So lässt sich die Batterielaufzeit in medizinischen Geräten vorhersagen

Batterien in medizinischen Geräten sind vielfach enorm überdimensioniert, um eine Mindestlaufzeit sicher garantieren zu können. Auch werden Geräteeigenschaften zu negativ angegeben, wie zum Beispiel bei einem Defibrillator die Standby-Zeit oder die mögliche Einsatzdauer bei voller Batterieladung, weil diese, abhängig vom Zustand der verbauten Batterie, stark variieren. Darüber hinaus werden kostenintensive Lithium-Ionen-Batterien fast immer viel zu früh entsorgt, allein auf Grundlage ihres Datumsstempels, obwohl realistische Werte für die verbleibende Laufzeit der Batterien eigentlich mühelos ermittelbar wären.

Seit Mitte der 1990er Jahre sind sogenannte intelligente Batterien auf dem Markt. Intelligent, weil Sekundärbatterien, also wiederaufladbare Batterien, auf Lithium-Ionen-Basis komplexe Elektronik enthalten, um ein Höchstmass an Betriebssicherheit zu gewährleisten. Lithium-Ionen-Batterien haben sich als elektrische Energiespeicher bewährt, vor allem bei Medizinanwendungen, Elektrofahrzeugen, Werkzeugen, mobilen Robotern und vielem mehr. Bei allen bestimmt der Zustand der Batterie massgeblich die Leistungsfähigkeit des Gesamtsystems. Betrachtet man sicherheitsrelevante Anwendungen wie mobile medizinische Geräte, zum Beispiel Defibrillatoren oder Beatmungsgeräte, ist es essenziell zu wissen, ob die Batterie, wenn es darauf ankommt, die benötigte Energie liefert.

Batterie-Management

Speziell für Lithium-Ionen-Batterien ist der Einsatz eines Batterie-Management-Systems vorgeschrieben. (siehe Prinzipschaltbild, Bild 1). Es soll die Batterie vor Überladung, Tiefentladung und externem Kurzschluss sichern. Diese Maßnahmen sind für den sicheren Transport über Straßen, Wasser und Luft vorgeschrieben. Die dazu eingesetzten Bausteine stellen weitere Funktionen zur Verfügung, indem sie beim Laden und Entladen Bilanz über den aktuellen Ladezustand der Batterie führen. Dies ist nicht trivial, da außer dem Strom in beiden Flussrichtungen auch noch die Zellchemie, die Temperatur und die Alterung der Batterie durch Lade-/Entladezyklen und vieles mehr eingeht.

In diesem Batterie-Management-System (BMS) stehen eigentlich eine Vielzahl von Systemparametern und Messwerten zur Verfügung, aber versteckt im Innern der Batterie. Bedenkt man, dass der Betrieb einer Lithium-Ionen-Batterie ohne BMS schlicht verboten ist, wird klar, wieviel Batterieinformation brach liegt, verborgen vor denjenigen, welche sie dringend benötigen.

Die hierbei vermutlich wichtigsten Parameter sind der Gesundheitszustand (SoH, State of Health) und der Ladezustand (State of Charge, SoC). Der SoC ist die momentan noch zur Verfügung stehende Energie, also die Restkapazität, im Verhältnis zur Kapazität der vollen Batterie und der SoH das Verhältnis der maximal nutzbaren Kapazität zur Designkapazität. Also eine 100-Ah-Batterie mit einem SoH von 80 Prozent hat nur noch eine Kapazität von 80 Ah, wenn sie voll aufgeladen ist. Die möglichst exakte Bestimmung des SoH- und SoC-Werts stellt die Wissenschaft vor riesige Herausforderungen.

Alterungsmechanismen

Wenn Lithium-Ionen-Batterien altern, lässt ihre Kapazität nach. Entscheidend hierfür ist einerseits die kalendarische Alterung. Die Batterie altert ohne Nutzung, lediglich aufgrund der Zeit. Dieser Vorgang wird vor allem durch die Umgebungstemperatur beeinflusst. Andererseits hängt die Lebensdauer von der Art und Weise der Nutzung der Batterie ab. Die sogenannte zyklische Alterung wird bestimmt von den Betriebszyklen, also der Anzahl der Lade- und Entladevorgänge, der Lade- und Entladeschlussspannungen und der Höhe der Lade- und Entladeströme. Die mögliche Zyklenzahl wird von der Art und Qualität des Akkus sowie der Temperatur beeinflusst.

