JP2014514908A - Ｍｏｓｆｅｔブースト・システム搭載バッテリー管理システム - Google Patents

Abstract

n-チャネルMOSFET電力装置のゲートを駆動するブースト変換器が記載されている。このブースト変換器は、監視回路と、MOSFETをオンにすることが必要となったときに、ブースト変換器を迅速にオンラインにするためのキックスタート回路を含む。

Description

本出願では、2011年8月10日に提出された米国仮出願第61/522,196号および2011年8月28日に提出された米国仮出願第61/480,286号に基づく優先権があるものとする。

本出願は、米国出願番号「リチウム電力セルの制御のためのバッテリー管理システム」提出日；米国出願番号「バッテリー保持用ラッチ機構」提出日；米国出願番号「バッテリー挿入を自動検知するシステムおよび方法」提出日；米国出願番号「バッテリー性能データを追跡および保管するためのシステムおよび方法」提出日；米国出願番号「データの拡散型配布、動作パラメータ、およびキャリアとしてバッテリーを使用するソフトウェア」提出日、に関連し、これらは参照により本明細書に含まれる。

本発明は装置へ電力を供給するためのバッテリー・パックに関する。より具体的には、本発明は、装置の使用中にその装置から利用可能な電力量を最大限にしてバッテリーの使用可能期間を延ばすような形態でバッテリーを再充電するように、バッテリー・パックの充電および電力の放出（以下、放電）を管理するためのバッテリー・パックおよびバッテリー管理システムに関する。このバッテリー・パックは、バッテリーからの電流の流れを制御するためのn-MOSFETとしても知られ、完全にオンにするには電圧のブースト（boost）が必要なn-チャネル電界効果トランジスタの使用を含む。

心肺蘇生法（CPR）は、心拍停止状態にある人々を蘇生させるために使用される広く知られた価値ある救急処置法である。CPRでは、身体に血液を送り込むために、心臓および胸腔に圧力を加える反復的胸部圧迫が必要である。マウス・ツー・マウス呼吸法やバッグ・マスク装置などによる人工呼吸は、肺に空気を供給するために使用される。救急処置者が手動で有効に胸部圧迫を行ったときは、身体の血流は通常の血流の約25%から30%である。しかし、経験豊富な救急救命士でも数分以上十分な胸部圧迫を維持することはできない（Hightowerら「胸部圧迫の経時的な質の低下」26 Ann. Emerg. Med. 300 (1995年9月)）。
従って、CPRでは患者の生命を維持したり生き返らせることが頻繁には成功しない。それにも拘わらず、胸部圧迫が十分維持されるならば心拍停止の患者はより長い間生命を維持できる。CPRの努力を延長し（45分から90分）、患者が最終的には冠状動脈のバイパス手術で助かったという報告が時折報告されている（Tovarら「心筋血行再建術と神経回復の成功例」22 Texas Heart J. 271 (1995年)参照）。

より良い血流を供給し、居合わせた人による蘇生努力の有効性を増加させるために、CPRを実施するための様々な機械装置が提案されてきた。このような装置の一つの形態では、患者の胸部の周りにベルトを配置し、自動的胸部圧迫装置がベルトを締め胸部圧迫を行う。我々自身の特許であるMollenauer他による「胸部を収縮／圧縮するためのモータ駆動式ベルトを備えた蘇生装置」米国特許第6,142,962号（2000年11月7日）；Bystrom他による「蘇生および警告システム」米国特許第6,090,056号（2000年7月18日）；Sherman他による「モジュール式CPR支援装置」米国特許第6,398,745号（2002年6月4日）；および2001年5月25日に提出した我々の出願第09/866,377号、2002年7月10日に提出した我々の出願第10/192,771号、2010年3月17日に提出した我々の出願第12/726,262号は、患者の胸部をベルトで圧迫する胸部圧迫装置を示す。これらの特許または出願はそれぞれ参照により本明細書に含まれる。

緊急時には秒単位でのことが重要であるので、いかなるCPR装置も使い易く、患者に装置を素早く配備することが容易でなければならない。我々自身の装置は迅速な配備が容易であり、患者の生存可能性を有意に増大させうる。

このような装置の一つの重要な側面は、装置に電力を供給するための小型で強力且つ信頼できる電源が必要なことである。CPRが少なくとも30分間実施されることは稀ではない。従って、電源は、少なくともその間は圧迫装置を駆動するモーターに十分なエネルギーを供給することができなければならない。更に、胸部圧迫装置の搬送性を高めるために電源は比較的軽量でなければならないが、処置時間に渡って動作の一貫性が確保できるように、大幅な電圧または電流の低下を伴うことなく長時間電力を供給しなければならない。

機械式圧迫装置に電力を供給するために必要な種類の高電流電力セル・バッテリーを備えるための様々なアプローチが設計されてきた。より効率の良いバッテリー設計および化学的特性が使用されるにつれて、バッテリーの充電および放電を注意深く管理する必要が生じてきた。この必要性を充たすために、プロセッサ、メモリー、およびその他の要素を含む、複雑なバッテリー管理回路が設計されてきた。

バッテリー端子の不意の短絡を防ぐために有望であることが示されてきたアプローチの一つは、バッテリーが電力供給対象装置、充電器、または他の認可された装置に適切に挿入されなければ端子からバッテリー・セルを電気的に隔離することである。このような隔離は、バッテリー管理ソフトウェアおよびハードウェアによって制御されうるある種のスイッチの使用を必要とする。

このような適用に適する電子スイッチの一つは電界効果トランジスタ、すなわちMOSFETである。典型的な設計では、p-FET素子がスイッチとして使用され、主バスの高い側（high side）に置かれる。しかし、p-FETはn-FET素子の2倍以上のオン抵抗（on resistance）を有する。n-FET素子と同じ電流を扱うには、幾つかのp-FETを並列に繋ぐ必要がある。更に幾つかのp-FETを使用するには、p-FETがオンの間に生成される熱を発散させるためのヒートシンクの使用も必要である。バッテリー・パック内のスペースは限られているので、これは不都合である。

n-チャネルFET、すなわちn-FETは必要な電流量を扱うことができるので、このような設計にはn-FETを選択する方がよい。しかし、一つの問題はn-FETを閉じさせるのに必要な電圧が、バッテリー・パックから利用可能な電圧を超えることである。例えば、10ボルトのバイアス電圧を要するn-FETを用いると、バッテリーを充電または放電するために適当な電圧がn-FETを通るようにするのに十分なほどのn-FETを駆動させるためのバッテリー電圧が、バイアス電圧のゲート駆動電圧に加えてn-FETには必要である。

これまで利用可能ではなく必要とされているのは、n-FETの必要性を監視し、ブースト回路がn-FETの導電状態を制御することができるようにすることによりその必要性に応えるプロセッサによって制御されるn-FETへ十分なゲート駆動電圧を供給するための信頼できるブースト回路である。このような回路は早く強固である必要もあり、バッテリーケースの範囲内に収まるように最小限の数の要素を要するものでなければならない。

最も一般的な態様として、本発明は、長時間に亘り装置に電力を供給するための大きな電力および電流を安定して供給できる高性能バッテリー・パックを提供する。更にこのバッテリー・パックは、バッテリーの充電および放電を含むバッテリー動作のすべての態様を監視および制御するバッテリー管理システムを含む。またこのバッテリー管理システムは、バッテリー・パックの充電および放電中に起きる事象を記録し、これらの事象を後の解析のために通信することもできる。更にこのバッテリー管理システムは、改善または改良した動作パラメータに更新でき、前方互換性（forward compatibility）および後方互換性（backwards compatibility）を供えるための様々なバッテリー化学的特性も管理することができる。

更なる態様では、本発明のバッテリー管理システムは、n-FET素子を通る電流を最大限にできるようにするために、一つ以上のn-FET素子のゲートを極限まで駆動させるために供給される電圧を増加させるように構成された回路を含む。

もう一つの更なる態様では、本発明のバッテリー管理システムは、バッテリー・パックが充電器またはバッテリーによって電力が供給される装置に挿入されない限りバッテリー・パックの端子を隔離するよう設計された回路も含む。このような隔離により、バッテリーが充電器または電力供給対象装置へ挿入されないときにはバッテリー端子すべてにおいて電圧がゼロになり、バッテリーの壊滅的な放電および機器またはユーザーへ危害が及ぶ可能性につながる端子の不意の短絡を防ぐ。

