Imagen: Raquel Zaldivar / NPR

A medida que los dispositivos e instrumentos médicos se vuelven más portátiles y, en última instancia, inalámbricos, la necesidad de una fuente de alimentación confiable se ha convertido en un elemento de diseño importante. La demanda de baterías cada vez más pequeñas y de mayor densidad está creciendo a medida que los dispositivos médicos portátiles se reducen de tamaño y desarrollan formas más ergonómicas. Con todas las demandas de tamaño, forma, capacidad y rendimiento de las baterías, los diseñadores no pueden ignorar la seguridad de las baterías para dispositivos médicos. Ha habido cientos de lesiones, daños a la propiedad e incluso muertes causadas por la explosión de paquetes de baterías y los incendios resultantes.

Según FEMA, el 80% de las explosiones e incendios de baterías ocurren durante el ciclo de carga. La causa principal de estas fallas de la batería estuvo relacionada con el uso de cargadores alternativos que no se vendieron originalmente con el dispositivo. Algunos dispositivos simples dependen del cargador de pared para regular la corriente de carga, mientras que los dispositivos más complejos contienen su propio IC de carga. Es fácil comprender cómo el uso de un cargador de pared incorrecto podría cargar incorrectamente un dispositivo médico portátil y provocar una falla en la batería.

La mayoría de los dispositivos portátiles requieren una batería liviana en un paquete pequeño con una capacidad de carga y una densidad de energía razonables. Las baterías de iones de litio y de polímero de litio se prefieren para dispositivos portátiles porque tienen una alta densidad de energía, son livianas y se pueden empaquetar o moldear de muchas formas. Las baterías de polímero de litio tienen menos densidad de energía que las baterías de iones de litio, pero son más seguras, más livianas y se pueden fabricar increíblemente delgadas. El resto de este artículo se concentrará en la tecnología de baterías de iones de litio y de polímero de litio.

Las condiciones ambientales también pueden contribuir a fallas en la batería. Tenga en cuenta los límites de temperatura a los que estará sujeto su dispositivo médico portátil durante su vida útil. Por ejemplo, un adaptador de manos libres Bluetooth colocado en un automóvil que contenía una batería de polímero de litio podría experimentar fallas en la batería debido a los rangos de temperatura extremos que se experimentan dentro de un vehículo. El dispositivo se cargó con su pequeño panel solar. La tasa de carga aumentaría a su máximo cuando el sol fuera más brillante. Casualmente, la temperatura dentro del automóvil aumentaría a lo largo del día. Como consecuencia de cargar repetidamente la batería a temperaturas máximas, la batería comenzó a hincharse y, finalmente, abrió el gabinete.

Química de la batería

Hay muchas químicas de baterías disponibles en la actualidad. Es importante seleccionar la batería correcta para la aplicación correcta. Las baterías de plomo ácido se utilizan en automóviles porque son buenas para producir grandes cantidades de corriente. Las baterías de litio se utilizan comúnmente en dispositivos médicos portátiles porque tienen una alta densidad de energía (pequeñas) y son livianas.

La química de la batería determinará los siguientes parámetros de su batería.

• Capacidad de carga
• Cargar densidad
• Corrientes de descarga y carga
• Impedancia
• tensión nominal
• tensión de carga
• Tasa de autodescarga
• Temperatura de funcionamiento

Su aplicación determinará qué química de la batería se adapta mejor a sus necesidades.

Módulo de circuito de protección de batería (PCM)

El medio principal de proteger una batería es con un Módulo de circuito de protección (PCM). Este módulo limita los voltajes y corrientes máximos de carga y descarga de la batería. El PCM entrará en modo de circuito abierto si se excede alguna de estas condiciones. La sobrecarga o incluso la descarga excesiva de una batería puede provocar inestabilidad térmica que resulte en una liberación abrupta de energía (chorro de fuego o explosión).

Cada celda de un paquete de batería debe estar protegida por un PCM. El PCM generalmente se ubica directamente en la celda, pero puede integrarse con la placa de circuito de carga. Se pueden agrupar varios PCM en un solo PCB para admitir un paquete de baterías de varias celdas.

Celdas de batería de iones de litio que provocaron un incendio.

Elaboración

Los fabricantes de baterías de litio deben minimizar la presencia de impurezas, como partículas metálicas microscópicas, en las baterías durante el proceso de fabricación. Si no lo hace, podría producirse un cortocircuito interno, lo que provocaría una acumulación de calor. A menudo ocurre una reacción en cadena donde el calor interno hace que la batería se vuelva inestable térmicamente y da como resultado la autodestrucción de la batería desde el interior. Esta autodestrucción podría ser tan simple como la hinchazón y el silbido de los gases, o tan dramática como disparar llamas y explosiones. Los módulos de circuito de protección (PCM) no pueden proteger al usuario de la química de la batería defectuosa o impura.

