JP2017085887A - 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 - Google Patents

Abstract

【課題】バッテリー・パックの充電および放電を監視および制御するためのバッテリー管理システムを有するインテリジェント型充電可能バッテリー・パックを提供する。
【解決手段】
本発明に係るバッテリー管理システムは、バッテリーの充電および放電を監視するための１次および２次保護回路を含む。バッテリー・パックを形成する個々のバッテリー・セルは、主バスによりコネクタに接続されてバッテリー充電器または電力供給対象装置に接続されており、主バスはバッテリー管理システムによって制御されるスイッチにより遮断されて主バスバッテリーの充電または放電中にバッテリーへの損傷を防ぐことができる主バスを構成する。
【選択図】図４Ａ

Description

本出願では、２０１１年８月１０日に提出された米国仮出願第６１／５２２，１９２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「バッテリー保持用ラッチ機構」提出日；米国出願番号「ＭＯＳＦＥＴブーストシステム搭載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、これらは参考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。

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は、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力供給機器が必要なことである。しかし、このような必要性は、上記の装置のような機械式圧迫装置に限られない。軽量の電力供給機器を必要とする多くの医療装置があり、この機器は典型的にはバッテリーであり、長い時間装置に十分なエネルギーを供給することが可能でなければならない。更に、医療装置の搬送性を高めるために電力供給機器は比較的軽量でなければならないが、その装置が使用されている全期間に亘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。

最新のバッテリーは、典型的には、バッテリーの動作を管理するよう設計された追加の電子回路またはバッテリー管理システムを必要とする。このようなバッテリー管理システムは、バッテリーの内部抵抗を著しく増加させることなくバッテリーの充電および放電を含め、バッテリーの動作を監視できなければならない。更に、バッテリー管理システムは、バッテリー技術の進化に伴う種々のバッテリーの化学的特性に対応可能であることも必要である。これを達成するために、バッテリー管理システムは、バッテリーの寿命期間中に起きる事象（イベント）を記録するための十分な処理能力およびメモリー容量を有する必要もあり、これらの事象に関係するデータの解析および／または解析のための集中型または分散型のサーバーシステムへのそれらのデータの通信が可能でなければならない。また、バッテリー管理システムには、バッテリー、バッテリーによって電力が供給される装置、バッテリーまたは電力供給対象装置のユーザーを、起こりうる様々な環境上または操作上の要因から保護するように設計された様々な安全関係のシステムも含まなければならない。本発明はこれらの要件および他の必要性を充たす。

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の化学的特性も管理することができる。

一つの態様では、本発明のバッテリー管理システムは、セル間の電圧不均衡を防ぐためにバッテリー・パックのそれぞれのセルの充電を監視する回路を含む。それぞれの個々のセルから余分な電荷をブリードオフするように構成されたブリード回路も含まれる。

もう一つの態様では、バッテリー管理システムは、バッテリー・パック中のそれぞれのバッテリー・セルの充電および放電を監視する１次保護回路を含む。不具合が観察されると、１次保護回路は、バッテリーからの電流を遮断するために、一つ以上のｎ−ＦＥＴ素子のゲートを駆動させて該バッテリーの主バスを開かせるための信号を提供する。

更にもう一つの態様では、バッテリー管理システムは、過電圧または過電流状態についてバッテリー・パックのセルを監視するための壊滅的不具合に対する保護を含む。不具合が感知されると、バッテリーからの電流を遮断するために、一つ以上のｎ−ＦＥＴ素子のゲートを駆動させバッテリーの主バスを開かせるための信号が提供される。

更に他の一つの態様では、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を監視し、保存された情報および現在の情報に基づきバッテリー・パックから利用可能な電荷の推定量に関連する値を決定するガス測定機能（ｇａｓ ｇａｕｇｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎ）も含む。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提供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ていないときにはバッテリー端子間の電圧がゼロになり、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恐れのある端子の不意の短絡を防ぐ。

更に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みうる。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・ストレージまたは装置と通信するように構成可能である。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できるだけでなく、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もネットワークを通じて通信するようにも構成可能である。このネットワークは有線でも無線でもよい。

