Stromversorgung

Silberoxid-Batterien für die Medizintechnik

12. Oktober 2020, 09:00 Uhr   |  Holger Solfronk (Rutronik)

Silberoxid-Batterien für die Medizintechnik
© Renata

In der Medizintechnik trifft die Schweizer Präzisionsarbeit auf sehr unterschiedliche Einsatzszenarien.

Stromversorgung für mobile medizinische Komponenten und Geräte

Bei der Entwicklung batteriebetriebener medizinischer Geräte stehen Überlegungen zur Stromversorgung oftmals an letzter Stelle. Nicht selten kommt es dann zu Überraschungen, die sogar ein Re-Design nötig machen können. Das lässt sich vermeiden, wenn ein paar Fragen vorab geklärt werden.  Für die Auswahl der Batterietechnologie und Ausführung (Bauweise und elektrische Parameter, zum Beispiel die Nominalkapazität) sind die Anforderungen der Applikation und deren Nutzung maßgebend. Hier sollte man sich zuerst die Frage stellen, ob für die Applikation und deren gewünschte Nutzung eine Primärzelle oder eine aufladbare Zelle sinnvoller ist. Beispielsweise für endoskopische Pillen oder viele medizinische Sensoren (Blutzucker, Körpertemperatur, o.ä.) wird meistens eine Primärzelle eingesetzt, die nach Verbrauch entweder entsorgt oder ausgetauscht wird. Die Auswahlmöglichkeiten an Batterietechnologien werden zudem durch die möglichen Abmessungen und das mögliche Gewicht der Applikation bestimmt. Bei kleineren Anwendungen ist in der Regel das Volumen der begrenzende Faktor. Damit einher geht dann auch eine Beschränkung der möglichen Kapazität.   

Bei der Festlegung der Abschaltspannung der Applikation ist zu berücksichtigen, dass jeder Strompuls einen Spannungsabfall in der Batterie verursacht. Dies bedeutet: Je höher die Abschaltspannung, desto geringer der nutzbare Anteil an der Gesamtkapazität der Batterie. Um die erforderliche Kapazität für die jeweilige Applikation zu ermitteln, wird häufig mit einer durchschnittlichen Strombelastung gerechnet. Der so ermittelte Wert ist jedoch meist nicht optimal. Denn Pulsbelastungen, also kurzfristig höhere Energiebedarfe, führen zu einem höheren Spannungsabfall, sodass nicht immer die gesamte Nominalkapazität einer Batterie genutzt werden kann. Das gilt besonders bei Wireless-Anwendungen, da die Funkübertragung Pulsbelastungen verursacht. Deshalb ist es hier besonders wichtig, die Kapazität anhand möglichst realistischer und präziser Strombelastungsprofile zu ermitteln und nicht anhand von Durchschnittswerten. 

Vorteile Silberoxid-Batterien

Eine zuverlässige Energieversorgung von medizinischen Anwendungen mit Funkübertragung kann zum Beispiel durch besonders pulsfähige, mit Pulsen bis über 10mA belastbaren, Silberoxid-Batterien von Renata realisiert werden. Das Unternehmen ist Mitglied der Swatch Group und Batterie-Lieferant für fast die gesamte Schweizer Uhrenindustrie. Zudem bietet der Hersteller für ausgewählte Projekte Batterien mit kundenspezifisch angepassten Zellen-Parametern sowie Baugruppen aus mehreren Zellen an. In Parallelschaltung bieten sie eine höhere Kapazität und Pulsfähigkeit sowie einen geringeren Innenwiderstand der Baugruppe. Bei einer seriellen Schaltung kann so eine höhere Leistung und Spannungslage realisiert werden. Außerdem lassen sich damit konstruktive Anforderungen erfüllen, zum Beispiel durch zwei parallel geschaltete, dünne Zellen anstelle einer einzelnen dickeren Zelle.    

