Lithium-Akku Schutz vor Überspannung

Technik Elektronik & Elektrotechnik
#1

Hallo,

bei einem medizintechnischen Gerät habe ich das Problem, wie kann ich eine zweifache Absicherung des Lithium-Akkus vornehmen?

Medizintechnische Geräte müssen so ausgelegt sein, daß bei Auftreten eines Fehlers (der sog. „Erste Fehlerfall“) eine zweite Sicherungsmaßnahme vorhanden ist, die immer noch einen gleichwertigen Schutz gewährleistet (z. B.: doppelte Isolierung: wenn eine Isolierung defekt ist, verhindert die zweite einen möglichen Kurzschluß).

Der Lithium-Akku muß nun davor geschützt werden, während des Ladevorgangs eine höhere Spannung als max. 4.2 Volt zu bekommen. Die erste Schutzmaßnahme ist durch das eingebaute Lade-IC (ein MAX1555) gegeben, das den Ladestrom zurückregelt. Der mögliche erste Fehlerfall ist nun, daß dieses IC defekt wird und es zu einem Kurzschluß zwischen Ein- und Ausgang des ICs kommt, wodurch die 5 Volt des Ladegeräts direkt am Akku zu liegen kämen.

Laut Datenblatt des Lithium-Akkus sollte die eingebaute Schutzschaltung Spannungen von mehr als max. 4.3 Volt von der Lithium-Zelle abhalten (PA-L36), wenn ich es richtig verstanden habe:

http://www.farnell.com/datasheets/1441774.pdf

Außerdem sind beide Pole des Ladekreises mit je einer Sicherung 0.5 A flink versehen (max. Ladestrom des MAX1555 ist 280 mA).

Wenn das nun nicht ausreicht als Schutz nach Auftreten des Erstfehlers, was kann ich dann noch machen? - mir fällt nur ein, ein IC von der Art, wie es wohl in der eingebauten Schutzschaltung des Akkus schon vorhanden ist, noch zusätzlich auf der Platine zu plazieren, z. B. ein DS2764.

Grüße,

I.

#2

Hallo!

Ich bin etwas überrascht,das Du die Vorschrift auf die Batterie anwenden willst,bzw. glaubst es machen zu müssen.
Das ist doch sicherlich eine VDE 0100 Vorschrift,also Stichwort „Schutz vor gefährlichen Körperströmen“.

Es geht also um die Gefährdung von Personen durch Stromschlag.

Wie kommt es bei einem Elektronikfehler in Ladesteuerung zu solchen Körperströmen ?
Das betrifft doch in erster Linie die Netzseite,die auf Gehäuse oder angeschlossene Sensoren mit Körperkontakt übertreten kann.

Das die auch feuergefährlichen Li-Akkus besondere Sorgfalt brauchen ist m.E. eine andere Sache.

MfG
duck313

#3

Hallo duck.

Das ist doch sicherlich eine VDE 0100 Vorschrift, also Stichwort „Schutz vor gefährlichen Körperströmen“.

Ein bisschen mehr steckt bei medizinischen Geräten schon dahinter.

Es ist immer schwierig, Informationen zu VDE-Vorschriften im Netz zu finden, aber ich glaube, ich habe hier eine brauchbare Liste der relevanten Vorschriften entdeckt:
http://www.frohberg.de/artikelbilder-frohberg/zoom/9…

Den Inhalt dieser Vorschriften kenne ich nicht, da ich nie auf dem Gebiet gearbeitet habe.

Gruß merimies

#4

Hallo

Für einen einzelnen Ladekreis braucht man nur eine Sicherung, keine zwei. Liest sich wie Verarsche.

Man könnte mit einer Operationsverstärkerschaltung die Akkuspannung messen. Das geschieht durch Vergleich mit einer genauen Referenzspannung und dem Einsatz zum Beispiel eines Spindeltrimmers oder von Messwiderständen.
Man kann natürlich auch halbe(halbierte) Spannungen zum Messen verwenden.
Gibt es nun den Fall einer drohenden Überspannung, kann der Ladechip umgangen und die Sicherung mit einem Treibertransistor zum Auslösen gebracht werden(Kurzschluss).
Eine durchgebrannte Sicherung ist dann ein Indiz für einen defekten Ladechip.
Eine andere Frage wäre noch, wieso der Ladechip überhaupt kaputt gehen könnte.