もう一つの態様では、本発明は、装置に電力を供給するためのバッテリー・パックであって、正極端子と負極端子を有する再充電式セルと、前記再充電式セルの前記正極端子をバッテリー・パック・コネクタの陽極コネクタに接続させ、また該再充電式セルの前記負極端子を該バッテリー・パック・コネクタの陰極コネクタに接続させる主バスと、前記再充電式セルと電気通信するバッテリー管理システムとを含み、前記バッテリー管理システムは、前記セルの充電状態に関係する入力データを監視するためのプロセッサと、前記セルの前記正極端子と前記バッテリー・パックの前記陽極コネクタの間の手前側バスの中に配置されたスイッチであって、該セルの充電状態に関係する前記入力データに反応して前記プロセッサによって生成される信号に反応して該セルの充電または放電を制御することを特徴とするスイッチを含むことを特徴とするバッテリー・パックである。

一つの代替的な態様では、スイッチはｎ−ＦＥＴ素子である。もう一つの代替的な態様では、前記第１の再充電式セルと直列に接続された第２の再充電式セルと、前記プロセッサと電気通信する監視回路とを、更に、含み、前記監視回路は、前記第１および第２の再充電式セルの電圧を監視してそれぞれの再充電式セルについての信号を前記プロセッサに送り、該信号はそれぞれのセルの負極端子および正極端子の間で測定された電圧レベルを表し、前記監視回路は、第１のブリーダー回路へ該第１の再充電式セルを接続する第１のスイッチを含み、前記第１のスイッチは、前記プロセッサからの過剰電圧信号に反応して該第１のスイッチを閉じて前記第１の再充電式セルの過剰充電を防ぎ、前記監視回路は、更に、第２のブリーダー回路へ前記第２の再充電式セルを接続する第２のスイッチを含み、前記第２のスイッチは、前記プロセッサからの過剰電圧信号に反応して該第２のスイッチを閉じて前記第２の再充電式セルの過剰充電を防ぐことを特徴とする。

もう一つの態様では、前記バッテリー・パックの温度を監視するため、および該バッテリー・パックの温度に関する信号を前記プロセッサに送るための温度監視回路を、更に、含み、前記プロセッサは、前記温度信号を受信し解析して前記バッテリー・パックの温度が予め選択された温度範囲内にあるかを判断し、かつ、該バッテリー・パックの温度が予め選択された温度範囲内にないときは、該プロセッサは、前記スイッチに対して、前記セルの正極端子を該バッテリー・パックの陽極コネクタから切り離す信号を送ることを特徴とする。

またもう一つの態様では、前記バッテリー・パックから利用可能な充電量であって、装置に電力を供給できる充電量の表示を備えるための充電状態監視回路を、更に、含むことを特徴とする。更にもう一つの態様では、前記プロセッサと電気通信するバッテリー・パック隔離回路を、更に、含み、前記バッテリー・パック隔離回路は、バッテリー・パックのコネクタがバッテリー充電器または電力供給対象装置に接続されていることを示す接続信号を前記プロセッサに送るよう構成され、前記プロセッサは、前記接続信号に反応して、前記スイッチに対して、該スイッチを閉じて該コネクタの正極および負極の間に電圧を供給する信号を送ることを特徴とする。

またもう一つの態様では、前記バッテリー・パック隔離回路は、バッテリー・パックのバッテリーコネクタがバッテリー充電器または電力供給対象装置に接続されているときには閉じた状態を有する機械的スイッチを含み、前記プロセッサは、前記機械的スイッチの閉じた状態に反応して該コネクタの正極および負極の間に電圧を供給することを特徴とする。

更にもう一つの態様では、前記プロセッサを前記コネクタ、およびバッテリー管理システムの他の要素に接続する通信バスを、更に、含み、前記通信バスは、前記プロセッサと前記バッテリー管理システムの他の要素との間、および前記バッテリー・パックの外部にある他のシステム、プロセッサ、ネットワーク、または保存媒体への通信を提供するよう構成されていることを特徴とする。

またもう一つの態様では、前記バッテリー・パックの外側に搭載された表示手段を、更に、含み、前記表示手段は、該バッテリーの動作に関係する情報を視覚的に表示することを特徴とする。一つの代替的な態様では、表示手段は少なくとも一つの発光ダイオードである。

