Das Energiemanagement muss sich anpassen

Neue Ansätze bei der Stromversorgung

Zu Zeiten, als medizinische Geräte nur in Krankenhäusern oder anderen Medizineinrichtungen vorzufinden waren, hatten Entwickler noch einen anderen Ansatz bezüglich des Energiemanagements als heute. Die Geräte waren größer, mussten nicht unbedingt tragbar sein und auch die Energieversorgung war unproblematisch. Wenn Geräte nun zur kontinuierlichen Überwachung von chronischen Erkrankungen verwendet werden, müssen deren Akkus speziell an die Anforderungen des Medizinmarktes angepasst werden. Er sollte auf zuverlässige Weise darstellen können, dass er geladen oder ausgetauscht werden muss. Dafür eignen sich unter anderem Akkus, die den Ladezustand eindeutig per LED anzeigen.

Ein Nachteil moderner Akkus, zum Beispiel versiegelte Blei-Säure-Akkus, ist die allmähliche Zunahme des internen Widerstands, der die Impedanz erhöht und die Energieversorgung verschlechtert. Der elektronische und der ionische Widerstand sind die zwei Faktoren, die den internen Widerstand eines Akkus ausmachen. Alle Bauteile in einem Akku weisen einen eigenen Widerstand auf: den elektronischen Widerstand – dazu gehören unter anderem die Zellenabdeckung, Stromabnehmer und Komponenten auf Akku-Ebene wie Drähte, Sicherungen und Messwiderstände –, elek­trochemische Faktoren sind die Ursache für ionischen Widerstand, wie die Elektrolyt-Leitfähigkeit, Ionenbeweglichkeit und Elektrodenoberfläche. Der ionische und elektronische Widerstand ergeben in Kombination den gesamten effektiven Widerstand, der – falls er zu hoch ist – zur Folge hat, dass die Spannung bei Belastung des Akkus abfällt.

Das ist natürlich alles andere als ideal bei einem Medizingerät, da dieses keine konstante Leistung mehr bietet. Ein Beispiel: Es werden Infusionspumpen zur kontrollierten Beförderung von Flüssigkeiten mit Nährstoffen und Medikamenten in den Körper des Patienten verwendet. Falls die Spannung des Akkus abfällt, könnte es passieren, dass die Pumpe nicht mehr korrekt arbeitet, das heißt, die Flüssigkeit könnte falsch dosiert verabreicht werden. Daher muss jeder Akku, der für ein Medizin­gerät verwendet wird, eine geringe interne Impedanz aufweisen, damit er eine hohe Ausgangsleistung mit stabiler Spannung bereitstellen kann.

Vor- und Nachteile gängiger Konzepte 

Lithium-Ionen-Zellen werden normalerweise in vier verschiedenen Formen in einem Akku kombiniert: kleiner Zylinder, großer Zylinder, Pouch und Prisma. Bei einer zylindrischen Zelle, wie zum Beispiel bei AA-Akkus, die normalerweise in Kinderspielzeugen verwendet werden, oder beim größeren 18650-Formfaktor in Elektrofahrzeugen wie dem Model S von Tesla werden die Elektroden durch einen Separator getrennt übereinandergelegt und zu einer Spule aufgewickelt.

Zylindrische Zellen verfügen über eine hohe strukturelle Stärke; das Entladungsprofil ist einheitlich und gleichmäßig. Der Akku weist zudem lediglich eine minimale Ausdehnung bei höheren Entladeraten auf. Allerdings eignet sich die zylindrische Form für Wearables kaum, da die Hersteller flache Akkus bevorzugen. Hier kommen prismatische Zellen ins Spiel. Bei diesen werden die Elektroden flach gefaltet; ein Isoliermaterial trennt dabei die Schichten voneinander. Die Zelle wird dann in einen rechteckigen, kastenförmigen Behälter gesetzt. Prismatische Zellen sind zwar platzsparender, dafür aber teurer in der Herstellung. Zudem bieten sie eine geringere Energiedichte als ihre zylindrischen Gegenstücke, weisen thermische Probleme auf und können sich ausdehnen, was eine Verformung der Zelle zur Folge haben kann.

In den letzten Jahren hat der Wettlauf zwischen OEMs, jeden Millimeter bei Handheld-Geräten einzusparen, dazu geführt, dass Pouch-Zellen sich einer höheren Beliebtheit erfreuen. Hier werden leitfähige Streifen direkt in die Elektroden geschweißt und in einem filmartigen Beutel versiegelt, wodurch ein Gehäuse unnötig wird. Das bedeutet, dass die Zellen meistens eine Verpackungseffizienz von mindestens 95 % erreichen, was sie zur kompaktesten Zellstruktur macht. 

1. Das Energiemanagement muss sich anpassen
2. Neue Ansätze bei der Stromversorgung
3. Gerät und Nutzer zuverlässig schützen