MfG
Matthias

#5

Hallo I.,

Wenn das nun nicht ausreicht als Schutz nach Auftreten des
Erstfehlers, was kann ich dann noch machen? - mir fällt nur
ein, ein IC von der Art, wie es wohl in der eingebauten
Schutzschaltung des Akkus schon vorhanden ist, noch zusätzlich
auf der Platine zu plazieren, z. B. ein DS2764.

Du kannst, vereinfacht, eine 4.3V Diode parallel zum Akku schalten.

OK, eine Z-Diode ist zu ungenau, also einen Shuntregler, welcher dann die 0.5A Sicherung durchbrennen lässt.

z.B. etwas wie der LM431
http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm431.pdf

MfG Peter(TOO)

#6

Hallo duck313,

Ich bin etwas überrascht,das Du die Vorschrift auf die
Batterie anwenden willst,bzw. glaubst es machen zu müssen.
Das ist doch sicherlich eine VDE 0100 Vorschrift,also
Stichwort „Schutz vor gefährlichen Körperströmen“.

Es geht also um die Gefährdung von Personen durch Stromschlag.

Es geht Beo medizinischen Geräten, eben nicht nur um den „elektrischen“ Personenschutz!

Es geht z.B. auch darum, dass ein Gerät, im Fehlerfall, keine falschen Messwerte liefert.

Auch sollte der Patient nicht durch das Gerät abgefackelt werden :wink:

Wenn also z.B. ein Blutdruckmessgeräte sehr hohe Werte anzeigt (z.B. Diasystole deutlich über 100mmHg), bekommst du sofort Medikamente um den Blutdruck zu senken. Das kann dann fatal sein, wenn es nur eine Fehlmessung war!

Du musst das mal erlebt haben, in dem Fall hüpfen die Krankenschwester aber sehr hurtig durch die Gegend. Bei mir kam das Blutdruckmessgerät nicht mit meinen Herzrhythmusstörungen zurecht und hat deshalb Mist gemessen. Danach musste bei mir nach der alten Methode (Manschette und Stethoskop) gemessen werden.

MfG Peter(TOO)

#7

Hallo Peter(TOO),

danke für Deine Antwort. Ja, das ist wahrscheinlich die beste Lösung, ein SOT23-IC und zwei SMD-Widerstände, um eine Begrenzung von 4.2 Volt zu erreichen.

Grüße,

I.

#8

Hallo Matthias,

Eine andere Frage wäre noch, wieso der Ladechip überhaupt
kaputt gehen könnte.

für medizintechnische Geräte gilt das Prinzip der doppelten Absicherung. Wenn irgendwo ein Fehler als „Erstfehler“ auftreten könnte, muß es eine zweite Maßnahme geben, die dann verhindert, daß irgendwas Schlimmes passiert. Ich weiß auch nicht, warum der Ladechip kaputtgehen könnte. Aber ohne konsequente Durchführung dieses Prinzips der doppelten Sicherheit gibt es keine Zertifizierung für ein Medizinprodukt.

Grüße,

I.

#9

Hallo duck313,

die zuständige Norm ist die EN60601. Wie schon gesagt wurde, geht es um den Ausschluß möglicher Gefährdungen nicht nur durch Stromschlag oder potentiell gefährliche Teile wie Li-Akkus, sondern auch durch Fehler der Funktion, falsche Meßwerte, Bedienungsfehler, „vorhersehbare Irrtümer“, gegen die Vorkehrungen getroffen werden müssen, usw.

Wenn man etwa im einem Notfall ein EKG braucht, muß dieses funktionieren und eine verläßliche Diagnose ermöglichen.

Diese Normen sind nicht immer leicht umzusetzen. Im Gegenteil, es gehört viel Erfahrung dazu, und bevor man die hat, kommen Prüfungsberichte mit mehr oder weniger vielen Beanstandungen, die dann schlimmstenfalls ein komplettes Re-Design erfordern und entsprechend Zeit und Geld (und Nerven) kosten. So geht es mir gerade.

