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Maîtriser la durée de vie des batteries de DM connectés

Publié le 02 novembre 2022 par Patrick RENARD
Source : Dean Simone - Pixabay
La batterie est un élément incontournable de la plupart des DM connectés.

Il est crucial pour le fabricant d'un dispositif médical connecté de connaître la durée de vie de sa batterie avec un minimum de précision. Spécialiste du test et de la mesure électroniques, Keysight Technologies nous explique ici pourquoi il serait hasardeux de se fier aux fiches techniques des batteries. L'entreprise recommande plutôt de déterminer, par la mesure, comment le dispositif consomme la charge de sa batterie.

Par Brad Jolly, Senior Applications Engineer chez Keysight Technologies

Le développement de l'internet des objets médicaux est favorisé par la profusion de petites batteries et cellules peu coûteuses. Les fabricants de ces produits fournissent des fiches techniques dans lesquelles figurent différents graphiques décrivant leurs performances. Ils sont généralement honnêtes quant aux données qu'ils y incluent. Cependant, ils omettent de mentionner certaines informations essentielles, qui peuvent jouer considérablement sur l'efficacité d'un dispositif médical et sur le risque à assumer au moment de spécifier une batterie particulière pour ce dispositif.

Ce que les fournisseurs de batteries vous disent

Figure 1 - Type de graphique fourni dans une fiche technique de batterie.

La figure 1 montre l'un des graphiques susceptible de figurer sur une fiche technique. Il est fourni uniquement à titre d'exemple et ne reflète pas la réalité d'une batterie existante. Ici, les lignes commencent toutes à 3,3 volts et s'arrêtent à 2,0 volts, ce qui correspond au moment où le fournisseur affirme que sa batterie est épuisée. Il y a trois lignes différentes, illustrant la tension fournie par la batterie vieillissante à différentes températures. Dans ce cas, les températures sont de 0°C, 20°C et 40°C, mais différents fournisseurs spécifieront des performances à différentes températures.

Ces données montrent clairement que la batterie dure entre 450 et 500 heures selon la température de fonctionnement. En supposant que l'appareil à alimenter fonctionne entre 15 et 25°C, est-il possible d'estimer de manière prudente la durée de vie de l'appareil à 400 heures ? La réponse est malheureusement non. La durée de fonctionnement d'un dispositif peut être beaucoup plus courte ou beaucoup plus longue que les valeurs indiquées. Pour garantir l'efficacité d'un dispositif et réduire les risques pour les patients, il est nécessaire de prendre en compte plusieurs facteurs.

Diverses interprétations possibles

Que montre exactement un graphique comme celui-ci ? S'agit-il de la durée de vie minimale garantie de chaque cellule individuelle ou du type de batterie proposé par le fabricant ? S'agit-il de la meilleure valeur obtenue à partir d'un ensemble de 25 batteries testées ? Représente-t-il la performance moyenne de 100 batteries provenant de différents lots produits à des jours différents dans différentes usines ? S'agit-il d'une sorte de performance médiane ?

Et en supposant qu'il s'agisse de la moyenne ou de la médiane d'un grand nombre de batteries : à quoi ressemble la distribution ?

Un ensemble de batteries dont la durée d'utilisation varie de 459,8 à 460,2 heures peut avoir une moyenne ou une médiane légèrement inférieure à celle d'un ensemble de batteries dont la durée d'utilisation varie de 410 à 540 heures. Mais laquelle de ces batteries serait la plus fiable pour un dispositif médical ?

Détérioration due au transport et au stockage

Dès qu'une batterie est retirée de sa station de charge sans être utilisée, elle commence à perdre de la capacité en raison de l'autodécharge. Cette perte est généralement relativement faible, et la plupart des fabricants spécifient une valeur moyenne pendant le stockage, exprimée en pourcentage de la capacité de la batterie, par an. C'est de l'ordre de 2 % de perte par an, mais il est important de reconnaître qu'il y a généralement des conditions de température et d'humidité associées à ce chiffre, et qu'il ne s'agit que d'une moyenne.

