JP2019511892A - 多機能電力分配装置 - Google Patents

Abstract

病院の医療システムに電力を供給する電源は、厳しいレンジの要求を満たすように設計されなければならない。今日のＣＴシステムからの瞬間的な電力需要は、数百キロワットにも達することがある。この瞬間的な電力レべルを提供するように病院商用電力システムを設計することは高価である。病院の医用システムの使用パターンは、瞬間的な電力が、低いデューティサイクルにおいてのみ必要とされ、このようなシステムの平均電力需要が、少なくとも一桁低いオーダーであることを意味する。従って、本願発明は、充電モード、動作モード、バックアップモード、及びバイパスモードを有する多機能電力分配システムを提案する。動作モードにおいて、平均電力レべルは商用電源から供給されることができるが、相対的に頻度の少ないピーク電力需要は、電気エネルギー蓄積素子から提供されることができ、電気エネルギー蓄積素子は、商用電源によって充電される。

Description

本発明は、多機能電力分配装置、医療機器システム、多機能電力分配装置を制御する方法、コンピュータプログラム要素、及びコンピュータ可読媒体に関する。

Ｘ線又はＣＴスキャナのような医用イメージング機器を有する医療機器システムは、特徴的に、高レベルのパルス化電力又はより低いレベルの連続する電力を必要とする機器を有する。例えば、血管造影イメージングにおいて、この特性は、所望のフレームレートのアンギオグラフィシーケンスに従って、Ｘ線パルスの生成によってもたらされる。小さいデューティサイクルを有する高電力のパルスが生成される場合、ピーク電力と平均電力の大きい比が生じる。他方、イメージングシステムの幾つかの電力コンシューマは、連続的にではあるが、ずっと低い大きさで電力を消費しうる。

医用イメージングシステムのピーク電力要求にあわせて設計される電力分配システムの提供は高価である。通常、ピーク電力レベルが、一般に、短い持続時間中に到達されるだけであるとしても、商用電源が、ピーク電力にあわせて定格化されなければならない。米国特許出願公開第2008/0112537号公報は、入力電力ラインのピーク負荷要求を低減するために、電力供給を入力電力ラインと共有するように構成される電力蓄積装置を記載している。しかしながら、このようなシステムは更に改善されることができる。

こうして、医療機器に電力供給するための改善された電力分配装置を提供するための技法を有することが有利である。

本発明の目的は、独立請求項の主題によって解決され、他の実施形態は、従属請求項に組み込まれる。

本発明のこれらの及び他の見地は、以下に記述される実施形態から明らかになり、それらを参照して説明される。

本発明の第１の見地により、多機能電力分配装置が提供される。多機能電力分配装置は、電気エネルギー源への装置の接続を可能にする入力端子と、入力端子に接続される充電ユニットと、充電ユニットから電気エネルギーを受け取るように構成される電気エネルギー蓄積素子と、負荷、充電ユニットの適応可能な設定を可能にする電力スイッチングネットワーク、電気エネルギー蓄積素子、及びＤＣ負荷端子に、電気エネルギーを供給するように構成されるＤＣ負荷端子と、充電ユニット及び電力スイッチングネットワークを制御するように構成される制御ユニットと、を有する。

制御ユニットは、（ｉ）電気エネルギー蓄積素子が充電ユニットによって充電される充電モード、（ｉｉ）電気エネルギーが電気エネルギー蓄積素子及び充電ユニットからＤＣ負荷端子に供給されるとともに、電気エネルギー蓄積素子が充電されることができる動作モード、（ｉｉｉ）電気エネルギーが電気エネルギー蓄積素子のみからＤＣ負荷端子に供給されるバックアップモード、（ｉｖ）電気エネルギーが充電ユニットのみからＤＣ負荷端子に提供されるバイパスモード、のうちの少なくとも１つに、電力スイッチングネットワークを設定するように構成される。

従って、柔軟性のある電源システムが提供される。電気エネルギー蓄積素子の電気エネルギーの蓄積は、多機能電力分配装置の商用電源側のコンポーネントが、多機能電力分配装置によって要求されるピーク電力ではなく、多機能電力分配装置のために規定される平均負荷電力に近いところで定格化されることを可能にする。

従って、多機能電力分配装置の商用電源側のコンポーネントは、コストが低減されることができる。商用電源は、電力使用において突然のスパイクを経験せず、なぜなら、瞬間的なピーク電力需要が、電気エネルギー蓄積素子から取り出されるからである。多機能電力分配装置は、電源故障が生じた場合にＤＣ負荷端子に無停電電源を提供するバックアップモードで完全に動作することができる。

従って、例えば電気エネルギー蓄積素子の障害状態においては、多機能電力分配装置は、電気エネルギー蓄積素子をバイパスすることもできる。

第１の見地の一実施形態により、第１の見地による電力分配装置が提供され、かかる電力分配装置において、充電ユニットは、（ｉ）調整可能な直流を使用して、（ｉｉ）調整可能なＤＣ電圧を使用して、（ｉｉｉ）予め規定された充電曲線に従って、又は、（ｉｖ）予め規定された充電特性に従って、電気エネルギー蓄積素子を充電するように構成される。

従って、電気エネルギー蓄積素子は、調整可能な電流又は調整可能な電圧プロファイルを使用して、複数の異なるプロファイルによって充電されることができる。

第１の見地の一実施形態により、電力分配装置が提供され、かかる電力分配装置において、電気エネルギー蓄積素子は、正側の電気エネルギー蓄積素子及び負側の電気エネルギー蓄積素子を有し、それらは共に保護接地ノードに接続される。

従って、多機能電力分配技法は、ＤＣリンク電圧回路とも呼ばれるデュアルレール電圧源に適用されることができる。

第１の見地の一実施形態により、正側の電気エネルギー蓄積素子と保護接地ノードとの間に流れる差電流を監視するように構成される電流センサを更に有する電力分配装置が提供される。制御ユニットは、正側の及び負側の電気エネルギー蓄積素子の間の差電流を最小にするように充電ユニットのセットポイントを調整するよう構成される。

従って、電力分配装置の正レール側及び負レール側の電気エネルギー蓄積素子の間の充電のアンバランスが識別されることができる。アンバランスを補正すると、対称性のデュアルレールＤＣ電源が提供されることができる。

第１の見地の一実施形態により、電気エネルギー蓄積素子管理システムを更に有する電力分配装置が提供される。

電気エネルギー蓄積素子は、複数のセルを有し、電気エネルギー蓄積素子管理システムが、電気エネルギー蓄積素子の複数のセルのうち幾つかのセルを監督し、電気エネルギー蓄積素子のセル間の不所望の状態を検出し、不所望の状態を補償するように構成される。

従って、電力分配装置は、電気エネルギー蓄積素子の個別のセル又はセルのグループによって生じる障害を識別し、自動的に障害に対処することができる。

第１の見地の一実施形態により、充電ユニット負荷端子において期待される負荷特性の平均電力レべルを充電ユニットが提供するように構成される電力分配装置が提供される。

従って、充電ユニットは、定格を下げられることができ、それによりコンポーネントコストの低減を可能にすることができる。しかしながら、電気エネルギー蓄積ユニットは、電気エネルギー蓄積素子に接続される医用システムのピーク電力要求を提供するために、ある時間にわたってなお充電されることができる。

第１の実施形態の１つの見地により、充電モードと動作モードとの間で、制御ユニットが、電力スイッチングネットワークを遷移モードにセットするように更に構成される、電力分配装置が提供される。遷移モードにおいて、電力スイッチングネットワークは、突入電流の発生を防ぐために、電気エネルギー蓄積素子とＤＣ負荷端子との間に直列抵抗を接続するように構成される。

こうして、電力分配装置は、大きい入力ストレージキャパシタを有する機器のアイテムに接続され、モードが、充電モードから動作モードに変えられるとき、電力分配装置へのダメージが、回避されることができる。

第１の見地の一実施形態により、電気エネルギー蓄積素子の充電レベルを取得するように構成される充電レベル検出器を更に有する電力分配装置が提供される。制御ユニットは更に、電気エネルギー蓄積素子の充電レベルに基づいて、多機能電力分配装置に接続される機器の残りの動作時間、例えば残存電荷又はエネルギーのパーセンテージや割合、を計算するように構成される。

こうして、バックアップモードの間、電力分配装置に接続される機器を使用して、電力障害の間の残りの時間量に関するフィードバックを医療専門家に提供することが可能である。カテーテル処置又は他の介入動作中に電力障害が生じた場合、これは、プロシージャのより安全な緊急時決定を可能にすることができる。