Grüße,

I.

#10

Hallo I. & duck313,

Diese Normen sind nicht immer leicht umzusetzen. Im Gegenteil,
es gehört viel Erfahrung dazu, und bevor man die hat, kommen
Prüfungsberichte mit mehr oder weniger vielen Beanstandungen,
die dann schlimmstenfalls ein komplettes Re-Design erfordern
und entsprechend Zeit und Geld (und Nerven) kosten. So geht es
mir gerade.

Die Bauteilbeschaffung ist auch schon nicht problemlos:

Viele Hersteller, verbieten die Verwendung ihrer Bauteile in lebenswichtigen medizinischen Geräten, bzw. geben ihr Einverständnis erst nach vollem Einblick in die Entwicklung.

MfG Peter(TOO)

#11

Hallo Peter(TOO),

ich habe noch mit einem Freund über das Problem gesprochen und wir sind zudem auch auf folgende Lösung gekommen: anstatt einer Zener-Diode oder des LM431 als zusätzliche Sicherungasmaßnahme vor dem Lade-IC einen Spannungsregler 4.3 Volt zu plazieren.

Ich habe dann einen geeigneten Typ gefunden: TPS73643DBV (Ausgangsstrom begrenzt auf 400 mA, 75 mV Dropout Spannung)

http://docs-europe.electrocomponents.com/webdocs/0cb…

Der Vorteil wäre eine geringere Verlustleitung ((Vin-Vout)*I).

Allerdings:

Derzeit habe ich am Eingang eine Diode (SM4007) als Verpolungsschutz, an der bei max. 280 mA Ladestrom ohnedies etwa 0.8 Volt abfallen, sodaß am Eingang des Lade-ICs bloß noch 4.2 Volt vorhanden sind (gemessen: 4.17 Volt; ein wenig geht die Spannungs des Netzteils bei Belastung auch zurück). Bei der Prüfstelle scheint diese Diode übersehen worden zu sein (trotz Schaltplans?!), ich frage mich, wieso ich da überhaupt etwas ändern muß, denn mehr als ca. 4.2 oder 4.3 Volt können gar nicht am Li-Akku zu liegen kommen, auch nicht bei einem Kurzschluß des Lade-ICs.

Grüße,

I.

#12

Hi, wäre es nicht mindestens so wichtig eine 2te Akkuversorgung generell aufzubauen, schliesslich kann ja auch eine Zelle plötzlich kaputt gehen, dann würde sich das Problem mit der doppelten Ladeüberwachung eigentlich erübrigen, ich halte einen Zelltod für wesentlich wahrscheinlicher als dass der Regler nicht durch Kurzschluß stirbt.

OL

#13

Hallo I.,

Derzeit habe ich am Eingang eine Diode (SM4007) als
Verpolungsschutz, an der bei max. 280 mA Ladestrom ohnedies
etwa 0.8 Volt abfallen, sodaß am Eingang des Lade-ICs bloß
noch 4.2 Volt vorhanden sind (gemessen: 4.17 Volt; ein wenig
geht die Spannungs des Netzteils bei Belastung auch zurück).
Bei der Prüfstelle scheint diese Diode übersehen worden zu
sein (trotz Schaltplans?!), ich frage mich, wieso ich da
überhaupt etwas ändern muß, denn mehr als ca. 4.2 oder 4.3
Volt können gar nicht am Li-Akku zu liegen kommen, auch nicht
bei einem Kurzschluß des Lade-ICs.

Hmm, um jetzt wirklich mitreden zu können fehlen zu viele Infos.

Allerdings scheint da irgendwo eine 5V Versorgung zu sein?

Wie ist diese spezifiziert? +/-5% ?
Dann stimmt deine Rechnung schon mal bei +5% nicht mehr!

Und was passiert wenn da plötzlich 50V drauf sind?

MfG Peter(TOO)

#14

Hallo,

einen Spannungsregler 4.3 Volt zu plazieren.

Ich habe dann einen geeigneten Typ gefunden: TPS73643DBV
(Ausgangsstrom begrenzt auf 400 mA, 75 mV Dropout Spannung)

Der ist für max. Eingangsspannung 5,5V.

