CC BY
58
УДК 541.136
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСТАТОЧНОЙ ЕМКОСТИ ЛИТИЙ-ФТОРУГЛЕРОДНЫХ ИСТОЧНИКОВ ТОКА
ДЛЯ КАРДИОЭЛЕКТРОНИКИ
С. А. Фатеев*, Н. Н. Францев, О. Н. Ефимов, Г. А. Любантер **, Д. Н. Францев***
*ООО НПО «МЕДИСТОК», 117545, г.Москва, Днепропетровский пр.,д. 4а **Институт проблем химической физики РАН, 142432, Моск. обл., г. Черноголовка *** Экспериментальный завод АН, г. Черноголовка
Поступила в редакцию 29.06.07 г.
Для определения разряженности химических источников тока разработан импульсный способ, при котором тестируемый ХИТ разряжают импульсом постоянного тока специальной формы и замеряют напряжение на элементе до и в момент воздействия импульса. По величине этих напряжений и другим вычисленным электрическим параметрам определяют по разработанному алгоритму разряженность ХИТ. Спроектирован и изготовлен переносной тестер «ОСА», в котором заложен разработанный алгоритм определения разряженности ХИТ. Данная методика и тестер успешно применяются для контроля источников тока серии ВР для имплантируемых кардиостимуляторов.
A pulse method at which a tested chemical power source is discharged by a pulse generated by constant current of special shape, and voltage on a cell is measured before and after pulse action has been developed to determine the degree of dicharge of chemical power sources. The degree of dicharge of a chemical power source is determined using a specially developed algorithm from the values of these voltages and other electrical parameters calculated. An «OSA« portable analyzer has been desinged and fabricated in which the developed algorithm for the determination of the degree of discharge of a chemical power source is laid. This method and the analyzer are successfully used to control power sources of ВР series for implantable cardiostimulators.
ВВЕДЕНИЕ
Прогресс в технологии электрохимических источников питания сыграл столь же важную роль в совершенствовании имплантируемых электрокардиостимуляторов (ЭКС), что и полупроводниковая микроэлектроника. Имплантируемые устройства, снабженные батареями, уже послужили более чем пяти миллионам больных. В США, например, где люди к собственному здоровью относятся особенно серьезно, в год устанавливается более 2000 кардиостимуляторов на миллион населения. То есть ежегодно каждый пятисотый американец предпочитает не испытывать судьбу. В России в год устанавливается порядка 16000 стимуляторов и наблюдается тенденция дальнейшего роста. Сейчас в России основными фирмами, выпускающими кардиостимуляторы, являются: ЗАО «НПФ "Элестим-Кардио"», ЗАО «Кар-диоэлектроника» и ФГУП «Ижевский механический завод».
В настоящее время почти во всех электрокардиостимуляторах используются источники тока системы литий/йод-ПВП(поливинилпиридин). В России эти источники тока производит единственное предприятие — АО «Литий-Элемент» (г. Саратов). При комнатных температурах смеси йод-ПВП двухфазные: в неразряженных элементах существует жидкая фаза плюс избыточный твердый йод. Содержание йода в катоде по мере разряда элемента уменьшается и при остаточной емкости, приближающейся к нулю, катодная масса затвердевает. При разряде толщина
слоя йодида лития увеличивается, и по мере накопления продуктов разряда внутреннее сопротивление элемента резко возрастает. Поскольку сопротивление элемента довольно высокое и возрастает при его работе, разрядные кривые не пологие даже при умеренном потреблении тока. Температуры, при которых ожидаются наилучшие рабочие характеристики, находятся в интервале от комнатной температуры до +40 °C.
Несмотря на то что литий-йодные элементы являются в настоящее время доминирующими источниками питания для имплантируемых электрокардиостимуляторов, ведущие зарубежные фирмы по производству источников питания для имплантируемого применения начинают заниматься более энергоемкими электрохимическими системами, в частности системой литий-фторированный углерод (американская фирма Wilson Greatbaatch). Вместе с тем для имплантируемых дефибриляторов [1] требуются источники тока, реализующие разрядный ток до 10 мА, что невозможно достигнуть в литий-йодной системе. Замена литий-йодных элементов на источники тока с более высокой удельной емкостью позволила бы увеличить гарантированный срок службы электрокардиостимулятора, что имело бы значительный медико-экономический эффект. Теоретическая удельная энергия элементов системы литий-фторированный углерод (2190 Вт-ч/кг) заметно превосходит теоретическую удельную энергию элементов литий-йод. Низкое внутреннее сопротивление элемента позволяет при периодических испытаниях проводить его ускоренный разряд и определять емкость элемента
© С. А. ФАТЕЕВ, Н. Н. ФРАНЦЕВ, О. Н. ЕФИМОВ, Г. А. ЛЮБАНТЕР, Д. Н. ФРАНЦЕВ, 2008
в сроки до 1 месяца. Работоспособность литий-фторуглеродных источников тока в широком диапазоне температур позволяет проводить транспортные перевозки собранных ЭКС практически в любых температурных условиях, не опасаясь перенастройки блока электроники. Высокая надежность и безопасность при длительном хранении и эксплуатации делает указанные источники тока весьма перспективными для имплантируемых кардиостимуляторов [2-5].