Almacenamiento y vida útil

Las baterías de iones de litio y de polímero de litio deben almacenarse a 15 ° C con aproximadamente un 40% de carga. Esto aumenta la vida útil al reducir la tasa de autodescarga. Un polímero de iones de litio típico retendrá más del 85% de su carga original después de permanecer almacenado durante 1 año. Almacenar una batería a una temperatura más alta reducirá la carga retenida.

Hinchazón durante la carga

A medida que se carga una batería, naturalmente aumentará hasta un 7% de su tamaño original. Su recinto debe incorporar esto en su diseño. Ignorar esto colocará una tensión mecánica indebida en la batería y la carcasa, lo que provocará daños en la batería y / o la carcasa.

Carga

Es importante cargar una batería con el voltaje y la corriente correctos en la secuencia correcta. Las baterías de iones de litio y de polímero de litio requieren un perfil de carga multiestado para cargarlas de forma segura. Este perfil está diseñado para preservar la longevidad de la batería al tiempo que garantiza su seguridad sin reducir su rendimiento.

Hay una gran cantidad de circuitos integrados de cargadores de batería en el mercado que funcionan bien, son seguros y han sido probados a fondo. Muchos IC de cargadores también controlan la temperatura de la batería para evitar cargar o descargar la batería cuando la temperatura es mayor que su temperatura máxima de carga / descarga permitida.

Etapas de carga:

Etapa 1: Condición previa (pequeña cantidad de corriente aplicada hasta que el voltaje alcanza un punto de ajuste)

Etapa 2: corriente constante (el voltaje aumentará hasta alcanzar un punto de ajuste)

Etapa 3: voltaje constante (la corriente se reducirá lentamente hasta alcanzar un valor mínimo)

Etapa 4: Terminación del cargo

Etapa 5: Carga de recarga (una pequeña cantidad de corriente aplicada hasta que el voltaje alcanza un punto de ajuste)

Envíos

El envío de mercancías peligrosas o volátiles puede llevar mucho tiempo y ser costoso. Las baterías como las de iones de litio y de polímero de litio pueden considerarse mercancías peligrosas y se envían normalmente por tierra. Algunos remitentes exigen que las pilas y baterías de iones de litio o de metal enviadas con el equipo se preparen y envíen como mercancías peligrosas totalmente reguladas y ya no permitirán los envíos aéreos de estas mercancías. Otros remitentes permitirán los envíos aéreos de estos productos, pero limitarán la aeronave a "Solo carga" y limitarán el estado de carga de la batería.

Antes de que las baterías puedan enviarse en cantidad, deben probarse según el estándar de seguridad de ONU 38.3 "Recomienda el transporte de mercancías peligrosas - Prueba y criterios" (específicamente para pilas y baterías de iones de litio). Las siguientes pruebas se realizan en baterías de iones de litio según la certificación UN 38.3.

• Simulación de altitud
• Prueba Térmica
• Vibración
• Choque
• Cortocircuito externo
• Impacto
• Sobrecargar
• Descarga forzada

Las restricciones de envío se relajan una vez que la batería tiene la certificación UN38.3 y forma parte de un producto que contiene la protección necesaria.

Hemos escuchado historias de proveedores de baterías enviadas incorrectamente. En un caso, un proveedor envió algunos prototipos de baterías con PCM integrados. Las baterías estaban empaquetadas sin apretar en una caja de cargador USB estándar. No estaban conectados a la electrónica del paquete de baterías USB y no contenían ningún PCM. El proveedor escondió las baterías desprotegidas en una caja de batería USB para evitar papeleo adicional, gastos de envío y tiempo de envío. Este es un método de transporte inseguro y no deseable.

Nota final sobre la seguridad de las baterías para dispositivos médicos

Ninguna cantidad de pruebas y protección puede eliminar completamente las fallas de la batería que resultan en daños a la propiedad o lesiones. Los diseñadores e ingenieros de productos deben cumplir con todas las precauciones y prácticas de seguridad. Tome precauciones al diseñar dispositivos médicos portátiles y nunca subestime las grandes cantidades de energía almacenada en las baterías.

Joshua Hayes es un Ingeniero Eléctrico en StarFish Medical. Es experto en diseño de electrónica analógica y digital y diseño de PCB y tiene una amplia experiencia en el diseño de firmware para sistemas integrados. Graduado de Camosun College y University of Victoria, este es el primer blog de Josh para StarFish Medical en más de 12 años.

Fuente: https://starfishmedical.com/blog/battery-safety-for-medical-devices/