CN116937729A - 一种便携式ecmo备用动力装置的管理系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种便携式ECMO备用动力装置的管理系统，包括电源板、备用动力装置管理板和主控板；电源板包括交流输入端和直流输入端，用于将输入的交流电和直流电转化后输送到备用动力装置管理板；备用动力装置管理板用于三段式电池充电，并配合主控板的指令实现指定电池充电和指定电池给负载端供电；并且备用动力装置管理板一端连接主控板，与主控板双向通信；备用动力装置管理板的第二端分别连接备用动力装置；第三端与负载连接；主控板与备用动力装置管理板双向通信，用于电池充电逻辑控制和放电逻辑控制。该管理系统用于对便携式ECMO备用动力的供电，电池组的充电和放电、输入/输出电压和电流状态进行精密监控和测量，以保证便携式ECMO的安全供电。

Description

一种便携式ECMO备用动力装置的管理系统

技术领域

本发明涉及ECMO动力装置技术领域，尤其涉及一种便携式ECMO备用动力装置的管理系统。

背景技术

ECMO中代替人的心、肺功能的是“磁悬浮人工心脏泵”和“肺膜”。ECMO主要由磁悬浮人工心脏泵、膜式氧合器-人工肺、多入多出控制器以及多种检测器件组成。ECMO设备除了主机控制器以外，其辅助部件，特别是动力装置要求也非常高。ECMO作为用于重症心肺功能衰竭患者提供持续的体外呼吸与循环，以维持患者生命，所以可靠的动力来源就非常重要。目前申请人研发的ECMO系统的动力装置包括外部电源供电和人工手摇驱动源以外，还增加了内部备用动力装置，备用动力装置采用内部设置的低温充放电锂离子电池进行供电，由此动力系统内包含外部电源、内部备用动力装置以及人工手摇驱动源，低温充放电锂离子电池具备高温性能、低温性能、过充电保护性能、短路保护性能、恒定湿热性能，并通过跌落试验，作为外部电源和人工手摇驱动源之间过渡的备用动力装置，提供了更便携，使用更安全持久的高端ECMO设备的辅助部件解决方案。

锂离子或聚合物电池的供电，电池组的充电和放电、输入/输出电压和电流等状态都需要精密监控和测量，以保证设备的安全供电，现有技术包括很多专门监控电池组运行状态的电池管理系统BMS，用于电池组的监控、计算、通信和保护。其中BMS可监控电池组的各种状态指标，包括电压、温度、输入/输出电流、单节电芯的健康状况以及电芯的均衡状态；BMS可以计算很多指标的量值，包括电压、表明充电水平的荷电状态SoC、衡量电池容量的健康状态SoH、安全状态SOS、最大充电电流即充电电流上限CCL、最大放电电流即放电电流上限DCL、决定开路电压的电芯内阻、所提供的总电能、总工作时间、温度监控等；BMS内部的中心控制器可以与内部硬件通信，也可以通过各种例如USB、CAN或无线通信协议进行外部通信；BMS可以对电池进行多种保护，以防止电池组状态超出安全工作区SOA，例如充/放电过流、充/放电过压、过温、过压力以及电流泄露等。

然而，目前还没有成熟和完善的备用动力装置的管理系统用于便携式ECMO系统的备用动力装置的管理。

发明内容

本发明的目的是提供一种便携式ECMO备用动力装置的管理系统，从而对便携式ECMO备用动力的供电，电池组的充电和放电、输入/输出电压和电流等状态进行精密监控和测量，以保证便携式ECMO的安全供电。

本发明提供了一种便携式ECMO备用动力装置的管理系统，包括电源板、备用动力装置管理板和主控板；

所述电源板包括交流输入端和直流输入端，用于交流输入和直流输入进行隔离管理，并将外部输入的交流电和直流电进行转化后输送到备用动力装置管理板；

所述备用动力装置管理板用于进行三段式电池充电，并配合主控板的指令实现指定电池充电和指定电池给负载端供电；并且所述备用动力装置管理板一端连接主控板，与所述主控板双向通信；所述备用动力装置管理板的第二端分别连接备用动力装置；所述备用动力装置管理板的第三端与负载连接；

