JP2012506232A - 保管寿命が延長された生活安全装置 - Google Patents

Abstract

生活安全装置が、再充電可能なバッテリを有したバッテリアッセンブリを備えている。保管期間は、バッテリ保護回路がバッテリからの電流の流れを阻止する過放電保護モードを手動で開始することによって延長される。生活安全装置は、該装置が設置時に充電電源に接続されるまで過放電保護モードに留まる。そして、バッテリアッセンブリは、過放電保護モードを出て、バッテリアッセンブリの通常の動作モードに入る。

Description

本発明は、再充電可能なバッテリを有するバッテリアッセンブリを備えた生活安全装置に関する。

生活安全装置は、火災、または一酸化炭素のような危険なガスの蓄積に晒される危険にある居住者に警告するために、住居および商用の建物において用いられている。一般に、生活安全装置は、建物の壁や天井に取り付けられている。通常では、生活安全装置は、再充電可能なバッテリを有したバッテリアッセンブリによって電力を供給される。生活安全装置は、再充電可能なバッテリを充電するための電流を供給する交流電源に接続されている。

再充電可能なバッテリは、工場で生活安全装置に取り付けられるバッテリアッセンブリの一部である。一旦、バッテリアッセンブリが生活安全装置の回路に接続されると、生活安全装置を使用し始める前に、電力がバッテリから引き出され得る。上記の条件では、生活安全装置は、交流電源に接続されておらず、したがって、バッテリは、再充電されていない。

バッテリアッセンブリは、一般に、再充電可能なバッテリと、バッテリ充電回路と、バッテリ電圧を生活安全装置回路の作動に必要な電圧レベルに上昇させるブースタ回路と、バッテリ保護回路とを備えている。バッテリ保護回路は、電流の引き込みが過度に高い場合にバッテリを非接続にする過電流保護と、電池の内部を損傷させるレベルにバッテリの電池電圧を低下させないようにする過放電保護とを提供する。

再充電可能なバッテリを有した生活安全装置を輸送するときには、過電流保護モードにおいてバッテリ保護回路を配置するための一般の方法がある。これは、例えば、製品を輸送する前に、接地端子にバッテリアッセンブリのバッテリ電圧端子をショートさせることにより達成され得る。

生活安全装置の長い耐用寿命を確実に得る（例えば、１０年間の耐用寿命を得る）ために、装置の保管寿命を制限する必要がある。保管寿命は、装置にバッテリアッセンブリを設置する時間と、装置を交流電力の接続部に接続する時間との間に必要な電流の消費によって決定される。製品が保管寿命を過ぎても「棚上げされた」まま（つまり、製品が売れ残っているか、または売れたが未だ設置されていない）である場合には、バッテリの電池電圧は、バッテリの電池内部に損傷を生じさせるレベルにゆっくりと低下することがある。電池への損傷を防止するために、保管寿命を過ぎた装置を工場へと戻し、バッテリを新たに再充電されたバッテリと交換し、製品を再び梱包して輸送する必要がある。

過電流保護によって、設置前のバッテリから引き出される電流の量が減少するが、装置の保管寿命は制限されたままである。バッテリアッセンブリの保管寿命を過ぎたことにより店から製品を取り除くことは、不便であり、費用がかかる。

生活安全装置のバッテリの保管寿命は、再充電可能なバッテリに関連したバッテリ保護回路の過放電保護モードを利用することによって延長される。バッテリアッセンブリの設置時および生活安全装置の輸送時には、バッテリからの電流の流れを阻止するように過放電保護（または電力遮断）モードを開始することができる。一旦、開始されると、過放電保護モードは、生活安全装置が充電電源に接続されるまで継続する。

過放電保護モードを用いると、過電流保護モードを用いるよりも電流の消費要求が非常に低くなる。結果として、生活安全装置の保管寿命が延長される。

生活安全装置のブロック図である。 図１の生活安全装置のバッテリアッセンブリの概略的な電気図である。

図１には、埋込式生活安全装置１０のブロック図が示されており、該埋込式生活安全装置１０は、例えば、煙警報装置、一酸化炭素（ＣＯ）警報装置、煙・一酸化炭素警報装置や、潜在的に生活を脅かす条件にある住居または他の建物の居住者に警告するための同様の装置とすることができる。埋込式生活安全装置１０は、一般に、壁や天井に取り付けられており、交流（ＡＣ）電源に接続されている。