В настоящее время фирма «МЕДИСТОК» является единственной отечественной компанией, самостоятельно производящей источники питания для ЭКС и сами ЭКС. Особое внимание уделяется тщательному поэтапному контролю качества в процессе производства, поскольку качество и надежность наших изделий — это жизни тысяч больных. Кстати, из всех существующих производителей ЭКС во всем мире еще только две компании имеют собственное батарейное производство — «БИОТРОНИК» и «МЕДТРОНИК». Правда, в отличие от фирмы «МЕ-ДИСТОК» они выпускают источники питания литий-йод.
В процессе эксплуатации химических источников тока очень часто возникает необходимость быстрого и надежного определения их электрических параметров, в частности степени разряженности. Это очень важно в таких отраслях, где требуется повышенная надежность источника тока. Например, источники тока для имплантируемых электрокардиостимуляторов, которые должны обеспечивать работу аппаратуры на протяжении 10-12 лет. А потери емкости всего на 10% снижают время эксплуатации на полтора года.
Поэтому перед сборкой и настройкой кардиостимулятора весьма важно знать, какой источник тока, поступивший со склада, используется.
При контроле качества любого объекта, особенно первичных источников тока, использование неразрушающих методов всегда предпочтительнее. Поэтому для контроля источника тока должен быть выбран такой метод, который позволит определить его состояние при очень малой потери емкости. Из
литературы известно, что для этих целей используются такие характеристики источников тока, как напряжение разомкнутой цепи и напряжение под нагрузкой, внутреннее сопротивление источника тока, отклик источника тока на импульс постоянного тока.
Хорошо известно о высокой сохраняемости литиевых источников тока. В литературе, в частности, по литий-фторуглеродным элементам, приводятся результаты 15-летнего натурного хранения, при этом потери емкости составляют около 0.3% в год [6].
Несомненно, оценить потери емкости более 3050% не представляет сложности, например по величине напряжения разомкнутой цепи. Весьма проблематично оценить потерю емкости, когда она находится в пределах 10-20%.
Перед нами ставилась задача найти метод оценки остаточной емкости источников тока для имплантируемых электрокардиостимуляторов. Емкость выпускаемых фирмой «Медисток» различных по габаритам источников тока составляет 1000-2200 мА-ч (табл. 1).
И хотя на протяжении 6-летнего выпуска источников тока потери емкости не превышают 0.5% в год, а на складе согласно техническим условиям источники тока до монтажа в изделие могут храниться 3 года, желательно проводить контроль их состояния перед установкой, поскольку они подвергаются операции сварки монтажных клемм к выводам источника тока, где не исключена вероятность случайного закорачивания на какое-то время монтажником при пайке.
В настоящее время нет надежного способа определения разряженности и прогнозирования надежной работы ХИТ [7-10]. Электрические параметры определяются в основном на уровне «годен — не годен», так как количественные параметры ХИТ имеют большой разброс.
При оценке электрического состояния ХИТ могут быть использованы следующие параметры: напряжение разомкнутой цепи (НРЦ), внутреннее сопротивление (импеданс), отклик на тестовый сигнал (разряд током определенной формы, длительности и амплитуды).
Таблица 1
Характеристики источников тока
Обозначение ВР-3256 ВР-3270 ВР-3756 ВР-4580 ВР-5056
Габарит.размеры, мм 27.6х5.9х24.5 27.6х7.1х24.5 27.6х5.9х30.8 45.1х8.4х22.2 50.1х5.9х26.0
Емкость, мА-ч 1000 1250 1300 2200 2100
Напряжение, В 3.3 3.3 3.3 3.3 3.3
Масса, г 8.0 9.5 10.5 14.5 14
Макс. рекомендуемый разрядный ток, мА 1 3 3 5 10
Импеданс ХИТ включается в список электрических характеристик. МЭК и ГОСТ разрешают два способа определения импеданса: частотный и импульсный на постоянном токе. Частотный способ — измерение импеданса на частотах 100-1000 Гц в течение 1-5 с. Для широкого спектра источников тока его величина соответствует их омическому сопротивлению. Импульсный способ — измерение импеданса при разряде ХИТ импульсом постоянного тока специальной формы. Параметры измерения: разряд током I в течение 10 с, а затем током 5I в течение 1 с. Значения тока выбираются в зависимости от типа и электрической емкости ХИТ. По этой методике измеренный импеданс включает кроме омического еще и поляризационное сопротивление.