Wie schnell eine Batterie bzw. die einzelnen Zellen eines Batteriepacks letztendlich altern, kann nur sehr schwer bestimmt oder vorhergesagt werden. Zum einen lässt sich die Kapazität nicht unmittelbar messen, zum anderen hängt der Alterungsprozess von einer Vielzahl äusserer und innerer Einflüsse ab. Die Batterieforschung optimiert ständig die in den Batterie-Management-Systemen zur Ermittlung des SoH eingesetzten Algorithmen und Methoden. Momentan wird beispielsweise ein neuartiges, vielversprechendes Messsystem entwickelt, basierend auf der Impedanzspektroskopie. Damit lassen sich batterieinterne Prozesse, wie Degradation der Elektroden, Ladungstransfer oder Diffusion messen und bewerten. Hierfür wird die Batterie mit Wechselströmen unterschiedlicher Frequenzen beaufschlagt und die dadurch resultierenden Batteriespannungen mit den Strömen zu Impedanzen verrechnet, um aus ihnen Rückschlüsse auf den Zustand der Batterie zu ziehen.

Auswertung der BMS-Daten

Es ist also höchste Zeit, dass sich eine Möglichkeit eröffnet, Batterieinformation direkt dem Anwender zur Verfügung zu stellen. Das HY-Di-System der Firma Hy-Line baut dazu eine Verbindung zum Batterie-Management-System der Batterie auf und ruft Batteriedaten ab. Um etwa zu prüfen, ob Batterien ersetzt werden müssen, kann der SoH und das Herstellungsdatum aus den Batterien ausgelesen werden. Kriterien für den endgültigen Exitus einer Batterie könnten dabei zum Beispiel sein, dass der SoH unter 80 Prozent gefallen oder die Batterie älter als sieben Jahre ist. Oder der Anwender überprüft den Ladezustand der Batterien (SoC) fortlaufend vor dem Wiederaufladen, weil eine knappe Restkapazität im Notfall zu Ausfällen führen könnte.

Ist die Reserve konstant niedrig, müssten Batterien mit einer höheren Kapazität angeschafft werden. Wenn andererseits die meisten Batterien nach einem langen Einsatz oder am Ende eines Tages stets noch halbvoll zurückkehren, kann die Kapazität gesenkt werden, ohne die Zuverlässigkeit zu beeinträchtigen. Das Hy-Di-System hilft darüber hinaus bei der Einteilung von Batterien in Qualitätskategorien. A-Batterien mit einem SoH von 90 Prozent bis 100 Prozent können für sicherheitskritische Einsätze reserviert werden, B-Batterien mit 80 Prozent bis 90 Prozent sind für den alltäglichen Gebrauch geeignet, und C-Batterien mit 70 Prozent bis 80 Prozent können als Ersatzbatterien aufbewahrt oder für kürzere Einsätze verwendet werden. Die volle Kontrolle über den Batteriebestand verbessert die Zuverlässigkeit, vereinfacht die Logistik und schont die Umwelt, da jede Batterie über ihre gesamte Lebensdauer genutzt werden kann.

Flotten-Management

Die Speicherung von Batteriedaten in einer Cloud-basierten Datenbank ermöglicht überdies einen Überblick über den gesamten Batteriebestand in Bezug auf Anwendung, Leistung, Standort und Serviceanforderungen, zum Beispiel in einem Krankenhaus. Kosteneinsparungspotenzial mit dieser Methode wurde bereits mehrfach nachgewiesen. Es kann davon ausgegangen werden, dass Sekundärbatterien, vor allem in sicherheitsrelevanten Anwendungen, nur einen Bruchteil ihres vorhandenen Potenzials ausschöpfen. Die Batteriewartung mit dem Hy-Di-System wird am besten im Batterieladegerät durchgeführt. Das System zeigt bei jeder Ladung die Kapazität an. Alternativ kann der Batteriestatus vor dem Einsatz durch kurzes Einstecken ermittelt werden. Die Kenntnis der Leistung jeder einzelnen Batterie ermöglicht die Planung eines Einsatzes entsprechend der verfügbaren Energiequelle und reduziert so unvorhergesehene Ereignisse.

Batterien in medizinischen Geräten sind vielfach enorm überdimensioniert, um eine Mindestlaufzeit sicher garantieren zu können. Auch werden Geräteeigenschaften zu negativ angegeben, wie zum Beispiel bei einem Defibrillator die Standby-Zeit oder die mögliche Einsatzdauer bei voller Batterieladung, weil diese, abhängig vom Zustand der verbauten Batterie, stark variieren. Darüber hinaus werden kostenintensive Lithium-Ionen-Batterien fast immer viel zu früh entsorgt, allein auf Grundlage ihres Datumsstempels, obwohl realistische Werte für die verbleibende Laufzeit der Batterien eigentlich mühelos ermittelbar wären.