更にもう一つの態様では、本発明はインテリジェント・バッテリー・パックを含み、インテリジェント・バッテリー・パックは：ハウジングと、前記ハウジングの端に載せられて電力供給対象装置の中または上に置かれたコネクタと係合するように構成されたコネクタと、複数の再充電式バッテリー・セルであって、該セルのそれぞれが正極端子および負極端子を有し、該セルのそれぞれがコネクタの正極に接続された陽極側、及び、コネクタの負極に接続された陰極側を含む主バスによって直列に接続され、該複数のセルがハウジング内に置かれていることを特徴とする複数の再充電可能なバッテリー・セルと、コネクタの正極と複数のセルの間で主バスの陽極側に置かれたスイッチと、バッテリー・パックの動作を制御するためのプロセッサと、プロセッサと電気通信する１次保護回路であって、電気通信ができる複数の監視回路であって、該複数の監視回路のそれぞれが該複数のセルのうちの個々の一つについての充電状態に関係するパラメータを監視することを特徴とする複数の監視回路と、複数のブリード回路であって、該複数のブリード回路のそれぞれが前記セルのうちの個々の一つに接続されて、そのセルに接続された監視回路によって監視されているセルのパラメータに反応して該セルをブリードして該セルの過剰充電を防ぐことを特徴とする複数のブリード回路とを含むことを特徴とする１次保護回路と、バッテリー・パックを短絡回路から保護するための２次保護回路と、コネクタ、スイッチおよび複数の監視回路と電気通信するバッテリー管理システムであって、該セルの充電および放電を監視し不具合が検知されたときには該スイッチを開くように該スイッチに信号を送るように構成されたことを特徴とするバッテリー管理システムと、充電状態監視回路であって、主バスを通して流れる電流量を測定するためのセンサー、該センサーと電気通信する充電状態プロセッサ、該充電状態プロセッサと電気通信する充電状態メモリーとを含み、該充電状態メモリーは、該バッテリー・セルと主バスを通って流れる電流量にも関係する情報を保存し、該充電状態プロセッサは、該充電状態メモリーに保存された情報と該センサーからの入力データに基づき該バッテリーから利用可能な電流量を判断することを特徴とする充電状態監視回路と、該コネクタ、該プロセッサ、該１次保護回路、該２次保護回路、該バッテリー管理システム、および該充電状態監視システムと電気的に接続して、該コネクタ、該プロセッサ、該１次保護回路、該２次保護回路、該バッテリー管理システム、および該充電状態監視システムの間の通信を提供する通信バスと、を含むことを特徴とする。代替的な態様では、スイッチはｎ−チャネル電界効果トランジスタである。更にもう一つの代替的態様では、１次保護回路はセルの充電および放電を監視するように構成された１次保護プロセッサを含む。更なる代替的態様では、１次保護回路は、セルの充電および放電を制御するように構成された１次保護プロセッサを含む。

またもう一つの態様では、前記プロセッサは前記通信バスを通じて前記充電状態プロセッサに情報を通信するようにも構成され、該情報は、該充電状態プロセッサによって、前記バッテリー・セルから利用可能な電流量の決定、及び該充電状態メモリーにおいて利用可能と決定された電流量の保存のために使用されることを特徴とする。

更にもう一つの態様では、前記バッテリー・パックの温度を測定するための温度監視回路を、更に、含み、該温度監視回路は、該バッテリー・パックの温度を前記１次保護回路に通信し、該１次保護回路は、前記スイッチに対して、該バッテリー・パックの温度が予め選択された温度範囲内にないときには該スイッチを開くよう信号を送るよう構成されることを特徴とする。

またもう一つの態様では、インテリジェント・バッテリー・パックは、更に、前記プロセッサと電気通信するバッテリー・パック隔離回路を、更に、含み、該バッテリー隔離回路は、該バッテリー・パックのコネクタがバッテリー充電器または電力供給対象装置に接続されていることを示す接続信号を前記プロセッサに送るように構成され、前記プロセッサは、前記接続信号に反応して、前記スイッチに対して、該スイッチを閉じてコネクタの正極および負極の間に電圧を供給することを特徴とする。