またもう一つの更なる態様では、本発明のバッテリー管理システムは、バッテリー管理システムの様々な機能を制御するための一つ以上のプロセッサを含むこともある。もう一つの態様では、一つ以上のプロセッサは、バッテリー・パックの充電、放電、および保存中に起きる事象を保存できるようにするために、内部および／または外部のメモリー保存場所または装置と通信するように構成されることもある。更にもう一つの態様では、プロセッサは、内部または外部の保存媒体または装置と通信するように構成されうるだけでなく、他のプロセッサ、保存媒体または装置、または他のバッテリーまたはバッテリー充電器とでさえ、ネットワークを通じて通信するようにも構成されることもある。このネットワークは有線でも無線でもよい。

更にもう一つの更なる態様では、本発明は、ハイサイドn-チャネルMOSFETを駆動するブースト・システムであって：n-チャネルMOSFETのゲートにブースト電圧を供給するように構成されたブースト変換器と；ブースト変換器へ第1の電流を供給してブースト変換器に電力を供給するためのブースト変換器用電源と；ブースト変換器へ第2の電流を供給するための第2のブースト変換器用電源とを含み、第2の電流は第1の電流よりも大きく、所定の時間に亘り第2のブースト変換器用電源が作動してブースト変換器の出力が所定の電圧レベルに達するまでブースト変換器を始動させることを特徴とするブースト・システムを含む。

更にもう一つの態様は、ブースト変換器の出力を監視するための電圧監視回路を含む。もう一つの代替的態様は、ブースト変換器とn-チャネルMOSFETのゲートの間に置かれたスイッチを含み、スイッチは、ブースト変換器の出力が所定の閾値を超え安定していると電圧監視回路が決定するときにn-チャネルMOSFETのゲートに電圧を供給するための電圧監視回路からの信号に反応する。一つの代替的な態様では第1の電流は約2ミリアンペアである。もう一つの代替的な態様では、第2の電流は約30ミリアンペアである。

またもう一つの態様では、第2のブースト変換器用電源は、所定の時間に亘り第2のブースト変換器用電源からの電流の流れを供給するRCタイミング回路を含む。代替的な態様では、第2のブースト変換器用電源は、プルダウン抵抗器、スイッチ、およびRCタイミング回路を含み、プルダウン抵抗器は、第1のブースト変換器用電源の出力に接続される。

本発明の更なる態様は、ブースト稼動スイッチを含み、ブースト稼動スイッチはプロセッサからの信号に反応して第1および第2のブースト変換器用電源をオンにする。さらにもう一つの態様では、電圧監視回路は回路のヒステリシスを監視するための手段を含む。

また更なる態様では、本発明は上記の様々な態様に従ってブースト・システムを利用する小型の高電力バッテリーを含む。

一つの代替的態様では、バッテリーは3ポンド未満、またはそれに等しい重量を有する。更にもう一つの態様では、バッテリーは0.06ポンド／ワット時および0.03ポンド／ワット時の範囲における重量対エネルギー比を有する。またもう一つの態様では、重量対エネルギー比は約0.0357ポンド／ワット時である。

またもう一つの実施態様では、バッテリーは0.002ポンド／ワットと0.0015ポンド／ワットの間の重量対電力比を有する。更にもう一つの態様では、バッテリーは約0.00167ポンド／ワットの重量対電力比を有する。

本発明の他の特徴および利点は下記の詳細な説明と、それに続く本発明の特徴を例示する図を組み合わせると明らかになるであろう。

図1は、機械胸部圧迫装置を使用することにより患者に胸部圧迫を実施する方法を示す。 図2は、装置の底面側および前面側を示した、図１の機械胸部圧迫装置の斜視図である。 図3は、装置の底面および後ろ側のカバープレートを取り除いた、図１の機械胸部圧迫装置の斜視図である。 図4Aは、バッテリー・パックの前面側に置かれたバッテリー・ラッチを示す本発明に従うバッテリー・パックの斜視図である。 図4Bは、バッテリー・パックの後ろ側に置かれたコネクタ、表示器、ボタンを示す図4Aのバッテリー・パックの斜視図である。 図5は、本発明のバッテリー・パックの一つの実施態様の様々な要素を示す分解斜視図である。 図6は図6-a，図6-b，図6-c，図6-dを連続した総合概略図である。 図6-aは、本発明の原則に従うバッテリー管理システムの実施態様の概略図（一部）であって、図6の中の図6-aに対応する。 図6-bは、本発明の原則に従うバッテリー管理システムの実施態様の概略図（一部）であって、図6の中の図6-bに対応する。 図6-cは、本発明の原則に従うバッテリー管理システムの実施態様の概略図（一部）であって、図6の中の図6-cに対応する。 図6-dは、本発明の原則に従うバッテリー管理システムの実施態様の概略図（一部）であって、図6の中の図6-dに対応する。 図7は、図7-a，図7-bを連続した総合概略図である。 図7-aは、本発明の原則に従うMOSFETブースト回路の実施態様の概略図（一部）であって、図7の中の図7-aに対応する。 図7-bは、本発明の原則に従うMOSFETブースト回路の実施態様の概略図（一部）であって、図7の中の図7-bに対応する。 図8は、図8-a，図8-bを連続した総合概略図である。 図8-aは、本発明の原則に従うMOSFETブースト回路のもう一つの実施態様の概略図（一部）であって、図8の中の図8-aに対応する。 図8-bは、本発明の原則に従うMOSFETブースト回路のもう一つの実施態様の概略図（一部）であって、図8の中の図8-bに対応する。

本発明の様々な実施態様は、携帯機器、特に医療装置に電力を供給するための再充電式バッテリーの供給に関する。本発明の実施態様は、予測可能な時間に亘りバッテリーが多くの電流を供給する必要がある時に特に利点がある。更に、本発明の実施態様は、バッテリーの動作に関するあらゆる側面を制御し、バッテリーの寿命中に起きるバッテリーに関係する事象を保存するメモリーも含むバッテリー管理システムを含む。更に、バッテリー管理システムの実施態様は、種々のバッテリーの化学的特性を使用するバッテリーに適応する機能も含み、通信ポートを通して更新することも可能である。

本発明の様々な実施態様は機械式圧迫装置に関連して説明されるが、当業者は直ちに、これらの実施態様がこのような装置に電力を供給することに限られていないことを理解するであろう。事実、このような使用は単なる例示に過ぎず、本発明の様々な実施態様に従うバッテリーは、装置の設計上の要件がこのようなバッテリーの能力によって充たされる場合に、あらゆる装置、特に医療装置に電力を供給するために使用可能である。

本発明の様々な実施態様に従うバッテリーが機械式圧迫装置と共に使用されるとき、バッテリーは、現場だけでなく現場から医療センターに患者を搬送する間にも患者を処置するために、十分長い時間機械式圧迫装置に電力を供給できなければならない。しかし、患者の体格および体重が処置中のバッテリーの電流ドレイン量を決定する要因であることを経験は示している。従って、平均よりも大きい患者の処置にはバッテリーからの電流流出量が多くなる。

例えば、幾つかの調査では、胸深、胸部横径、および胸囲が、機械式圧迫装置に電力を供給するバッテリーの電流ドレイン量に影響を及ぼす要因であることが示されている。他の調査では、平均的成人男性の平均胸深は9.4インチ、胸部横径は12.2インチ、平均胸囲は39.7インチであることが観察されている。Young，JW，RF Chandler，CC Snow，KM Robinette，GF Zehner，MS Lofberg「成人女性の身体測定値および体重分布の特徴」FAA民間航空医学研究機関、オクラホマ州オクラホマ・シティ、報告番号FAA-AM-83-16号，1983年；人体モデルの身体測定値および体重分布：第1巻：軍隊の男性飛行士、報告番号USAFSAM-TR-88-6，1988年3月；Haslegrave，CM「集団の身体測定異常値の特性化」Ergonomics，29:2，281-301ページ，1986年；Diffrient，N，AR Tilley，JC Bardagy，ヒトの体格1/2/3，MIT出版，マサチューセッチュ州ケンブリッジ1974年；およびPeopleSize Proソフトウェア，Open Ergonomics社，ＬＥ１１５ＱＹ、レスターシャー州、ラフバラ、ベイクウェル・ロード、英国を参照。これらは本文書で全体を参考文献として挙げる。平均的な体格の患者では少なくとも30分間、平均より体格の大きい患者では少なくとも20分間機械式圧迫装置の動作を維持できるバッテリーに利点がある。

