₁*E，E为电池组4的充满电压，0<k₁<1。第二个充电阶段是恒流充电，即充电电流保持涓流充电结束时的电流I₀不变，电池组4电压逐渐升高。要实现恒流充电，需调整电源控制器8输出脉冲的占空比，使充电模块2输出电压为R*I₀+V，V为电池组4电压，R为充电电流采样模块3的采样电阻。当电池组4电压升至k₂*E时恒流充电结束。第三个充电阶段是恒压充电，使充电模块2的输出电压保持恒流充电结束时的输出电压(R*I₀+k₂*E)不变，直到电池组4充满。由于充电模块2的输出电压不变，而电池组4电压逐渐升高，因此充电电流采样模块3的电压逐渐减小，充电电流也逐渐减小。要保证恒压充电阶段一定能够使电池组4充满，充电模块2在恒流充电结束时的输出电压须满足R*I₀+k₂*E≥E。

作为一可选实施例，通过改变k₂的大小调节充电速度，k₁不变时，k₂越大充电速度越快，k₂越小充电速度越慢。

本实施例给出了调节充电速度的一种技术方案。根据上一实施例给出的充电过程及原理可知，k₁不变时，k₂越大，充电电流I₀的最大值越大，I₀的平均值也越大，充电速度也越快。因此可通过k₂的大小调节充电速度。当然，要获得更快的充电速度，需改变充电模式。如第二阶段不采用恒流充电，而是使电流逐渐增大，这样可获得更高的平均充电电流，从而获得的更快的充电速度。

作为一可选实施例，所述系统还包括用于为电池组4加热的加热模块。

本实施例给出了保护电池的一种技术方案。如前述，锂离子电池在低温下的电化学反应速率降低，内阻急剧增大，充放电性能变差，容量衰减明显，动力性能变差，导致续驶里程严重缩短。为了对电池进行有效保护，本实施例设置了专门为电池组4加热的加热模块。加热模块的实现方法很多，主要可以分为两大类：内部加热法与外部加热法。所谓外部加热法，就是将外部附加的加热装置产生的热量传导给电池来实现对电池的加热。主要包括加热板加热、加热套加热、热管加热、PTC加热等几种形式。外部加热法具有简单易行的优点，但也有花费时间较长、能量损失较大、加热均匀性较差等不足。而内部加热法是采用刺激电池利用其自身的能量生热来给电池加热的一种方法。后面的实施例将给出一种具体的内部加热法。

作为一可选实施例，所述加热模块包括输出端分别与电池组4的正负极相连的交流电源9，所述交流电源9为输出电流幅度和频率可调的程控电源，其控制端与所述电源控制器8相连，还包括与所述电源控制器8相连用于测量交流电源9输出电流幅度的电流测量模块10和用于测量电池组4温度的温度传感器11。

本实施例给出了采用内部加热法的加热模块的一种技术方案。本实施例利用电热学原理，采用交流电源9为加热源，将交流电源9的两个输出端分别与电池的正负极相连，打开电源，交流电源9输出的正弦交流电流流过电池，使电池自身产生热量从而实现加热。为了实现自动加热控制，所述交流电源9采用输出电流幅度和频率可调的程控电源，其控制端与所述电源控制器8相连；还设置了与所述电源控制器8相连的电流测量模块10和用温度传感器11，电流测量模块10用于测量交流电源9输出电流的幅度，温度传感器11用于测量电池组4温度。加热模块的结构框图如图2所示。

作为一可选实施例，所述加热模块在电源控制器8控制下为电池组4加热的方法包括：

S1、实时获取电池组4的温度T和输出电压V；

S2、从存储单元获取所述T、V对应的A、f，所述A、f分别为使电池生热率最高的交流电源9输出的电流幅值和频率；

S3、调整交流电源9输出电压和频率，使其输出的电流幅值和频率分别等于所述A、f；

S4、重复S1~S3，直到电池温度T达到设定的加热温度。

本实施例给出了一种高效的电池组4加热方法。本实施例按照设定的优化策略对电池进行加热，能够使电池生热率始终保持最大，可以在不损伤电池容量和寿命的前提下明显提高电池加热速度。