第１の見地の一実施形態により、電力スイッチングネットワークが、電気エネルギー蓄積素子をＤＣ負荷端子に接続するように設定可能な第１のスイッチング素子と、充電ユニットの出力を電気エネルギー蓄積素子に接続するように設定可能な第２のスイッチング素子と、充電ユニットの出力をＤＣ負荷端子に直接に接続するように設定可能な第３のスイッチング素子と、を有する、電力分配装置が提供される。

こうして、電力分配装置は、複数のモードに設定可能でありうる。

第１の見地の一実施形態により、電力分配装置が更に、動作モードとバックアップモードとの間の遷移中に、電気エネルギー蓄積素子とＤＣ負荷端子との間の経路にスイッチングイベントが発生するのを防ぐように構成される、電力分配装置が提供される。

こうして、動作モードとバックアップモードとの間の遷移によって引き起こされる電力「スパイク」が、大幅に低減され又は除去される。ある医療機器は、非常に小さい電力揺らぎにさえ敏感であるが、かかる揺らぎは、この実施形態に従って防止される。

本発明の第２の見地により、医療機器システムが提供される。医療機器システムは、医用イメージング装置と、上述した第１の見地の多機能電力分配装置又はその実施態様と、を有する。

多機能電力分配装置の入力端子は、商用電源に接続可能であり、多機能電力分配装置のＤＣ負荷端子は、負荷としての医用イメージング装置に電気エネルギーを供給するように構成する。

こうして、医療機器システムにおいて、多くの電源コンポーネントが、除去されることができ、又は少なくとも定格を下げられることができ、その理由は、かかる電源コンポーネントが、多機能電力分配装置に平均電力を供給するだけでよく、医療機器システムによって要求されるピーク負荷電力を供給する必要がないからである。

本発明の第３の見地により、多機能電力分配装置を制御する方法が提供され、方法は、ａ）充電ユニットを使用して電気エネルギー蓄積素子を充電するステップと、ｂ）多機能電力分配装置の制御ユニットを使用して、制御ユニットを使用する多機能電力分配装置のＤＣ負荷端子に接続される負荷の電力需要要求を監視するステップと、ｃ）負荷の電力需要要求を使用して電力スイッチングネットワークの設定構成を計算するステップと、ｄ）（ｉ）充電モード、（ｉｉ）動作モード、（ｉｉｉ）バックアップモード、及び（ｉｖ）バイパスモード、のうちの１つに、電力スイッチングネットワークを設定するステップと、を有する。

上述の方法により、多機能電力分配装置は、直接に商用電源から、電気エネルギー蓄積素子及び商用電源の組み合わせから、又はバックアップモードでは全面的にエネルギー蓄積素子から、医用アプリケーションに電力を供給するように作動することができる。こうして、柔軟性のある電力供給方法が提供される。更に、方法は、多機能電力分配装置に接続されるシステムの潜在ピーク電力レべルではなく、平均電力レべルの供給を要求するだけである。

第３の見地の一実施形態により、ステップｄ）において、電力スイッチングネットワークは、（ｉｖ）バイパスモードにも設定可能である。

第３の見地の一実施形態により、ａ１）入力端子において電気エネルギー源の障害状態を検出するステップと、ｄ１）電力スイッチングネットワークをバックアップモードに設定するステップと、有し、更に、ｅ）電気エネルギー蓄積素子のみから負荷に電気エネルギーを供給するステップと、を有する、方法が提供される。

本発明の第４の見地により、第１の見地又は実施形態の一方による装置を制御するためのコンピュータプログラム要素であって、コンピュータプログラム要素が制御ユニットによって実行されるとき、第３の見地又はその実施形態の一方におけるステップを実施するように適応される、コンピュータプログラム要素が提供される。

本発明の第５の見地により、第４の見地のコンピュータプログラム要素を記憶したコンピュータ可読媒体が提供される。

以下の記述において、「電気エネルギー蓄積素子」という語は、例えばキャパシタ、二重層キャパシタ、又はスーパーキャパシタのようなエネルギーを蓄積することができる回路コンポーネント、又はリチウムイオン電池のスタックのようなバッテリを意味する。

以下の記述において、「電力スイッチングネットワーク」という語は、電力分配装置の電流をリダイレクトすることができる複数のスイッチング手段及び関連する接続を意味する。スイッチング手段は、電磁的に作動する接触器、又は電力トランジスタのような半導体スイッチング手段でありうる。スイッチング手段は、提供される多機能電力スイッチングネットワークの複数の異なる機能モードを可能にする複数の状態のうちの１つに、電力スイッチングネットワークを設定するように、制御ユニットによって制御されることができる。

従って、ここで述べられる技法の基本的な考えは、無停電電源によってサポートされる電力分配システムの欠点を解決する医療機器システム用のシステム供給アーキテクチャを提供することである。すべての接続された消費素子の集合的な定格電力までのフルパフォーマンスが、大幅に低減されたレベルのコンポーネント及び設備費用で実現されることができる。

例示的な実施形態は、添付の図面を参照して記述される。

第２の見地による医用イメージング用に構成されたシステムを示す図。 医療機器システムに電気エネルギーを供給するための従来技術の技法の例を示す図。 ある時間にわたってランダムシーケンスで作動される一般的な医療機器システムに特徴的な電力使用の例を示す図。 第１の見地による多機能電力分配装置を示す図。 さまざまなコンシューマに接続される多機能電力分配装置のシステムアーキテクチャを示す図。 多機能電力分配システムの二重層キャパシタインプリメンテーションの電気回路図。 代替の出力アーキテクチャを有する図６の代替の電気回路を示す図。 多機能電力分配システムの片半分のインプリメンテーションの電気回路図。 第３の見地による方法を示す図。

図１は、医用イメージング機器の構成素子を含む病院のカテーテル処置検査室（医療機器システム１５）を示しており、かかる構成要素は、このような検査室で一般に見られることができる。カテーテル処置検査室には、カテーテル処置検査室の天井１２から懸架されるＣアームイメージングシステム（医用イメージング装置）１０がある。Ｃアームは、Ｃアーム全体がアジマス角度θ°で回転されることを可能にする第１の回転軸受１４と、Ｃアームヘッドが仰角φ°で傾けられることを可能にする第２の回転軸受１６と、を有する。Ｃアームのイメージングヘッドは、Ｘ線エミッタ１８及びＸ線検出器２０を有する。動作中、Ｃアームは、関心領域２２を通じてＸ線ビームを放出するように配されたＸ線エミッタ１８を有して位置付けられ、それにより、Ｘ線検出器２０が、関心領域２２のＸ線画像を提供する。一般に、例えば制御コンピュータ２４及びイメージングディスプレイ２６のような他の電気駆動アイテムが存在する。更に使用されることができる機器（図示せず）の他のアイテムは、例えばバイタルサイン監視機器、超音波イメージング機器、及び換気ファンのような補助的電気機器のようなアイテムを含む。このような医療機器システムは、多様な電力供給ニーズを有する。

このような医療機器システムの電力のすべてのコンシューマの解析は、コンシューマの２つの基本的なグループがあることを実証する。１つのコンシューマグループは、数ｋＷから１００Ｗまでの連続的に低い又は中程度の電力を取り出すコンシューマを有する。コンピュータ２４及びイメージングディスプレイ２６は、このカテゴリにあると考えられることができる。

コンシューマの第２のグループは、例えば最大１５０ｋＷの非常に高いピーク電力要求を有するとともに、低レベルの連続する電力（例えば２ｋＷ）を必要とする。この場合、Ｘ線管１８は、例えば血管造影イメージングシーケンスを行う際に、このような高いピーク電力要求を有しうる。他の高エネルギーのアイテムは、例えば磁気共鳴勾配増幅器である。通常のＸ線マシンの場合、ピーク電力は、短い時間期間（秒）の間消費される。アンギオグラフィ又は蛍光透視イメージングセットアップの場合、高電力要求の期間は、一般に、３０分間持続するバーストを含みうる。この時間にわたって、需要は、シーケンスのフレームレートの調整に伴って変化しうる。一般に、パルス周波数及びスキャン持続時間は、ランダムであり、患者の物理的な形に関する専用のアプリケーションパラメータ及び機器の動作モードに依存すると考えられることができる。

観察される時間期間Ｔ内の全体の平均電力は、式（１）に従って計算されることができる：
P_avg = (1/T) * ΣP_i * T_i (1)
Ｐ_ｉは、時点ｉにおけるパルスのパルス電力であり、Ｔ_ｉは、当該パルスのパルス持続時間であり、ｉ＝１...ｎである。Ｔは、Ｔ_ｉのすべてのインスタンス及びパルス間に生じる休止を含む観察される全体の時間期間を表す。

今日の状況は、ピーク電力が短い期間中に機器によって要求される場合、病院用の商用電源が、このようなピーク需要を提供するように設計されなければならないことである。実際、病院内の電源設備は、数百ｋＷのオーダーの消費のために設計されることを必要とするが、機器によって消費される平均電力は、より低いオーダーの大きさでありうる。