Silberoxid-Batterien sind vor allem als Knopfzellen verfügbar und haben den großen Vorteil, dass sie für den Versand nicht als Gefahrgut deklariert werden müssen, wie beispielsweise Lithium-Zellen. Dies macht sie in punkto Logistik und Entsorgung ideal für medizinische Sensoren. In Deutschland beträgt die Entsorgungsgebühr für Lithium-Knopfzellen derzeit 0,4 ct pro Zelle. Für Silberoxid-Zellen ist zwar eine Meldung des Inverkehrbringens notwendig, aber die Gebühr entfällt. Auch ist keine Markierung, etwa die durchgestrichene Mülltonne, auf der Applikation erforderlich. 
Silberoxid-Batterien von Renata sind in kleinsten Bauformen mit einem Durchmesser ab 4,8mm und einer Höhe von nur 1,25mm sowie einer Nennspannung von etwa 1,55 V verfügbar. Mit über 40 Modellen bietet das Unternehmen laut eigner Aussage das weltweit breiteste Sortiment an Silberoxid-Zellen, aufgeteilt in High Drain (hoher Strombedarf) und Low Drain (geringer Strombedarf) Varianten. Alle Modelle sind über den Distributor Rutronik verfügbar. 

Temperaturverhalten von Batterien 

Welche Leistung eine Batterie tatsächlich liefert, hängt unter anderem mit der Temperatur zusammen. So ist zum Beispiel das Puls-Last-Verhalten einer Batterie bei höheren Temperaturen wesentlich besser als bei Kälte. Damit sie den Anforderungen im realen Einsatz auch genügt, sind deshalb die zu erwartenden Höchst- und Tiefst-Temperaturen zu spezifizieren sowie das Leistungsprofil, das die Batterie unter diesen Gegebenheiten noch bieten soll. 

Die Selbstentladung, also in wie weit sich die Batterie bei Nichtbenutzung oder im Standby-Betrieb entlädt, hängt unter anderem von der Umgebungstemperatur ab. Bei 20°C beträgt die jährliche Selbstentladung einer Silberoxid-Zelle zwischen 3% und 10% ihrer Nominalkapazität, je nach Ausführung.  Als Faustregel geht man von einer Verdoppelung der Selbstentladung bei Temperaturerhöhung um jeweils 10°C aus. Dementsprechend läge sie beispielsweise bei 30°C zwischen 6% und 20% und bei 40°C zwischen 12% und 40%. Das ist entscheidend für die Lagerhaltung und die Berechnung der Lebensdauer in der Anwendung. Die Lagerung sollte bei Temperaturen zwischen 10°C und 25°C stattfinden. Unter einer Temperatur von 20°C verändert sich die Selbstentladung nur unwesentlich. 

Bei tiefen Temperaturen beeinträchtigt der erhöhte Innenwiderstand die Pulsfähigkeit der Batteriezelle. Das bedeutet, dass die verfügbare Leistung abnimmt, weil der Spannungsabfall ansteigt. Wer überlegt, die Batterien kühl zu lagern, sollte darauf achten, dass diese nicht zu schnell warm und / oder genutzt werden. Denn dann kann es zu Kurzschlüssen und weiteren Schädigungen durch Kondensation kommen. 

Ein guter Kontakt kann Gold wert sein

Ein weiteres Auswahlkriterium ist die Art der Kontaktierung. Sie hängt in erster Linie davon ab, ob es sich um eine Einweglösung handelt oder ob die Batterie austauschbar sein soll. Ist letzteres der Fall, muss ein Halter verwendet werden. Halterung und Kontaktierung lassen sich in der Regel ins Gehäuse-Design integrieren, beide sind auf die Anwendung, mögliche Vibrationen und das Gewicht der Zelle auszulegen. Entscheidend sind zudem die Anforderungen beim Batterieaustausch beziehungsweise die mechanische und elektrische Sicherheit und Zuverlässigkeit. 

Bei Einweglösungen kann die Batterie eingelötet werden. Das ist in der Regel kostengünstiger, kompakter und kontaktsicherer als eine Halter-Lösung. Es bieten sich auch angebrachte Ableiter-Varianten an, auch mit Litzen und Steckverbindern, an.  Angeschweißte Ableiter sollten immer durch den Hersteller angebracht werden. Denn bei unsachgemäßer Anbringung von Lötfahnen oder Pins auf der Batteriezelle kann es schnell zu Schädigungen der Batterie kommen. 

Was häufig gar nicht in der Standardspezifikation enthalten ist, sind die Anforderungen durch mechanische Kräfte, wie Schläge, Vibrationen, Zentrifugalkräfte und Verbiegungen. Wie alle Anforderungen, die nicht Teil der Standardspezifikation sind, sollten diese, wenn sie stark von einer normalen anzunehmenden Nutzung abweichen, so präzise wie möglich beschrieben werden. Denn sie können sich unter Umständen auf die Leistung der Batterie auswirken. 

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