JP6829734B2 - バッテリー挿入を自動検知するためのシステムおよび方法 - Google Patents

バッテリー挿入を自動検知するためのシステムおよび方法 Download PDF

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Description

本出願では、2011年8月10日に提出された米国仮出願第61/522,203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「MOSF
ET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
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、これらは全て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。
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.Eme
rg.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、CP
R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6,09
0,056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ることもできる。
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。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、電力供給機器は、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可能でなければならない。更に、胸部圧迫装置の搬
送性を高めるために電力供給機器は比較的軽量でなければならないが、処置時間に亘って
圧迫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。これらの要素はすべて電力を供給される
一つの機器の中で使用されるように設計されたバッテリー・ケース内に収める必要がある
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いるアプローチの一
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
されない限り、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、バッテリー管理用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。
必要とされながらもこれまで利用可能でないものは、例えば医療装置に電力を供給するた
めに高電流出力を出すことの出来る軽量で信頼できるバッテリー・パックである。このよ
うなバッテリーは、バッテリー端子の偶発的な短絡が起きた場合にバッテリーの急速な高
電流放電を防ぐための機構および/または回路も含むべきである。本発明は上記、および
その他のニーズを充たす。
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 compatibili
ty)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、例えばバッテリーによって電力を
供給されるよう予定された装置およびバッテリー充電器などのバッテリーを受け入れるよ
うに設計された機器にバッテリーが適切に挿入されない限り、バッテリーの電力供給端子
に電流または電圧が流れることを防ぐ回路を含む。このような態様では、バッテリー管理
システムは、適当なプログラミング・コマンドを用いて、バッテリーのコネクタ上の所定
のピンを監視して、所定の状態の検知に反応して、バッテリーの電力端子を介して電流が
流れることを可能にするよう構成される。
もう一つの態様では、本発明はバッテリー接続検知回路であって:第1の基準電圧源およ
び第2の基準電圧源と;第1の基準電圧源によって高く駆動される検知回線と;第2の電
圧源からの信号を検知回線上の信号と比較するための比較回路であって、検知回線上の信
号が低くなったときに比較回路の出力が低くなることを特徴とする比較回路、を含む検知
回路を含む。
更にもう一つの態様では、本発明は医療装置において使用するための再充電式バッテリー
であって:少なくとも一つのバッテリー・セルを有するバッテリー・パックと;バッテリ
ー・パック上に置かれたコネクタであって、コネクタは少なくとも一つのバッテリー・セ
ルの正極側と負極側とそれぞれ電気的に接続された正極端子と負極端子を有し、コネクタ
はまたバッテリー・パックによって電力を供給される装置の中の対応する端子と係合する
ように構成された検知端子を有することを特徴とするコネクタと;少なくとも一つのバッ
テリー・セルの正極側とコネクタの正極端子の間に置かれるスイッチと;バッテリー・セ
ルおよびスイッチ手段と電気的に接続されたバッテリー管理プロセッサと;検知端子と電
気的に接続されたバッテリー検知回路であって、バッテリー・パックを受け入れるように
構成された装置にバッテリー・パックが挿入されたときにバッテリー管理プロセッサにバ
ッテリー検知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検知回路とを含み
;バッテリー管理プロセッサは、バッテリー検知信号に反応してスイッチ手段に信号を送
ってスイッチ手段を制御して、少なくとも一つのバッテリー・セルの正極側からコネクタ
の正極端子へスイッチ手段を通して電流が流れることを可能にすることを特徴とする、再
充電式バッテリーを含む。
またもう一つの態様では、少なくとも一つのバッテリー・セルはリチウム−イオン化学に
基づく。更にもう一つの代替的態様では、スイッチはn−FET MOSFET素子であ
る。
もう一つの代替的態様では、バッテリー・パックを受け入れるように構成された装置へバ
ッテリー・パックが挿入されないときにはバッテリー検知回路の出力はバイアスがかけら
れて高くなっている。またもう一つの代替的態様では、バッテリー・パックを受け入れる
ように構成された装置へバッテリー・パックを挿入することにより、バッテリー検知回路
の出力が低くなる。更にもう一つの態様では、バッテリー検知信号は、バッテリー管理プ
ロセッサによってエッジが受け取られるときに割り込みとしての役割を果たすエッジを有
し、またもう一つの態様では、エッジは、検知信号が高い状態から低い状態に低下するに
つれて形成される立ち下りエッジである。
また更なる態様では、コネクタの検知端子がバッテリー・パックを受け入れるように構成
された装置の中の対応する端子に係合するときに、検知信号が高い状態から低い状態に低
下する。
またもう一つの態様では、バッテリー・パックを受け入れるように構成された装置の中の
対応する端子は、接地される。
もう一つの態様では、バッテリー管理プロセッサは割り込みを受け取り、検知信号を分析
して信号が高い状態を有するか低い状態を有するかを決定する。代替的な態様では、検知
信号が低い状態を有するならば、バッテリー管理プロセッサはスイッチに信号を送り、ス