図１に示したように、生活安全装置は、低電圧供給源１２、（再充電可能なバッテリ１６、バッテリ充電回路１８、ブースタ回路２０およびバッテリ保護回路２２を有した）バッテリアッセンブリ１４、調整電子機器２４、危険検出器２６、マイクロコントローラユニット（ＭＣＵ）２８、音響回路３０およびバッテリ試験電子機器３２を備えている。

低電圧供給源１２は、ライン入力Ｌおよびニュートラル入力Ｎによって示される交流の主入力部に接続されている。低電圧供給源１２は、交流の入力電力を直流の充電電力へ変換し、この直流充電電力は、バッテリアッセンブリ１４のチャージ・イン（Ｃｈａｒｇｅ Ｉｎ）入力部および調整電子機器２４へ供給される。また、低電圧供給源１２は、マイクロコントローラユニット２８へ、低電圧供給源１２が交流の主入力部から交流電力を受けていることを示す交流起動（ＡＣ ＯＮ）監視信号を送信する。

バッテリアッセンブリ１４のバッテリ１６は、長寿命でかつ再充電可能なバッテリ、例えば、再充電可能なリチウムイオンバッテリである。バッテリ充電回路１８は、低電圧供給源１２からの充電電力を用いてバッテリ１６の充電を維持する。ブースタ回路２０は、バッテリ電圧Ｖ_battを出力電圧Ｖ_outへと上昇させ、該出力電圧Ｖ_outは、調整電子機器２４によって危険検出器２６およびマイクロコントローラユニット２８へ調整電圧を供給するために用いられる。バッテリ電圧Ｖ_battは、約２．２〜４．２ボルトの範囲とすることができ、出力電圧Ｖ_outは、例えば、約８．７ボルトの一定の電圧である。

バッテリ保護回路２２は、過電流条件および過放電条件に対してバッテリ１６を保護する。バッテリ保護回路２２は、保護モードに入り、該保護モードにおいて、バッテリ電圧Ｖ_battが過度に低い（過放電条件）とき、またはバッテリ１６から引き込まれる電流が最大電流レベルを超過している（過電流保護）ときに、バッテリ１６を他の回路構成要素と非接続にすることができる。

危険検出器２６は、例えば、光電またはイオン化の形式の煙検出器、一酸化炭素検出器または煙・一酸化炭素検出器とすることができる。危険検出器２６の出力は、マイクロコントローラユニット２８へ供給される。

マイクロコントローラユニット２８は、生活安全装置１０の動作を調整し制御する。危険検出器２６から受けた入力に基づいて、マイクロコントローラユニット２８は、潜在的に危険な条件にある居住者へ警告するための警報を鳴らす必要がある条件が存在するかを判断する。警報が必要な場合には、マイクロコントローラユニット２８は、音響回路３０へ、適切な警報を形成するための制御信号を送信する。ある場合には、警報は、連続的に、またはパルスによって生成される可聴信号である。他の実施例では、音響回路３０は、マイクロコントローラユニット２８からの指令に応答して居住者に言葉からなるメッセージ（または可聴信号と言葉からなるメッセージとの組み合わせ）を提供する。

生活安全装置１０の動作中には、マイクロコントローラユニット２８は、バッテリ試験電子機器３２を用いてバッテリ試験を定期的に行うことになる。マイクロコントローラユニット２８は、バッテリ試験電子機器３２へバッテリ試験パルスＢＡＴ ＴＥＳＴを適時に供給し、バッテリ試験パルスＢＡＴ ＴＥＳＴは、バッテリ試験電子機器３２を起動し、バッテリアッセンブリ１４のバッテリ電圧Ｖ_batt出力部から電流を引き込む。バッテリ試験電子機器３２は、放電が実施されている間に測定されたバッテリ電圧を示す試験出力ＢＡＴ ＶＯＬＴをマイクロコントローラユニット２８へ供給する。上記の通常のバッテリ試験動作中は、バッテリ試験パルスＢＡＴ ＴＥＳＴは非常に短い期間の間に供給される（一般に、１００マイクロ秒）。バッテリ試験パルスの期間は、定常状態の条件に確実に到達するのに十分に長くなるように選択される。バッテリ電圧が測定され、そして、試験は、バッテリ１６が放電状態から元の状態に戻るように終了する。