これから図の詳細な説明に入るが、図の中の類似の参照番号は、幾つかの図にある類似または対応する要素を示し、図1には患者1に適合させた胸部圧迫ベルトが示されている。胸部圧迫装置2は、ベルト右側部3Rおよびベルト左側部3Lを有するベルト3による圧迫に適用する。胸部圧迫装置2はベルト駆動台4と（ベルトを含む）圧迫ベルト・カートリッジ5を含む。ベルト駆動台は、患者を配置するハウジング6、ベルトを締める手段、プロセッサ、およびハウジング上に置かれたユーザー・インターフェイスを含む。ベルトは、引き出し用ストラップ18および19と、ベルトの端の広い荷重分散部16および17を含む。ベルトを締める手段は、使用中にベルトが周囲に巻き取られ締まる駆動スプールに取り付けられたモーターを含む。ここで示すように胸部圧迫装置の設計により、軽量の電子機械胸部圧迫装置が可能となっている。全体を組み立てた胸部圧迫装置は29ポンドしか重量がないので、遠距離でも手で持ち運べる。装置自体の重量は約22.0から23.0ポンドで、バッテリーは、本発明の少なくとも一つの実施態様では、2から5.0ポンドの重量で、好ましくは3ポンドである。ベルト・カートリッジは約0.8ポンドの重量で、患者を安定させるためのストラップの重量は約1.6ポンドである。

図2は、上方向から見た胸部圧迫装置の後ろ側23を示す。図2の斜視図では、平均的な体格の患者の臀部と患者の脚部の裏側が、下位バンパー40を超えて伸びる。装置は、ハウジングの両側方向に向かう強固なチャネル・ビーム41の周りに構築される。チャネル・ビームは圧迫中に生じる力に対して装置を支持する。チャネル・ビームは、ベルト・カートリッジを取り付ける構造としても役立つ。

チャネル・ビーム41は、装置の横幅方向に伸びるチャネルを形成する。圧迫中に、ベルトはチャネルの中に置かれ、チャネルに沿って動く。ベルトは、チャネルに広がる駆動スプール42に取り付けられる。

図3は、胸部圧迫装置2の内部要素を示す。モーター79はクラッチ80およびギアボックス81を通して駆動スプール42にトルクを供給するよう動作可能である。ブレーキ82はモーターの上側に取り付けられており、駆動スプールのモーションにブレーキをかけるよう動作可能である。ブレーキ・ハブはモーターの回転子軸に直接接続する。

モーター79およびブレーキ82は、すべて前方カバー・プレート60の内側に載せられるプロセッサ・ユニット83、モーター制御器84、電力分配制御器84によって制御される。プロセッサ・ユニットは、コンピュータ・プロセッサ、非揮発性メモリー装置、および表示器を含む。

プロセッサ・ユニットには、電力制御器およびモーター制御器を制御するために使用されるソフトウェアが備えられる。プロセッサ・ユニット、電力制御器、モーター制御器は共に、モーターの動作を精確に制御することができる制御システムを構成する。従って、圧迫のタイミングと力は様々な体格の患者用に自動的に精確に制御される。

図2および3は、患者の頭部に近いバッテリー格納部121の位置も示す。バッテリー・パックおよびバッテリー格納部の位置および設計は、迅速なバッテリー交換を可能にする。バッテリー・パックが完全且つ正確に収納部に挿入されていなければ、格納部の裏側にあるばねはバッテリー・パックを押し出す。バッテリー・パックの一つの端にあるラッチは、バッテリー・パックがバッテリー格納部に挿入される時にバッテリー格納部の内部にバッテリー・パックを保持するように、バッテリー格納部121の中の受容部と係合する。凹部120は、バッテリー格納部121の内側のばねの位置を示す。バッテリー格納部の端にあるプラスチック製グリル122は凹部を補強する。

図4Aおよび4Bは、バッテリー・パックの前面側205および後側210それぞれを示すバッテリー・パック200の斜視図である。バッテリー・パックの前面側205は外方向に面し、バッテリー・パックがバッテリー格納部121に挿入される時にユーザーから見える（図3）。図4Aに示すように、前面側205は、バッテリー格納部内にバッテリー・パック200を保持するように、バッテリー格納部121の内部の受容部と係合するラッチ215を含む。図4Aは、バッテリー・パックの前面側の端の最上部に置かれた一対の隆起タブ217も示す。これらのタブはラッチと共に作動して、バッテリー挿入の間にバッテリーの最上部がずり上がるのを防いでラッチをバッテリー・ラッチ受容部またはバッテリー格納部の縁に適切に係合させることにより、バッテリーが確実にバッテリー格納部に適切に収まるようにする。

図4Bに見られるようなバッテリー・パックの裏側210は、機械式圧迫装置の制御器またはプロセッサとバッテリー・パック200の間の電気通信を可能にするために、バッテリー格納部121内のコネクタに接続する接続220を含む。このコネクタは、機械式圧迫装置に電力を供給するためにバッテリー・パックからの電流の流れを可能にするだけでなく、バッテリー・パックと機械式圧迫装置の動作を制御するプロセッサまたはコンピュータの間の、バッテリー充電状態、放電率、放電までの残り時間などのデータ、プログラミング・コマンド、および他の情報の流れも提供する。同様に、バッテリー・パックのセルを充電するために、ならびに充電器とバッテリー・パックの間のデータ、ソフトウェア・プログラムまたはコマンド、および／または他の情報の流れを可能にするために、コネクタ220はバッテリー充電器の中のコネクタに接続するように構成できる。また、バッテリー・パックとネットワークにも接続される他のコンピュータ、サーバー、プロセッサ、または装置との間の情報の流れを可能にするような通信ネットワークにバッテリー・パックを接続するのにも、コネクタ220が使用されうることは予期される。ネットワークは、例えばイーサネット（登録商標）などの有線ネットワークでもありうるし、無線ネットワークでもありうることは理解されるであろう。ネットワークはローカル・ネットワークでもあり得るし、WLANまたはインターネットなどの広域ネットワークでもあり得る。

例えば一つ以上の発光ダイオード（LED）または同様の装置でありうる状態インジケータ225も、バッテリー・パック200の裏側の端210上に置かれ、例えばバッテリー・パックの充電／放電状態、バッテリー・パックの動作に影響するあらゆる不具合、またはバッテリーの使用者にとって有益となりうる他の情報を視覚表示する。押しボタン230も含まれる；ボタン230は、例えばバッテリー・パックのリセットを開始するために使用することもある。別の態様として、ボタン230は診断テストを開始するのに使用でき、その結果は状態インジケータ225によって表示される。他の実施態様では、押しボタン230は、例えばバッテリーの残存容量の決定や状態インジケータ225の使用を通じた不具合コードの表示などを含むが、それらだけには限定されない、バッテリー・パック内のプロセッサの他の機能を開始することもある。

図5はバッテリー・パック200の展開斜視図である。この展開図におけるバッテリー・パック200は図4Aおよび4Bの図を逆にしたものである。バッテリー・パックは底部筐体234および最上部筐体232を有する。バッテリー・ラッチ236、レバー・ベース238、およびレバー・ラッチ240を有するバッテリー・ラッチ機構は、バッテリー格納部にバッテリー・パックを挿入する時に外側に向くバッテリー・パックの側面に載せられ、底部および最上部筐体によってその場所に保持される。レバー・ラッチ240は、バッテリー・ラッチ236の外面に形成される溝またはスロット243に挿入されるウィング部241を有し、レバー・ベース238は、筐体の中のレバー・ラッチ240を枢動可能に保持するために底部筐体上に載せられる。圧迫ばね254は、バッテリー・ラッチ236の底部の端と最上部筐体232の間に置かれる。突出部255はバッテリー・ラッチ236の最上部の端に置かれ、底部筐体234の厚さ方向に伸びるスロット251を通して突出するように構成される。この方式により、バッテリー格納部にバッテリーを挿入しバッテリー格納部121から取り除くようにバッテリー・パックを取り外すために、バッテリー・ラッチ236はユーザーによって、機械式圧迫装置の中に位置するラッチ・レシーバーに突出部255を係合し外すために、動作しうる。

