1. Montré est une station de travail mobile médicale avec alimentation de base, fabriquée par Simplifi Medical.

Chariots de technologie mobile en mouvement

Cet article a paru dans Electronic Design et a été publié ici avec permission.

Ce que vous apprendrez:

  • Quels types d’appareils médicaux et industriels peuvent être mobilisés sur des postes de travail avec des sources d’alimentation intégrées.
  • Comprenez les deux types d’architectures d’alimentation concurrentes qui sont utilisées pour alimenter les postes de travail mobiles: alimentation de base ou systèmes de batteries remplaçables.
  • Comprendre les tendances de la chimie des cellules Li-ion utilisées dans les postes de travail médicaux et industriels.

Si vous visitez un couloir d’hôpital ou une chambre de patient, vous verrez de nombreux appareils médicaux portables montés sur des chariots mobiles ou des postes de travail technologiques, communément appelés postes de travail sur roues. Ces appareils informatiques comprennent les ordinateurs portables, les moniteurs, les scanners de codes-barres et les imprimantes. Parmi les autres dispositifs cliniques, on trouve les ultrasons, les moniteurs de patient, la téléprésence et les appareils d’imagerie.

Un thème commun pour les dispositifs médicaux intégrés sur les postes de travail mobiles est une source d’alimentation portable pour une alimentation ininterrompue lorsque mobile. Figure 1 montre un exemple d’un poste de travail médical de premier plan, fabriqué par Simplifi Medical. De même, si vous marchez dans les allées d’un centre de distribution (DC) pour un grand détaillant, vous verrez des chariots de technologie mobile généralement équipés de périphériques informatiques qui nécessitent une alimentation ininterrompue pour un fonctionnement continu.

1. Montré est une station de travail mobile médicale avec alimentation de base, fabriquée par Simplifi Medical.

Les postes de travail mobiles sont utilisés dans les hôpitaux depuis 2001, lorsque les premiers postes de travail mobiles ont été déployés dans un hôpital de Pennsylvanie. Mais avant 2012, la plupart des postes de travail médicaux reposaient sur des batteries plomb-acide scellées (SLA). Avance rapide jusqu’en 2020, les postes de travail médicaux et industriels continuent de mobiliser de nombreux appareils, et l’architecture d’alimentation sous-jacente a convergé autour de deux configurations d’alimentation concurrentes: l’alimentation de base et les systèmes de batteries interchangeables.

Architectures d’alimentation en base

La plupart des postes de travail mobiles offrent une alimentation de 120 ou 240 V CA aux appareils des utilisateurs installés sur les postes de travail. Une architecture d’alimentation de base se compose généralement de deux sous-systèmes principaux: une batterie Li-ion au format U1 de 12 V, 40 Ahr (± 10), 480 Wh et un onduleur / chargeur de 100 à 150 W. L’onduleur / chargeur remplit plusieurs fonctions, y compris la conversion de puissance ca-cc, la charge de la batterie, l’inversion de l’alimentation cc-ca, un processeur Internet des objets (IoT), un émetteur-récepteur de communication (SMBus, CANBus) et l’électronique pour piloter une interface utilisateur à distance ( RUI) ou une jauge de carburant pour informer l’utilisateur des performances du système.

Figure 2 fournit une vue intérieure d’un poste de travail médical avec des sous-systèmes d’alimentation intégrés – la batterie et l’onduleur / chargeur. Une architecture d’alimentation en base présente les caractéristiques suivantes:

  • Fiabilité: Cette architecture dispose d’un système de câblage filaire permanent.
  • Fonctionnement non intrusif: Cette architecture est non intrusive et tous les équipements sont cachés dans la base du poste de travail.
  • Capacité plus grande: Compte tenu de la capacité physique de la plupart des bases de poste de travail, cette architecture peut accueillir de grandes batteries pour prendre en charge plusieurs équipes.
  • Charge stationnaire: Une fois la batterie épuisée, cette architecture impose que la station de travail soit branchée sur une prise secteur pour recharger la batterie, ce qui peut prendre jusqu’à trois heures. Par conséquent, la station de travail est attachée et stationnaire pendant la charge.

2. Il s'agit d'une vue intérieure d'une configuration d'alimentation intégrée à la base avec batterie Li-ion intégrée et onduleur / contrôleur.2. Il s’agit d’une vue intérieure d’une configuration d’alimentation intégrée à la base avec batterie Li-ion intégrée et onduleur / contrôleur.

Jusqu’en 2015 environ, la plupart des postes de travail mobiles médicaux et industriels utilisaient exclusivement une architecture d’alimentation en base. Les composants d’alimentation de base n’étaient disponibles que chez l’OEM et installés sur le poste de travail pendant la fabrication et l’assemblage.

