Ein leistungsfähiger Lithium-Ionen-Akku für eine Hand-Orthese von HKK Bionics

Hohe Anforderungen an Leistung und Sicherheit

Die ausgefeilte Technik der Orthese stellt hohe Anforderungen an die Stromversorgung. Schließlich soll das Hilfsmittel nach Vorstellung der beiden Gründer von den Patienten den ganzen Tag über genutzt werden können. Dementsprechend hoch sind die Anforderungen an die Kapazität der Batterie. Gleichzeitig muss die Stromversorgung möglichst leicht sein, um den Träger der Orthese nicht unnötig zu belasten. Zudem gelten höchste Sicherheitsstandards, da das Produkt von morgens bis abends direkt am Körper getragen werden soll.

Um die passende Batterielösung für dieses komplexe Anforderungsprofil zu finden, kooperierten die Ulmer mit der Jauch Quartz GmbH aus Villingen-Schwenningen. Ursprünglich ein Spezialist für Quarze und Oszillatoren, hat sich das Familienunternehmen aus dem Schwarzwald inzwischen auch auf dem Gebiet der Lithium-Batterietechnologie einen Namen gemacht.   

Tatsächlich können nur Lithium-Batterien das Anforderungsprofil der Gründer erfüllen. Dank des geringen Eigengewichts von Lithium sind diese Batterien deutlich leichter als beispielsweise die weit verbreiteten Alkali- oder Nickel-Metallhybrid-Batterien. Darüber hinaus verfügen Lithium-Batterien zusätzlich über eine höhere Energiedichte und eine höhere Zellspannung. Dementsprechend ist bereits eine überschaubare Anzahl seriell oder parallel geschalteter Batteriezellen ausreichend, um den Strombedarf der Orthese zu decken – auch das spart noch einmal Gewicht.

Batterie ist nicht gleich Batterie

Mit der Entscheidung für eine Lithium-Batterie steht das Ulmer Start-up jedoch erst am Anfang des Auswahlprozesses. „Es existiert eine Vielzahl unterschiedlicher Zellchemien mit jeweils spezifischen Eigenschaften, die für den Einsatz in verschiedenen Anwendungsbereichen richtig ausgewählt werden müssen“, sagt Sönke Zacher, der als Projektmanager bei Jauch die Entwicklung der Stromversorgung für die Orthese begleitet hat.

So eignen sich beispielsweise Lithium-Mangandioxid-Zellen aufgrund ihrer sehr guten Impulsleistung insbesondere für Anwendungen, deren Strombedarf im Zeitverlauf stark schwankt. Ein typisches Einsatzgebiet wäre etwa ein tragbarer Defibrillator, wie man ihn in zahlreichen öffentlichen Gebäuden findet. Diese Geräte verbrauchen im Ruhemodus fast gar keinen Strom, fordern aber im Falle eines Notfalls sofort maximale Leistung. Mit einer Spannung von 3 Volt verfügen Lithium-Mangandioxid-Zellen über eine doppelt so hohe Spannung wie Alkali-Batterien sowie eine sehr geringe Selbstentladung und sorgen so für eine zuverlässige Versorgung der Kondensatoren, die die starken Stromimpulse des Defibrillators erzeugen.

Eine noch höhere Spannung von 3,6 Volt und die höchste Energiedichte unter Lithium-Primärzellen weisen Lithium-Thionylchlorid-Zellen auf. Dennoch findet man diese Batterien vor allem in Anwendungen, die über einen längeren Zeitraum hinweg eine konstant niedrige Stromzufuhr benötigen. „Der Grund dafür ist die sogenannte ‚Passivierung‘ der Batterie. Dabei handelt es sich um eine chemische Reaktion innerhalb der Batteriezelle, in deren Folge sich ein Schutzfilm über der Lithiumanode der Batterie bildet. Dieser Schutzfilm sorgt einerseits für eine geringe Selbstentladung und eine hohe Lebensdauer, behindert aber andererseits den Ionenfluss und sorgt damit für einen Spannungs-Abfall“, erklärt Sönke Zacher.

Die Lösung: Ein leistungsstarker Lithium-Ionen-Akku

Sowohl Lithium-Mangandioxid- als auch Lithium-Thionylchlorid-Zellen werden von Jauch als Eigenmarke vertrieben. Bei beiden Zelltypen handelt es sich jedoch um Primärzellen, die nach einmaliger Entladung nicht wieder aufgeladen werden können und entsorgt werden müssen. Allein deshalb erscheint eine Verwendung für die Orthese der Ulmer nicht optimal. Stattdessen kommen wiederaufladbare Lithium-Ionen-Batterien zum Einsatz.

Lithium-Ionen-Batterien sind den erwähnten Primärzellen in ihrer Leistungsfähigkeit noch einmal überlegen. Das liegt sowohl an der hohen Zellspannung von 3,6 Volt, als auch an dem geringen Innenwiederstand der Zelle, was – je nach Zelltype – zu extrem hohen Entladeströmen von bis zu 30 Ampère führen kann.   

Im Falle der Hand-Orthese von HKK Bionics werden schließlich mehrere Lithium-Ionen-Rundzellen zu einem leistungsstarken Akkumulator verschaltet.

Jauch kümmert sich um Schutzelektronik und Zertifizierung

Beendet ist die Entwicklungsarbeit damit jedoch nicht. „So leistungsstark Lithium-Ionen-Akkus sind, so empfindlich reagieren sie auf Überladung, Tiefentladung oder Kurzschlüsse. Im günstigsten Fall wird davon ‚nur‘ die Lebensdauer der Batterie negativ beeinflusst, im schlimmsten Fall ist es sicherheitsrelevant. Deshalb sind besondere Vorsichts- und Schutzmaßnahmen nötig“, erläutert Sönke Zacher.

Dazu dient das sogenannte „Batterie-Management-System“ (BMS). Diese Schutzelektronik überwacht den Zustand der einzelnen Batteriezellen und sorgt bei drohender Überschreitung bestimmter Grenzwerte für eine automatische Unterbrechung des Stromkreislaufs. Auch praktische Funktionen wie etwa die Akku-Ladestandsanzeige werden über das BMS gesteuert. Die Programmierung der passenden Schutzelektronik ist essentieller Bestandteil der Entwicklungsarbeit und wird ebenfalls von Jauch übernommen.

Für viele Anwendungen müssen Lithium-Batterien hohe Sicherheitsstandards erfüllen, die in Tests bei unabhängigen Prüflaboren untersucht werden. So war auch im Falle der Orthese der Nachweis des bestandenen Standards IEC62133 Voraussetzung für den Einsatz in dem Medizinprodukt des Ulmer Start-ups.