バッテリー・パックの裏側の端210には、コネクタ220、インジケータ225、およびボタン230が載せられたバッテリー入力ボード242が置かれる（図4B）。入力ボード242は一つ以上のねじ250を用いて底部筐体232に載せられる。入力ボードは、一つ以上のねじ256を用いて最上部筐体252に留めることもできる。幾つかの実施態様では、バッテリー・パックの内側への液体の流入に抵抗するために、耐水性ガスケット262を使用できる。更に、一つ以上のインジケータ225によって提示されうる様々な表示に関してユーザーに情報を提供するためにラベル260を使用しうる。

バッテリーの様々な動作（以下により詳細に説明する）を管理するためにプロセッサ、メモリー、電気回路を載せたバッテリー管理ボード244は、ねじまたは他の留め具258を用いてバッテリー・セル構体246に載せる。バッテリー・セル構体246は一つ以上のバッテリー・セル248を含む。バッテリー・セル248は、例えばニッケル水素、水素化リチウム、リチウムイオンなどの様々なバッテリー科学構造を利用するセルでありうる。バッテリー管理ボード244およびバッテリー・セル構体246は、構体の他の部品との不意の接触から個々のバッテリー・セル248の端子を保護して、それによりバッテリー・セルの短絡回路に対する遮蔽を備えるように、バッテリー・セル構体246の左側および右側に載せられる一対のスプラッター・シールド266も含められる。

バッテリー・パック200は、バッテリー・パックの充電または放電中にバッテリー・セル248によって発生する燃焼または爆発する可能性のあるガスの蓄積を防ぐために、バッテリー・パックの通気を可能にするための最上部筐体の中に置かれることが示されている少なくとも一つの通気口264も含む。最上部筐体の中に置かれることが示されているが、当業者は通気口がバッテリー・パックのいずれの壁面または側面に通してでも置かれうることも理解するであろう。通気口264は、バッテリー・パックの壁面または側面を通して延びる単純な穴でよい。別の態様として、バッテリー・パックの内側への微粒子または液体または湿気の流入を防ぐために、通気口264は、スクリーンまたは疎水性膜などのフィルタリング手段265を含みうる。このような通気口の更なる利点は、バッテリー・パックをより高いまたは低い標高に搬送するときに起こるような、バッテリー・パックの内側と外側の間の圧力の均等化を一つ以上の通気口が可能にすることである。

上記の機械式圧迫装置は、確実動作する電力源を必要とする。緊急時に患者を蘇生させるために、30分以上装置の使用が必要なことは稀ではない。機械式圧迫装置のモーターのトルクおよび電力に対する要求は、圧迫時に電流のピークが70アンペアまで必要なことである。バッテリーにより圧迫を制御するモーターに十分な電流を送ることができないときは、電圧が落ち、モーターは患者の胸部の完全な圧迫を確保するために十分なトルクを生成できないかもしれない。

本発明の発明者らは、バッテリーから常に電力流出する時にバッテリーの長時間に渡る信頼できる動作を確保するためには、極めて低い合計内部抵抗を有することが鍵であることを認識している。高電力を要する装置において有用性が示されてきたこのような一つのバッテリーの化学的性質は、A123 システムズ社が提供するモデルANR26650M1-AまたはANR26650M1-Bリチウムイオン・セルなどの、リチウムイオンの化学的特性を用いるバッテリーである。

図6は、本発明に従うバッテリー・パック300の一つの実施態様を示す概略図である。バッテリー・パック300は、上記のモデルANR26650M1-AまたはANR26650M1-Bなどの、11個のリチウムイオン化学構造セルを含む。それぞれのセルは3.3ボルトを備え、11個のセルは合計36.3ボルトを備えるように直列で接続される。このようなセルを用いると、本発明の原則に従うバッテリー・パックの一つの実施態様は、約3ポンドの重量で製造できる。このようなバッテリーは1550から2000ワットを送ることが観察されており、ピーク電力1800ワットを送ることが好ましい。これは、望ましい重量と電力の比を備える。更にこのような実施形態では、100ワット／時を少し下回るエネルギーを送ることが可能であることも判明している。この例示的な実施態様では11個のバッテリー・セルを使用するが、電力供給対象装置の必要性に応じてより多いまたは少ない数のセルが使用できる。

圧迫装置のモーターを動作させるために必要な電流量を供給するために、本発明者らは、バッテリー・パックの内部抵抗を最小限にするのが重要であることを発見した。従って使用するリチウムイオン（Li-イオン）セルは、好ましくは15ミリオーム未満、更に好ましくはセル当たり12.5ミリオーム未満の低い内部DC抵抗を有するべきである。

Li-イオン・バッテリーは、長時間に亘り機械式圧迫装置を動作するのに必要な電圧および電流を供給することができるが、バッテリーがその望ましい寿命の間に亘り確実に機能し続けることができるように、バッテリーの放電段階および再充電の両方において注意しなければならない。Li-イオンセルは過剰充電または過剰放電すべきでないことは良く知られている。従って本発明の様々な実施態様は、セルの放電および再充電のサイクルを両方監視および制御する能力を含む。これらの実施態様については以下により詳細に論じる。

上記に述べたように、11個のLi-イオン・セル310は、主要電力バス320により直列に接続される。バス320はDC回路では典型的なように、陽極側と陰極側すなわち接地側の両方を有する。バス320は、インターフェース330を通して電気機器（この例では機械式圧迫装置）にバッテリー・セルによって供給される直流を送る。図6に示すように、インターフェース330は7個の接続ピンを有するピン・コネクタである。別の態様として、ソケットを使用することもでき、または7個よりも多いまたは少ない数のピンまたはソケットを用いたピンとソケットの組み合わせを使用することもできる。

バス320の陽極側はインターフェース330のピン7に接続される。同様に、バス320の陰極側はインターフェース330のピン6に接続される。インターフェースのピン1〜5は、バッテリー・パックと電力供給対象装置の間の情報と制御信号の交換を可能にするように、バッテリー・パックの監視および制御に関わる様々な信号を通信するため、並びに電力供給対象装置に通信するために使用される。これらの特徴を組み入れた本発明の様々な例示的実施態様は、以下により詳細に論じる。

再び図6に戻ると、バス320の陽極側は過剰電流状態から回路を保護するためのヒューズ342を含む。ヒューズ342は、例えば、30アンペアのヒューズでありうる。そのような場合には、30アンペアを超えるヒューズ342を通る電流の継続的な流れによりヒューズは開き、バス320によって生成された回路を切り、バッテリー・セルからの電流の流れを停止させる。図示はしていないが、ヒューズを監視し、ヒューズが飛んだ場合にはヒューズが飛んだという信号をパック・コントローラに送る、飛んだヒューズの探知器もある。その後パック・コントローラは、バッテリーが使用に適さないことを示す信号を送りうる。このような信号は例えば、LEDの色の変化または他の状態表示の起動または解除でありうる。別の態様として、パック制御がバッテリーによって電力が供給される機器へ信号を送り、その機器がその後ユーザーに対して、バッテリーがユーザーが使用するのに準備できていないことを示す表示を送ることもできる。

主バス320の陽極側は幾つかのn-チャンネル磁界効果トランジスタ（n-FET）340、350、360も含む。これらのn-FETは回路の切り替えおよび制御を行う。n-FETが使用されるのはバッテリーの合計内部抵抗を最小限にするという設計上の必要性に適合する極めて低い抵抗スイッチを備えるためである。n-FETのもう一つの独特な能力は、損傷を与えることなく、余剰な熱量を生成することなく、高い電流負荷を実施できることである。本発明の様々な実施態様で使用するのに適していると判明しているn-FETの一つの例は、Digi-Key社が提供するモデルIRLS3036である。

典型的な設計では、p-FET素子がスイッチとして使用され、主バスの高い側面に置かれる。しかし、p-FETはn-FET素子の2倍以上のオン抵抗を有する。n-FET素子と同じ電流を扱うには、幾つかのp-FETを並列に繋ぐ必要がある。更に幾つかのp-FETを使用するには、p-FETがオンの間に生成される熱を発散させるためのヒートシンクの使用も必要である。バッテリー・パック内のスペースは限られているので、これは不都合である。