Из-за большого спектра технологий изготовления и разнообразия конструкций ХИТ диагностика электрического состояния их по величине импеданса может стать возможной только лишь при накоплении доступных приборов для диагностических испытаний. Известные приборы, такие как специализированный измерительный комплекс 1090 фирмы «Solartron Instruments», имеют большие мас-согабаритные размеры и высокую стоимость. Они не позволяют однозначно определять разряженность конкретных ХИТ и используются в основном для исследования макетных образцов.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
В качестве метода оценки степени разряженно-сти источника тока был выбран отклик источника тока на импульс постоянного тока. В качестве объектов испытаний использовались источники тока ВР-3756 емкостью 1300 мА-ч как наиболее востребованные в данное время при производстве электрокардиостимуляторов. В основу способа положена зависимость величины импульсного напряжения от степени разря-женности источника тока при разряде с наложением импульса постоянного тока.
В работе исследуется импульсный способ определения электрических параметров ХИТ после хранения. Зависимость электрических параметров от разряженности ХИТ определялась опытным путем.
Испытание состояло из следующих пунктов:
1) определение статических параметров ХИТ;
2) гальваностатический разряд;
3) разряд импульсом постоянного тока;
Структурная схема установки приведена на рис. 1.
Рис. 1. Структурная схема установки
Определение статических параметров ХИТ. Определялось время восстановления НРЦ после снятия нагрузки и время выхода на «плато» при разряде после хранения. Время выхода на «плато» замерялось при фиксированном токе разряда 5 мА и составляет 15-30 с, при скорости спада напряжения на ХИТ 10 ± 2 мВ/мин. В эксперименте установлено, что минимальное время, при котором сохраняется точность определения импульсных параметров в дальнейшем, составляет 5-10 с.
Время восстановления НРЦ ХИТ после гальваностатического разряда составляет 10-12 ч.
Гальваностатический разряд, разряд импульсом постоянного тока. Гальваностатический разряд и разряд импульсом постоянного тока выполнялись одновременно на установке «Заряд-8К».
Электрические параметры ХИТ типа ВР:
— НРЦ 3.4 ± 0.2 В;
— С 1.3 ± 10%А-ч;
— максимальный ток разряда 10 мА;
— номинальный ток разряда < 60 мкА;
— конечное напряжение разряда 2.4 В при Jp = 25 мкА;
— конечное напряжение разряда 2 В при I] = 10 мА.
Для получения зависимости провала напряжения на ХИТ при импульсной нагрузке от степени разряженности проводился ступенчатый разряд его стабильным током. После каждой ступени разряда проводилась выдержка не менее 10 ч. Далее проводился активирующий разряд в течение 10 с и разряд импульсом постоянного тока. Все описанные операции выполнялись на гальваностате «Заряд-8К» при температуре 20 ± 1°С. При проведении испытаний использовались следующие приборы и установки:
— амперметр М1104 Кл. 02;
— осциллограф С1-05;
— термостат;
— автоматизированный гальваностат «Заряд-8К» (ИПХФ РАН) (рис. 2).
Рис. 2. Автоматизированный гальваностат «Заряд-8К»
Автоматизированный гальваностат «Заряд-8К» предназначен для исследования элементов химических источников тока различных электрохимических систем, проведения натурных испытаний ХИТ и определения их остаточной емкости.
Технические характеристики:
— число токовых каналов: 8 независимых;
— программная установка тока: 4 диапазона, от 5 мкА до 10 А, 128 градаций;
— точность поддержания тока: ±0.1%;
— число измерительных каналов: 8 независимых;
— входное сопротивление измерительной цепи: >2 МОм;
— шум в канале измерения: <±2.5 мВ;
— тип работы: автоматический, продолжительный;
— режимы работы: заряд, разряд, разряд-заряд, циклирование;
— переключение режимов: по времени, по напряжению заряда, разряда, количеству циклов заряд-разряд;
— темп съема информации: задается программно от 1 с;
— информация о состоянии каналов отображается в виде графиков и протоколируется в файл;
— управляющая программа работает под операционной системой Windows 95/98, Windows 2000/XP;
— гальваностат имеет точную настройку измерительных каналов по эталонному напряжению;
— масса силового блока: 6 кг;
— габариты силового блока: 450 х 170 х 250 мм;
Питание: сеть переменного блока 220 В,
50/60 Гц, 6 А.