Du schreibst im UP, das der Laderegler an einer 5V-Versorgung
arbeitet? Da ist die Rohspannung doch sicher noch höher, oder?
Evtl. kann der Regler auch im Fehlerfall höhere Spannung
ausgeben?

Dann wäre es fatal, wenn du den Fehlerfall mit einem BE
absicherst, das dann sowieso außerhalb der Spec. betrieben
wird.

http://docs-europe.electrocomponents.com/webdocs/0cb…

Der Vorteil wäre eine geringere Verlustleitung ((Vin-Vout)*I).
Allerdings:
Derzeit habe ich am Eingang eine Diode (SM4007) als
Verpolungsschutz, an der bei max. 280 mA Ladestrom ohnedies
etwa 0.8 Volt abfallen, so daß am Eingang des Lade-ICs bloß
noch 4.2 Volt vorhanden sind (gemessen: 4.17 Volt; ein wenig
geht die Spannungs des Netzteils bei Belastung auch zurück).

Auf dieses zurückgehen kannst du dich aber im Fehlerfall
wahrscheinlich nicht stützen.

Bei der Prüfstelle scheint diese Diode übersehen worden zu
sein (trotz Schaltplans?!),

Nicht auszuschließen, dass diese Diode als Bestandteil der
normalen Lade-Schaltung dann auch genauso wie der Lade-IC
in Betrachtung eingeht.

ich frage mich, wieso ich da
überhaupt etwas ändern muß, denn mehr als ca. 4.2 oder 4.3
Volt können gar nicht am Li-Akku zu liegen kommen,
auch nicht bei einem Kurzschluß des Lade-ICs.

Und die 5V-Versorgung steht außer aller Zweifel?

Ich finde, dass die Lösung von Peter mit dem Shuntregler in
Verbindung mit Feinsicherung eine recht saubere Lösung ist.

Eine Strombegrenzung mit Widerstand wäre evtl. ganz zweckmäßig.
Wenn dafür keine Dropspannung mehr zur Verfügung steht,
wäre eine Reihenschaltung von einer Schottkydiode als
Verpolschutz und einem Widerstand eine Alternative?
Gruß Uwi

#15

Nabend,

Bei der Prüfstelle scheint diese Diode übersehen worden zu
sein (trotz Schaltplans?!), ich frage mich, wieso ich da
überhaupt etwas ändern muß, denn mehr als ca. 4.2 oder 4.3
Volt können gar nicht am Li-Akku zu liegen kommen, auch nicht
bei einem Kurzschluß des Lade-ICs.

Hast du dir mal die Kennlinie der verwendeten Verpolschutzdiode angeshen? - Die vorgeschriebene Spannungsbegrenzung ist damit einfach nicht sichergestellt.

Desweiteren verstehe ich nicht genau, was und warum überhaupt seitens der Prüfstelle bemängelt wurde?
Du könntest ja ganz frech argumentieren, das die vorgeschriebene Schutzschaltung sich schon im Akkupack befindet.

Falls das nicht geht, bleiben dir nur richtige Worst-Case Betrachtungen:

  1. Kurzschluss max1555 von Eingang zum GND (da hilft ne Sicherung im Eingangskreis)

  2. Kurzschluss max1555 vom Bat-Ausgang zum GND (da hilft ne Sicherung zwischen Bat-Ausgang und Akku)

  3. Kurzschluss zwischen Eingang und Bat-Ausgang des max1555. (der einzige Fehlerfall den du imho überhaupt in betracht gezogen hast)

  4. Eingangsspannung geht hoch und lässt deinen armen max 1555 so abqualmen, da dessen Eingang und Bat-Ausgang kurzgeschlossen sind. Qder hast du besondere Massnahmen ergriffen, bzw ist das 5volt-Netzteil derart zertifiziert (und nicht versehentlich austauschbar), das das hochlaufen der Eingangsspannung niemals auftreten kann? (dabei hilft dir auch nicht der Einsatz des TPS… - der streckt noch früher die Flügel…)