同様に、n-FET素子は通常は、バスの中の電流のオン／オフを切り替えるために、主バスのローサイドで使用される。しかしこの状況におけるn-FETの使用は、バッテリーの接地を壊し、これは回路の中にノイズを発生させバッテリー管理システムの回路の様々な要素間の通信を妨害しうる。従って、本発明ではn-FETスイッチをバスの高い側面に置き、これによりp-FETが使用されるときに起こりうる過剰な熱の発生なしに、バスの効率良い切り替えが可能となる。バスの高い側面にn-FETを置くことは、回路の接地を壊す問題も取り除く。

幾つかの実施態様では抵抗器370および380などの一つ以上の抵抗器を、主バス回路の陰極側すなわち低い側に挿入しうる。これらの抵抗器は、回路を通じて流れる電流の様々な側面を監視するために、主バスをタップする能力を備える。例えば、一つの実施態様では、抵抗器370はセル均衡および1次保護回路の入力データ線を横切って接続されるが、これについては以下により詳細に論じる。抵抗器370の典型的な値は例えば2.5ミリオームである。

もう一つの実施態様では、抵抗器380は「燃料測定器」としても知られる充電状態モニターを横切って接続されることもある。この実施形態では、抵抗器380の値は例えば5ミリオームとなることもある。

セル310のそれぞれは、充電および放電率それぞれを制御するために、充電中および放電中の両方において個々に監視される。一つの例示的な実施態様では、図6に示すように、別個のセル・タップ線390がそれぞれのセルおよびセル監視および均衡回路400に接続される。

1次保護
充電中にそれぞれのセルの電圧は、セルの過剰充電を防ぐために独立して監視される。一つの例示的な実施態様では、例えばO2 マイクロ社が提供するOZ890などのバッテリー・パック保護および監視集積回路（IC）410でありうるマイクロチップ上の監視システムが、様々なセルの充電を制御するために使用される。このような配置においては、セル監視線390は、IC410の代表的なピン入力にポジティブな信号を送る。例えば、セル1はIC410の入力線BC1を用いて監視され、同様にIC410の入力線BC11を用いて監視されるセル11まで続く。

IC410の制御回路がセルの中の不均衡を探知すると、IC410は適当な外部ブリード制御線CB1〜CB11上に信号を送る。図6に示すように、適当な外部ブリード制御線上の信号がn-FET420のゲートに適用される時に、n-FET420のソースとドレイン間およびそれに続き抵抗器430の中を電流が通ることができ、それによりセルをバイパスしセルの充電を停止させる結果となる。図6からわかるように、それぞれのセルを監視しそれぞれ個々のセルの過剰充電を防ぐために、それぞれのセルはそれ自体の専用の抵抗器とIC410と電気的に接続されたn-FETの組み合わせを有する。

セル均衡および１次保護IC410は、幾つかの実施態様ではバッテリー・セル・パックの合計電圧を監視するためにも使用することもできる。例えば、すべてのセルがその最大電圧を達成した時には、n-FET350のソースとドレインの間のチャネルを開き、それにより主バス回路320を開くために、IC410はn-FET350のゲートに低信号を送ることができる。これにより、セルを通る電流の充電は終了し、それにより充電プロセスが停止する。

同様に、IC410はバッテリーの放電中にセル両端の電圧を監視する。セル両端の電圧が例えば21ボルトなどの閾値レベル未満に低下する時、IC410は信号線450の信号を低くし、それによりn-FET360が閉じ、主バス回路が遮断される。これによりセルの充電を過剰に取り除きバッテリーの寿命を短縮しうることによって起こりうるバッテリー・セルへの損傷を防ぐ。

IC410は加熱を防ぐためにバッテリー・パックおよび／または個々のバッテリー・セルの温度を監視するように設計された温度測定能力も含みそれを制御することもある。この実施態様では、信号線470を通してIC410に温度信号を送るために一つ以上のサーミスタ460を使用する。IC410がバッテリーの温度が高すぎるか低すぎると判断する場合は、IC410はN-FET350および360の何れかまたは両方を低くし、主バス320を開きバッテリー・パックを隔離できる。単一の信号線470のみが明確性を期するために示されているが、IC410と通信する温度監視回路で使用されるすべてのサーミスタの機能を監視するために、回線470は適当数の導体を含む。

IC410は更に、LED490を発光させるために使用されうる不具合信号を信号線480上に送ることにより、不具合状態の視覚表示を行える。1次保護回路によって感知される不具合状態のこの視覚信号は、バッテリー・パックがIC410によって機能しない状態になったこと、およびバッテリー・パックの修理または維持管理が必要でありうることを示す。

2次保護
本発明の幾つかの実施態様は、壊滅的な不具合に対する2次的保護または過剰電圧保護も含みうる。このような2次的保護は、バッテリー・パックの電圧および／または主バスを通る電流の流れを監視し、特定の電流または電圧の閾値を超える時に処理を行うように設計された様々な回路によって備えられる。一つの実施態様では、このような保護は、例えばO2マイクロ社が提供するOZ8800などの集積回路500によって備えられうる。バッテリー・パックに使用されるセルの数によって複数のIC500が必要になるかもしれないことを当業者は理解するであろう。例えば、OZ8800の2次的レベルバッテリー保護集積回路は3個から7個の個々のセルを監視できる。従って、11個のセルを使用する場合には、2個のOZ8800が必要となる。

IC500は監視線312を通してそれぞれのセルの電圧を監視する。幾つかの実施態様では、一時的な電圧過剰状態が存在するように時間遅延を利用できる。電圧が許容可能な範囲まで再び低下しなかったので時間閾値を超える場合は、IC500はn-FET340を切るためにn-FET340に不具合回線510を通して低信号を送る。それぞれのセルは同様の回路によって監視される。

それぞれのn-FETのゲートに正の電圧が適用されない場合には上記のn-FETは通常はオフ状態にあることは図6から明らかであろう。従って、ゲートのn-FETの閾値未満のレベルまで電圧を低下させるいかなる不具合も、n-FETを開かせ、セルおよびバッテリー管理回路に更なる保護を与える。

燃料測定
本発明のもう一つの実施態様ではバッテリー・パック中に残存する有用な充電量を監視する「燃料測定」機能を含む。このような燃料測定機能性は、使用時間、放電率、およびバッテリーの温度に基づき使用および待機状態のための残余バッテリー容量を計算するなど、様々なタスクを実行するよう設計された集積回路を用いて具備される。このような回路はまた、ほぼ完全な充電状態からほぼ完全な放電状態までの放電サイクルのプロセスにおける真のバッテリー容量も決定しうる。

図6はこのような燃料測定回路600の一例を示す。バッテリー・パックの監視は、テキサス・インストラメンツ社が提供するbq2060Aのような集積回路610を用いて達成される。IC 610は外部EEPROM620と連結して作動する。EEPROM620は、バッテリー・セルで使用した化学構造、バッテリーの自己放電率、様々な率補償因子、測定値較正、およびバッテリーの設計電圧および容量などのIC610の構成情報を保存する。これらの設定はすべて様々なバッテリーの種類にシステムが使用できるように変更可能である。更にIC610は裏側バス回路630を通して中央プロセッサおよびメモリーと通信できる。この方式では、システム内に含まれる他の回路によって探知および同定されるか、またはユーザーによって手作業で同定される異なる種類のバッテリーを収容するために、中央プロセッサからの制御信号を用いて、IC610およびEEPROM620が構成されうる。代替的な実施態様では、この機能を実施するのに必要なアルゴリズムを実行するためのパック・コントローラおよび燃料測定の動作を制御するソフトウェアに埋め込まれた適切な制御コマンドを用いて、低電流引き込みの場合に燃料測定の報告正確性を高めるために、IC610はパック・コントローラと共に作動する。

一般的に充電入力量またはバッテリー・セルから取り除かれた量を監視することにより完全な充電バッテリー容量を、またいかなる時点における残余容量を求めるために、IC610によって実行される燃料測定機能はIC800と連結する。更に、IC610は抵抗器380を通して探知されるバッテリーの電圧、バッテリーの温度および電流を測定する。IC610はまた、幾つかの実施態様では、バッテリーの自己放電率を推定し、バッテリーの低電圧閾値も監視しうる。説明されるように、(直列に接続されたセルの）第1のセル310の負極とバッテリー・パックの負極の間に位置する抵抗器380を横切る電圧を監視することにより、IC610はバッテリーの充電および放電量を測定する。利用可能なバッテリー充電は、この測定された電圧と測定値を環境および動作上の条件について補正することから決定される。

