Als eine Art motorisierter Teilhandschuh mit Unterarmschiene beschreibt Dominik Hepp die Orthese Exomotion Hand One von HKK Bionics. Hepp gründete das Ulmer Unternehmen gemeinsam mit seinem Studienfreund Tobias Knobloch, um körperlich beeinträchtigten Menschen zu helfen. „Mithilfe von Sensoren registriert die Orthese die Kontraktion der noch funktionsfähigen Muskeln im Unterarm und erkennt die Bewegungsabsicht. Die Exomechanik des Handschuhs unterstützt dann die Greiffunktion der Hand“, erklärt Hepp die Funktion der künstlichen Hand.
Die Technik der Orthese stellt hohe Anforderungen an die Stromversorgung. Schließlich soll das Hilfsmittel 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 direkt am Körper getragen werden soll. Um die passende Batterielösung für dieses komplexe Anforderungsprofil zu finden, kooperierten die Ulmer mit der Jauch Quartz GmbH. Das Familienunternehmen aus Villingen-Schwenningen ist Spezialist auf dem Gebiet der Lithium-Batterietechnologie.
Tatsächlich können nur Lithium-Batterien das Anforderungsprofil der Gründer erfüllen. Dank des geringen Eigengewichts von Lithium sind sie deutlich leichter als beispielsweise 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.
Anwendung entscheidet über die Batterielösung
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 mit einer Spannung von 3 V wegen ihrer guten Impulsleistung insbesondere für Anwendungen, deren Strombedarf im Zeitverlauf stark schwankt. Ein typisches Einsatzgebiet wäre etwa ein tragbarer Defibrillator. Diese Geräte verbrauchen im Ruhemodus fast keinen Strom, fordern aber im Falle eines Notfalls sofort maximale Leistung.
Eine höhere Spannung von 3,6 V und die höchste Energiedichte unter Lithium-Primärzellen weisen Lithium-Thionylchlorid-Zellen auf. Dennoch finden sich diese Batterien vor allem in Anwendungen, die über eine längere Zeit hinweg eine konstant niedrige Stromzufuhr benötigen. „Der Grund dafür ist die so genannte 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 für eine geringe Selbstentladung und eine hohe Lebensdauer, behindert aber auch den Ionenfluss und sorgt damit für einen Spannungs-Abfall“, so Zacher. 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. In der Orthese kommen wiederaufladbare Lithium-Ionen-Batterien zum Einsatz.
Lithium-Ionen-Rundzellen werden zum Akkumulator
Lithium-Ionen-Batterien sind den Primärzellen in ihrer Leistungsfähigkeit überlegen. Das liegt an der hohen Zellspannung von 3,6 V und am geringen Innenwiderstand der Zelle, was – je nach Zelltype – zu extrem hohen Entladeströmen von bis zu 30 A führen kann. Im Falle der Hand-Orthese werden schließlich mehrere Lithium-Ionen-Rundzellen zu einem leistungsstarken Akkumulator verschaltet.
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“, so Zacher. Dazu dient das so genannte „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. 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. (su)
Kontakt zum Unternehmen:
Jauch Quartz GmbH
In der Lache 24
78056 Villingen-Schwenningen
www.jauch.com
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