もう一つの代替的態様では、本発明は上記で述べたバッテリー・パックまたはインテリジェント・バッテリー・パックの何れかによって電力が供給される装置を含む。一つの代替的態様では、装置は医療装置である。もう一つの代替的態様では、前記装置は機械式圧迫装置である。更なる態様では、バッテリー・パックまたはインテリジェント・バッテリー・パックは、少なくとも３０分間機械式圧迫装置に電力を供給するように構成されている。更にもう一つの態様では、機械式圧迫装置が平均よりも大きい体格の患者の処置に使用される時には、バッテリー・パックまたはインテリジェント・バッテリー・パックは少なくとも２０分間機械式圧迫装置に電力を供給するように構成されている。またもう一つの態様では、バッテリー・パックまたはインテリジェント・バッテリー・パックは

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展開斜視図である。 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。

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記述されるが、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号，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うるし、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うる。

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しうる。

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しうる。

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２３８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（以下により詳細に記述する）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化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時に起こるような、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が使用される時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「ガス測定器」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うる。この実施形態では、抵抗器３８０の値は例えば５ミリオームでありうる。

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Ｏ_２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検知すると、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しうる。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制御しうる。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Ｏ_２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。

ガス測定
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「ガス測定」機能を含む。このようなガス測定機能性は、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はこのようなガス測定回路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。ＩＣ６１０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検知および特定されるか、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ガス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ガス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、ＩＣ６１０がＩＣ８００と共にガス測定機能を実行して、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及び任意の時点における残余容量を求める。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。記述されるように、（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。以下により詳細に記述するバッテリー・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ＥＥＰＲＯＭ６３０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ＥＥＰＲＯＭ６３０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ＥＥＰＲＯＭ６３０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Ｉ^２Ｃ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記述する。

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ＥＥＰＲＯＭ９００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る場合には、バッテリーを電力供給対象装置に挿入する時、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記述は、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。

本発明の幾つか特定の形態を示し記述してきたが、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 (26)