Für Fehlerfall 3+4 ist ein Shunt-Regler, welcher bei ca 4,25volt greift, die wahrscheinlich einfachste Lösung - aber dieser sollte auch ausreichend Stromfest sein, schliesslich muss hier der kpl. Strom abgeleitet werden bevor die Eingangssicherung fliegt. Falls der Strom aber zu gering dafür ist (zb. Speisenetzteil schaltet Schutz; hoher Leitungswiderstand usw), muss dieser Strom DAUERHAFT fliessen dürfen, ohne das die Schaltung die Grätsche macht.
Da das üblicherweise nicht von einem Regler im sot oder to-92 Gehäuse bewerkstelligt werden kann, hilft nur der Einsatz einer zusätzlichen Leistungstranse (evtl mit zusätzlichem Kühlkörper, da 4,25 volt bei ca 500mA schliesslich ca 2watt sind - dat wird kuschelig.)
Bei dieser Verschaltung solltest du nur darauf achten, das im Normalbetrieb möglichst wenig Strom durch diesen Schaltungsteil fliesst, da sich sonst der Akku relativ schnell entladen kann (wenn keine Ladung durchs Netzteil erfolgt).

Ich selbst bin allerdings kein Freund von Shunt-Reglern (wg des vorher erwähnten Stromverbrauchs), sondern würde eher mittels Längs-Transistor, die Spannungsversorgung im Fehlerfalle abkoppeln. dafür verwende ich selbst seit Jahren nen ICL7665.

Gruss SUR!?

#16

Hallo SUR!?,

danke für Deine Antwort.

…Verpolschutzdiode angeshen? - Die vorgeschriebene
Spannungsbegrenzung ist damit einfach nicht sichergestellt.

Du hast recht

Desweiteren verstehe ich nicht genau, was und warum überhaupt
seitens der Prüfstelle bemängelt wurde?
Du könntest ja ganz frech argumentieren, das die
vorgeschriebene Schutzschaltung sich schon im Akkupack
befindet.

Das stimmt auch laut Datenblatt des Akkus und ich werde das auch vorbringen.

  1. Kurzschluss zwischen Eingang und Bat-Ausgang des max1555.
    (der einzige Fehlerfall den du imho überhaupt in betracht
    gezogen hast)

Der einzige Fehlerfall, der von der Prüfstelle erwähnt wurde

… bzw ist das 5volt-Netzteil derart zertifiziert (und
nicht versehentlich austauschbar), das das hochlaufen der
Eingangsspannung niemals auftreten kann?

Es ist ein Friwo PP8 MED, es ist also gemäß EN60601 zertifiziert.
„Austauschen“ kann man ein Netzteil natürlich immer gegen ein anderes mit gleichem Stecker, man kann nur darauf in der Gebrauchsanweisung darauf hinweisen, daß nur dieses verwendet werden darf.

Für Fehlerfall 3+4 ist ein Shunt-Regler, welcher bei ca
4,25volt greift, die wahrscheinlich einfachste Lösung - aber
dieser sollte auch ausreichend Stromfest sein, schliesslich
muss hier der kpl. Strom abgeleitet werden bevor die
Eingangssicherung fliegt. Falls der Strom aber zu gering dafür
ist (zb. Speisenetzteil schaltet Schutz; hoher
Leitungswiderstand usw), muss dieser Strom DAUERHAFT fliessen
dürfen, ohne das die Schaltung die Grätsche macht.
Da das üblicherweise nicht von einem Regler im sot oder to-92
Gehäuse bewerkstelligt werden kann, hilft nur der Einsatz
einer zusätzlichen Leistungstranse (evtl mit zusätzlichem
Kühlkörper, da 4,25 volt bei ca 500mA schliesslich ca 2watt
sind - dat wird kuschelig.)

genau deshalb gefällt mir diese Lösung nicht wirklich. Es bedeutet: größere Bauteile, womöglich mit Kühlkörper, und damit ein größeres und schwereres Gerät, es kann dann keine Miniaturausführung mehr sein, die man bequem am Körper tragen kann.

mittels Längs-Transistor, die Spannungsversorgung im
Fehlerfalle abkoppeln. dafür verwende ich selbst seit Jahren
nen ICL7665.

Das überzeugt mich bisher am ehesten.

Gruss SUR!?

Grüße,

I.