-
Hintergrund der Erfindung
-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Energieversorgung eines medizinischen Geräts, wie beispielsweise eines Operationstisches.
-
Bisher werden mobile Operationstische über eine unterschiedliche Anzahl hintereinander in Serie geschalteter Akkumulatoren betrieben. Diese Serienschaltung ist notwendig, um technisch sinnvolle Systemspannungen zu erhalten, da sich hierbei die Spannung aus der Summe der Einzelspannungen der Akkumulatoren (üblicherweise 12V) ergibt. Dabei wird beispielsweise mit zwei Akkumulatoren 24V und mit vier Akkumulatoren 48V Systemspannung erzeugt.
-
Wenn jedoch die Spannung eines der in Serie geschalteten Akkumulatoren abfällt, wird dadurch auch die Systemspannung beeinflusst. Bei sicherheitskritischen Anwendungen im medizinischen Bereich kann dies problematisch werden.
-
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Energieversorgung eines mobilen medizinischen Geräts bereitzustellen, wobei unabhängig vom Zustand einzelner Akkumulatoren eine gleichbleibende Systemspannung sichergestellt werden kann.
-
Überblick über die Erfindung
-
Die voranstehend genannte Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur Energieversorgung eines medizinischen Geräts gelöst, umfassend eine Mehrzahl von Akkumulatoren, wobei jedem Akkumulator ein DC-DC-Wandler zugeordnet ist. Dabei wird die Spannung jedes Akkumulators mittels des DC-DC-Wandlers auf einen voreingestellten Spannungswert umgewandelt. Dieser voreingestellte Spannungswert kann beispielsweise gleich einer Systemspannung des medizinischen Geräts sein. Die umgewandelten Spannungen der Akkumulatoren werden dann jeweils über eine erste Diodenschaltung parallel zum Betrieb wenigstens einer Funktion des medizinischen Geräts kombiniert. Durch die Parallelschaltung kann auch bei Ausfall eines Akkumulators weiterhin ein Betrieb des medizinischen Geräts bei der voreingestellten Systemspannung sichergestellt werden. Die erste Diodenschaltung verhindert dabei einen Ladungstransfer zwischen den einzelnen Akkumulatoren, so dass unterschiedliche Ladungs- oder Alterungszustände der Akkumulatoren nicht zu unerwünschtem Stromfluss zwischen den einzelnen Akkumulatoren führen.
-
Bei der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung wird somit die Spannung über eine elektronische Schaltung für jeden einzelnen Akkumulator auf die gewünschte Systemspannung hochgesetzt, und die Akkumulatoren werden dann parallel verschaltet.
-
Gemäß einiger Ausführungsformen kann dabei jedem Akkumulator eine Ladeeinheit zugeordnet sein. Dadurch können die Akkumulatoren jeweils parallel über ihre zugeordneten Ladeeinheiten aufgeladen werden, insbesondere auch während des Betriebs des medizinischen Geräts.
-
Dabei kann ein Netzteil vorgesehen sein, mit dem die Ladeeinheiten parallel verbunden sind, um die jeweils zugeordneten Akkumulatoren zu laden. Vorzugsweise wird hierbei ein Schaltnetzteil verwendet. Somit können alle Akkumulatoren über ein einziges Netzteil geladen werden, wobei jede Ladeeinheit einen für den zugeordneten Akkumulator geeigneten Ladestrom bereitstellt.
-
Außerdem kann dabei das Netzteil über eine weitere Diodenschaltung parallel mit den umgewandelten Spannungen der Akkumulatoren verbunden sein, um Energie für die wenigstens eine Funktion des medizinischen Geräts bereitzustellen. Somit kann die wenigstens eine Funktion des medizinischen Geräts auch mittels des Netzteils betrieben werden, während gleichzeitig die Akkumulatoren aufgeladen werden und/oder während die Akkumulatoren ebenfalls zum Betrieb der Funktion des medizinischen Geräts genutzt werden. Die weitere Diodenschaltung verhindert dabei jeweils unerwünschten Stromfluss zwischen einzelnen Akkumulatoren und dem Netzteil oder den Ladeeinheiten jeweils anderer Akkumulatoren. Diese weitere Diodenschaltung kann alternativ auch als Diodenstruktur in das Netzteil integriert sein.
-
Gemäß einiger Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass die erste Diodenschaltung als Diodenstruktur jeweils in den zugeordneten DC-DC-Wandler integriert ist, so dass keine separate Diodenschaltung zwischen dem jeweiligen DC-DC-Wandler und den Tischfunktionen erforderlich ist.