イッチを通して電流が流れることを可能にする。
更にもう一つの態様では、バッテリー検知回路は、第1の電圧を用いてバイアスをかけら
れた検知回線および第2の電圧を用いてバイアスをかけられた基準回線を含み、また第1
の電圧を第2の電圧に比較するための比較回路を有し、比較回路は、第1の電圧が第2の
電圧よりも大きいときに第1の状態を、第1の電圧が第2の電圧よりも小さいときに第2
の状態を有する出力を有する。代替的態様では、第2の状態は、バッテリー・パックを受
け入れるように構成された装置へバッテリー・パックが挿入されていることを示し、もう
一つの代替的態様では、比較回路はコンパレータとして構成されたオペアンプを含む。
またもう一つの態様では、バッテリー検知回路は静電気保護手段を含む。
更にもう一つの態様では、スイッチは機械スイッチまたはインターロックである。
更なる態様では、バッテリー管理プロセッサは、コネクタを通して電力供給対象装置へハ
ンドシェーキング信号を送るように構成される。また更なる態様ではハンドシェーキング
信号は暗号化される。
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。 図7は、バッテリーが装置に挿入されるときを検知するのに使用される例示的な回路を示す本発明の実施態様の概略図である。
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、予測可能な時間の間バッテリーが多くの
電流を供給する必要があるときに特に利点がある。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 Chan
dler,CC Snow,KM Robinette,GF Zehner,MS L
ofberg「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US
AFSAM−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,19
86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P
eopleSize Proソフトウェア、Open Ergonomics社,LEI
15QY、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1
7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2
3.0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8
2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が使用できることも企図されている。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
ークであったり、WLANまたはインターネットなどの広域ネットワークの場合もある。
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的に表示する。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の間に配置される。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、操作されることもある。
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を使用することもある。
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化学構造を利用するセルの場合も
ある。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を含むこともある。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ANR26650M
1−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ANR26
650M1−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32
0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る場合もある
。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
の検知器もある。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
す信号を送ることもある。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となることもある。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)3
40、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
ムの場合もある。
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B
C11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する場合もある。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、LED 490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−FET34
0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。EEPROM62
0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
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EEPROM
620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、IC6
10によって実行されるガス測定機能はIC800と連結する。更に、IC610は抵抗
器380を通して検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
リーの低電圧閾値を監視することもある。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・パックの温度を測定
することもある。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−FET65
0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、I
C610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/封印解除機能を含むこともある。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ることもある。このようなデータは例えば更新された較