IC610は、上記の推定および補正を実行するためにバッテリー・パックの温度も測定しうる。一つの実施態様では、バッテリー・パックの一つ以上のセルの温度が測定できるような方式で、バッテリー・パックの一つ以上のセルの近くにサーミスタ640を載せる。一つ以上のセルの温度が測定される間にサーミスタ640にバイアス電圧ソースを接続するために、信号線660を通して適切な信号を送ることにより、IC610はn-FET650のゲートを高くする。測定が完了すると、IC610はn-FET650のゲートを低くして、n-FETを開くことによりサーミスタ640をバイアス・ソースから切り離す。

IC610は、バッテリーに残る報告された充電量が正確になるように、バッテリーを充電する毎にリセット可能である。以下により詳細に説明するバッテリー・パック監視回路またはパック・コントローラ800は、n-FET680のゲートを高くするためにリセット線670を通して信号を送る。これにより電流はn-FET680を通じて流れ、IC610のバッテリー容量カウンターをリセットするためにリセット信号がIC610に送られる。

もう一つの実施態様では、IC610は、IC610またはEEPROM620の中に保存されたパラメータへの不正アクセスを防ぐ封印／封印解除機能を含みうる。パック・コントローラ800は、n-FET690のゲートを高くさせる信号を信号線680を通じて送り、それによりFETが閉じてIC610とEEPROM620の間をコマンドおよびデータが流れるようになりうる。このようなデータは例えば更新された較正情報などを含みうる。代替的な実施態様では、n-FET690を必要としないでIC610およびEEPROM620を制御するようにパック・コントローラからのソフトウェア・コマンドのみを用いて、IC610とEEPROM620の間のデータの流れを制御しうる。

パック・コントローラ
本発明のもう一つの実施態様では、バッテリー管理システムは、バッテリー管理システムが実行する様々な機能の全般的な監視装置としての役割を果たすパック・コントローラ800を含む。パック・コントローラ800は典型的には集積回路であるが、バッテリー・パックの範囲内で利用可能なスペース量によって、同じ機能を実行する離散回路を使用することもできる。

例えば、パック・コントローラ800は、テキサス・インストラメンツ社が提供するMSP430F2418混合信号制御器などの低または超低電力マイクロ制御器でありうる。バッテリー管理システムの様々な機能を迅速且つ効率良く実行するために、このような制御器は、無作為アクセスメモリーまたはフラッシュ・メモリーなどのメモリーを含みうる。パック・コントローラ800は、裏側バス630および前面側810などの一つ以上の通信バスを通して、周辺装置、回路、またはメモリーと通信する能力も有する。通信バスは典型的には、例えばI2Cバス（フィリップス社の商標）またはシステム管理バス（SMBus）などの通信プロトコルを使用する。SMBusは以下により詳細に説明する。

パック・コントローラ800の機能をプログラムするために適当なソフトウェア・コマンドが使用される。このようなソフトウェアは、例えばSMBusインターフェースなどの通信プロトコル・インターフェースを構成するコマンドを含む。ソフトウェアは、通信線810、820、822、裏側バス630、前面側バス810、および検知線824、並びに図示されていないか、または将来追加されうる他の通信回線を通じてそれが利用できるようになる不可欠なバッテリー・パック・パラメータを監視するためのパック・コントローラも構成する。

パック・コントローラ800は、適当にプログラムされると、例えばイベント記録装置EEPROM900などの一つ以上のメモリー装置とも通信する。このような記録媒体は、例えば全充電量、全放電量、バッテリー・セルの温度、発生するあらゆる不具合、またはバッテリーの動作を管理および制御するために使用される個々のバッテリー・セルおよび／または様々な回路に関係する他の情報などの、バッテリー・パックの充電および放電サイクル中に発生する様々な事象歴を保存するのに使用できる例えば64キロバイトであるがこれに限定されないメモリーを有する。

パック・コントローラ800は、例えばEEPROM1000などのメモリーおよび／またはプロセッサと通信するようにもプログラム可能である。図6に示される例示的な実施態様では、EEPROM1000はバッテリー・パックによって電力を供給される機械式圧迫装置の中に位置するか、またはバッテリー・パックの中に組み込まれてバッテリーによって電力を供給される装置によってアクセスされるように構成されうる。この例ではパック・コントローラ800は、機械式圧迫装置の中にあるEEPROM1000および／またはプロセッサと前面側バス810を通じて通信し、このバスがコネクタ330を通して機械式圧迫装置の中の類似のバスにアクセスする。この方式により、バッテリー・パックと、バッテリー・パックによって電力を供給される装置との間に双方向通信接続が確立されうるようになり、バッテリー・パックと電力供給対象装置との間の情報交換が可能になる。例えば、更新したソフトウェアを含む更新した動作パラメータまたはコマンドは、バッテリー・パックが電力供給対象装置と通信を行う状態になったときに、電力供給対象装置からバッテリー・パックにロードされうる。同様に、イベント記録装置EEPROM 900の中に含まれる情報は、EEPROM1000、またはバッテリー・パック中に存在するメモリーの何れかから裏側バス810を通じて通信するように構成された如何なる他のメモリー（携帯メモリー装置など）へも送信されうる。

この通信能力によって、バッテリーによって電力が供給される装置以外の装置ともバッテリーが通信できることは理解されるであろう。例えば、典型的には、バッテリー・パックは再充電のため、電力供給対象装置からは取り除かれる。バッテリー・パックがバッテリー充電器に接続されると、メモリーまたはバッテリー・パックのメモリーから情報を検索し、および／または更新されたデータ、情報、プログラミング・コマンド、またはソフトウェアを前面側バス810を通じてバッテリーに送信するために、バッテリー充電器は使用されうる。この通信プロセスは典型的には、充電器中にあるプロセッサまたは他の装置とバッテリー・パックのパック・コントローラ800の間で交換されるSMBusプロトコルなどの通信を可能にするために使用される通信プロトコルに規定された様々なハンドシェーキング通信ダイアログを用いて管理されるであろう。幾つかの実施態様では、電力供給中の装置が外部電力供給にも接続されている場合には、バッテリーを電力供給対象装置に挿入するとき、バッテリーはトリクル充電もされうる。

本発明の更に他の実施態様では、バッテリー・パックがいつバッテリー充電器または機械式圧迫装置などの電力供給対象装置に挿入されるかを認識する、パック・コントローラ800に管理された能力を含みうる。例えば、バッテリー・パックが電力供給対象装置に適切に搭載されたことを示すために検知回路1100が信号線824を通してパック・コントローラ800に適当な信号を送る時のみ、IC410およびIC500に信号を送りn-FET340、350、360のゲートに高信号を送ることによりこれらのスイッチを閉じてそれによりコネクタ330の陽極および陰極ピンに完全なバッテリー電圧を供給するように、パック・コントローラ800は適切なソフトウェアおよび／またはハードウェアを用いて構成可能である。

一つの実施態様では、パック・コントローラ800は、バッテリーが充電器または電力供給対象装置に適切に挿入されたときに閉じられる機械的スイッチまたはインターロックに接続された回線を監視する。もう一つの実施態様では、パック・コントローラ800はバッテリーコネクタの一つ以上のピンに接続された信号回線を監視する。この信号回線を通して適当な信号が受信された時に、パック・コントローラ800は、バッテリーが充電器または電力供給対象装置に挿入されたことを判断し、上記の通りn-FET340、350、360のゲートに高信号を送る。この実施態様に特に利点があるのは、特定の信号が受信された時のみ反応するようにパック・コントローラ800をプログラムでき、それによりn-FET340、350、360のゲートに高信号を送る前にバッテリーを収納するように設計された充電器または電力供給対象装置の特定の種類または型にバッテリーが挿入されることを保証できることである。

これらの実施態様には、コネクタ330の正極および負極を通る偶発的短絡回路発生時におけるバッテリーの放電が防がれるという利点がある。バッテリー・パックのセル中に保存されるエネルギー量を考慮すると、このような放電は壊滅的になる可能性がある。従ってこの実施態様では、検知回路1100に適当な信号を送るように構成された装置の中にバッテリー・パックが適切に搭載されなければバッテリー・パックのコネクタ330の正極および負極の間に電圧はなく、それによりバッテリー・パックが充電器または上記の機械式圧迫装置などの電力供給対象装置に接続されていない時のバッテリー・パックの安全な扱い、保存、搬送が可能になる。