図２には、バッテリアッセンブリ１４の概略的な電気図が示されており、バッテリアッセンブリ１４は、バッテリ１６、バッテリ充電回路１８、ブースタ回路２０、バッテリ保護回路２２および電気コネクタ４０を備えている。図２に示したように、電気コネクタ４０は、４つのピンを有したコネクタであり、ピン１はチャージ・インに対応しており、ピン２はバッテリ電圧Ｖ_battに対応しており、ピン３は出力電圧Ｖ_outに対応しており、ピン４は接地に対応している。

図２に示した実施例では、バッテリ１６は、リチウムイオンバッテリである。バッテリ１６の耐用寿命の減少を防止するために、バッテリ電圧Ｖ_battは、設定上限と設定下限との間に維持されなければならない。通常の動作中には、最大電圧は、約４．２ボルトであり、最小電圧は、約２．２ボルトである。

バッテリ充電回路１８は、ダイオード５０、トランジスタ５２、プログラム可能な分路調整器５４および抵抗５６，５８，６０，６２を備えている。１つの実施例では、プログラム可能な分路調整器５４は、ＴＬ４３１型の調整可能な精密分路調整器である。

バッテリ充電回路１８は、電圧がピン１（チャージ・イン）とピン４（接地）との間に生じているときにアクティブ状態（ａｃｔｉｖｅ）である。電圧は、図１に示したように交流電力が低電圧供給源１２に接続されているときに供給される。低電圧供給源１２によって供給される電圧は、バッテリ１６のプラス端子の電圧（Ｖ_batt）よりも高い。バッテリ充電回路１８へ流入する充電電流は、ダイオード５０および抵抗５６を通してトランジスタ５２のコレクタに流れる。トランジスタ５２のエミッタが、バッテリ１６のプラスの端子（およびピン２）に接続されている。トランジスタ５２を通過する充電電流の流れは、抵抗５８，６０，６２およびプログラム可能な分路調整器５４によって制御される。抵抗５８は、トランジスタ５２のコレクタをトランジスタ５２のベースおよびプログラム可能な分路調整器５４の陰極に接続している。トランジスタ５２のエミッタと接地との間に互いに接続された抵抗６０，６２は、分路調整器５４へ基準電圧を提供する分圧器を形成する。分路調整器５４は、トランジスタ５２のベース電圧を形成し、該ベース電圧は、バッテリ１６を充電することができる最大電圧を制御する。トランジスタ５２のエミッタ電圧が過度に上昇したときには、トランジスタ５２は無効にされ、充電電流が、ピン１（チャージ・イン）からバッテリ１６へとこれ以上流れることができない。

ブースタ回路２０は、ＶＦＭステップアップＤＣ／ＤＣコンバータ用コントローラ７０、インダクタ７２、キャパシタ７４、ＦＥＴ７６、ダイオード７８、抵抗８０，８２およびキャパシタ８４を備えている。１つの実施例では、ＤＣ／ＤＣコンバータ用コントローラ７０は、ＲＮ５ＲＹ２０２・ＣＭＯＳに基づいたＶＦＭ制御型集積回路であり、該回路は、基準電圧ユニット、エラー増幅器、発振器、ＶＦＭ制御回路およびフィードバック抵抗を備えている。この実施例では、ＦＥＴ７６は、ＣＥＳ２３１２・Ｎ−チャネル・エンハンスメントモード電界効果トランジスタである。

生活安全装置１０の回路を動作するためには、バッテリ１６の最大電圧である４．２ボルトよりも高い電圧が必要となる。ブースタ回路２０は、バッテリ電圧Ｖ_battを出力電圧Ｖ_outに上昇させるＤＣ／ＤＣコンバータである。