-
Gemäß einiger Ausführungsformen kann die umgewandelte Spannung für jeden Akkumulator abhängig vom Ladezustand und/oder der Spannung des Akkumulators sein. Somit kann sichergestellt werden, dass die Akkumulatoren möglichst gleichmäßig entladen werden. Sobald die Spannung eines einzelnen Akkumulators absinkt, werden vorzugsweise die anderen Akkumulatoren, die eine höhere Spannung bereitstellen, entladen, damit die Mehrzahl von Akkumulatoren möglichst gleichmäßig entladen wird.
-
Alternativ kann vorgesehen sein, dass die DC-DC-Wandler derart ausgestaltet sind, dass immer eine konstante umgewandelte Spannung bereitgestellt wird, auch wenn die Ausgangsspannung des zugeordneten Akkumulators abfällt. Bei dieser alternativen Ausführungsformen kann eine konstante Systemspannung des medizinischen Geräts auch dann sichergestellt werden, wenn beispielsweise alle Akkumulatoren einen relativ geringen Ladezustand aufweisen und somit eine geringere Ausgangsspannung bereitstellen.
-
Gemäß einiger Ausführungsformen kann eine Steuereinheit vorgesehen sein, welche die DC-DC-Wandler und die zugeordneten ersten Diodenschaltungen umfasst. Die Steuereinheit kann derart ausgelegt sein, dass die Akkumulatoren an zugeordnete DC-DC-Wandler und erste Diodenschaltungen in der Steuereinheit anschließbar sind. Auch hierbei können die ersten Diodenschaltungen jeweils als Diodenstruktur in die DC-DC-Wandler integriert sein.
-
Dabei kann die Steuereinheit ferner für jeden Akkumulator eine zugeordnete Ladeeinheit umfassen. Somit können einzelne Akkumulatoren einfach ausgetauscht oder hinzugefügt werden, wenn in der Steuereinheit bereits entsprechende DC-DC-Wandler, erste Diodenschaltungen und/oder Ladeeinheiten vorgesehen sind, an die ein Akkumulator jeweils einfach angeschlossen werden kann.
-
Das medizinische Gerät kann dabei ein Operationstisch sein, welcher eine Vorrichtung wie voranstehend beschrieben zur Energieversorgung wenigstens einer Funktion des Operationstisches umfasst.
-
Die wenigstens eine Funktion des Operationstisches kann dabei die Verstellung wenigstens eines Lagerflächensegmenten und/oder den Betrieb eines weiteren medizinischen Geräts, welches an den Operationstisch angeschlossen ist, umfasst. Das weitere medizinische Gerät könnte hierbei beispielsweise ein Beatmungsgerät, ein diagnostisches Gerät, ein Heizelement oder dergleichen sein, welches von der voranstehend beschriebenen Vorrichtung mit Energie versorgt wird. Insbesondere bei Zubehörgeräten, welche an den Operationstisch angeschlossen werden können, kann es wichtig sein, dass die Systemspannung über längere Zeit konstant gehalten werden kann. Die voranstehend beschriebene Vorrichtung ermöglicht durch die DC-DC-Wandler und die Parallelschaltung der Akkumulatoren auch dann eine konstante Systemspannung, wenn einzelne Akkumulatoren entladen oder defekt sind.
-
Gemäß einem weiteren Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Energieversorgung eines medizinischen Geräts bereit. Dabei wird eine Mehrzahl von Akkumulatoren bereitgestellt und die jeweiligen Ausgangsspannungen der Akkumulatoren werden jeweils zu einem voreingestellten Spannungswert umgewandelt. Hierbei ist zu beachten, dass auch Akkumulatoren unterschiedlicher Bauart und Größe, mit jeweils unterschiedlichen Ausgangsspannungen, verwendet werden können, da nach der Umwandlung alle Akkumulatoren den gleichen, voreingestellten Spannungswert ausgeben. Die umgewandelten Spannungen werden über zugeordnete Diodenschaltungen zum Betrieb wenigstens einer Funktion des medizinischen Geräts zugeführt.
-
Die voranstehend in Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erläuterten Merkmale, Funktionsweisen und Vorteile sind auch mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kombinierbar und umgekehrt.
-
Figurenliste
-
Beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen beschrieben, in welchen gleiche Bezugszeichen jeweils gleiche oder einander entsprechende Elemente bezeichnen.
- 1 zeigt eine schematische Übersicht über einen Operationstisch als ein beispielhaftes medizinisches Gerät, bei welchem die Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform eingesetzt werden kann;
- 2 zeigt ein Diagramm einer Vorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform; und
- 3 zeigt ein Diagramm einer Vorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform.