図２は、システムに連続的に電力を伝送する３相病院電源システムに永続的に接続される典型的な設置された医用システムにおけるコンシューマの集まりを示す。

図２には、病院電源３０が、主スイッチ３２に提供される。３相電力は、フィルタ３４を通じて接続される。医用システム３６は、電力分配ユニット３８を有し、電力分配ユニット３８は、接触器ネットワークを通じてさまざまなコンシューマタイプ４０、４２、４４、４６に電力を提供する。タイプ１のコンシューマ４０は、電源パワーオン回路又は温度感受性コンポーネントのために必要とされる温度制御器のような、システムがインストールされる限り連続的に電力供給されることを必要とするユニットである。

タイプ２のコンシューマ４２は、制御されない整流電源電圧に接続されることができる高電圧のＤＣコンシューマユニットを表す。このようなアイテムは、強力なコンシューマに電力供給するＤＣ／ＡＣコンバータでありうる。代替として、それらは、例えばＣＴスキャナに見つけられるような、Ｘ線管ソース又は大きいモータドライブ用の高電圧源でありうる。

タイプ３のコンシューマユニット４４は、単相又は３相交流電圧を使用して電力供給されるポンプ又はファンでありうる。

タイプ４のコンシューマユニット４６は、安全上の理由で通常は電源接続回路から切り離される必要がある低い電圧を消費する回路を表す。例えば、これらは、コンピューティング又は制御回路のためのプリント回路基板、又は数キロワットまでの低い又は中程度の消費電力の又は電圧制御されるファンでありうる。

最先端技術の無停電電源（ＵＰＳ）システムが、点線ボックス４８に示されている。ＡＣ／ＤＣ充電器５０が、３相壁面入力と、電気エネルギー蓄積素子５２（例えばリチウムイオン電池セルのスタック）との間に接続される。電気エネルギー蓄積素子５２は、充電器５０によって充電される。ＤＣ−ＡＣコンバータ５４が、電気エネルギー蓄積素子５２と３相変圧器５６との間に接続される。３相変圧器の出力は、スイッチ５８に接続される。

通常動作モード（図示せず）において、電源スイッチ５８は、電力分配ユニット３８に電力供給するために、電源フィルタ３４を通じて３相電源に結合する。同時に、バッテリ充電器５０が、電気エネルギー蓄積素子５２を充電する。

商用電源の電力中断状況において、電源スイッチ５８は、３相変圧器を電力供給経路に接続するように構成され、それにより、医用システム３６は、電気エネルギー蓄積素子５２に蓄積された電荷から電力供給される。電源スイッチ５８の切り換えが行われるとき、全体の医用システム３６は、停電イベントを検出するために必要な時間期間及びスイッチングフェーズの間、電力ドロップアウトを経験することに留意されたい。ドロップアウト段階ののち、シャープな電力スパイクが続くことができる。これは、スイッチ切り換え時間から、又は、負荷サイドの大きいキャパシタンスの瞬間的な欠乏及びそれに続く再充電から、生じる。従って、感受性の高いコンシューマシステムは、バッテリ経路への接続が確立されるまで、すなわち、定常状態の動作へと制御され、安定した出力電圧を提供するまで、数ミリ秒又はより長い遅延の間、信頼性をもって動作することができないことがある。

ＵＰＳは、商用電源電力のない緊急時状況において、医用システム３６のピーク電力消費を提供するように設計される必要がある。

代替として、医用システム３６の性能は、低下されたレベルに制限される。実際、これは、例えばＣアームのＸ線源のような高ピーク電力システムは、停電状況の間、使用されることができないことを意味する。従って、完全なＸ線性能のためのピーク電力を供給することができる無停電電源装置は、このフィーチャが医用システムの性能にとって不可欠である場合にのみ設置される。

商用電源及び電気エネルギー蓄積素子の切り換えによる時間中断は、バッテリ回路が消費負荷に永続的に接続されるアーキテクチャにおいて、回避されることができる。しかしながら、電気エネルギー蓄積素子５２は、所望のレベルにしか充電されないので、電力は、通常動作中は電気エネルギー蓄積素子５２によって供給されない。例えば保護接地への低いインピーダンス接続のような電源障害の場合、エネルギーは、電気エネルギー蓄積素子５２から負荷へ伝送され、商用電源は、電源スイッチ５８によって切り離される。この構成に関する問題は、電源スイッチ５８がその切り離しをより長く延ばすほど、ＤＣ−ＡＣコンバータ５４が、エネルギー蓄積素子５２の蓄積されたエネルギーを、電源の低インピーダンス短絡回路により長い時間供給し、それにより、電気エネルギー蓄積素子５２に損害を与える可能性があることである。

別のアーキテクチャ（図示せず）は、前記システムに対し必要とされる電力を連続的に伝送する無停電電源装置に永続的に接続されるものである。この場合、大きな負荷は、電源から完全に切り離される。電源ブレークダウンの場合は、システムが、無停電電源装置内に位置する制御整流器によって切り離されることができるので、スイッチング動作は必要でなく、低インピーダンスブレークダウンは、システムの深刻な状況をもたらさない。このような構成の欠点は、無停電電源装置内部のコンバータ同士の間の連続する電力伝送によるより高い動作コストである。

図３は、一般的な医用イメージング設備の電力使用特性を示す。ｙ軸は、Ｘ線管の電力使用をｋＷで示し、ｘ軸は、時間を秒で示す。グラフの領域６０において、連続する蛍光透視スキャンが実施される。領域６２において、強力なＣＴスキャンが実施される。領域６４において、パルス化された蛍光透視シーケンスが実施される。領域６６において、単一のＸ線曝射が実施される。領域６８において、多重フェーズＣＴスキャンが実施される。強力なＣＴスキャンは、Ｐ_２ｋＷの最大Ｘ線管電力に達する。多重フェーズＣＴスキャン６８は、Ｐ_ｎの最大のＸ線管電力に達する。平均デューティサイクルは、式（２）に従って、加えられるパルスの持続時間の、全体の観察された時間期間に対する比を規定する：
δ = ΣT_i / T (2)
Ｔ_ｉは、Ｘ線インパルスの持続時間を表し、Ｔは、全体の検査時間を表す。

図３から分かるように、一般の診断Ｘ線アプリケーションにおいて、検査中に使用される機器のデューティサイクルは低い。ＣＴアプリケーションの場合、δは、一般に５％より低い。心臓アプリケーションの場合、δは、一般に３％より低い。脈管アプリケーションの場合、δは、一般に２％より低い。従って、医用Ｘ線ラボの平均電力Ｐ_ＡＶは、例えば単一のＸ線曝射６６の瞬間的な要求と比べて、図３に示すように極めて低い。このようなデューティサイクル状態の下で動作する医用システムのピーク電力要求にあわせて設計される商用電源及び関連する変換装置を提供することは、高価であり、浪費的である。この問題に対する解決策が以下に示される。

第１の見地により、多機能電力分配装置７０が提供される。

図４は、第１の見地による多機能電力分配装置７０を示す。

装置は、電気エネルギー源への装置の接続を可能にする入力端子７２と、入力端子に接続される充電ユニット７４と、充電ユニットから電気エネルギーを受け取るように構成される電気エネルギー蓄積素子７６と、電気エネルギーを負荷に供給するように構成されるＤＣ負荷端子７８と、充電ユニット、電気エネルギー蓄積素子、及びＤＣ負荷端子の適応可能な構成を可能にする電力スイッチングネットワーク８０と、充電ユニット及び電力スイッチングネットワークを制御するように構成される制御ユニット８２と、を有する。

制御ユニット８２は、電力スイッチングネットワーク８０を、少なくとも、（ｉ）電気エネルギー蓄積素子７６が充電ユニット７４によって充電される充電モード、（ｉｉ）電気エネルギーが電気エネルギー蓄積素子７６及び充電ユニット７４からＤＣ負荷端子７８に供給されるとともに、電気エネルギー蓄積素子７６が充電されることができる動作モード、（ｉｉｉ）電気エネルギーが、電気エネルギー蓄積素子７６のみからＤＣ負荷端子７８に供給されるバックアップモード、及び（ｉｖ）電気エネルギーが、充電ユニット７４のみからＤＣ負荷端子７８に提供されるバイパスモード、に設定するように構成される。

従って、多機能電力分配装置は、入力端子７２に接続される商用電源を使用して、電力需要の連続する平均コンポーネントに電力供給することができるが、電気エネルギー蓄積素子７６に蓄積された電気エネルギーを使用して、ピーク負荷電力でパルス化される高出力負荷に電力供給することができる。従って、多機能電力分配装置７０の上流のコンポーネントは、適応し直されることができ（定格を下げられることができ）、それらが、より安く提供されることを可能にする。更に、病院の商用電源接続は、Ｘ線検査室の機器のピーク電力の取り出しを使用するように適応される必要はなく、平均電力の取り出しに適応される必要がある。充電ユニット７４は、ピーク電力ではなく、負荷の平均電力にあわせて定格付けされることができる。