Systèmes de batterie interchangeables

Au cours des dernières années, les fabricants de postes de travail mobiles ont adopté les systèmes de batteries interchangeables comme méthode d’alimentation de leurs postes de travail. Ces batteries remplaçables sont la principale source d’alimentation lorsque les postes de travail sont mobiles. Tout simplement, lorsqu’une infirmière ou un employé d’entrepôt souhaite utiliser son poste de travail pour des tournées, ils déposent une batterie interchangeable dans le récepteur du poste de travail, et le poste de travail (et les appareils informatiques affiliés) ont accès à une alimentation en courant alternatif et / ou continu. tout au long du quart de travail.

Un système de batterie interchangeable se compose généralement d’une batterie Li-ion 12 V, 20 Ah, 240 Wh et d’un onduleur / chargeur de 100 à 150 W. La plupart des postes de travail sont conçus pour accueillir une ou deux batteries. figure 3 montre une batterie remplaçable montée sur un poste de travail industriel de premier plan, fabriqué par Definitive Technology Group.

3. Cette station de travail mobile industrielle fabriquée par Definitive Technology Group dispose d'une batterie remplaçable.3. Cette station de travail mobile industrielle fabriquée par Definitive Technology Group dispose d’une batterie remplaçable.

Un système de batterie remplaçable comporte plus de composants qu’une architecture de batterie intégrée. Du point de vue du schéma de principe, le système maintient au moins trois sous-systèmes distincts: la batterie, le chargeur de batterie et le récepteur / contrôleur de batterie monté sur le poste de travail. Le récepteur / contrôleur de batterie peut exécuter plusieurs fonctions, y compris la conversion de puissance AC-DC, la charge de la batterie, l’inversion de l’alimentation DC-AC, et contient un processeur IoT, un émetteur-récepteur Wi-Fi, une petite batterie de réserve et l’électronique pour piloter une RUI ou du carburant jauge. Un contrôleur / récepteur entièrement intégré aura toutes ces fonctionnalités.

Le remplacement à chaud d’une batterie fait référence au retrait d’une batterie déchargée et à l’insertion d’une batterie chargée sans arrêter les appareils électroniques et informatiques de la station de travail. Cette fonction utile permet à une station de travail mobile de fournir une alimentation ininterrompue, plutôt que de connecter une station de travail pour recharger la batterie ou d’arrêter l’électronique de la station de travail lorsque les batteries sont échangées.

L’échange à chaud peut être réalisé avec deux batteries remplaçables installées dans un récepteur / contrôleur commun, ou en développant un système de batterie remplaçable à une seule baie avec une petite batterie de réserve intégrée dans le récepteur / contrôleur. La plupart des postes de travail modernes prennent en charge le remplacement à chaud, l’alternative étant une interruption de l’alimentation électrique du poste de travail, ce qui perturbe les appareils de l’utilisateur.

Les caractéristiques d’un système de batterie remplaçable sont:

  • Fonctionnement 24/7: Les postes de travail peuvent être utilisés 24 heures sur 24, 7 jours sur 7, de sorte que le poste de travail ne subit aucun temps d’arrêt pour recharger les batteries épuisées.
  • Élimine le besoin de prises de courant sur le sol: Un hôpital ou un entrepôt plus ancien peut ne pas avoir suffisamment de prises de courant CA distribuées à chaque étage ou à proximité de la zone de travail pour permettre la charge simultanée des postes de travail. Ainsi, les batteries interchangeables sont chargées dans un endroit centralisé puis distribuées au sol.
  • Mises à niveau et modernisations: Les postes de travail non alimentés peuvent être mis à niveau vers des postes de travail motorisés sur le terrain.
  • Plus de composants: Il existe trois composants distribués (batterie, chargeur de batterie et récepteur / contrôleur) qui peuvent rendre le flux de travail de l’opérateur plus complexe.

Les systèmes de batteries interchangeables sont disponibles auprès des fabricants de postes de travail, ainsi que des fournisseurs tiers avec des solutions universelles qui fonctionnent avec toutes les marques de postes de travail. Au cours des cinq dernières années, presque tous les fabricants de postes de travail ont introduit des options de batterie échangeables pour compléter ou remplacer leur architecture d’alimentation de base.

Plus récemment, le flux de travail des batteries échangeables a été adopté par d’autres industries. Les fabricants de motos électriques (comme Gogoro à Taiwan) offrent un accès par abonnement aux batteries remplaçables. Les constructeurs de voitures électriques (comme NIO en Chine) proposent un service d’abonnement «batterie en tant que service» (BaaS) pour leurs batteries remplaçables, plutôt que de vendre la batterie avec le véhicule.