-
Detaillierte Beschreibung
-
In der folgenden Beschreibung werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die Zeichnungen sind dabei nicht notwendigerweise maßstabsgetreu, sondern sollen die jeweiligen Merkmale lediglich schematisch illustrieren.
-
Dabei ist zu beachten, dass die nachstehend beschriebenen Merkmale und Komponenten jeweils miteinander kombiniert werden können, unabhängig davon, ob sie in Zusammenhang mit einer einzigen Ausführungsform beschrieben worden sind. Die Kombination von Merkmalen in den jeweiligen Ausführungsformen dient lediglich der Veranschaulichung des grundsätzlichen Aufbaus und der Funktionsweise der beanspruchten Vorrichtung.
-
1 zeigt eine schematische Darstellung eines mobilen Operationstisches 1 mit einem Fuß 2 und einer Patientenlagerfläche 3, welche bewegbare Segmente 4, wie beispielsweise Kopf- oder Fußstützen aufweist. Im Fuß 2 ist eine Vorrichtung 5 zur Energieversorgung untergebracht, welche im Folgenden unter Bezugnahme auf 2 näher beschrieben werden wird.
-
Wie in 2 schematisch gezeigt, dient die Vorrichtung 5 zur Energieversorgung verschiedener Tischfunktionen 6, wie beispielsweise einer Verstellung der Patientenlagerfläche, eines Antriebs zum Verfahren des mobilen Operationstisches 1 oder zur Energieversorgung von Zusatzgeräten, welche am Operationstisch 1 angebracht werden können. Beispiele für elektrisch betriebene Zusatzgeräte sind Fußschalter oder allgemein Bediengeräte.
-
Die Vorrichtung 5 umfasst mehrere Akkumulatoren 7, üblicherweise sind zwei oder vier Akkumulatoren bzw. Akkumulatorpacks 7 vorgesehen. Zum Aufladen der Akkumulatoren 7 ist ein Schaltnetzteil SNT 8 vorgesehen. Hierbei kann beispielsweise ein SNT 8 mit Weitbereichseingang (90V - 240V) verwendet werden, welches für einen breiten Bereich an Netzspannungen nutzbar ist.
-
Jeder Akkumulator 7 ist mit einem DC-DC-Wandler 9 verbunden, welcher die Gleichspannung des Akkumulators 7 in eine Gleichspannung mit einem vorbestimmten Wert, wie beispielsweise 48V, umwandelt. Hierbei kann vorgesehen sein, dass alle DC-DC-Wandler 9 jeweils den gleichen Spannungswert als eine Systemspannung des Operationstisches 1 bereitstellen, oder es kann vorgesehen sein, dass für den Betrieb einzelner Komponenten oder Zubehörteile des Operationstisches 1 unterschiedliche Systemspannungen bereitgestellt werden. In diesem Fall kann jeweils eine Gruppe von Akkumulatoren 7 mit dazugehörigen DC-DC-Wandlern 9 auf einen bestimmten Spannungswert eingestellt werden, wobei jeweils die DC-DC-Wandler 9, welche den gleichen Spannungswert erzeugen, parallel miteinander verbunden sind.
-
Weiterhin ist jedem Akkumulator 7 eine eigene Ladeeinheit 10 zugeordnet, so dass über das SNT 8 die Akkumulatoren 7 jeweils parallel aufgeladen werden können, wobei jede Ladeeinheit 10 dem zugeordneten Akkumulator 7 einen geeigneten Ladestrom zur Verfügung stellt.
-
Die DC-DC-Wandler 9 sind wiederum über Dioden 11 (erste Diodenschaltungen) parallel miteinander verbunden, um die Tischfunktionen 6 mit Energie zu versorgen und um unerwünschten Stromfluss zwischen den Akkumulatoren 7 zu verhindern. Weiterhin ist bei dieser Ausführungsform auch das SNT 8 über eine weitere Diode 12 mit den Tischfunktionen 6 verbunden, um so auch einen Netzbetrieb des Operationstisches 1 zu ermöglichen, während wiederum unerwünschter Stromfluss von den Akkumulatoren 7 zum SNT 8 und den Ladeeinheiten 10 verhindert wird.
-
In 3 ist eine zweite Ausführungsform der Vorrichtung 5 gezeigt. Diese unterscheidet sich von der voranstehend beschriebenen ersten Ausführungsform darin, dass die Dioden 11 jeweils als Diodenstruktur in den DC-DC-Wandler 9' integriert sind. Dadurch müssen keine separaten ersten Diodenschaltungen 11 bereitgestellt werden.