従って、このシステム供給アーキテクチャは、上記で言及された問題を解決する。

第１の見地の一実施形態により、充電ユニット７４は、医用システムのピーク電力レベルを供給するように電気エネルギー蓄積素子７６を充電するように構成され、それにより、充電ユニットが更に、充電ユニット負荷端子に、医用システムの平均電力レべルを供給するように構成される。

図５は、第１の見地の一実施形態による、設置された多機能電力分配ユニットのためのシステムアーキテクチャを示す。電圧及び周波数独立した無停電電源装置８８は、壁面スイッチ８６を通じて病院８４の商用電源接続に接続される。ＵＰＳ８８は、電源スイッチ９０、フィルタ９２、単相又は３相充電器９４、電気エネルギー蓄積素子９６（例えばバッテリ又はスーパーキャパシタ）、及び接触器回路９８を有する。従って、電圧及び周波数独立したＵＰＳ８８は、病院の商用電源接続からエネルギーを蓄積する。医用コンシューマ機器１００のネットワークは、電力分配ユニット１０２を通じて電圧及び周波数独立したＵＰＳ８８に接続される。上述したように、多様な負荷が、医用システム内に含まれることができ、例えば、単相又は３相交流電圧又は低電圧回路１１０によって電力供給される電源パワーオン回路１０４、Ｘ線高電圧源１０６、ファン又はポンプ１０８などである。

一実施形態によれば、ＤＣエネルギー蓄積ユニット９６（電気エネルギー蓄積素子）は、バッテリ、二重層キャパシタ又はスタックドスーパーキャパシタを有し得る。電気エネルギー蓄積素子は、医用システム全体のすべての接続されたコンシューマのために、通常のエネルギー供給の機能と、無停電電源装置の機能とを兼ね備える。

一実施形態によれば、電気エネルギー蓄積素子９６は、ＤＣ電力バスに接続されることができ、ＤＣ電力バスは、電力分配ユニット１０２を使用して、すべての接続されたコンシューマを通じて、電気エネルギー蓄積素子に蓄積された電気エネルギーを分配するように構成される。

従って、電気エネルギー蓄積ユニットは、平均して消費される電力より非常に高い医用システムのピーク電力負荷をカバーすることができる。しかしながら、電気エネルギー蓄積素子９６の充電電力は、平均電力を必要とするだけである。小さいデューティサイクルを有する高いピーク電力パルスを取り出すコンシューマは、例えば高い初期開始電流を有するモータ、又はＸ線電力用の高電圧生成ユニットでありうる。これらは、数ミリ秒から、最大で数十秒までの持続時間の間に動作しうる。

一実施形態によれば、電気エネルギー蓄積素子は、直列接続されたセルの端子の間に全電圧を提供するために、直列に接続されたセルの組を有することができる。付加的に又は代替として、セルは、医用システム１００によって消費される最大の定格電流を提供するように、互いに平行に接続されることができる。

一実施形態によれば、セルは、例えばリチウムイオンセルのようなバッテリでありうる。代替として、セルは、スーパーキャパシタセル又はＤＣ電圧バッファ（例えば電解キャパシタ）の特性を有する他のセルであってもよい。

一実施形態によれば、単相又は３相充電ユニット９４は、好適には、定電流充電の第１の動作モード、及び電圧制限を有する可変電流充電の第２の動作モード、の充電用の２つの動作モードを有し、最大の定格平均電力を提供するように設計されることができる。例えば電気パラメータを用いてオンラインで計算されることができる予め規定された充電曲線又は充電特性に従う他の種類の充電モードが、適用可能である。公称充電電力は、システム全体のすべての接続された回路の集合的な平均消費電力を供給するように設計されることができる。

一実施形態によれば、電気エネルギー蓄積素子９６とシステムコンシューマとの間に接触器回路９８が提供される。接触器回路９８は、大きい容量性負荷によってもたらされる突入電流を制限する。

従って、最大のパルス電力が、ＤＣバッファから３相ＡＣレベルに伝送され、次に、最終のコンシューマに電力供給するために再び整流される必要はもはやない。従って、無停電電源機能のコスト、サイズ及び重量の大幅な低減がある。

図２を参照して、図２のコンシューマ４２は、多数の付加の上流のコンポーネントが、システムのピーク電力を提供する高電圧源を設けることを必要とすることが分かるであろう。比較において、図４又は図５のアーキテクチャの使用は、突入電流制限及び整流の供給が低減されることができ、こうしてコスト、空間及び重量を節約することを意味する。

電気エネルギー蓄積素子７６の永続的な接続は、スイッチングイベント（供給される電力の中断）が動作モードとバックアップモードとの間の遷移において低減され又は最小限にされることを意味する。

図５に示されるシステムの動作を考慮することに対する高レベルのアプローチは、システムが、少なくとも（ｉ）充電モード、（ｉｉ）動作モード、及び（ｉｉｉ）バックアップモードで動作しうることを考えることである。充電モードにおいて、電源スイッチ９０は、フィルタ９２及び充電器９４を電気エネルギー蓄積素子９６に接続するが、接触器９８は開いており、すなわち、医療装置１００が電力供給されないことを意味する。

動作モードにおいて、回路は、充電モードと同じ状態のままであるが、接触器回路９８が閉じているという変更を有し、それにより、電気エネルギーが医用システム１００に供給されることを可能にするとともに、同時に、電気エネルギー蓄積素子９６の充電を可能にする。

バックアップモードにおいて、例えば電力損失状況のように、電気エネルギーが病院商用電源８４から受け取られない状況において、電気エネルギー蓄積素子９６は、接触器回路９８を通じてのみ医用システム１００にエネルギーを供給することができる。

バイパススイッチ１０４は、電気エネルギー蓄積素子９６が、医用システム１００への電力供給経路から切り離されるように切り替えられることを可能にする。バイパススイッチ１０４が開いている状況（図示せず）において、電気エネルギーは、充電ユニット９４のみから医用システム１００に提供される。

図６は、第１の見地による多機能電力分配装置の回路図を示す。

図６において、入力端子１０７、正側の充電ユニット１０６ａ及び負側の充電ユニット１０６ｂ、電気エネルギー蓄積素子１１０、ＤＣ負荷端子１１４及び制御ユニット１１２が提供される。更に、制御ユニット１１２の拡張であると考えられることができるバッテリ管理システム１１２ａが図示されている。スイッチング手段Ｋ１Ｐ、Ｋ１ＡＰ、Ｋ２Ｐ、Ｋ３Ｐ、Ｋ４Ｐ及び、Ｋ１Ｎ、Ｋ１ＡＮ、Ｋ２Ｎ、Ｋ３Ｎ、Ｋ４Ｎ及びＫ５Ａを有する電力スイッチングネットワークが提供される。スイッチング手段の標示Ｋ１Ｐ対Ｋ１Ｎは、同じ機能を有するスイッチング手段を示すが、それぞれ、回路の正側又は負側に位置する。

代替の実施形態（図７に示される）において、ＤＣ負荷端子の間のスイッチング手段Ｋ５Ａ及び抵抗器Ｒ２は、スイッチング手段Ｋ５ＡＰ及びＲ２Ｐを通じた保護接地に対するＤＣ負荷端子１１４の正側の直列接続によって、及びスイッチング手段Ｋ５ＡＮ及びＲ２Ｎを通じた保護接地に対するＤＣ負荷端子の負側の直列接続によって、置き換えられる。次の記述において、イベントが（図６の）Ｋ５Ａがスイッチングイベントを引き受けることをさす場合、これは、Ｋ５ＡＰ及びＫ５ＡＮが一致して同じ位置に切り替わることと類似することが分かるであろう。

図７において、図６の接触器Ｓ１１Ｐ及びＳ１１Ｎに代わるものとして、電気エネルギー蓄積素子１１０は、直列ヒューズＦ１Ｐ及びＦ１Ｎを有する。これらは、電気エネルギー蓄積素子１１０を過電圧から保護する。しかしながら、接触器が、図６に示すのと同様に、この目的で使用されることもできる。

図６において、点線は、制御ラインを表し、実線は、電力運搬用ラインを表す。図６は、デュアルレール多機能電力分配装置を示すが、図６の実施形態に関して述べられる原理が、図８に示される単一レール多機能電力分配装置にも適用されることができることが分かるであろう。

図６には、正側の充電ユニット１０６ａと負側の充電ユニット１０６ｂとの間で分割される充電ユニットが示されている。充電ユニット１０６ａ及び１０６ｂは、使用中、例えば３相電力を供給する病院の商用電源に接続可能である。