所述主控板与所述备用动力装置管理板双向通信，用于实现电池充电逻辑控制和放电逻辑控制。

优选的，所述备用动力装置为两块可拆卸低温充放电锂离子电池。

优选的，所述电源板的直流输入为15v～36v宽压输入，所述电源板还包括EMC电磁兼容设计模块。

优选的，所述备用动力装置设置在ECMO内部，为低温充放电锂离子电池，所述低温充放电锂离子电池的技术参数包括标称容量为10.05Ah；额定容量为9.6Ah；25摄氏度下截止电压为8.4V；能量为103.68Wh；标称电压为10.8V；出厂电压为10.8V-11.8V；负载电压大于等于10.8V；内阻小于等于250mΩ；充电电压为12.6V；0-45摄氏度下标准充电电流为2010mA；0-40摄氏度下最大持续充电电流为5030mA；-20-60摄氏度下标准放电电流为2010mA；10-40摄氏度下最大放电电流为15000mA；10-40摄氏度下最大放电电流为30A(1S)；放电截止电压为8.4V；充电的工作温度为0-45摄氏度；放电的工作温度为-20-60摄氏度；小于一个月的贮存温度为-20-60摄氏度；小于三个月的贮存温度为-20-45摄氏度；小于十二个月的贮存温度为-20-23摄氏度；所述备用动力装置作为外部电源和人工手摇驱动源之间过渡的备用动力装置，通过控制系统进行自动控制。

优选的，所述备用动力装置管理板为锂电池充放电管理板；所述备用动力装置管理板包括电池充电管理电路、电池放电管理电路和电池供电管理电路；所述电池供电管理电路用于当外部电源供电时根据后端负载量，智能调节电池的充电电流，并且进行低温充放电锂离子电池的充电三段式设计，低温充放电锂离子电池充满后，低温充放电锂离子电池充电功能自动禁用。

优选的，所述主控板上设置MCU，用于低温充放电锂离子电池的管理，所述MCU通过控制锂电池充电管理芯片的充电使能引脚状态控制电池是否允许充电，通过所述充电管理电路输出端的大功率MOS开关，实现指定的低温充放电锂离子电池启用供电。

优选的，所述主控板上设置SMBUS总线，通过所述SMBUS总线与所述备用动力装置通信，以获取电池电量、电压、放电电流、充电电流、电池温度以及电池总容量的相关信息，并根据通信状态判断低温充放电锂离子电池是否接入；结合电池状态信息进行电池供电循序管理，首先使用第一低温充放电锂离子电池进行供电，当第一低温充放电锂离子电池电量低于第一阈值时，切换到第二低温充放电锂离子电池进行供电；当第二低温充放电锂离子电池低于第二阈值时，再切回第一低温充放电锂离子电池进行供电；当第一低温充放电锂离子电池电量低于第二阈值时，系统发出报警提示；当第一低温充放电锂离子电池电量低于第三阈值时，系统关机。

优选的，所述主控板根据所述电池电量、电压、放电电流、充电电流、电池温度以及电池总容量的相关信息，智能评估低温充放电锂离子电池的工作状态是否正常，当低温充放电锂离子电池的工作状态异常时，系统通过声音和屏幕界面图标提醒用户，以保证系统安全可能工作。

优选的，所述低温充放电锂离子电池设置在主机电池舱内，主机电池舱上设置舱门状态传感器，当所述舱门状态传感器感应到主机电池舱的舱门打开时，使两个低温充放电锂离子电池同时为负载供电，此时取下任意一块电池进行更换，而不影响整个系统的运行。