По желанию заказчика возможно изменение любых параметров автоматизированного гальваностата,
введение дополнительных программ обработки результатов.
Порядок проведения испытания
1. Гальваностатический разряд
Ток разряда определяется по эмпирической фор-
муле:
Ip = (0.2 - 0.5)/max мА,
/р = 5мА.
Точность установки и поддержания ± 0.2%. Ступени разряда 5, 10, 15, 20, 30, 40, 50, 60, 80% емкости ХИТ.
2. Выдержка после каждой ступени разряда 1012 ч.
3. Активирующий разряд
Ток разряда определяется по формуле
/а = (4 - 20)С мА, /а = 5 мА.
Продолжительность активирующего разряда
4. Импульсный разряд Ток разряда определяется по формуле
10 с.
/н = (20 - 80)С мА, /н = 25 мА.
Длительность импульсного тока т = (10200) С мс, т = 100 мс.
В ходе эксперимента замерялось НРЦ, напряжение ХИТ при выходе на «плато» и провал напряжения в момент нагрузки импульсом постоянного тока. Все эмпирические формулы получены и определены в ходе эксперимента.
Информация записывалась в файл в память компьютера гальваностата. По результатам испытаний построены графики гальваностатического (рис. 3) и импульсного (рис. 4) разрядов в зависимости от разряженности ХИТ.
U, В 2.9
2.8
2.7
2.6
2 5 _I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_1—4—1_I
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Степень разряженности, %
Рис.3. Разрядная характеристика источника тока ВР-3756. Ток разряда 5 мА
и, В
-0.2
-0.3
-0.4
—0 5 _I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I
'0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Степень разряженности, %
Рис. 4. Зависимость величины импульсного напряжения от степени разряженности
Анализ кривых показал возможность определения параметров данного типа ХИТ после хранения и разработки алгоритма определения разряженности по предложенному регламенту проведения испытаний.
Разработка алгоритма определения разряженности ХИТ
Основой для разработки алгоритма определения разряженности ХИТ являются приведенные выше результаты.
Графики (см. рис. 3) позволяют количественно определить разряженность ХИТ. Форма кривой «Импульсное напряжение» (см. рис. 4) при импульсном разряде имеет максимум в области 30% разряженно-сти и две ниспадающие ветви в областях 5-30% и 4080% разряженности. Область максимума на кривой «Импульсное напряжение» соответствует напряжение 2.73±0.03 В на кривой «Напряжение под нагрузкой». Это так называемое реперное напряжение, или напряжение сравнения.
Неоднозначность при определении разряженно-сти ХИТ (например, при 10% и 60% разряженности провал напряжения на кривой «импульсное напряжение» имеет равные значения) устраняется путем сравнения напряжений в точках 10% и 60% разря-женности на кривой «Напряжение под нагрузкой» с реперным напряжением. Если измеренное напряжение перед импульсной разрядкой больше реперного, то разряженность определяется по левой ветви кривой «импульсное напряжение», если меньше — то по правой ветви.
Указанный способ исключает возможность ошибочного определения разряженности ХИТ из-за формы кривой, имеющей максимум и две ниспадающие ветви. На основе предварительно полученных данных, анализа кривых зависимости напряжений от разряженности и цифровой информации разработан
алгоритм определения разряженности ХИТ, включающий девять пунктов.
1. Измерение НРЦ ХИТ.
2. Активационный разряд ХИТ стабильным током.
3. Включение таймера активации на время активации.
4. Измерение напряжения на ХИТ.
5. Выключение таймера активации.
6. Разряд импульсом постоянного тока.
7. Измерения провала напряжения на ХИТ.
8. Сравнение напряжения п.4 с реперным напряжением.
9. Определение разряженности. Если напряжение больше реперного, разряженность определяют по левой ветви кривой зависимости импульсного напряжения от степени разряженности, если напряжение меньше реперного — то по правой ветви.
Для проверки определения разряженности ХИТ проводилось его моделирование на РС. Моделирование позволило создать управляющую программу для процесса определения разряженности ХИТ.
После «доводки» программное обеспечение было установлено в компьютер гальваностата «Заряд-8К».