パック・コントローラ800は、EEPROM900および620中に保存された設定およびパラメータの変更を可能にするパスワード・アクセスを備え、不具合発生時においてLED490を駆動させるための適当な信号を送るようにもプログラムされうる。バッテリー管理システムに追加機能を備えるように、適当なソフトウェアおよび／またはハードウェア・コマンドを用いて構成される追加的能力も含めることができる。例えば、このような機能は、バッテリーに残存する合計充電量を示すディスプレイを駆動させることなどを含められる。特にパック・コントローラ800がMSP430F2418（またはこの一群の制御器に含まれる別の制御器）であるときに、パック・コントローラ800に組み込むことができる様々な能力のより詳細な説明は、テキサス・インストラメンツ社が提供する「MSP430F241x、MSP430F261x混合信号マイクロ制御器」と題する文書SLAS541F−2007年6月；改訂2009年12月−に含まれており、この文書全体を本文書では参考文献として挙げる。

スマートバス通信
以下で明らかにされる通り、本発明の様々な実施態様に組み込まれる様々なプロセッサおよび集積回路および論理システムは、前面側バス320および裏側バス630を通じて互いに通信する能力を有するため一つの統合システムとして機能することができる。幾つかの実施態様では、これらのバスを通じる通信はシステム管理バス（SMBus）仕様を用いて実行される。SMBusは、IC410、IC610、2次的保護システム500、事象保存装置900、EEPROM1000、パック・コントローラ800、およびその他の回路などの様々なシステム要素チップが互いに、およびシステムの残りの部分と通信できるようにする2線インターフェースである。SMBus仕様に関する更なる情報は、「システム管理バス（SMBus）仕様バージョン2.0」−SBS実行者フォーラム2000年8月3日−に含まれており、この文書全体は本文書では参考文献として挙げる。

ブースト回路
発明者らは、本発明の幾つかの実施態様において、n-FETを閉じさせるのに必要な電圧が、バッテリー・パックから利用可能な電圧を超えることを観察してきた。例えば、10ボルトのバイアス電圧を要するn-FETを用いると、バッテリーを充電または放電するためにn-FETを適当な電圧が通るようにするのに十分なほどn-FETを駆動させるためのバッテリー電圧が、バイアス電圧の駆動電圧に加えてn-FETには必要である。従って、バッテリー・セルによって供給される電流をn-FETが伝導できるようにするために、n-FETのゲートに供給される電圧を上げるための電圧ブースト回路が含まれる。

当業者は、本発明におけるn-FETの使用によってブースト回路などの複雑な回路が必要になることを理解するであろう。このような複雑性はp-FETの使用によって取り除くことができる。しかし、単一のn-FETによって処理できるのと同じ電流を処理するには幾つかのp-FETが必要かもしれないので、p-FETの使用は不利であることが明らかになっている。更に、複数のp-FETの使用により生成される熱のため、熱を発散させるための一つ以上のヒートシンクを追加する必要があるかもしれず、これにより小型バッテリー内で利用可能な以上のスペースが必要となりうる。その上、p-FETはn-FETの少なくとも2倍のオン抵抗を有することが良く知られており、これによりバッテリー・パックの全般的内部抵抗が増加するであろう。

図7は、n-FET340、350、360（図6）のゲートにブースト電圧を送ってn-FETが電流を伝導するようにn-FETをオンにするように設計された回路の実施態様を図示したものである。図7のブースト回路は、n-FET340、350、360に電力を供給しオンにするのに必要なときに適当な電圧を確実に利用可能にするための特定の機能を実行するよう設計された幾つかの機能的モジュールを含む。

Vブースト早期検知モジュールは、Vブースト供給モジュールから利用可能な電圧を監視し、n-FET340、350、360をオンにするのに必要なときにQ102をオンにするためにp-FET Q102のゲートに信号を送る。Q102は例えばインフィネオン・テクノロジー社が提供するモデルBSS84PWなどのp-チャネル装置である。Vブースト早期検知回路は、Vブースト電源によって生成される電圧レベルを監視し、回線VBST上の電圧レベルが安定して予め選択された閾値を超える場合にのみ信号をQ102に送る。一つの実施態様では、その閾値は46〜49ボルトの範囲にある。

1.207ボルトの基準電圧は、例えばテキサス・インストラメンツ社が提供するモデルTPS3806I33などの調整可能なヒステレシスを有する電圧検知機であるIC U102によって、137,000オーム抵抗器R105および3.01メガオーム抵抗器R106によって供給される分圧器を通して供給される。

IC U103は、n-FET 340、350、360をオンにするのに必要な電圧ブーストを供給するブースト変換器である。U103として使用するのに適切な集積回路の一例は、マキシム・インテグレーテッド・プロダクツのMAX16505EUT-Tとして利用可能である。電圧は、VbCommによってU103のピン2に5ボルトで供給される。この電圧は、ネットB+Fにも供給される。VbCommは、マキシム・インテグレーテッド・プロダクツのモデルMAX6330LUR+Tとして利用可能な精確シャント調節器である、U106への電圧入力データとしても利用される。U106の出力はU102にフィードバックされ、U102は、電圧を安定化させるために回路のヒステレシスを制御する。

158,000オーム抵抗器R161および2.0メガオーム抵抗器R162によって供給される分圧器は、U103が予定電圧を決定するのを助ける。U102はヒステレシスを制御するためにR105およびR104を用いてR106を通る電圧のサンプリングをする。U102は、電圧が例えば17ボルトでありうる範囲内にあるかをチェックする。これにより、検知された17ボルトの電圧はVbCommよりも17ボルト上回ることを意味し、これは典型的にはバッテリーまたはゲート・ソースの電圧よりも5ボルト低い範囲にある。完全に充電されたバッテリーでは、例えば、VbCommは31〜32ボルトの範囲となる。

U102が電圧がVbCommを少なくとも17ボルト上回ることを感知すると、U102の出力であるピン1が切り替わり高くなって、n-FET Q101のゲートを駆動させるが、この一例は、フェアチャイルド・セミコンダクター社が提供するモデル2N7002Wでありうる。Q101のゲートが上げられると、電流がQ102のゲートまで流れ、それによりQ102がオンになり、回線VBSWまで電流を流れさせ、n-FET 340、350、360のゲートを駆動させる。

電圧VbCommは、電流シンク・モジュールを用いてバッテリー電圧から電圧を5ボルト引き下げることにより、電圧から発生させる。電流シンク・モジュールは一般的に、基準電圧辺りで閉ループを用いてバイポーラトランジスタに連結したオペアンプを含む。図10に示される回路では、基準電圧2v500は1.0メガオーム抵抗器R165と1.0メガオーム抵抗器R169によって分圧され、オペアンプU104の陽極入力データに供給される1.25ボルトの基準電圧を供給する。例えばU104は、マイクロチップ・テクノロジー社が提供するモデルTC1035ECHTなどのオペアンプである。U104の出力は10.0キロオーム抵抗器R174を通してQ117のゲートを駆動させ、Q117をオンにしてそのコレクターを引き下げて、抵抗器R163を通して正確に1.25ボルトを発生させる。電圧がR163を通して正確に1.25ボルトまで上昇すると、ループは閉じて、U104は電圧を正確に1.25ボルトに保つように調整を始める。オームの法則を用いると、これは制御された2ミリアンペアの電流をVブースト電源モジュールの入力データに供給することがわかり、これは回路のコンデンサが一旦完全に充電されるとVブースト回路に電力を供給するのに十分である。

再びVブースト電源モジュールに言及すると、Vブースト電源の一つの問題は、Vブースト電源が全速力で稼動する前にコンデンサの充電が必要なことである。従って、図7の回路は、Vブースト電源を始動させるために供給機器に余分な電流を供給するためのVブースト・キックスタート・モジュールを含む。1次保護回路プロセッサ410（図6）から生じる、充電信号CHGまたは放電信号DCHGの何れかでありうるVブースト稼動信号がQ118（ダイオード社が提供するモデル2N7002DWなどの二重チャネルn-FET素子）をオンにすると、それにより、U104のピン5に高信号が供給されるように、Q119（例えばダイオード社のモデルBSS84Wとして利用可能なp-チャネルMOSFET）がオンになる。この高信号はU104をオンにして、その出力はQ117を通して送り込まれ、Q117のピン3から2ミリアンペアの電流を供給する。