优选的，所述主控板包括电池状态评估模块和电池SMBUS数据获取模块；其中：

所述电池状态评估模块用于根据评估标准对电池状态进行评估，所述评估标准包括：

在放电状态，根据环境温度和放电电流进行电池理论电压拟合，电池电压低于拟合电压的7％，认为电池处于非健康状态；

在放电状态，根据电池温度信息，当电池温度高于65℃时，报警提示用户电池运行异常；

在充电状态，根据电池温度信息，当电池温度高于50℃时，报警提示用户电池运行异常；

在充电状态，根据电池充电电流，当充电电流大于6A时，报警提示用户电池运行异常；

通过电池总容量信息低于8Ah时，不能满足用户需求，认为电池非健康状态，提醒用户进行电池标定或更换；

所述电池SMBUS数据获取模块用于根据电池寄存器表，采用SMBUS总线方式进行数据获取，数据获取过程包括：

主机发送0x08指令，电池回复电池温度信息，获取两个字节数据，两个字节数据的单位分别为0.1℃和K；

主机发送0x09指令，电池回复电池电压信息，获取两个字节数据，两个字节数据的单位为0.001V和V；

主机发送0x0A指令，电池回复电池充放电电流信息，获取两个字节数据，两个字节数据的单位为0.1A和A，充电时电流数据为正值，放电时电流数据为负值；

主机发送0x10指令，电池回复电池总容量信息，获取两个字节数据，两个字节数据的单位为1mAh和mAh。

本发明提供的备用动力装置的管理系统，具有如下有益的技术效果：

便携式ECMO备用动力装置的管理系统，从而对便携式ECMO备用动力的供电，电池组的充电和放电、输入/输出电压和电流等状态进行精密监控和测量，以保证便携式ECMO的安全供电。备用动力装置采用内部设置的低温充放电锂离子电池进行供电，动力系统内包含外部电源、内部备用动力装置以及人工手摇驱动源；低温充放电锂离子电池具备高温性能、低温性能、过充电保护性能、短路保护性能、恒定湿热性能，并通过跌落试验，作为外部电源和人工手摇驱动源之间过渡的备用动力装置，提供了更便携，使用更安全持久的高端ECMO设备的辅助部件解决方案，其中备用动力装置通过控制系统进行自动控制，获得最优的动力系统使用性能。

附图说明

图1为根据本发明优选实施例示出的便携式ECMO备用动力装置的管理系统结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

参见图1，本实施例提供了一种便携式ECMO备用动力装置的管理系统，包括电源板、备用动力装置管理板和主控板；

所述电源板包括交流输入端和直流输入端，用于交流输入和直流输入进行隔离管理，并将外部输入的交流电和直流电进行转化后输送到备用动力装置管理板；

所述备用动力装置管理板用于进行三段式电池充电，并配合主控板的指令实现指定电池充电和指定电池给负载端供电；并且所述备用动力装置管理板一端连接主控板，与所述主控板双向通信；所述备用动力装置管理板的第二端分别连接备用动力装置；所述备用动力装置管理板的第三端与负载连接；

所述主控板与所述备用动力装置管理板双向通信，用于实现电池充电逻辑控制和放电逻辑控制。

作为优选的实施方式，所述备用动力装置为两块可拆卸低温充放电锂离子电池，分别为电池1和电池2。

作为优选的实施方式，所述电源板的直流输入为15v～36v宽压输入，所述电源板还包括EMC电磁兼容设计模块，从而实现电磁兼容。

作为优选的实施方式，所述备用动力装置设置在ECMO内部，为低温充放电锂离子电池，所述低温充放电锂离子电池的技术参数包括标称容量为10.05Ah；额定容量为9.6Ah；25摄氏度下截止电压为8.4V；能量为103.68Wh；标称电压为10.8V；出厂电压为10.8V-11.8V；负载电压大于等于10.8V；内阻小于等于250mΩ；充电电压为12.6V；0-45摄氏度下标准充电电流为2010mA；0-40摄氏度下最大持续充电电流为5030mA；-20-60摄氏度下标准放电电流为2010mA；10-40摄氏度下最大放电电流为15000mA；10-40摄氏度下最大放电电流为30A(1S)；放电截止电压为8.4V；充电的工作温度为0-45摄氏度；放电的工作温度为-20-60摄氏度；小于一个月的贮存温度为-20-60摄氏度；小于三个月的贮存温度为-20-45摄氏度；小于十二个月的贮存温度为-20-23摄氏度；所述备用动力装置作为外部电源和人工手摇驱动源之间过渡的备用动力装置，通过控制系统进行自动控制。

作为优选的实施方式，所述备用动力装置管理板为锂电池充放电管理板；所述备用动力装置管理板包括电池充电管理电路、电池放电管理电路和电池供电管理电路；所述电池供电管理电路用于当外部电源供电时根据后端负载量，智能调节电池的充电电流，并且进行低温充放电锂离子电池的充电三段式设计，低温充放电锂离子电池充满后，低温充放电锂离子电池充电功能自动禁用，有效延长电池使用寿命。

作为优选的实施方式，所述主控板上设置MCU，用于低温充放电锂离子电池的管理，所述MCU通过控制锂电池充电管理芯片的充电使能引脚状态控制电池是否允许充电，通过所述充电管理电路输出端的大功率MOS开关，实现指定的低温充放电锂离子电池启用供电。