1. 装置に電力を供給するためのバッテリー・パックであって、
   複数の再充電式セルであって、その各々が、直列に接続され、かつ、正極端子と負極端子を有し、該再充電式セルの充電及び放電の際にパック・コントローラによりそれぞれ独立式に制御されることを特徴とする再充電式セルと、
   前記バッテリー・パックを充電器又は該バッテリー・パックによる電力供給対象装置に接続するバッテリー・パック・コネクタと、
   各再充電式セルの前記正極端子をバッテリー・パック・コネクタの陽極コネクタに接続させると共に、各再充電式セルの前記負極端子を該バッテリー・パック・コネクタの陰極コネクタに接続させる主バスと、
   各再充電式セルと電気的に接続されたバッテリー管理システムであって、各再充電式セルの充電状態に関係する入力データを監視するためのプロセッサと、
   複数のスイッチであって、対応する各再充電式セルの正極端子と前記バッテリー・パックの陽極コネクタの間の前面側バスの中に配置されて、該セルの充電状態に関係する前記入力データに反応して前記プロセッサによって生成される信号に反応して該対応する再充電式セルの充電または放電を制御することを特徴とするスイッチを含むことを特徴とするバッテリー管理システムと、
   複数の監視回路であって、その各々が前記プロセッサと電気的に接続され、かつ、複数の監視回路とを含み、
   各監視回路は、対応する再充電式セルの電圧を監視してそれぞれの再充電式セルについての信号を前記プロセッサに送り、該信号はそれぞれの再充電式セルの負極端子および正極端子の間で測定された電圧レベルを表し、各監視回路は、スイッチ、再充電式セル及びブリーダー回路を含み、該スイッチは、ブリーダー回路へ再充電式セルを接続すると共に、前記プロセッサからの過剰電圧信号に反応して該スイッチを閉じて再充電式セルの過剰充電を防ぐ
   ことを特徴とするバッテリー・パック。
2. 前記スイッチがｎ−ＦＥＴ素子である
   ことを特徴とする請求項１に記載のバッテリー・パック。
3. 前記バッテリー・パックの温度を監視するため、および該バッテリー・パックの温度に関する信号を前記プロセッサに送るための温度監視回路を、更に、含み、
   前記プロセッサは、前記温度信号を受信し解析して前記バッテリー・パックの温度が予め選択された温度範囲内にあるかを判断し、かつ、該バッテリー・パックの温度が予め選択された温度範囲内にないときは、該プロセッサは、前記スイッチに対して、前記セルの正極端子を該バッテリー・パックの陽極コネクタから切り離す信号を送る
   ことを特徴とする請求項１に記載のバッテリー・パック。
4. 前記バッテリー・パックから利用可能な充電量であって、装置に電力を供給できる充電量の表示を備えるための充電状態監視回路を、更に、含む
   ことを特徴とする請求項１に記載のバッテリー・パック。
5. 前記プロセッサと電気的に接続されたバッテリー・パック隔離回路を、更に、含み、
   前記バッテリー・パック隔離回路は、バッテリー・パックのコネクタがバッテリー充電器または電力供給対象装置に接続されていることを示す接続信号を前記プロセッサに送るよう構成され、
   前記プロセッサは、前記接続信号に反応して、前記スイッチに対して、該スイッチを閉じて該コネクタの正極および負極の間に電圧を供給する信号を送る
   ことを特徴とする請求項１に記載のバッテリー・パック。
6. 前記バッテリー・パック隔離回路は、バッテリー・パックのバッテリーコネクタがバッテリー充電器または電力供給対象装置に接続されているときには閉じた状態を有する機械的スイッチを含み、
   前記プロセッサは、前記機械的スイッチの閉じた状態に反応して該コネクタの正極および負極の間に電圧を供給する
   ことを特徴とする請求項５に記載のバッテリー・パック。
7. 前記プロセッサを前記コネクタ、およびバッテリー管理システムの他の要素に接続する通信バスを、更に、含み、
   前記通信バスは、前記プロセッサと前記バッテリー管理システムの他の要素との間、および前記バッテリー・パックの外部にある他のシステム、プロセッサ、ネットワーク、または保存媒体への通信を提供するよう構成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載のバッテリー・パック。
8. 前記バッテリー・パックの外側に搭載された表示手段を、更に、含み、
   前記表示手段は、該バッテリーの動作に関係する情報を視覚的に表示することを特徴とする請求項１に記載のバッテリー・パック。
9. 前記表示手段が少なくとも一つの発光ダイオードである
   ことを特徴とする請求項８に記載のバッテリー・パック。
10. ハウジングと、
    前記ハウジングの端に載せられて電力供給対象装置の中または上に置かれたコネクタと係合するように構成されたコネクタと、
    複数の再充電式バッテリー・セルであって、該セルのそれぞれが正極端子および負極端子を有し、該セルのそれぞれがコネクタの正極に接続された陽極側、及び、コネクタの負極に接続された陰極側を含む主バスによって直列に接続され、該複数のセルがハウジング内に置かれ、かつ、各再充電式バッテリー・セルは充電及び放電の際にパック・コントローラによりそれぞれ独立式に制御されることを特徴とする複数の再充電式バッテリー・セルと、
    複数のスイッチであって、その各々が対応する各再充電式セルとコネクタの正極との間で主バスの陽極側に置かれていることを特徴とする複数のスイッチと、
    パック・コントローラの中に具備されて、バッテリー・パックの動作を制御するためのプロセッサと、