しかし、プロセッサ410（図6）が充電または放電を要求するときでも、バッテリー・パックがバッテリー充電器または電力供給対象装置に挿入されていないときなど、パック・コントローラ800はCHGまたはDCHG信号を無効にする必要がありうる場合がある。このような場合には、パック・コントローラ800はダイオードD116を通して回線/SHDN上に信号を送り、Vブースト電源がオンにされないようにU104への入力データ回線を低く保持する。/SHDN回線が高くなると、U104はVブースト電源をオンにする。

別の態様として、パック・コントローラ800はFETオーバーライド回線827を通じてIC410へ信号を送りうる。このような信号はIC410を制御し、IC410がCHGまたはDCHG
信号をQ118へ送ることを防ぎ、それにより、Vブースト電源がオンにされないようにU104への入力データ回線が低く保たれることを確実にする。

しかし、Vブースト電源が最初にオンにされるとき、回路のコンデンサが完全に充電されるまでかなり大きい負荷がある。Vブースト電源を始動させてそれが完全に稼動状態になるまでオフラインに保つか、またはVブースト電源が適切に作動するまでVブースト電源に電流の増加量を補い始動プロセスを加速化することにより、この問題は解決しうる。

抵抗器R102は、Q117のピン3で電流シンク・モジュールが接続されるのと同じ回路のポイントを引く。CHGまたはDCHG信号がQ118およびQ119をオンにするとき（回線/SHDN上にオーバーライド信号がない場合）、電流および電圧は抵抗器R171およびコンデンサC131を通って、Q103（フェアチャイルド・セミコンダクター社が提供するモデル2N7002Wなどのn-FET）のゲートまで流れる。この電流はQ103をオンにして、そのモジュールのコンデンサを迅速に充電するために、プルダウン抵抗器R102を通ってVブースト電源まで約30ミリアンペアの電流が流れるようにする。C131およびR171は、Vブースト・キックスタート電流が供給される持続時間を制御するRCタイミング回路を形成する。この実施態様では、C131は1.0/10ボルトのコンデンサであり、R171は10,000オーム抵抗器である。C131が完全に充電されると、回線を通る電流の流れは止まり、Q103のゲートはオフにされ、それによりそれ以上電流がR102を通って流れないようになり、Q117のピン3からVブースト電源までの回線上を流れる電流は2ミリアンペアに戻る。

図8は本発明のもう一つの実施態様の例示的回路を示す。この実施態様では、オペアンプU104は、DigiKey社が提供するMCP604T-I/otによって置き換えられる。このモデルのオペアンプを用いると、回路は図に示されるように変更され、幾つかの要素が取り除かれる。1次保護回路プロセッサ410（図6）から生じる、充電信号CHGまたは放電信号DCHGの何れかでありうるVブースト稼動信号がQ118をオンにすると、それにより、Q119がオンになり、U104のピン5に高信号が供給される。この高信号はU104をオンにして、その出力はQ117を通して送り込まれる。この実施態様では、Q117のピン3で供給される電流は2.5ミリアンペアである。この実施態様では、/SHDN回線がなく、要素D116、R166、およびR167は不必要であることに留意する。

図8aは、本発明のこの実施態様の回路への追加的変更を示す。図示されるように、DigiKey社が提供するモデルZxmp10A13ftダイオードでQ102を置き換える。更に、R108の値を510キロオームに変更し、C124は10ボルトのコンデンサであり、C119および1000
pFコンデンサが回路に追加される。

上記の回路の様々な実施態様は、バッテリー・パックの内部抵抗を可能な限り低く維持しながら、n-FET電力トランジスタの使用によってバッテリー・パックへ出入りする電流の流れを制御するという点で利点がある。この方式によるn-FETの使用は、必要な電力容量を供給する一方で、電力供給および制御の対象となる複雑な回路を必要とすることも、当業者には明らかであろう。しかし、前記の通り、このようなn-FETの使用では、単一のn-FETを使用して大量の電流を制御することができ、これを使用しなければ同じ目的を達成するために複数のp-FET素子が必要とされる。p-FETには、それが生成する熱を発散させるための大型ヒートシンクも必要である。これらすべての要因の結果として、通常利用可能なよりも大きいバッテリー・パックの余地を回路が必要とする。従って説明されてきた本発明の様々な実施態様は、サイズおよび電力処理能力の代償として回路の複雑性を有する一方で、バッテリーのより効率的な充電および放電を可能にするために内部バッテリー抵抗を最小限にして、またバッテリー、電力供給対象装置、およびシステムのユーザーを保護するための他の有利な機能および安全機構も備える。

上記で本発明の様々な実施態様を論じる際に、抵抗器、コンデンサ、および他の要素の特定の値を挙げている。しかし、回路設計者の目的を達成するには例えば他の抵抗および電気容量の組み合わせが使用可能であり、それらは本発明の予期される範囲内にあることを当業者は直ちに理解するであろう。

本発明の幾つか特定の形態を示し説明してきたが、本発明の精神および範囲から逸脱することなく様々な変更が可能であることは明らかであろう。

Claims (16)

1. ハイサイドn-チャネルMOSFETを駆動するためのブースト・システムであって、
   n-チャネルMOSFETのゲートにブースト電圧を供給するように構成されたブースト変換器と、
   前記ブースト変換器に第1の電流を供給して前記ブースト変換器に電力を供給するブースト変換器用電源と、
   前記ブースト変換器へ第2の電流を供給するための第2のブースト変換器用電源であって、
   該第2の電流は前記第1の電流よりも大きく、該第２のブースト変換器用電源は、前記ブースト変換器の始動から、該ブースト変換器の出力が所定の電圧レベルに達するまで所定の時間に亘り作動することを特徴とする第2のブースト変換器用電源と、
   を含むことを特徴とするブースト・システム。
2. 前記ブースト変換器の前記出力を監視するための電圧監視回路を更に含むことを特徴とする請求項1に記載のブースト・システム。
3. 前記ブースト変換器と前記n-チャネルMOSFETの前記ゲートの間に配置されたスイッチを更に含み、
   該スイッチは、該ブースト変換器の前記出力が所定の閾値を超えて安定していると前記電圧監視回路が決定するときに該電圧監視回路からの信号に反応して該n-チャネルMOSFETの該ゲートに電圧を供給する
   ことを特徴とする請求項2に記載のブースト・システム。
4. 前記第1の電流が約2ミリアンペアであることを特徴とする請求項1に記載のブースト・システム。
5. 前記第2の電流が約30ミリアンペアであることを特徴とする請求項1に記載のブースト・システム。
6. 前記第2のブースト変換器用電源は、所定の時間に亘り該第2のブースト変換器用電源からの電流の流れを供給するRCタイミング回路を含む
   ことを特徴とする請求項1に記載のブースト・システム。
7. 前記第2のブースト変換器用電源は、プルダウン抵抗器、スイッチ、およびRCタイミング回路を含み、該プルダウン抵抗器は、前記第1のブースト変換器用電源の前記出力に接続される
   ことを特徴とする請求項1に記載のブースト・システム。
8. ブースト稼動スイッチを更に含み、
   該ブースト稼動スイッチはプロセッサからの信号に反応して前記第1および第2のブースト変換器用電源をオンにする
   ことを特徴とする請求項1に記載のブースト・システム。
9. 前記電圧監視回路が該回路のヒステリシスを監視するための手段を含む
   ことを特徴とする請求項2に記載のブースト・システム。
10. 前記第1の電流が約2.5ミリアンペアである
    ことを特徴とする請求項1に記載のブースト・システム。
11. 請求項1に記載のブースト・システムを利用する小型の高電力バッテリー。
12. 前記バッテリーが3ポンド以下の重量を有する
    ことを特徴とする請求項11に記載の小型の高電力バッテリー。
13. 前記バッテリーが0.06ポンド／ワット時と0.03ポンド／ワット時との間の重量対エネルギー比を有する
    ことを特徴とする請求項11に記載の小型の高電力バッテリー。
14. 前記重量対エネルギー比が約0.0357ポンド／ワット時である
    ことを特徴とする請求項11に記載の小型の高電力バッテリー。
15. 前記バッテリーが0.002ポンド／ワットと0.0015ポンド／ワットとの間の重量対電力比を有する
    ことを特徴とする請求項11に記載の小型の高電力バッテリー。
16. 前記バッテリーが約0.00167ポンド／ワットの重量対電力比を有する
    ことを特徴とする請求項11に記載の小型の高電力バッテリー。

Images