-
Weiterhin ist bei der in 3 gezeigten Ausführungsform keine separate Diode 12 zwischen dem Schaltnetzteil 8' und den Tischfunktionen 6 vorgesehen. Stattdessen ist am Ausgang des Schaltnetzteils 8' dieser Ausführungsform eine integrierte Diodenstruktur vorgesehen, und es ist weiterhin vorgesehen, dass die Ladeeinheiten 10' abgeschaltet werden, wenn das SNT 8' nicht mit Spannung versorgt wird, d.h. wenn das SNT 8' abgeschaltet wird oder der Netzstecker des SNT 8' gezogen ist.
-
Hierbei ist zu beachten, dass einzelne Aspekte der in 2 und 3 gezeigten ersten und zweiten Ausführungsform jeweils miteinander kombiniert werden können. So können beispielsweise die DC-DC-Wandler 9' mit integrierten Diodenstrukturen, welche in 3 dargestellt sind, mit der separaten Diode 12 zwischen SNT 8 und Tischfunktionen 6, wie in 2 gezeigt, kombiniert werden. Weiterhin können auch das SNT 8' mit der integrierten Diodenstruktur und die abschaltbaren Ladeeinheiten 10' aus 3 mit den DC-DC-Wandlern 9 mit jeweils separaten, zugeordneten Diodenschaltungen 11, wie in 2 gezeigt, kombiniert werden.
-
Der Betrieb der Vorrichtung 5 gemäß der oben beschriebenen Ausführungsformen in unterschiedlichen Betriebsmodi wird im Folgenden beschrieben:
-
Netzbetrieb (Laden):
-
Das SNT 8 versorgt die parallel angeschlossenen Ladeeinheiten 10. Die Ladeeinheiten 10 stellen die Ladespannungen für jeweils einen Akkumulator 7 zur Verfügung. Das SNT 8 versorgt parallel die Tischfunktionen 6, hierbei ist die sekundäre Spannung des SNT 8 gleich der Systemspannung für den Operationstisch 1. Hierbei ist auch denkbar, dass das SNT 8 unterschiedliche Ausgangsspannungen zur Verfügung stellt, um unterschiedliche Tischfunktionen 6, wie beispielsweise an den Operationstisch 1 angeschlossene Zusatzgeräte, welche unterschiedliche Systemspannungen benötigen, zu versorgen.
-
Akkubetrieb:
-
Im Akkubetrieb werden die Systemspannung und somit die Energie für die Tischfunktionen 6 von den parallel geschalteten Akkumulatoren 7 zur Verfügung gestellt. Hierbei kommen DC/DC Wandler 9 zum Einsatz, die die Akkumulatorspannung an eine stabile Systemspannung anpassen.
-
Bei der in 2 gezeigten ersten Ausführungsform kann durch Dioden 11, 12 eine gegenseitige Einflussnahme (z.B. Laden) der Akkumulatoren 7 und des SNTs 8 verhindert werden. Hierbei ist einerseits jedem Akkumulator 7 eine Diode 11 zugeordnet, um ein gegenseitiges Laden der Akkumulatoren 7 in der Parallelschaltung zur Versorgung der Tischfunktionen 6 zu verhindern. Andererseits ist auch zwischen SNT 8 und Tischfunktionen 6 eine weitere Diode 12 vorgesehen, um Stromfluss von den Akkumulatoren 7 zum SNT 8 zu verhindern. Hierbei werden möglichst ideale Dioden 11, 12 verwendet, um eine zuverlässige Sperrwirkung zu erreichen.
-
Bei der in 3 gezeigten zweiten Ausführungsform sind anstelle der separaten Diodenschaltungen 11, 12 jeweils Diodenstrukturen vorgesehen, die in die DC-DC-Wandler 9' bzw. in das SNT 8' integriert sind, aber welche die gleiche Funktion erfüllen wie die voranstehend beschriebenen Dioden 11, 12.
-
Das Konzept ist dabei auf beliebig viele parallel geschaltete Akkumulatoren 7 bzw. Ladeeinheiten 10 und DC-DC-Wandler 9, 9' anwendbar.
-
Die Ladeeinheiten 10, 10' und DC-DC-Wandler 9, 9' können dabei in einer Steuereinheit 13 untergebracht sein, an welche die Akkumulatoren 7 jeweils angeschlossen werden können. Dadurch können einzelne Akkumulatoren 7 jeweils problemlos ausgetauscht und ersetzt werden, während die elektronischen Bauteile der Steuereinheit 13 jeweils unverändert bleiben und gegebenenfalls nur an die Erfordernisse (Spannungswandlung, Ladestrom, Kapazität) eines ausgetauschten Akkumulators 7 angepasst werden.