バッテリ１６をピン２（Ｖ_batt）およびピン４（接地）に接続してデュアルＦＥＴ９２をオンにした通常の動作モードにバッテリアッセンブリ１４があるときには、バッテリ電圧Ｖ_battは、コントローラ７０のＶＤＤ端子とＧＮＤ端子との間に生じる。コントローラ７０のＥＸＴ端子からの発振信号は、ＦＥＴ７６のゲートに送信され、これにより、ＦＥＴ７６のオン・オフを交互に切り換える。ＦＥＴ７６がオンのときには、電流が、バッテリ１６のプラス端子からインダクタ７２およびＦＥＴ７６を通して接地へと流れる。結果として、エネルギは、インダクタ７２内の磁界に貯蔵される。ＦＥＴ７６がオフのときには、ＦＥＴ７６を通過する電流の流れは遮断される。インダクタ７２内に貯蔵されたエネルギは、ダイオード７８を通してピン３（Ｖ_out）に輸送される。抵抗８０，８２は、ピン３（Ｖ_out）とピン４（接地）との間に分圧器を形成する。この分圧器は、コントローラ７０の出力電圧端子に接続されており、該出力電圧端子は、コントローラ７０内の基準値（例えば、２ボルト）に固定されている。キャパシタＣ４が、ブースタ回路２０の出力側において平滑コンデンサとして機能する。

バッテリ保護回路２２は、バッテリ保護集積回路９０と、ＦＥＴ９２Ａ，９２Ｂを有したデュアルＦＥＴ９２と、キャパシタ９４と、抵抗９６，９８，１００と、金属接触部１０２とを備えている。１つの実施例では、バッテリ保護集積回路９０は、過充電検出器、過放電検出器および過電流検出器を有したＳ−８２６１シリーズ集積回路である。デュアルＦＥＴ９２は、例えば、ＣＥＧ８２０５デュアルＮ−チャネル・エンハンスメントモード電界効果トランジスタである。

バッテリ保護回路２２は、バッテリ１６の過電流および過放電の双方を保護する。バッテリ保護集積回路９０は、過放電条件が存在するかを決定するために、バッテリ保護集積回路９０のＶＤＤピンとＶＳＳピンとの間の電圧を監視する。バッテリ保護集積回路９０は、過電流条件が存在するかを決定するために、バッテリ保護集積回路９０のＶＭピンとＶＳＳピンとの間の電圧を監視する。

通常の条件では、ＶＤＤピンとＶＳＳピンとの間の電圧の差は、過放電検出電圧よりも大きく、ＶＭピンとＶＳＳピンとの間の電圧は、過電流検出電圧よりも小さい。上記の条件では、バッテリ保護集積回路９０は、デュアルＦＥＴ回路９２のＦＥＴ９２Ａ，９２Ｂの双方をオンにする通常の動作モードにある。

抵抗９６およびキャパシタ９４は、電力の変動を防止する。さらに、抵抗９６は、バッテリ保護集積回路９０の静電放電（ＥＳＤ）を防止する。通常の条件では、ＶＤＤピンの電圧は、バッテリ１６のプラス端子のバッテリ電圧Ｖ_battと等しい。接触部１０２が他の回路構成要素に接続されていないので、ＶＤＤピンと接触部１０２との間に接続された抵抗９８は、通常は、ＶＤＤピンの電圧に影響を及ぼさない。

ＦＥＴ９２Ａは、充電制御スイッチとして機能し、ＦＥＴ９２Ｂは、放電制御スイッチとして機能する。ＦＥＴ９２ＡおよびＦＥＴ９２Ｂの双方は、接地（ピン４）にバッテリ１６のマイナス端子を直接に接続するために、オンにされなければならない。

抵抗１００は、接地とＶＭピンとの間に接続されている。また、抵抗１００は、ピン１とピン４との極性が反転する条件に対してバッテリ保護集積回路９０を保護する。

過電流条件が生じたときには、ＶＭピンの電圧は、バッテリ保護集積回路９０によって設定された過電流検出電圧以上である。上記の条件は、バッテリ１６からの過剰の放電電流が、通常の条件におけるバッテリの過電流検出遅れ時間よりも長い時間の間、継続して流れるときに生じる。過電流条件を検出したときには、バッテリ保護集積回路９０は、放電制御ＦＥＴ９２Ａをオフにする。ピン２とピン４との間のインピーダンスが自動回復可能な負荷抵抗よりも高くなり、バッテリ保護集積回路９０が、ＶＭピンの電位が過電流検出電圧よりも低いことを検出したときに、過電流条件は通常の条件に戻る。