Технические характеристики гальваностата дополняются импульсными характеристиками:
• программная установка импульса постоянного тока: 4 диапазона от 25 мкА до 10 А; 128 градаций в каждом диапазоне;
• длительность импульса постоянного тока от 10 мс до 1с;
• длительность переднего фронта на активной нагрузке ±5 ■ 106 с;
• длительность заднего фронта на активной нагрузке <10-5 с.
Для апробации алгоритма определения разря-женности тестировались литиевые ХИТ типа ВР фирмы «Медисток» в количестве 10 штук, которые были предварительно разряжены изготовителем ХИТ.
Условия тестирования: ХИТ тестировались «втемную», то есть их предварительная разряжен-ность была неизвестна проверяющим.
Данные тестирования сведены в табл. 2. Для элементов под №5 и №10 разряженность не определена, так как программное обеспечение работало с графиками, начинающимися с 5% разряженности. После корректировки программы разряженность этих ХИТ составила 1.5% и 2% соответственно.
Результаты тестирования подтверждают эффективность импульсного способа определения разря-женности литиевых ХИТ.
Таблица 2
Данные тестирования ХИТ
Данные
№ п/п № элемента Емкость, мА-ч представленные измеренные
НРЦ Рязряжен., % НРЦ Разряжен., %
1 7160 78.2 3.08 5.8 3.35 6
2 7163 62.0 3.28 4.6 3.34 6.5
3 7172 62.0 3.27 4.6 3.33 7
4 7336 42.0 3.25 3.1 3.31 7
5 7339 — 3.26 0 3.19 —
6 7359 29.3 3.26 2.2 3.29 7
7 7362 150.0 3.25 11.0 3.25 9
8 7373 97.5 3.26 7.2 3.33 7.5
9 7404 122.0 3.25 9.0 3.24 9
10 7461 — 3.25 0 3.19 —
Алгоритм определения разряженности ХИТ и программное обеспечение, разработанное на его основе для РС, позволяют осуществить выходной контроль при производстве ХИТ, а также измерение параметров ХИТ после хранения.
Алгоритм определения остаточной емкости химических источников тока заложен в переносной тестер «ОСА»( рис. 5), который сейчас изготовлен в двух экземплярах и передан на фирму «Элестим-Кардио», где он проходит испытания.
Рис.5. Тестер «ОСА» и источник тока ВР-3756. Технические характеристики: — определение остаточной емкости химических источников тока с номинальной емкостью до 2 А-ч; — индикация: 12-сегмкнтная светодиодная шкала; — режим измерения: автоматический; — потребляемая энергия от проверяемого источника тока: 0.001%; — питание: сеть переменного тока 220 В, 50/60 Гц, 5 Вт
Таким образом, предлагаемый способ определения остаточной емкости источников тока представляет собой неразрушающий метод контроля состояния источника тока. На одно измерение расходуется менее 0.005% от номинальной емкости, а время измерения на источник тока составляет не более 15 с.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бокерия Л. А., Ревишвили А. Ш., Неминущий Н. М., Ефимов И. Р. Имплантируемые кардиоверторы-дефибрилляторы. М.: НЦССХ им. А. Н. Бакулева РАМН, 2005.
2. Фатеев С. А., Жаров Ю. Н. // Фундаментальные проблемы преобразования энергии в литиевых эл.хим.системах: V Междунар. конф., СПб., 1998. С. 47.
3. Skundin A.M., Fateev S.A., Kylova T.L. // 2nd ABA Advanced Batteries and Accumulators: Intern. Conf. Brno, 2001. P. 44.
4. Фатеев С. А., Можаров В. М., Рынсков Е. В., Эй-дельштейн А. П., Ясюкевич О. Г. // Фундаментальные проблемы преобразования энергии в литиевых эл.хим. системах: Материалы VII Междунар. конф. Саратов, 2002. C. 115.
5. Пат. 33 000 Россия, МКИ Н01Ь 6/14. Источник тока для имплантируемых медицинских приборов/ Фатеев С. А.
6. Фатеев С. А. // Электрохимия. 2000. Т. 36, № 7. С. 884.
7. Таганова А. А., Пак И. А. Герметичные источники тока для портативной аппаратуры. СПб.: Химиздат, 2003
8. Нижниковский Е. А. Химические источники автономного электропитания радиоэлектронной аппаратуры. М.: Изд-во МЭИ, 2004.
9. Таганова А. А., Федоров А. Ю., Сарапов С. В. // Фундаметнальные проблемы электрохимической энергетики: Материалы VI Междунар. конф. Саратов, Изд-во. Сарат. ун-та, С. 369-374.
10. Нижниковский Е.А., Каневский Л. С., Фрольченков В. В. // Электрохимия. 1998. Т. 34, № 7. С. 716.