正情報などを含むこともある。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
れを制御することもある。
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8
00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MS
P430F2418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る場合も
ある。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
むこともある。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E
EPROM900などの一つ以上のメモリー装置とも通信する。このような記録保存体は
、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ることもある。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33
0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ることもある。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)へ送信されることもある。
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、バッテリー充電器が使
用されることもある。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SMBu
s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時、バッテリーはトリクル充電されることもある。
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8
00に管理された能力を含むこともある。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、35
0、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プログラムされることもある。
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、
このような機能には、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
ことなどが含まれることもある。特にパック・コントローラ800がMSP430F24
18(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2
000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、1
0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。
装置検知
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8
00に管理された能力を含むこともある。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が回線824を通してパック・
コントローラ800に適当な信号を送るときのみ、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ときに、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、3
50、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
が受信されたとき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の正極端子および負極端子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3
30の正極端子および負極端子の間に電圧はなく、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ときのバッテ
リー・パックの安全な扱い、保存、搬送が可能になる。
次は図7では、本発明を具体化する例示的な回路を示す。この回路は図6のボックス11
00をより詳細に図示したものである。バッテリーと通信するように構成された装置にバ
ッテリーが差し込まれると、コネクタ330(図6)は、バッテリーが挿入された装置の
適切なコネクタに結合する。図示されるように、この実施態様ではバッテリーが適当な装
置に挿入されたことを示す信号を受け取るために、コネクタ330のピン3が使用される
バッテリーが適当な装置に挿入されると、装置のコネクタは接地される対応するピンを有
する。従って、バッテリーを装置に適切に挿入することにより、コネクタ330のピン3
はグランドへ引かれる。図示される通り、バッテリーが適当な装置に接続されたことを示
すためにピン3はDTEC信号をバッテリー管理システムに送る。
自動検知システムを可能にするために、100万オームの抵抗を有するレジスタR429
はピン3に接続された回線を、3P3によって示される3.3電圧供給機器まで引き上げ
る。従って、バッテリーが装置に挿入されないときは、コネクタ330のピン3上の電圧
は約3.3ボルトである。DTEC回線上の電流は2000オームの抵抗を有するR42
8によって制限され、R428は、集積回路(IC)IC U405に不具合をもたらす
ようなレベルを電圧が超えないことを確実にするためにクランプダイオードD403と協
調して作動する。ダイオード403は、例えばNXPセミコンダクターズが提供するBA
S70−04Wなどのショットキー障壁二重ダイオードである場合もある。図示するよう
なダイオードD403の使用は、DTEC回線上に到達する電圧の極性とは独立して保護
を与え、IC U405に不具合をもたらしうるレベルに電圧が上昇するのを防ぐ。
図示された実施態様では、集積回路U405は例えば、マキシム・インテグレーテッド・
プロダクツが提供するモデルMAX9060Eなどの高速電圧コンパレータである。U4
05は、U405のピン1への電圧インプットにより電力を供給される。この電圧は典型
的には2.5ボルトであり、コンパレータの基準電圧も供給する。U405は、典型的に
は3.3ボルトであるピン4上の電圧を、ピン1上の2.5ボルトの基準電圧と比較する
。バッテリーが挿入されないときは、ピン4は3.3ボルトであり、これはピン1におけ
る電圧よりも大きいので、U405の出力・ピン5における電圧は高い。更に、検知回線
824は通常、100万オームの抵抗を有するレジスタR426を通して供給される電圧
によって引かれて高くなっている。U405のピン2および3は接地され、コンデンサC
415によって回路の残りの部分から分断される。コンデンサC414はノイズフィルタ
リングを備え、RF(無線周波数)も下げる。
DTEC回線上の電圧を低くするように構成された装置にバッテリーが挿入されると、ピ
ン4上の電圧は低くなり、すなわち、ピン4上の電圧はIC U405のピン1上の2.