Il n'est pas impossible qu'une batterie ou une cellule individuelle perde beaucoup plus de capacité pendant le stockage si les conditions environnementales dans lesquelles elle est stockée ne sont pas idéales.

Parmi les diverses expertises de Keysight figure celle du test et de la validation des performances des batteries qui alimentent les dispositifs IoT. Le fabricant américain propose, sous la référence X8712A, une solution destinée à l'optimisation de la durée de vie de ces batteries. Elle se compose d'un analyseur de puissance, de modules SMU (simulant les batteries), d'un détecteur d'événements RF et d'un logiciel dédié.

A chaque dispositif son profil de consommation de courant

La durée de vie estimée de la batterie dans sa fiche technique est généralement basée sur un courant ou une charge standard. Contrairement aux lampes de poche ordinaires, la plupart des dispositifs médicaux ne se comportent pas comme des charges constantes et consomment l'énergie de façon très variable.

Par exemple, un dispositif médical connecté peut passer la plupart de son temps en mode veille, à faible courant (µA), puis s'activer une fois par minute pour effectuer une mesure rapide de 30 ms, à courant plus élevé (mA), avant de "se rendormir". Peut-être le dispositif transmet-il des données sans fil à un récepteur, occasionnant ainsi une consommation de 10 mA pendant 50 ou 100 ms une fois toutes les 30 minutes. Dans certains cas, il s'agit de faire clignoter une LED, fonctionner un processeur de chiffrement ou envoyer un signal pour piloter un actionneur.

Il est évidemment impossible pour un fournisseur de batteries de connaître le profil de courant de chaque dispositif. Il vous faut donc effectuer des mesure sur votre appareil pour déterminer comment il consomme la charge de sa batterie. S'il passe beaucoup de temps en mode veille à faible consommation, sa durée de vie attendue peut largement dépasser la valeur indiquée sur la fiche technique.

Une consommation de charge qui varie en fonction de la baisse de tension

Un dispositif médical connecté peut continuer à fonctionner efficacement lorsque la tension fournie par la batterie ou la cellule primaire diminue, mais il ne faut pas en déduire que la consommation de charge reste constante. Dans certains cas, un sous-système ou un composant qui nécessite une quantité fixe d'énergie peut consommer plus de courant pour compenser la baisse de tension. Dans d'autres cas, un élément peut se retrouver à fonctionner près de la limite inférieure de sa gamme de puissance et devoir alors passer par une boucle de réessai une ou plusieurs fois pour réussir à exécuter sa fonction.

Figure 2 - Charge consommée par un dispositif connecté à différentes tensions d'alimentation, déterminée avec la solution de mesure X8712A de Keysight .

Là non plus, le fournisseur de la batterie ne peut savoir comment chaque dispositif médical va consommer la charge au fur et à mesure que la tension diminue. Afin de garantir l'efficacité et réduire le risque pour le patient, il est prudent d'utiliser une SMU (unité source-mesure). Cela permet de mesurer la consommation de charge pendant plusieurs cycles opérationnels à différents niveaux d'épuisement de la batterie pour éviter les défaillances sur le terrain, une durée de vie trop courte de la batterie et des problèmes connexes susceptibles d'être signalés lors de la surveillance post-commercialisation.

La plupart des fournisseurs de batteries et de cellules primaires fournissent des informations précises qui sont utiles pour expliquer comment leur produit se comportera sous diverses charges et conditions environnementales. Mais comme on l'a vu, ces informations ne tiennent pas compte de la distribution des performances ou du fait que les niveaux de courant dans un DM connecté peuvent varier de plusieurs ordres de grandeur. Afin de réduire les risques pour les patients et garantir l'efficacité et la sécurité de leur dispositif, les ingénieurs devraient le tester et caractériser son profil de courant à différentes tensions pour savoir comment il se comportera à mesure que la batterie s'épuisera.

[Source des illustrations : Keysight Technologies]


www.keysight.com

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