Seit Mitte der 1990er Jahre sind sogenannte intelligente Batterien auf dem Markt. Intelligent, weil Sekundärbatterien, also wiederaufladbare Batterien, auf Lithium-Ionen-Basis komplexe Elektronik enthalten, um ein Höchstmass an Betriebssicherheit zu gewährleisten. Lithium-Ionen-Batterien haben sich als elektrische Energiespeicher bewährt, vor allem bei Medizinanwendungen, Elektrofahrzeugen, Werkzeugen, mobilen Robotern und vielem mehr. Bei allen bestimmt der Zustand der Batterie massgeblich die Leistungsfähigkeit des Gesamtsystems. Betrachtet man sicherheitsrelevante Anwendungen wie mobile medizinische Geräte, zum Beispiel Defibrillatoren oder Beatmungsgeräte, ist es essenziell zu wissen, ob die Batterie, wenn es darauf ankommt, die benötigte Energie liefert.

Batterie-Management

Speziell für Lithium-Ionen-Batterien ist der Einsatz eines Batterie-Management-Systems vorgeschrieben. (siehe Prinzipschaltbild, Bild 1). Es soll die Batterie vor Überladung, Tiefentladung und externem Kurzschluss sichern. Diese Maßnahmen sind für den sicheren Transport über Straßen, Wasser und Luft vorgeschrieben. Die dazu eingesetzten Bausteine stellen weitere Funktionen zur Verfügung, indem sie beim Laden und Entladen Bilanz über den aktuellen Ladezustand der Batterie führen. Dies ist nicht trivial, da außer dem Strom in beiden Flussrichtungen auch noch die Zellchemie, die Temperatur und die Alterung der Batterie durch Lade-/Entladezyklen und vieles mehr eingeht.

In diesem Batterie-Management-System (BMS) stehen eigentlich eine Vielzahl von Systemparametern und Messwerten zur Verfügung, aber versteckt im Innern der Batterie. Bedenkt man, dass der Betrieb einer Lithium-Ionen-Batterie ohne BMS schlicht verboten ist, wird klar, wieviel Batterieinformation brach liegt, verborgen vor denjenigen, welche sie dringend benötigen.

Die hierbei vermutlich wichtigsten Parameter sind der Gesundheitszustand (SoH, State of Health) und der Ladezustand (State of Charge, SoC). Der SoC ist die momentan noch zur Verfügung stehende Energie, also die Restkapazität, im Verhältnis zur Kapazität der vollen Batterie und der SoH das Verhältnis der maximal nutzbaren Kapazität zur Designkapazität. Also eine 100-Ah-Batterie mit einem SoH von 80 Prozent hat nur noch eine Kapazität von 80 Ah, wenn sie voll aufgeladen ist. Die möglichst exakte Bestimmung des SoH- und SoC-Werts stellt die Wissenschaft vor riesige Herausforderungen.

Was kann HY-Di?

Das HY-Di-System besteht aus einem intelligenten Ladegerät (Smart Battery Charger), einem Schnittstellengerät (HBI, HY-LINE Battery Interface) sowie Standardbatterien verschiedener Kapazitäten und Spannungen (Smart Batteries). (siehe HY-Di-Smart Battery System, Abbildung 2) Das intelligente Ladegerät ist in der Lage Batteriedaten auszulesen und es passt den Ladestrom und die Ladeschlussspannung automatisch an die zu ladende Batterie an. Über das Ladegerät ist die Batterie mit dem Schnittstellengerät verbunden, das Schnittstellengerät kann aber auch direkt an eine Batterie angeschlossen werden. Dies ermöglicht eine kontinuierliche Überwachung der Batterie. Das Schnittstellengerät liest ungefähr 700 Parameter aus (siehe Die wichtigsten BMS-Kennwerte, Bild 3) und ist in der Lage einen Teil dieser Daten zu loggen, also in einem einstellbaren Zeitintervall zu speichern. Es wird via Ethernet-Schnittstelle mit einem Datennetzwerk verbunden und über eine voreingestellte individuelle IP-Adresse angesprochen. Dies ermöglicht die Verbindung von theoretisch unendlich vielen Batterien mit einem Netzwerk und deren Abfrage über das Internet von überall in der Welt. Das Schnittstellengerät kann an intelligente Batterien unterschiedlicher Hersteller angeschlossen werden und kommuniziert entweder über SM- (Smart-Management-) oder CAN-Bus (Controller-Area-Network-Bus). Es besitzt einen integrierten Web-Server und kann plattformübergreifend mit jedem Web-Browser angesprochen werden, die Installation einer Software ist darum nicht notwendig.

Fazit

Das HY-Di-System findet den goldenen Mittelweg zwischen Zuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit. Die Lebensdauer jeder Batterie kann voll ausgeschöpft und die Systemsicherheit optimiert werden. Die Umweltbelastung wird verringert und die Betriebskosten gesenkt. (neu)