-
Hierbei wäre es möglich, dass die Steuereinheit 13 konfigurierbar ist und somit automatisch oder manuell an Akkumulatoren 7 unterschiedlicher Bauart angepasst werden kann. Beispielsweise könnten die jeweiligen Eigenschaften eines anzuschließenden Akkumulators 7 über einen am Akkumulator angeordneten Chip von der Steuereinheit 13 ausgelesen werden. Alternativ ist es denkbar, dass die Steuereinheit 13 modular aufgebaut ist, und für die Verwendung unterschiedlicher Typen von Akkumulatoren das entsprechende Modul bzw. die entsprechenden Module ausgetauscht werden können. Dabei können die Module auch jeweils direkt am Akkumulator vorgesehen sein.
-
Durch die erfindungsgemäße Parallelschaltung zur Energieversorgung bei einem Operationstisch und der damit einhergehenden parallelen Ladetechnik ergeben sich folgende Vorteile:
- 1.) Ausfallsicherheit: Bei seriellem Betrieb und somit der Addition der Batteriespannungen zur Systemspannung, ist bei Ausfall eines Akkumulators kein weiterer Betrieb möglich (Spannungseinbruch). Bei der Parallelschaltung von Akkumulatoren 7, wie in der voranstehend beschriebenen Ausführungsform realisiert, kann ein Akkumulator 7 ausfallen, ohne dass sich die Systemspannung ändert. Hierbei schränkt sich dann nur die Gesamtkapazität ein, ein weiterer Betrieb ist möglich.
- 2.) Höhere Qualität des Energiespeichers: Im seriellen Betrieb ist die Qualität (Verfügbarkeit, Innenwiderstand, Kapazität...) des gesamten Energiespeichers nur so gut wie die des schwächsten Elements in der Kette. Bei einer Parallelschaltung mit unabhängigen Energiezellen ist dies nicht der Fall. Jede Zelle wird ihrer Leistungsfähigkeit entsprechend optimal genutzt. Auch die Kombination von Akkumulatoren 7 mit unterschiedlichen Kapazitäten und Bauformen ist damit machbar.
- 3.) Stabilere und einstellbare Systemspannung: Bei direkter Versorgung eines Systems über in Serie geschaltete Akkumulatoren kommt es, bedingt durch die Ladestände der Batterien, zu Spannungsschwankungen. Durch die Aufbereitung der Systemspannung mittels DC/DC Wandlern 9 sind Schwankungen geringer, was zur Folge hat, dass z.B. Aktoren zur Bewegung von Komponenten des Operationstisches 1 dauerhaft im optimalen Arbeitspunkt betrieben werden können. Durch die Einstellbarkeit der Systemspannung ist es auch in späteren Phasen der Entwicklung eines Operationstisches möglich, Systemparameter zu optimieren. Weiterhin können Aktoren und andere Tischfunktions-Elemente flexibler ausgewählt werden, da die Systemspannung auch nachträglich noch an geänderte Anforderungen, Zubehörteile und Funktionen angepasst werden kann. Beispielsweise kann im Standby-Betrieb die Systemspannung reduziert werden, um Energie zu sparen oder um das Risiko einer unerwünschten Betätigung der Tischfunktionen zu verringern.
- 4.) Flexiblere OP-Tisch Konstruktion: Die Anzahl und Baugröße der Akkus, ist bei seriellem Betrieb von der gewählten Systemspannung abhängig z.B. benötigt man für 48V Systemspannung 4 x 12V Akkus. Bei Parallelbetrieb können die Anzahl und Bauform der Akkumulatoren 7 unter Berücksichtigung von Kapazitäts- und Sicherheitsanforderungen den Einbaumöglichkeiten angepasst werden. Weiterhin ist es möglich, dass zusätzliche Akkumulatoren 7 optional eingesetzt werden, wenn die Anforderungen an die Speicherkapazität mit Aufbauvarianten auch variieren (z.B. bei der Option eines Fahrantriebs für einen mobilen Operationstisch).
-
Somit ermöglichen die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren durch die Parallelschaltung der Akkumulatoren 7 auch das zuverlässige Betreiben sicherheitskritischer Zubehörteile und Funktionen an einem mobilen Operationstisch 1, da die Systemspannung jeweils auch dann konstant gehalten werden kann, wenn die Ausgangsspannung eines Akkumulators 7 abfällt.