スーパーキャパシタ又は電気エネルギーを蓄積する能力を有するバッテリセルのスタックを任意に有することができる電気エネルギー蓄積素子１１０が、提供される。制御ユニット１１２は、電力分配装置を制御するために提供され、制御ユニット１１２のサブセットは、バッテリ管理システム１１２ａ（ＢＭＳ）と考えられることができる。バッテリ管理システム１１２ａは、電気エネルギー蓄積素子１１０内部の個別のセル又は少数のセルのサブセットの状態を監視する機能を有する。このようなバッテリ管理システムは、スーパーキャパシタスタックを監視するようにも適用可能である。

電気エネルギーは、ＤＣ負荷端子１１４を通じて医用システムに供給される。必要とされる機能を達成するために、充電ユニット１０６ａ及び１０６ｂと、ＤＣ負荷端子１１４との間に電力スイッチングネットワークを接続することが以下で述べられる。

正側の充電ユニット１０６ａは、スイッチング手段Ｋ３Ｐ及び任意にヒューズＦ２Ｐを通じて、電気エネルギー蓄積素子１１０の正端子に接続される。電気エネルギー蓄積素子１１０の正側は更に、スイッチング手段Ｋ１Ｐを通じて、ＤＣ負荷端子１１４に接続可能である。同様に、負側の充電ユニット１０６ｂは、スイッチング手段Ｋ３Ｎ及び任意にヒューズＦ２Ｎを通じて、電気エネルギー蓄積素子１１０の負側に接続可能である。スイッチング手段Ｋ１Ｎは、電気エネルギー蓄積素子１１０の負側を負のＤＣ端子１１４に接続する。

正側の充電ユニット１０６ａは、スイッチング手段Ｋ４Ｐを通じて、正のＤＣ端子１１４に直接に接続可能であり、これは、電気エネルギー蓄積素子１１０への接続を回避する正レールのバイパス経路を形成する。任意に、回路ブレーカＫ１ＡＰが、正のバイパス経路に提供される。同様に、負側の充電ユニット１０６ｂは、スイッチング手段Ｋ４Ｎ及び任意にサーキットブレーカＫ１ＡＮを通じて、ＤＣ負荷端子１１４の負端子に直接接続可能である。

制御ユニット１１２は、電力分配装置のスイッチング手段の制御端子に接続される（点線を使用して示される）。制御ユニット１１２は、バッテリの状態についてのフィードバックが与えられることを可能にするために、双方向通信手段を使用してバッテリ管理システム１１２ａに接続される。効果的に、制御ユニット１１２は、バッテリ管理システム１１２ａの拡張と考えられることができる。例えば、制御ユニットからの一方向制御ラインは更に、スイッチング手段Ｋ３Ｐ及びＫ３Ｎに、バイパススイッチング手段Ｋ４Ｐ及びＫ４Ｎに、及びＤＣ回路スイッチング手段Ｋ１Ｐ及びＫ１Ｎに提供される。

抵抗器Ｒ３Ｐ及びＲ４Ｐは、正のＤＣ負荷端子と保護接地との間に直列に接続される。抵抗器Ｒ３Ｎ及びＲ４Ｎは、負のＤＣ負荷端子と保護接地との間に直列に接続される。これらの抵抗器の直列の対は、それぞれ、正側及び負側の電位分割器を形成する。個々の電位分割器の接合部は、ＤＣ出力電圧フィードバック信号として使用され、ＤＣ出力電圧フィードバック信号は、その接地基準電位によって保護接地電位に接続されることができる制御ユニットにフィードバックされる。

図６の回路の別の任意のフィーチャは、正側の抵抗器Ｒ１Ｐ及びスイッチング手段Ｋ２Ｐ並びに負側の抵抗器Ｒ１Ｎ及びスイッチング手段Ｋ２Ｎを有する過渡的スイッチング構成である。医療機器が初めて電力回路に切り替えられる場合、大きいキャパシタは重大な突入電流を引き起こすことがある。このための対処がない場合、充電ユニット１０６ａ、１０６ｂ及び／又は電気エネルギー蓄積素子１１０への損傷が生じる。従って、Ｒ１Ｐ、Ｋ２Ｐ、Ｒ１Ｎ及びＫ２Ｎは、電力スイッチングネットワークが遷移状態にある間、充電器及び／又は電気エネルギー蓄積素子１１０と及びＤＣ負荷端子との間の電源経路に入るようにスイッチされる。これは、主スイッチング手段Ｋ１Ｐ及びＫ１Ｐが、電気エネルギー蓄積素子１１０とＤＣ負荷端子１１４との間で経路に入るようスイッチされる前の瞬間に生じる。

任意に、抵抗器Ｒ１Ｐ及びＲ１Ｎは、インダクタンス又は抵抗性装置によって置き換えられることができ又は補われることができ、インダクタンス又は抵抗性装置は、それらの温度に依存するそれらのインピーダンス依存を変更するように設計される。これらの種類のコンポーネントは、大きな正の又は負の温度係数（ＰＴＣ又はＮＴＣ）を提供する。

電気エネルギー蓄積素子１１０は、バッテリセルの直列スタックから構成されるものとして図６に示されている。代替として、電気エネルギー蓄積素子１１０は、スーパーキャパシタの直列スタックから構成され、あるいは、直列又は並列に接続される少なくとも２つの単一デバイスを有し得る電解又はフォイルキャパシタの組から構成されうる。

任意に、電気エネルギー蓄積素子１１０は、直列スイッチング手段Ｓ１１Ｐ及びＳ１１Ｎを具備する。任意に、電気エネルギー蓄積素子１１０は、直列ヒューズ、又はバッテリ管理システム１１２ａから制御可能なスイッチング装置を具備する。スイッチング手段Ｓ１１Ｐ及びＳ１１Ｎは、例えば制御ユニット１１２又はバッテリ管理システム１１２ａによって検出可能な障害状態の最中、電気エネルギー蓄積素子１１０の放電を防ぐ。

動作中、図６に示される回路は、（ｉ）充電モード、（ｉｉ）動作モード、（ｉｉｉ）バックアップモード、及び（ｉｖ）バイパスモードである４つの基準状態を有する。

３つの基準状態の間の遷移を形成する４つの副次的な状態が更に利用可能である。表１は、回路の動作モード及びスイッチング手段Ｋ１、Ｋ１Ａ、Ｋ２、Ｋ３、Ｋ４及びＫ５Ａの状態を示す。デユアルレールの実施形態において、正の及び負のスイッチング手段（−Ｐ又は−Ｎによって示される接尾記号）は、同時に動かされる。テーブルエントリ「０」は、スイッチング手段の接続が断たれること、又は、高いインピーダンスを示す。テーブルエントリ「１」は、スイッチング手段の接続が行われること、又は、低インピーダンスを示す。以下において、スイッチング手段に関する「開いている」という語は、高インピーダンス経路（実質的に無限大のオーム）を示す。スイッチング手段に関する「閉じている」という語は、低インピーダンス経路（実質的にゼロオーム）を示す。

以下は、電力スイッチングネットワークのスイッチングモードを示す。

電気エネルギー蓄積素子が充電ユニットによって充電される充電モード（ｉ）において、電力は、ＤＣ負荷端子１１４に供給されず、ＤＣ負荷端子１１４に接続される医用システムはオフにされる。充電モード（ｉ）において、スイッチング手段Ｋ３及びＫ３Ｎは、充電ユニット１０６ａ及び１０６ｂから電気エネルギー蓄積素子１１０の正側及び負側に電気エネルギーが流れることを可能にするために、それぞれ閉じられる。電気エネルギー蓄積素子１１０の充電の当該段階において、例えば、電力分配装置は、制御ユニット１１２の制御の下、電力スイッチングネットワークを充電モード（ｉ）から動作モード（ｉｉ）に変更する。

システムは、次に動作モード（ｉｉ）へ遷移し、動作モード（ｉｉ）において、電気エネルギーが、電気エネルギー蓄積素子１１０及び充電ユニット１０６ａ及び１０６ｂから、ＤＣ負荷端子１１４に供給され、電気エネルギー蓄積素子１１０が、充電されることができる。この状態において、スイッチング手段Ｋ３Ｎ及びＫ３Ｐ、スイッチング手段Ｋ１Ｎ及びＫ１Ｐ、並びに任意にスイッチング手段Ｋ２Ｐ及びＫ２Ｎが、閉じられ、それにより、充電ユニット１０６ａ、１０６ｂから正の及び負のＤＣ負荷端子１１４まで電荷がフローすることを可能にする。このモードにおいて、電気エネルギー蓄積素子１１０が更に充電される。