作为优选的实施方式，所述主控板上设置SMBUS总线，通过所述SMBUS总线与所述备用动力装置通信，以获取电池电量、电压、放电电流、充电电流、电池温度以及电池总容量的相关信息，并根据通信状态判断低温充放电锂离子电池是否接入；结合电池状态信息进行电池供电循序管理，首先使用电池1供电，当电池1电量低于第一阈值(本实施例中将第一阈值设置为20％)时，切换到电池2供电；当电池2低于第二阈值(本实施例中将第二阈值设置为10％)时，再切回电池1电池供电；当电池1电量低于第二阈值时，系统发出报警提示；当电池1电量低于第三阈值(本实施例中将第三阈值设置为5％)时，系统关机。

作为优选的实施方式，所述主控板根据电池电量、电压、放电电流、充电电流、电池温度以及电池总容量的相关信息，智能评估低温充放电锂离子电池的工作状态是否正常，当低温充放电锂离子电池的工作状态异常时，系统通过声音和屏幕界面图标提醒用户，以保证系统安全可能工作。

作为优选的实施方式，所述低温充放电锂离子电池设置在主机电池舱内，主机电池舱上设置舱门状态传感器，当所述舱门状态传感器感应到主机电池舱的舱门打开时，使两个低温充放电锂离子电池同时为负载供电，此时用户可以取下任意一块电池进行更换，而不影响整个系统的运行。

作为优选的实施方式，所述主控板包括电池状态评估模块和电池SMBUS数据获取模块；其中：

所述电池状态评估模块用于对电池状态进行评估，本实施例的评估标准包括：

在放电状态，根据环境温度和放电电流进行电池理论电压拟合，电池电压低于拟合电压的7％，认为电池处于非健康状态；

在放电状态，根据电池温度信息，当电池温度高于65℃时，报警提示用户电池运行异常；

在充电状态，根据电池温度信息，当电池温度高于50℃时，报警提示用户电池运行异常；

在充电状态，根据电池充电电流，当充电电流大于6A时，报警提示用户电池运行异常；

通过电池总容量信息低于8Ah时，不能满足用户需求，认为电池非健康状态，提醒用户进行电池标定或更换；

所述电池SMBUS数据获取模块用于根据电池寄存器表，采用SMBUS总线方式进行数据获取，数据获取过程包括：

主机发送0x08指令，电池回复电池温度信息，获取两个字节数据，两个字节数据的单位分别为0.1℃和K；

主机发送0x09指令，电池回复电池电压信息，获取两个字节数据，两个字节数据的单位为0.001V和V；

主机发送0x0A指令，电池回复电池充放电电流信息，获取两个字节数据，两个字节数据的单位为0.1A和A，充电时电流数据为正值，放电时电流数据为负值；

主机发送0x10指令，电池回复电池总容量信息，获取两个字节数据，两个字节数据的单位为1mAh和mAh。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种便携式ECMO备用动力装置的管理系统，其特征在于，包括电源板、备用动力装置管理板和主控板；

所述电源板包括交流输入端和直流输入端，用于交流输入和直流输入进行隔离管理，并将外部输入的交流电和直流电进行转化后输送到备用动力装置管理板；

所述备用动力装置管理板用于进行三段式电池充电，并配合主控板的指令实现指定电池充电和指定电池给负载端供电；并且所述备用动力装置管理板一端连接主控板，与所述主控板双向通信；所述备用动力装置管理板的第二端分别连接备用动力装置；所述备用动力装置管理板的第三端与负载连接；

所述主控板与所述备用动力装置管理板双向通信，用于实现电池充电逻辑控制和放电逻辑控制。

2.根据权利要求1所述的一种便携式ECMO备用动力装置的管理系统，其特征在于，所述备用动力装置为两块可拆卸低温充放电锂离子电池。

3.根据权利要求2所述的一种便携式ECMO备用动力装置的管理系统，其特征在于，所述电源板的直流输入为15v～36v宽压输入，所述电源板还包括EMC电磁兼容设计模块。

4.根据权利要求3所述的一种便携式ECMO备用动力装置的管理系统，其特征在于，所述备用动力装置设置在ECMO内部，为低温充放电锂离子电池，所述低温充放电锂离子电池的技术参数包括标称容量为10.05Ah；额定容量为9.6Ah；25摄氏度下截止电压为8.4V；能量为103.68Wh；标称电压为10.8V；出厂电压为10.8V-11.8V；负载电压大于等于10.8V；内阻小于等于250mΩ；充电电压为12.6V；0-45摄氏度下标准充电电流为2010mA；0-40摄氏度下最大持续充电电流为5030mA；-20-60摄氏度下标准放电电流为2010mA；10-40摄氏度下最大放电电流为15000mA；10-40摄氏度下最大放电电流为30A(1S)；放电截止电压为8.4V；充电的工作温度为0-45摄氏度；放电的工作温度为-20-60摄氏度；小于一个月的贮存温度为-20-60摄氏度；小于三个月的贮存温度为-20-45摄氏度；小于十二个月的贮存温度为-20-23摄氏度；所述备用动力装置作为外部电源和人工手摇驱动源之间过渡的备用动力装置，通过控制系统进行自动控制。