5ボルトの基準電圧を下回り、U405の出力・ピン5上の電圧も低くなる。
この実施態様では、回線824は、真の装置検知を表す低信号として回線824上の信号
を分析するようにプログラムされたパック・コントローラ800(図6)に流れ込む。換
言すると、回線824上の電圧が高いならば、バッテリーは装置に挿入されていない。し
かし、回線824が低くなると、パック・コントローラ800はバッテリーが適当な装置
に挿入されたと判断し、1次保護回路410へ通信バスを通じて信号を送ることによりバ
ッテリー・パックを使用可能にし、それにより回路410は主バスの回路を閉じるために
n−FET340、350、および360をオンにして、コネクタ330のバッテリー正
極端子および負極端子へ電流が流れるようにする。
代替的な実施態様では、受信されている信号が、信号が上昇または下降していることを示
すエッジを有するかどうかを決定するために、パック・コントローラ800は回線824
上の信号を監視するようにプログラムされている。エッジが検知されると、パック・コン
トローラのプログラミングはエッジを割り込みとして認識し、その割り込みはパック・コ
ントローラに対して、信号を分析し、信号が下降しバッテリーが装置のバッテリー格納部
に挿入されたことを示すのか、信号が上昇しバッテリーが装置から取り除かれたことを示
すのかを決定するように指示する。パック・コントローラが信号が下降していると判断す
るときは、パック・コントローラは前面側バスにおける電流の流れを制御するn−FET
をオンにするように1次保護回路へ信号を送り、機械式圧迫装置などの装置へ電力を供給
するか、またはバッテリー充電器などの装置から電力を受け入れるために、バッテリー・
パック・コネクタの正極端子および負極端子を通して電圧を供給する。更に、テスト装置
がバッテリー検知回路を適当な状態に駆動するように構成されるとき、バッテリーのテス
トを可能にするために同じシステムを使用することもある。
同様に、パック・コントローラが検知信号が上昇していると判断するときは、パック・コ
ントローラはバッテリーが装置から取り除かれたと判断し、その後パック・コントローラ
は、主バスを通る電流の流れを制御するn−FETをオフにするように1次保護回路へ信
号を送る。その結果、バッテリー・パックのコネクタの正極端子および負極端子を通る電
圧は0ボルトに下がり、これによりバッテリー・コネクタの正極端子および負極端子の不
意の短絡からバッテリーは保護される。
代替的実施態様では、上記と同じ結果を達成するために回線824は適切な回路を通して
機械スイッチまたはインターロックに接続されることもある。このような実施態様では、
U405のピン4上の電圧を低下させるために電力供給対象装置またはバッテリー充電器
へバッテリーが適切に挿入されると電気スイッチまたはインターロックは閉じることが可
能であり、その結果検知回線824上の信号が低くなる。
更にもう一つの実施態様では、バッテリーが電力供給対象装置のバッテリー格納部に挿入
されるときにバッテリー・パックのパック・コントローラと通信するように構成されたプ
ロセッサを、電力供給対象装置が含むこともある。このような実施態様では、バッテリー
が電力供給対象装置と互換性があることを確実にするために追加的レベルの処理を実行す
ることもある。この追加的レベルの処理は、バッテリーの動作を制御するためのプロセッ
サ間の通信を開始するためのプロセッサ間のダイアログ交換を含む。このような過程は通
常「ハンドシェーキング」と呼ばれる。更に、ダイアログ交換の安全な性質を維持して不
認可のノックオフまたは偽造バッテリー・パックの使用を防ぐために、プロセッサ間で交
換されるダイアログが暗号化されることもある。このような暗号化のための様々な仕組み
は当業者には良く知られている。また、暗号化を行う場合でも行わない場合でも、ハンド
シェーキング過程は、上記の装置検知回路の様々な実施態様と結合して使用できるし、場
合によっては装置検知回路なしで使用できることも理解されるであろう。
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 (18)

  1. 少なくとも一つのバッテリー・セルを有するバッテリー・パックにおけるバッテリー内に配置されたバッテリー接続検知回路であって、前記バッテリー・パックは、低い内部抵抗を有し、前記バッテリー・パックは、前記バッテリーにより電力を供給される装置に前記バッテリーを接続するためのコネクタを有し、該コネクタは前記少なくとも一つのバッテリー・セルの正極側と負極側とそれぞれ電気的に接続された正極端子と負極端子を有し、前記バッテリー接続検知回路は、