制御ユニット１１２が（例えば電源電力が喪失したという理由で）バックアップモードに切り替わる必要を検出する場合、制御ユニットは、スイッチング手段Ｋ３Ｐ及びＫ３Ｎを開き、Ｋ１Ｐ及びＫ１Ｎを閉じたままにし、Ｋ１ＡＰ及びＫ１ＡＮを開き、Ｋ２Ｐ及びＫ２Ｎをそれらの現在の状態に保ち、Ｋ５Ｐ及びＫ５Ｎを開いたままにすることによって、電力スイッチングネットワークをバックアップモード（ｉｉｉ）に変更する。このモードでは、電気エネルギーは、電気エネルギー蓄積素子１１０のみからＤＣ負荷端子１１４に供給される。こうして、動作モード（ｉｉ）からバックアップモード（ｉｉｉ）への遷移が、蓄積素子１１０とＤＣ負荷端子１１４の間の主電力経路に影響を及ぼさずに達成される。

多機能電力分配装置は更に、バイパスモード（ｉｖ）に設定可能であり、バイパスモード（ｉｖ）では、電気エネルギーが、正の充電ユニット１０６ａ及び負の充電ユニット１０６ｂのみから、ＤＣ負荷端子に提供される。バイパスモードにおいて、スイッチング手段Ｋ３Ｐ及びＫ３Ｎは開いており、スイッチング手段Ｋ１Ｐ及びＫ１Ｎは開いており、スイッチング手段Ｋ１ＡＰ及びＫ１ＡＮは閉じており、スイッチング手段Ｋ４Ｐ及びＫ４Ｎは閉じており、スイッチング手段Ｋ２Ｐ及びＫ２Ｎは開いており、スイッチング手段Ｋ５Ａは開いている。こうして、正側１０６ａ及び負側１０６ｂの充電ユニットは、電気エネルギーをＤＣ負荷端子１１４に直接供給する。

バイパスモードにおいて、バイパス回路は、（正側及び負側の）接点Ｋ４を閉じることによってアクティブにされ、他方、すべての接触器Ｋ１乃至Ｋ３及びＫ５は、開いた状態に保たれる。バイパスは、電気エネルギー蓄積素子１１０又はコントローラ１１２、１１２ａのバッテリ管理部分の故障の際にアクティブにされることができ、なぜなら、この場合、電気エネルギー蓄積素子が充電ユニット１０６から分離されるからである。

表１は更に、複数の任意の遷移モードを詳しく示している。

任意には、充電モード（ｉ）から動作モード（ｉｉ）へ遷移する際、正側の及び負側のスイッチング手段Ｋ３及びスイッチング手段Ｋ１Ａは、閉じたままであり、負側及び正側のスイッチング手段Ｋ２が閉じられる。この場合、中程度のインピーダンス経路を示す抵抗器Ｒ１Ｐ及びＲ１Ｎが、閉じられたスイッチング手段Ｋ１Ｐ及びＫ１Ｎを通じた低インピーダンス接続の前に、ＤＣ負荷端子１１４の経路に接続される。これは、接続した医用システムの直流リンクが、大きな突入電流が生じることなく充電されることを可能にする。このような突入電流は、電気エネルギー蓄積素子１１０又は充電ユニット１０６又は接触器Ｋ１Ｐ又はＫ１Ｎに対し損傷を与えることがある。この第１の遷移モードは、表の"動作−＞遅延"行に表現される。医用システムの直流リンクを充電するための上述された遷移ステップは、ＤＣ負荷端子１１４に接続された医用システムに大きいキャパシタンスが存在する場合に適している。

任意に、スイッチング手段Ｋ５ａが閉じられる端子モードが、提供されることができる。これは、接続された医用システムの入力キャパシタの放電を可能にする。例えば、このようなモードは、医用システムのパワーダウン時の安全フィーチャとして有用である。

図６の多機能電力分配装置の動作の構造的な及び機能記述に続き、変形例が記述される。

任意に、追加のヒューズ（例示されない）が、電気エネルギー蓄積素子１１０の正側及び負側にそれぞれ直列に接続される。このような直列ヒューズは、バッテリ障害状態の際にフェイルセーフ電流制限を提供する。ヒューズは、Ｓ１１Ｐ及びＳ１１Ｎの位置に又はそれと直列に挿入される。

任意に、機械的なサービスロックＳ１Ｐ及びＳ１Ｎが、ヒューズＦ１ＰとＦ１Ｎの間に位置する。任意に、別の機械的なサービスロックＳ０が、保護接地からバッテリ中央タップを完全に切り離すために配置されることができる。このような機械的に又は論理的に相互接続されるサービスロックは、電気エネルギー蓄積素子１１０の電気接点が接続を絶たれる場合のみ、電気エネルギー蓄積素子１１０の端子へのアクセスを可能にする。電気エネルギー蓄積素子と端子との間のすべての電気接続が開いている場合にのみ端子に触れることが可能であるように、機械的なサービスロックは相互接続される。

任意には、ブレーカＫ５ａは、抵抗Ｒ２と直列にＤＣ負荷端子１１４の間に接続される。これは、ＤＣ電力バスのＤＣ端子の間に放電回路を形成し、放電回路は、コンシューマ機器の接続されたアイテムのキャパシタンスに保持される電気エネルギーを放電することができる。放電回路の別の実施形態は、ＤＣ負荷端子１１４の正電位と保護接地との間に接続されるＫ５ＡＰ及びＲ２Ｐの直列接続、及び保護接地と負のＤＣ負荷端子１１４との間に接続されるＫ５ＡＮ及びＲ２Ｎにより構成される。

図６に示されるように、任意に、電流積分回路１１６が、バッテリ管理システム１１２ａと保護接地との間に接続される。この回路は、図６に示される差電流Ｉ_ｄｉｆｆを積分し、それによりバッテリ故障条件が検出されることを可能にする。こうして、両方のバッテリ部分の等しい充電又は放電電流が、電流源１０６ａ及び１０６ｂのセットポイントの再調整によって提供されることができる。

制御ユニット１１２、１１２ａは、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、ＦＰＧＡ又は別のデジタル処理システムを使用して実現されることができる。スイッチング手段に対する論理インタフェースは、例えばカスタム通信システム、又はＭＯＤＢＵＳ（ＴＭ）又はＦＩＥＬＤＢＵＳ（ＴＭ）システムを使用して生成されることができる。

一実施形態により、多機能電力分配装置の充電ユニット１０６は、多機能電力分配装置の電気エネルギー蓄積素子１１０に、医用イメージング装置によって取り出される平均電力を供給するように構成される。

電気エネルギー蓄積素子１１０は、好適には、例えばリチウムイオンセルスタック又はスーパーキャパシタのようなバッテリを有する。図６において、全体のスタックは、直列接続される２つの部分的なスタックで構成され、２つのスタックは、電気エネルギー蓄積素子１１０を保護接地１０８に接続するための中央タップ端子を提供する。

任意に、ＤＣヒューズが、電気エネルギー蓄積素子１１０の外側セルと電気エネルギー蓄積素子の電力端子との間に接続される。これは、短絡回路の場合の断路器として働く。任意に、接触器Ｓ１１Ｐ及びＳ１１Ｎは、ＤＣヒューズによって置き換えられ又は補われることができる。

任意に、機械的なサービスロックＳ１Ｐ、Ｓ１Ｎは、例えばバッテリのケーシングの除去の際にバッテリ端子を完全に切り離す。

任意に、電気エネルギー蓄積素子１１０と保護接地ノードの間に流れる差電流を監視するように構成される電流センサが、積分器１１６によって提供され、それにより、電気エネルギー蓄積素子１１０の両側からの等しい電荷が流れることを確実にする。

保護接地１０８に対する電気エネルギー蓄積素子１１０の個々の片半分の接続は、正の充電ユニット１０６ａ及び負の充電ユニット１０６ｂが等しくない充電を提供しうることを示す。電気エネルギー蓄積素子１１０のそれぞれの片半分の充電の等しくない状態は、不所望であり、その理由は、このような場合に、素子全体の充電の状態が、充電が低いほうの片半分の充電の状態に低下されるからである。充電の特定の状態において、この片半分の両端の電圧は、充電の低い状態のため降下し、相補的な他方の片半分は、高レベルの充電の状態にある。これは、電気エネルギー蓄積素子１１０の２つのポールの間の等しくない電圧につながりうる。この効果は、正の充電ユニット１０６ａ及び負の充電ユニット１０６ｂによって提供される実際の電流が互いに異なる場合に生じうる。いくつかのサイクルの充電及び放電の後、一方の片半分が完全に充電され、他方、相補的な他方の片半分がほぼ完全に放電されるという状態が、生じうる。この場合、バッテリの性能は大幅に低減され、加速される経年劣化が結果的に生じる。