Options de chimie cellulaire pour l’alimentation du poste de travail

Toutes les batteries intégrées et remplaçables utilisent des cellules rechargeables au lithium-ion dans leur batterie pour stocker l’énergie. Les deux chimies cellulaires prédominantes sont le phosphate de fer lithium (LFP) et l’oxyde de lithium-nickel manganèse-cobalt (NMC). Pour ces batteries de plus petit format, les formats de cellule typiques sont 18650 (18 mm de diamètre × 65 mm de hauteur), 21700 (21 mm × 70 mm) ou 26650 (26 mm × 65 mm) cellules cylindriques à boîtier métallique.

Les cellules NMC sont généralement au format 18650 ou 21700, fonctionnent à une tension nominale de 3,6-3,7 V, fournissent une capacité de 2,5 à 4,0 Ah et peuvent fournir 15-30 A en continu. Les cellules LFP sont généralement au format 26650, fonctionnent à une puissance nominale de 3,2 V, fournissent une capacité de 3,5 à 4,0 Ah et peuvent fournir 20 à 50 A en continu. Ces cellules individuelles sont connectées en série et en parallèle pour fournir les paramètres de tension, de capacité et de courant souhaités de la batterie.

Lorsque l’alimentation de base et les batteries interchangeables ont été introduites, les OEM ont proposé une version LFP ou NMC de leurs produits. Au fil du temps, le marché des postes de travail médicaux s’est tourné vers la chimie LFP pour plusieurs raisons principales:

  • Durée de vie plus longue: Les batteries LFP offrent une durée de vie supérieure sur toute la durée de vie d’une station de travail mobile. Les batteries LFP fournissent au moins 2 000 à 3 000 cycles de charge / décharge complets avant d’atteindre 80% de leur capacité d’origine. Les batteries NMC typiques fournissent 500-1 000 cycles complets de charge / décharge avant d’atteindre 80% de leur capacité d’origine. En supposant que le quart de travail typique de l’infirmière est de huit à 12 heures par jour, un seul chariot pourrait être utilisé en continu sur une période de 24 heures. Cela signifie que la batterie typique est entièrement cyclée chaque jour. Les postes de travail industriels connaissent un modèle d’utilisation similaire.
  • Intrinsèquement plus sûr: Les batteries LFP ont un matériau de cathode intrinsèquement plus sûr que les batteries NMC, et elles ne se décomposent pas à des températures plus élevées. Cela signifie que les batteries LFP offrent la meilleure stabilité thermique et chimique, ce qui se traduit par une sécurité supérieure aux batteries NMC. Une batterie LFP entre dans une condition d’emballement thermique à 250-270 ° C et libère une énergie minimale pendant l’emballement thermique, par rapport à une batterie NMC. Toutes les batteries Li-ion sont sûres, mais LFP est la chimie de batterie Li-ion la plus sûre disponible. Compte tenu de la quantité de matériau de batterie actif dans une batterie U1 offerte avec des batteries de base (soit 500 Wh), l’industrie médicale a opté pour l’option Li-ion la plus sûre.

Actuellement, bien que la chimie LFP ait un coût par watt-heure plus élevé que NMC, presque toutes les batteries alimentant les postes de travail utilisent la chimie LFP. Les batteries LFP présentent un coût total de possession supérieur à celui des batteries SLA et NMC. Le coût initial est plus élevé, mais sur la durée de vie du poste de travail, le coût total est inférieur.

Conclusion

Que vous soyez un OEM médical évaluant les options pour alimenter votre prochain poste de travail mobile, un hôpital évaluant des alternatives pour alimenter votre poste de travail médical mobile, ou un entrepôt cherchant à accélérer la vitesse de vos opérations avec la technologie informatique mobile, de nombreuses options éprouvées existent pour l’alimentation de base et les solutions d’alimentation échangeables. Les deux options peuvent être intégrées au poste de travail lors de l’achat, et des batteries remplaçables peuvent être ajoutées par la suite en tant que mise à niveau sur site.

La dernière tendance en matière de postes de travail mobiles médicaux prend en charge une configuration hybride, dans laquelle la station de travail peut accueillir à la fois une alimentation de base et des batteries remplaçables. Bien que des batteries NMC et LFP soient disponibles pour alimenter ces solutions, le marché a choisi LFP comme chimie prédominante compte tenu de la nature de l’utilisation du poste de travail, c’est-à-dire de longues périodes de travail et d’une utilisation continue.

Jeffrey VanZwol est directeur du marketing chez Green Cubes Technology.

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