本实施例中，步骤S1主要用于实时获取电池组4温度T和输出电压V。电池组4温度T由温度传感器11输出，电池组4输出电压V由电池电压采样模块7获得。

本实施例中，步骤S2主要用于获得优化的电流幅值A和频率f。所述优化的A和f是在当前时刻的电池组4电压V和电池温度T下，使电池生热率最高的交流电源9输出的电流幅值和频率。电池生热率是电池在单位时间内吸收的热量（相当功率），电池生热率最高时，电池温度升高的速度也最快，即加热速度最快。V、T对应的A、f的值均保存在设定的存储单元中。V、T对应的A、f是通过计算和/或实验获得的。后面的实施例将给出一种具体的计算方法。

本实施例中，步骤S3主要用于通过调整交流电源9使其输出的电流幅值和频率分别等于优化的A、f。如前述，交流电源9为程控电源，可根据电源控制器8发送的指令自动调整其频率和输出电流。大部分程控电源直接调整的是输出电压，可通过电流测量模块10将输出电压换算成输出电流实现对输出电流的调整。

本实施例中，步骤S4主要用于按照优化策略将电池组4加热到设定的温度。上述过程可按照一定的周期重复进行。由于加热过程中电池温度T不断升高，V也会有变化，因此，每个周期都要采集新的T和V，根据新的T和V获取新的优化的A、f，并据此调整交流电源9，使每个周期交流电源9的输出电流和频率都为优化值。上述过程一直重复到电池温度T达到设定的加热温度为止。

本实施例的温度自适应加热控制策略，可以使得电池的生热率在整个正弦交流电加热过程中始终保持在一个比较大的值。随着电池温度的升高，生热率得以进一步增大以实现高效快速地加热。此外，由于这种基于优化的加热控制策略的优化频率主要分布在中高频区域，不会造成锂离子沉积现象，对电池的容量和寿命无损伤，且优化后的许用的最大电流幅值也比低频区域的更大一些，因此，可以获得更佳的加热效果。

作为一可选实施例，T、V对应的A、f的计算方法包括：

采用优化算法，以A不超过其最大值为约束条件，计算T、V取不同值时使电池生热率最大的A、f，得到T、V对应的A、f，A的最大值通过基于电池的安全工作电压、V和电池阻抗计算获得。

本实施例给出了计算优化的A、f的一种技术方案。因为要计算使电池生热率最高的A、f，所以需要建立一个以电池生热率为函数以A、f为自变量的优化模型。电池生热率可表示为：

式中，

为生热率，

为电池阻抗，

表示求实部。

由于电池采用交流电源9通电加热，是将电能转换成热能，因此可根据热电效应原理得到电池吸热的公式，从而得到电池生热率的表达式，也就是所要构建的优化模型。电池吸热与电池阻抗有关，因此优化模型中应该包含电池阻抗。而电池阻抗又是频率和温度的函数。有了优化函数，就可以采用优化算法进行优化计算。由于T和V也是变量，因此，需要先设定T和V的值（即使T和V固定），再进行优化计算，得到使电池生热率最大的A、f值；然后改变T和V的值，再进行优化计算，从而得到T、V取不同值时使电池生热率最大的A、f。为了保证电池安全加热，应使电池工作在安全电压范围内，可通过设置优化计算的约束条件实现。要使电池工作在安全电压范围内，电流幅值A应不超过一定值，即最大电流幅值，因此，可将根据电池安全工作电压计算得到的最大电流幅值作为约束条件。电池安全工作电压与电池开路电压和电池阻抗有关，电池阻抗的表达式可由电池等效电路得到。

作为一可选实施例，所述系统还包括安装在医疗车顶的太阳能电源板12，以及两个输入端分别与太阳能电源板12的输出和充电电源模块1的输出相连的切换开关13，切换开关13的输出端与充电模块2的输入端相连，切换开关13的控制端与电源控制器8相连。