従って、制御ユニット１１２は、充電のこの差を能動的に補償するように構成されることができる。バッテリ管理システム１１２ａは、電気エネルギー蓄積素子１１０の正側の片半分のために使用される第１の電流セットポイント、及び電気エネルギー蓄積素子１１０の負側の片半分のために使用される第２の電流セットポイントを計算するように構成されることができる。積分器１１６は、第１の電流セットポイント及び第２の電流セットポイントを計算するために図６の電流差信号Ｉ_ｄｉｆｆを積分するように構成されることができる。

バッテリ管理システムは、電気エネルギー蓄積素子１１０の正側の部分及び負側の部分の充電レベルを補正するために、積分コントローラとして、又は、比例積分コントローラとして、又は、比例積分微分コントローラとして、動作されるように構成されることができる。

任意に、ＤＣヒューズＦ２Ｐ及びＤＣヒューズＦ２Ｎは、ＤＣ負荷端子の間の障害又は電気エネルギー蓄積素子１１０内の障害による過電流に備えて、充電ユニット１０６ａ、１０６ｂと電気エネルギー蓄積素子１１０との間のセーフティリンクを提供する。これらのＤＣヒューズは、充電ユニット１０６ａ及び１０６ｂによって必要とされる最大の充電電流に従って設計される。

任意に、バッテリ管理システム１１２ａは、電気エネルギー蓄積素子１１０の複数のセルの両端の電圧を監督するように構成される。バッテリ管理システム１１２ａは、セルの任意のもの又は数個のセルの複数の両端の電圧の間のアンバランス及び故障を検出し示す。例えば、バッテリ管理システム１１２ａは、セルの両端の適当な電圧バランスを保証するために、能動バランシング又は受動バランシング技法を用いることができる。

任意に、電力分配装置は、バッテリ管理システム１１２ａ内部のバッテリ充電の現在レベルを検出するように構成される。バックアップモードで動作する場合、現在充電レベルを示す指標が測定される。任意に、ＤＣ負荷端子に接続される機器の残りの動作時間の予測が、ユーザに提供されることができる。従って、商用電源の障害状態において、医療専門家は、作業又は処置を終えるためにどれくらいの時間が残っているかの評価を提供されることができる。

任意に、放電ユニットが、接点Ｋ５Ａによって切り離される場合にのみ電気エネルギー蓄積素子１１０とコンシューマの間の接続を可能にするインターロックが提供される。インターロックは、スイッチング装置Ｋ１乃至Ｋ５において又は制御ユニット内で実現されることができる。

上述の解決策によれば、深刻な電源障害又は全体の電源ブレークダウンの場合に、消費回路は、ほとんど影響を受けない。アーキテクチャは本質的に、接続されたシステムが動作状態のままでいることを可能にするバックアップ機能を有する。充電ユニット１０６は、商用電源から完全にエネルギー蓄積素子１１０及び消費回路を切り離す。更に、電気エネルギー蓄積素子１１０は、通常動作の最中、消費されるピーク電力レべルまでシステムに電力供給するように設計されることができ、それにより、バッファが、電気エネルギー蓄積素子１１０の蓄積された全エネルギーが消耗されるまで、性能低下なくバックアップモードにおいてシステムへの電力供給を続けることができる。これは、患者に関する介入動作中に商用電力が損失する場合に有利である。更に、動作モード（ｉｉ）とバックアップモード（ｉｉｉ）との間の遷移は、この遷移において電気エネルギー蓄積素子が常に接続されているので、供給電圧の中断なしに達成されることができる。

小さいデューティサイクルで非常に高いピーク電力のパルスを取り出すように構成される１又は複数のコンシューマを有するシステムにおいて、このピーク電力レべルのエネルギーは、電気エネルギー蓄積素子１１０からワイヤ、ヒューズ、閉じた接触器又はブレーカ（及び任意にフィルタ）のみを通じて、コンシューマに伝送される。従って、ピーク電力レべルについて定格を定められた電力コンバータは、このようなコンシューマへに電力供給するための経路には必要でなく、それにより、コンポーネントコストを節約する。

システムの消費電力の揺らぎは、電気エネルギー蓄積ユニット１１０によってバッファされ、バランスされることができる。電気エネルギー蓄積ユニット１１０は、そのピーク電力要求を有するシステムに電力供給することができ、他方、電気エネルギー蓄積ユニット１１０は、それよりずっと低い電力レべルで連続的に充電される。入力する商用電力の部屋設備部分は、最大平均消費電力のレベルに等しいより低い電力レべルにあわせて設計されればよい。従って、インストール努力及びコストが低減されることができる。

一例として、Ｃアームシステム又はＣＴスキャナが考慮されることができる。このようなシステムの短時間のピーク電力は１５０ｋＷまでのオーダーの大きさであり、他方、平均電力は、１０ｋＷのオーダーの大きさでありうる。パルスエネルギーがバッテリによってバッファされる場合、病院の商用電源設備及びシステムの充電ユニットの両方は、１５０ｋＷではなく、１０ｋＷに適応するよう設計されることができる。病院商用電源システムは、大きい突然のピーク電力パルスによってストレスを与えられない。これは、病院の電源電圧の呼応する急降下を回避し、同じ電源から電力供給される他のシステムに必要とされるイミュニティ要求を低減する。

代替の実施形態によれば、上述され図６に示される電力分配装置が、提供されることができる。１つの充電器１０６が、電圧制限回路を使用して正のレール及び負のレールに接続される。この場合、１つの充電ユニットのみ必要である。

回路の単一レールバージョンを提供することが可能であることが分かるであろう。この場合、バッテリスタック又はスーパーキャパシタスタックが保護接地と１つの正のレールとの間にのみ接続される。

図８は、バッテリスタックの一方の片半分及びバッテリ管理システム１１２ａの対応する片半分を省くことによって提供されることができるコストを抑えた実現例を示す。

図８の場合、制御ユニット１１２、電気エネルギー蓄積素子１１０、充電ユニット１０６及びＤＣ負荷端子１１４が、図６に関連して上述されたように提供される。図６と図８の実現例の間の差は、スイッチ、ヒューズ、ワイヤ及び制御手段をもつ負のレールセットが省かれることである。この実現例は、より低いレベルのＤＣバッファ電圧において有利である。平均電力のための共通充電器の上述の利点及び充電器の上流のコンポーネントの定格を下げることが可能であることは、維持される。

第３の見地によれば、多機能電力分配装置を制御する方法が提供される。

図９は、第３の見地による方法を示す。

方法は、
ａ）充電ユニットを使用して電気エネルギー蓄積素子を充電するステップと；
ｂ）多機能電力分配装置の制御ユニットを使用して、制御ユニットを使用する多機能電力分配装置のＤＣ負荷端子に接続される負荷の電力需要要求を監視するステップと；
ｃ）負荷の電力需要要求を使用して電力スイッチングネットワークの設定構成を計算するステップと；
ｄ）（ｉ）充電モード、（ｉｉ）動作モード、（ｉｉｉ）バックアップモード、及び（ｉｖ）バックアップモードのうちの１つに電力スイッチングネットワークを設定するステップと、
を有する。

第３の見地の一実施形態により、
ａ１）入力端子において電気エネルギー源の障害状態を検出するステップと；
ｄ１）電力スイッチングネットワークをバックアップモードに設定するステップと；を有し、
更に、ｅ）電気エネルギー蓄積素子だけから負荷に電気エネルギーに供給するステップ、
を有する方法が提供される。

第２の見地により、医療機器システム１５が提供される。

図１は、医療機器システムの例を示す。医療機器システム１５は、医用イメージング装置１０と、上述した多機能電力分配装置と、を有する。

多機能電力分配装置の入力端子は、商用電源に接続可能であり、多機能電力分配装置のＤＣ負荷端子は、医用イメージング装置１０に電気エネルギーに供給するように構成される。多機能電力分配装置の充電ユニットは、多機能電力分配装置の電気エネルギー蓄積素子に、医用イメージング装置によって取り出される平均電力を供給するように構成される。

本発明の第４の見地によれば、第１の見地又はその実施形態又は変更例のうちの１つに従う装置を制御するためのコンピュータプログラム要素であって、コンピュータプログラム要素が制御ユニットによって実行される際、第３の見地又はその実施形態の１つにおける各ステップを実施するように適応されるコンピュータプログラム要素が提供される。

本発明の第５の見地によれば、第４の見地のコンピュータプログラム要素を記憶したコンピュータ可読媒体が提供される。

従って、コンピュータプログラム要素は、コンピュータユニットに記憶されることができ、このようなコンピュータユニットは更に、本発明の一実施形態の部分でありうる。このコンピュータユニットは、上述の方法におけるステップを実施し又はその実施をもたらすように適応されることができる。