過放電条件は、バッテリ保護集積回路９０のＶＤＤピンの電圧が過放電検出電圧よりも低下し、検出が過放電検出遅れ時間またはこれ以上の時間の間、継続されたときに生じる。上記の条件では、バッテリ保護集積回路９０は、放電制御ＦＥＴ９２Ａをオフにする。これにより、ＶＭピンの電圧は、バッテリ保護集積回路９０内の内部抵抗によって、ＶＤＤピンの電圧の近傍の電圧に引き上げられる。電流の消費は、電力遮断電流消費レベルに減少する。

電力遮断モードは、充電電力がピン１とピン４との間にあり、ＶＭピンとＶＤＤピンとの間の電圧差が所定の電圧（例えば、１．３ボルト）を超過したときに解放される。そして、バッテリ保護集積回路９０は、通常の動作モードに戻る。

本発明では、バッテリ１６および生活安全装置１０の保管寿命を延長するために、バッテリ保護回路２２の過放電検出の特徴が利用されている。工場において生活安全装置１０にバッテリアッセンブリ１４を設置するときには、導電性のプローブ（図示せず）がコネクタ４０のピン４（接地）に接続される。そして、上記プローブは、接触パッド１０２と接触するように、生活安全装置１０の小さい開口部を通して挿入される。ピン４（接地）と抵抗９８とがプローブおよび接触部１０２を介して電気的に接続されたときには、抵抗Ｒ９６およびＲ９８がバッテリ１６のプラス端子とマイナス端子との間に分圧器を形成するので、バッテリ保護集積回路９０のＶＤＤピンの電圧は低下する。このようにＶＤＤピンの電圧が一時的に低下することにより、バッテリ保護集積回路９０が過放電条件を検出し電力遮断モードへと切り替わる。一旦、電力遮断モードを開始すると、バッテリアッセンブリ１４は、生活安全装置１０が設置時に交流電源に接続されるまで、このモードに留まることになる。

過放電保護／電力遮断モードによって、生活安全装置１０にバッテリアッセンブリ１４を設置する時間と、建物に生活安全装置１０を取り付ける時間との間のバッテリ１６の放電量が非常に減少する。結果として、生活安全装置１０およびバッテリ１６の保管寿命は大いに改善される。

本発明の好ましい実施例について説明してきたが、当業者であれば、本発明の真意および範囲を逸脱することなく、種々の変更が形態および細部になされ得ることを理解するであろう。

Claims (20)