本实施例给出了多种供电方式的一种技术方案。本实施例还设置了安装在医疗车顶的太阳能电源板12，在光照好的时候收集储存太阳能，并将太阳能转换成电能，作为充电模块2的又一供电电源。为了实现两种供电电源的切换，设置一个切换开关13，它的两个输入端分别与太阳能电源板12的输出和充电电源模块1的输出相连，输出端与充电模块2的输入端相连，控制端与电源控制器8相连，如图3所示。电源控制器8通过输出高低电平控制信号至切换开关13的控制端，可实现两种供电电源的切换。

作为一可选实施例，所述医疗设备包括治疗设备包括护理设备、手术设备、放射治疗设备、理化设备、激光设备、透析治疗设备和急救设备中的至少一种。

本实施例对医疗车上的医疗设备进行了限定。不同用处的医疗车，配置的医疗设备也不同。医疗车上的医疗设备一般包括护理设备、手术设备、放射治疗设备、理化设备、激光设备、透析治疗设备和急救设备中的一种或多种。

作为一可选实施例，所述车厢电气设备包括照明电器、空调机和排风扇的至少一种。

本实施例对医疗车上的车厢电气设备进行了限定。不同用处的医疗车上配置的车厢电气设备也不同，一般主要包括照明电器、空调机和排风扇等，可以是其中的一种或多种。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种医疗车供电系统，其特征在于，包括安装在医疗车上依次相连的以市电为初始电源的充电电源模块、充电模块、充电电流采样模块、电池组，与电池组输出端相连的电池电压采样模块、交流逆变电源和DC-DC电源，还包括分别与充电模块、充电电流采样模块、电池电压采样模块相连的电源控制器；所述交流逆变电源和DC-DC电源用于为设置在医疗车上的医疗设备、车厢电气设备提供正常工作所需的交流电源和直流电源；电源控制器用于协调各模块的工作，并基于实时采样的充电电流和电池电压输出占空比可调的脉冲信号至充电模块，按照设定的充电模式和速度对电池组进行充电。

2.根据权利要求1所述的医疗车供电系统，其特征在于，按照设定的充电模式对电池组进行充电的方法包括：

3.根据权利要求2所述的医疗车供电系统，其特征在于，通过改变k₂的大小调节充电速度，k₁不变时，k₂越大充电速度越快，k₂越小充电速度越慢。

4.根据权利要求1所述的医疗车供电系统，其特征在于，所述系统还包括用于为电池组加热的加热模块。

5.根据权利要求4所述的医疗车供电系统，其特征在于，所述加热模块包括输出端分别与电池组的正负极相连的交流电源，所述交流电源为输出电流幅度和频率可调的程控电源，其控制端与所述电源控制器相连，还包括与所述电源控制器相连用于测量交流电源输出电流幅度的电流测量模块和用于测量电池组温度的温度传感器。

6.根据权利要求5所述的医疗车供电系统，其特征在于，所述加热模块在电源控制器控制下为电池组加热的方法包括：

S1、实时获取电池组的温度T和输出电压V；

S4、重复S1~S3，直到电池温度T达到设定的加热温度。

7.根据权利要求6所述的医疗车供电系统，其特征在于，T、V对应的A、f的计算方法包括：

8.根据权利要求1所述的医疗车供电系统，其特征在于，所述系统还包括安装在医疗车顶的太阳能电源板，以及两个输入端分别与太阳能电源板的输出和充电电源模块的输出相连的切换开关，切换开关的输出端与充电模块的输入端相连，切换开关的控制端与电源控制器相连。

9.根据权利要求1所述的医疗车供电系统，其特征在于，所述医疗设备包括护理设备、手术设备、放射治疗设备、理化设备、激光设备、透析治疗设备和急救设备中的至少一种。

10.根据权利要求1所述的医疗车供电系统，其特征在于，所述车厢电气设备包括照明电器、空调机和排风扇中的至少一种。