更に、コンピュータユニットは、上述の装置のコンポーネントを動作させるように適応されることができる。コンピュータユニットは、自動的に動作する及び／又はユーザの命令を実行するように適応されることができる。コンピュータプログラムは、データプロセッサの又は任意の種類のプログラマブルな論理装置又はプログラマブルなゲートアレイの作業メモリへロードされることができる。データプロセッサは、こうして本発明の方法を実施する能力を有することができる。

本発明のこの例示的な実施形態は、最初からインストールされている本発明を有するコンピュータプログラム、及び更新により既存のプログラムを本発明を使用するプログラムにかえるコンピュータプログラムの両方をカバーする。コンピュータプログラムは、他のハードウェアと共に又はその一部として供給される光学記憶媒体又は固体媒体のような適切な媒体に記憶され及び／又は配布されることができるが、他の形態で、例えばインターネット又は他のワイヤード又はワイヤレス通信システムを通じて配布されることもできる。

しかしながら、プログラムは更に、ワールドワイドウェブのようにネットワークを通じて提示されることができ、このようなネットワークからデータプロセッサの作業メモリにダウンロードされることができる。本発明の他の例示の実施形態により、コンピュータプログラム要素をダウンロードに利用可能にするための媒体であって、コンピュータプログラム要素が、本発明の上述の実施形態の１つに従う方法を実施するように構成される媒体が提供される。

本発明の実施形態は、個々の異なる主題に関して記述される。特に、ある実施形態は、方法タイプの請求項に関して記述されているが、他の実施形態は、装置タイプの請求項に関して記述されている。しかしながら、当業者は、上述の及び以下の記述から、特に言及されない限り、主題の１つのタイプに属するフィーチャの任意の組み合わせに加えて、更に、個々の異なる主題に関するフィーチャ間の任意の他の組み合わせが、本願明細書によって開示されていると考えられることが分かるであろう。

すべてのフィーチャは、フィーチャの単純な総和より高い相乗効果を提供するように組み合わせられることができる。

本発明は、図面及び上述の説明において詳しく図示され記述されているが、このような図示及び説明は、制限的でなく、説明的又は例示的であると考えられることができる。本発明は、開示される実施形態に制限されない。

開示される実施形態に対する他の変更例は、図面、開示及び添付の請求項の検討から、請求項に記載の本発明を実施する際に当業者によって理解され、実現されることができる。

請求項において、「有する、含む（comprising）」という語は、他の構成要素又はステップを除外せず、不定冠詞「a」又は「an」は、複数性を除外しない。単一のプロセッサ又は他のユニットが、請求項に列挙されるいくつかのアイテムの機能を実現することができる。特定の手段が相互に異なる従属請求項に列挙されているという単なる事実は、これらの手段の組み合わせが有利に使用されることができないことを示さない。請求項における任意の参照符号は、請求項の範囲を制限するものとして解釈されるべきでない。

Claims (15)

1. 多機能電力分配装置であって、
   電気エネルギー源への前記電力分配装置の接続を可能にする入力端子と、
   前記入力端子に接続される充電ユニットと、
   前記充電ユニットから電気エネルギーを受け取るように構成される電気エネルギー蓄積素子と、
   電気エネルギーを負荷に供給するように構成されるＤＣ負荷端子と、
   前記充電ユニット、前記電気エネルギー蓄積素子、及び前記ＤＣ負荷端子の適応可能な設定を可能にする電力スイッチングネットワークと、
   前記充電ユニット及び前記電力スイッチングネットワークを制御するように構成される制御ユニットと、
   を有し、前記制御ユニットが、少なくとも、
   （ｉ）前記電気エネルギー蓄積素子が前記充電ユニットによって充電される充電モード、
   （ｉｉ）電気エネルギーが前記電気エネルギー蓄積素子及び前記充電ユニットから前記ＤＣ負荷端子に供給されるとともに、前記電気エネルギー蓄積素子が充電されることが可能である動作モード、
   （ｉｉｉ）電気エネルギーが前記電気エネルギー蓄積素子のみから前記ＤＣ負荷端子に供給されるバックアップモード、及び
   （ｉｖ）電気エネルギーが前記充電ユニットのみからＤＣ負荷端子に提供されるバイパスモード、
   に前記電力スイッチングネットワークを設定する、電力分配装置。
2. 前記充電ユニットは、（ｉ）調整可能なＤＣ電流を使用して、（ｉｉ）調整可能なＤＣ電圧を使用して、（ｉｉｉ）予め規定された充電曲線に従って、又は（ｉｖ）予め規定された充電特性に従って、前記電気エネルギー蓄積素子を充電する、請求項１に記載の電力分配装置。
3. 前記電気エネルギー蓄積素子は、保護接地ノードに両方とも接続される正側の電気エネルギー蓄積素子及び負側の電気エネルギー蓄積素子を有する、請求項１又は２に記載の電力分配装置。
4. 前記電気エネルギー蓄積素子と前記保護接地ノードとの間に流れる差電流を監視する電流センサを更に有し、前記制御ユニットは、前記正側の及び前記負側の電気エネルギー記憶素子の間の前記差電流を最小にするように前記充電ユニットのセットポイントを調整する、請求項３に記載の電力分配装置。
5. 電気エネルギー蓄積素子管理システムを更に有し、
   前記電気エネルギー蓄積素子が複数のセルを有し、
   前記電気エネルギー蓄積素子管理システムが、前記電気エネルギー蓄積素子の前記複数のセルのうち幾つかのセルを監督し、前記電気エネルギー蓄積素子のセル間の不所望の状態を検出し、前記不所望の状態を補償するよう構成される、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電力分配装置。
6. 前記充電ユニットは、前記充電ユニットの出力端子において期待される負荷特性の平均電力レべルを提供するよう構成される、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の電力分配装置。
7. 前記制御ユニットが更に、前記電力スイッチングネットワークを、前記充電モードと前記動作モードとの間の遷移モードに設定し、
   前記遷移モードにおいて、前記電力スイッチングネットワークは、突入電流の発生を防ぐために、前記電気エネルギー蓄積素子と前記ＤＣ負荷端子との間に直列の抵抗器を接続する、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の電力分配装置。
8. 前記電気エネルギー蓄積素子の充電レベルを取得する充電レベル検出器を更に有し、
   前記制御ユニットが更に、前記電気エネルギー蓄積素子の前記充電レベルに基づいて、前記多機能電力分配装置に接続される機器の残りの動作時間を計算する、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の電力分配装置。
9. 前記電力スイッチングネットワークが、前記電気エネルギー蓄積素子を前記ＤＣ負荷端子に接続するよう設定可能な第１のスイッチング素子と、前記充電ユニットの出力を前記電気エネルギー蓄積素子に接続するよう設定可能な第２のスイッチング素子と、前記充電ユニットの出力を前記ＤＣ負荷端子に直接接続するよう設定可能な第３のスイッチング素子と、を有する、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の電力分配装置。
10. 前記電力分配装置が更に、前記動作モードと前記バックアップモードとの間の遷移中に前記電気エネルギー蓄積素子と前記ＤＣ負荷端子の間の経路にスイッチングイベントが発生することを防ぐように構成される、請求項１乃至９のいずれか１項に記載の電力分配装置。
11. 医用イメージング装置と、
    請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の電力分配装置と、
    を有し、前記電力分配装置の前記入力端子が商用電源に接続可能であり、前記電力分配装置の前記ＤＣ負荷端子が、医用イメージング装置に電気エネルギーに供給する、医療機器システム。
12. 多機能電力分配装置を制御する方法であって、
    ａ）充電ユニットを使用して電気エネルギー蓄積素子を充電するステップと、
    ｂ）前記多機能電力分配装置の制御ユニットを使用して、前記制御ユニットを使用して前記多機能電力分配装置のＤＣ負荷端子に接続される負荷の電力需要要求を監視するステップと、
    ｃ）前記負荷の前記電力需要要求を使用して前記電力スイッチングネットワークの設定構成を計算するステップと、
    ｄ）前記電力スイッチングネットワークを、（ｉ）充電モード、（ｉｉ）動作モード、（ｉｉｉ）バックアップモード、及び（ｉｖ）バイパスモード、のうちの１つに設定するステップと、
    を有する方法。
13. ａ１）入力端子において電気エネルギー源の障害状態を検出するステップと、
    ｄ１）前記電力スイッチングネットワークを前記バックアップモードに設定するステップと、
    を更に有し、
    ｅ）前記電気エネルギー蓄積素子のみから前記負荷に電気エネルギーを供給するステップ、
    を更に有する、請求項１２に記載の方法。
14. 請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の電力分配装置を制御するためのコンピュータプログラムであって、前記コンピュータプログラムが制御ユニットによって実行される際、請求項１２又は１３に記載の方法のステップを実行するように適応されるコンピュータプログラム。
15. 請求項１４に記載のコンピュータプログラムを記憶したコンピュータ可読媒体。

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