    プロセッサと電気的に接続された１次保護回路とを含み、該１次保護回路は、電気的に接続された複数の監視回路であって、該複数の監視回路のそれぞれが該複数のセルのうちの個々の一つについての充電状態に関係する複数の監視回路であって、その各々が対応する各再充電式バッテリー・セルと電気的に連結されて、対応する各再充電式バッテリー・セルの充電状態に関するパラメータを監視することを特徴とする複数の監視回路と、
    複数のブリード回路であって、その各々が対応する各再充電式バッテリー・セルに接続されて、そのセルに接続された監視回路によって監視されているセルのパラメータに反応して該セルをブリードして該セルの過剰充電を防ぐことを特徴とする複数のブリード回路とを含むことを特徴とし、
    更に、バッテリー・パックを短絡回路から保護するための２次保護回路と、
    コネクタ、スイッチおよび複数の監視回路と電気的に接続されたバッテリー管理システムであって、該セルの充電および放電を監視し不具合が検知されたときには該スイッチを開くように該スイッチに信号を送るように構成されたことを特徴とするバッテリー管理システムと、
    充電状態監視回路であって、主バスを通して流れる電流量を測定するためのセンサー、該センサーと電気的に接続された充電状態プロセッサ、該充電状態プロセッサと電気的に接続された充電状態メモリーとを含み、該充電状態メモリーは、該バッテリー・セルと主バスを通って流れる電流量にも関係する情報を保存し、該充電状態プロセッサは、該充電状態メモリーに保存された情報と該センサーからの入力データに基づき該バッテリー・パックから利用可能な電流量を判断することを特徴とする充電状態監視回路と、
    該コネクタ、該プロセッサ、該１次保護回路、該２次保護回路、該バッテリー管理システム、および該充電状態監視システムと電気的に接続されて、該コネクタ、該プロセッサ、該１次保護回路、該２次保護回路、該バッテリー管理システム、および該充電状態監視システムの間の通信を提供する通信バスと、
    を含むことを特徴とするインテリジェント・バッテリー・パック。
11. 前記スイッチがｎ−チャネル電界効果トランジスタである
    ことを特徴とする請求項１０に記載のインテリジェント・バッテリー・パック。
12. 前記１次保護回路は前記セルの充電および放電を監視するよう構成された１次保護プロセッサを含む
    ことを特徴とする請求項１０に記載のインテリジェント・バッテリー・パック。
13. 前記１次保護回路は前記セルの充電および放電を制御するよう構成された１次保護プロセッサを含む
    ことを特徴とする、請求項１０に記載のインテリジェント・バッテリー・パック。
14. 前記プロセッサは前記通信バスを通じて前記充電状態プロセッサに情報を通信するようにも構成され、該情報は、該充電状態プロセッサによって、前記バッテリー・セルから利用可能な電流量の決定、及び該充電状態メモリーにおいて利用可能と決定された電流量の保存のために使用される
    ことを特徴とする請求項１０に記載のインテリジェント・バッテリー・パック。
15. 前記バッテリー・パックの温度を測定するための温度監視回路を、更に、含み、
    該温度監視回路は、該バッテリー・パックの温度を前記１次保護回路に通信し、該１次保護回路は、前記スイッチに対して、該バッテリー・パックの温度が予め選択された温度範囲内にないときには該スイッチを開くよう信号を送るよう構成される
    ことを特徴とする請求項１０に記載のインテリジェント・バッテリー・パック。
16. 前記プロセッサと電気的に接続されたバッテリー・パック隔離回路を、更に、含み、
    該バッテリー隔離回路は、該バッテリー・パックのコネクタがバッテリー充電器または電力供給対象装置に接続されていることを示す接続信号を前記プロセッサに送るように構成され、
    前記プロセッサは、前記接続信号に反応して、前記スイッチに対して、該スイッチを閉じてコネクタの正極および負極の間に電圧を供給する
    ことを特徴とする請求項１０に記載のインテリジェント・バッテリー・パック。
17. 請求項１に記載のバッテリー・パックによって電力を供給される装置。
18. 前記装置が医療装置である
    ことを特徴とする請求項１７に記載の装置。
19. 請求項１０に記載のインテリジェント・バッテリー・パックによって電力を供給される装置。
20. 前記装置が医療装置である
    ことを特徴とする請求項１９に記載の装置。
21. 前記装置が機械式圧迫装置である
    ことを特徴とする請求項１８に記載の装置。
22. 前記装置が機械式圧迫装置である
    ことを特徴とする請求項２０に記載の装置。
23. 前記バッテリー・パックが少なくとも３０分間機械式圧迫装置に電力を供給するように構成されている
    ことを特徴とする請求項１に記載のバッテリー・パック。
24. 前記機械式圧迫装置が平均よりも大きい体格の患者の処置に使用されるときには、前記バッテリー・パックは少なくとも２０分間機械式圧迫装置に電力を供給するように構成されている
    ことを特徴とする請求項１に記載のバッテリー・パック。
25. 前記バッテリー・パックが少なくとも３０分間機械式圧迫装置に電力を供給するように構成されている
    ことを特徴とする請求項１０に記載のバッテリー・パック。
26. 前記機械式圧迫装置が平均よりも大きい体格の患者の処置に使用されるときには、前記バッテリー・パックは、少なくとも２０分間機械式圧迫装置に電力を供給するように構成されている
    ことを特徴とする請求項１０に記載のバッテリー・パック。