1. バッテリと、
   バッテリ電圧よりも高い出力電圧を生成するためのブースタ回路と、
   バッテリ電圧を検出し、過放電保護モードにおいて前記ブースタ回路を前記バッテリと非接続にするためのバッテリ保護回路と、
   前記バッテリの充電によって前記バッテリ保護回路が前記過放電保護モードを出る、前記バッテリを充電するためのバッテリ充電回路と、
   前記バッテリ保護回路が前記過放電保護モードに入るようにするための手動作動回路と、
   を備える生活安全装置のバッテリアッセンブリ。
2. 前記バッテリ保護回路は、バッテリ電圧を監視する端子を備え、前記手動作動回路は、作動時に、前記端子の電圧を、前記過放電保護モードを開始するレベルに低下させることを特徴とする請求項１に記載の生活安全装置のバッテリアッセンブリ。
3. 前記手動作動回路は、前記バッテリアッセンブリの接地接続部に電気的に接続されるように配置された金属接触部を備えることを特徴とする請求項２に記載の生活安全装置のバッテリアッセンブリ。
4. 前記手動作動回路は、前記バッテリと前記金属接触部との間に接続された分圧器を備えることを特徴とする請求項３に記載の生活安全装置のバッテリアッセンブリ。
5. 前記分圧器は、前記バッテリ電圧を監視する端子に接続された節を備えることを特徴とする請求項４に記載の生活安全装置のバッテリアッセンブリ。
6. 前記バッテリ保護回路は、前記過放電保護モードから、前記バッテリ充電回路による前記バッテリの充電に応答して、前記バッテリが前記生活安全装置へ電力を供給する通常の動作モードに切り替わるように動作可能であることを特徴とする請求項１に記載の生活安全装置のバッテリアッセンブリ。
7. 前記バッテリ保護回路は、
   前記バッテリのマイナス端子と接地端子との間に接続された半導体スイッチと、
   前記半導体スイッチが、通常の動作モード時にはオンにされ、前記過放電保護モード時にはオフにされるように、半導体スイッチの状態を制御するためのバッテリ保護集積回路と、
   を備えることを特徴とする請求項１に記載の生活安全装置のバッテリアッセンブリ。
8. 前記バッテリ保護集積回路は、バッテリ電圧を監視する第１の端子を備え、前記バッテリ保護集積回路は、前記第１の端子の電圧が過放電検出遅れ時間またはこれ以上の時間の間、過放電検出電圧よりも低いときに、前記過放電保護モードに入ることを特徴とする請求項７に記載の生活安全装置のバッテリアッセンブリ。
9. 前記バッテリ保護回路は、前記バッテリのプラス端子と前記バッテリ保護集積回路の前記第１の端子との間に接続された第１の抵抗を備えることを特徴とする請求項８に記載の生活安全装置のバッテリアッセンブリ。
10. 前記手動作動回路は、前記第１の端子に接続された第２の抵抗を備え、前記手動作動回路は、前記第２の抵抗を前記接地端子に電気的に接続することにより作動することを特徴とする請求項９に記載の生活安全装置のバッテリアッセンブリ。
11. チャージ・イン端子、バッテリ電圧端子、出力電圧端子および前記接地端子を有した多ピンコネクタをさらに備えることを特徴とする請求項１０に記載の生活安全装置のバッテリアッセンブリ。
12. 前記バッテリのプラス端子は前記バッテリ電圧端子に接続され、前記バッテリ保護回路は前記バッテリ電圧端子および前記接地端子に接続され、前記充電回路は前記チャージ・イン端子、前記バッテリ電圧端子および前記接地端子に接続され、前記ブースタ回路は前記バッテリ電圧端子、前記出力電圧端子および前記接地端子に接続されることを特徴とする請求項１１に記載の生活安全装置のバッテリアッセンブリ。
13. 生活安全装置のバッテリの保管寿命を延長する方法であって、
    前記バッテリからの電流の流れを阻止するように、前記バッテリと関連したバッテリ保護回路の過放電保護モードを手動で開始するステップと、
    前記生活安全装置を充電電源に接続することにより、前記バッテリ保護回路を通常の動作モードに戻すステップと、
    を含む方法。
14. 前記バッテリおよび前記バッテリ保護回路は、多ピンコネクタによって前記生活安全装置に接続されたバッテリアッセンブリの一部であることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
15. 前記多ピンコネクタは、チャージ・イン端子、バッテリ電圧端子および接地端子を備えることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
16. 前記過放電保護モードを手動で開始するステップは、過放電検出遅れ時間またはこれ以上の時間の間、過放電検出電圧よりも電圧が低い前記バッテリ保護回路に、一時的に電圧を印加することを含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
17. 前記一時的に電圧を印加することは、一時的に前記接地端子に抵抗を接続することを含むことを特徴とする請求項１６に記載の方法。
18. 前記バッテリ保護回路は、前記バッテリのマイナス端子と前記接地端子との間に配置された半導体スイッチを備えることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
19. 前記バッテリ保護回路は、前記通常の動作モード時に前記半導体スイッチをオンにし、前記過放電保護モード時に前記半導体スイッチをオフにすることを特徴とする請求項１８に記載の方法。
20. 前記バッテリ保護回路は、前記チャージ・イン端子の電力に応答して前記通常の動作モードに戻ることを特徴とする請求項１５に記載の方法。

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