5.根据权利要求4所述的一种便携式ECMO备用动力装置的管理系统，其特征在于，所述备用动力装置管理板为锂电池充放电管理板；所述备用动力装置管理板包括电池充电管理电路、电池放电管理电路和电池供电管理电路；所述电池供电管理电路用于当外部电源供电时根据后端负载量，智能调节电池的充电电流，并且进行低温充放电锂离子电池的充电三段式设计，低温充放电锂离子电池充满后，低温充放电锂离子电池充电功能自动禁用。

6.根据权利要求5所述的一种便携式ECMO备用动力装置的管理系统，其特征在于，所述主控板上设置MCU，用于低温充放电锂离子电池的管理，所述MCU通过控制锂电池充电管理芯片的充电使能引脚状态控制电池是否允许充电，通过所述充电管理电路输出端的大功率MOS开关，实现指定的低温充放电锂离子电池启用供电。

7.根据权利要求6所述的一种便携式ECMO备用动力装置的管理系统，其特征在于，所述主控板上设置SMBUS总线，通过所述SMBUS总线与所述备用动力装置通信，以获取电池电量、电压、放电电流、充电电流、电池温度以及电池总容量的相关信息，并根据通信状态判断低温充放电锂离子电池是否接入；结合电池状态信息进行电池供电循序管理，首先使用第一低温充放电锂离子电池进行供电，当第一低温充放电锂离子电池电量低于第一阈值时，切换到第二低温充放电锂离子电池进行供电；当第二低温充放电锂离子电池低于第二阈值时，再切回第一低温充放电锂离子电池进行供电；当第一低温充放电锂离子电池电量低于第二阈值时，系统发出报警提示；当第一低温充放电锂离子电池电量低于第三阈值时，系统关机。

8.根据权利要求7所述的一种便携式ECMO备用动力装置的管理系统，其特征在于，所述主控板根据所述电池电量、电压、放电电流、充电电流、电池温度以及电池总容量的相关信息，智能评估低温充放电锂离子电池的工作状态是否正常，当低温充放电锂离子电池的工作状态异常时，系统通过声音和屏幕界面图标提醒用户，以保证系统安全可能工作。

9.根据权利要求8所述的一种便携式ECMO备用动力装置的管理系统，其特征在于，所述低温充放电锂离子电池设置在主机电池舱内，主机电池舱上设置舱门状态传感器，当所述舱门状态传感器感应到主机电池舱的舱门打开时，使两个低温充放电锂离子电池同时为负载供电，此时取下任意一块电池进行更换，而不影响整个系统的运行。

10.根据权利要求9所述的一种便携式ECMO备用动力装置的管理系统，其特征在于，所述主控板包括电池状态评估模块和电池SMBUS数据获取模块；其中：

所述电池状态评估模块用于根据评估标准对电池状态进行评估，所述评估标准包括：

在放电状态，根据环境温度和放电电流进行电池理论电压拟合，电池电压低于拟合电压的7％，认为电池处于非健康状态；

在放电状态，根据电池温度信息，当电池温度高于65℃时，报警提示用户电池运行异常；

在充电状态，根据电池温度信息，当电池温度高于50℃时，报警提示用户电池运行异常；

在充电状态，根据电池充电电流，当充电电流大于6A时，报警提示用户电池运行异常；

通过电池总容量信息低于8Ah时，不能满足用户需求，认为电池非健康状态，提醒用户进行电池标定或更换；

所述电池SMBUS数据获取模块用于根据电池寄存器表，采用SMBUS总线方式进行数据获取，数据获取过程包括：

主机发送0x08指令，电池回复电池温度信息，获取两个字节数据，两个字节数据的单位分别为0.1℃和K；

主机发送0x09指令，电池回复电池电压信息，获取两个字节数据，两个字节数据的单位为0.001V和V；

主机发送0x0A指令，电池回复电池充放电电流信息，获取两个字节数据，两个字节数据的单位为0.1A和A，充电时电流数据为正值，放电时电流数据为负值；

主机发送0x10指令，电池回复电池总容量信息，获取两个字节数据，两个字节数据的单位为1mAh和mAh。