    前記コネクタの少なくとも1つのピンに対応する第1の基準電圧源および前記コネクタの1つの追加のピンに対応する第2の基準電圧源と、
    前記第1の基準電圧源によって高く駆動される検知回線と、
    前記第2の基準電圧源からの信号を前記検知回線上の信号と比較して前記装置との接続を検知するための比較回路であって、前記装置は該検知回線上の電圧を低くするよう該検知回線上に信号を送るように構成され、該検知回線上の該信号が低くなったときに該比較回路の出力が低くなる、比較回路と、
    レジスタ及びクランプダイオードを有する、極性とは独立した電圧の制限回路であって、前記検知回線と前記比較回路との間に接続される、極性とは独立した電圧の制限回路と、
    低い内部抵抗を有するn−チャネルMOSFET素子であって、前記バッテリー・パックが前記装置に接続されていないときに前記コネクタ間からの電圧を防止するために、前記コネクタから前記バッテリーを隔離するための前記比較回路により制御される、n−チャネルMOSFET素子と
    を備える、バッテリー接続検知回路。
  2. 前記第1の基準電圧源は、前記比較回路の第1の入力に接続され、前記第2の基準電圧源は、前記比較回路の第2の入力に接続される、請求項1に記載のバッテリー接続検知回路。
  3. 医療装置において使用するための再充電式バッテリーであって、
    少なくとも一つのバッテリー・セルを有し、低い内部抵抗を有するバッテリー・パックと、
    前記バッテリー・パックに配置されたコネクタであって、該コネクタは前記少なくとも一つのバッテリー・セルの正極側と負極側とそれぞれ電気的に接続された正極端子と負極端子を有し、該コネクタはまた該バッテリー・パックによって、電力を供給される前記医療装置の中の対応する端子と係合するように構成された検知端子を有する、コネクタと、
    前記少なくとも一つのバッテリー・セルの前記正極側と前記コネクタの前記正極端子との間に配置されたMOSFET素子スイッチであって、低い内部抵抗を有する、MOSFET素子スイッチと、
    前記バッテリー・セルおよび前記MOSFET素子スイッチと電気的に接続され、前記バッテリー・パックに配置されたバッテリー管理プロセッサと、
    レジスタ及びクランプダイオードを有する、極性とは独立した電圧の制限回路であって、前記検知端子と電気的に接続される、極性とは独立した電圧の制限回路と、
    前記検知端子と電気的に接続され、前記バッテリー・パックに配置されたバッテリー接続検知回路であって、前記検知端子が前記医療装置の中の前記対応する端子に接続することに反応して前記検知端子上の信号を検知し、前記信号の検知に反応して、前記バッテリー・パックを受け入れるように構成された前記医療装置に該バッテリー・パックが挿入されたときに前記バッテリー管理プロセッサにバッテリー検知信号を提供するように構成される、バッテリー接続検知回路と
    を備え、
    前記バッテリー管理プロセッサは、前記バッテリー検知信号に反応して前記MOSFET素子スイッチに信号を提供して前記MOSFET素子スイッチを制御して、前記少なくとも一つのバッテリー・セルの前記正極側から前記コネクタの前記正極端子へ前記MOSFET素子スイッチを通して電流が流れることを可能にする、再充電式バッテリー。
  4. 前記少なくとも一つのバッテリー・セルがリチウム−イオン化学特性に基づく、請求項3に記載の再充電式バッテリー。
  5. 前記バッテリー・パックを受け入れるように構成された前記医療装置へ該バッテリー・パックが挿入されないときには前記バッテリー接続検知回路の出力は高くバイアスをかけられる、請求項3または4に記載の再充電式バッテリー。
  6. 前記バッテリー・パックを受け入れるように構成された前記医療装置へ該バッテリー・パックを挿入することにより、前記バッテリー接続検知回路の前記出力が低くなる、請求項5に記載の再充電式バッテリー。
  7. 前記バッテリー検知信号は、前記バッテリー管理プロセッサによって受け取られるときに割り込みとしての役割を果たすエッジを有する、請求項3から6のいずれか一項に記載の再充電式バッテリー。
  8. 前記エッジは、前記バッテリー検知信号が高い状態から低い状態に低下するにつれて形成される立ち下りエッジである、請求項7に記載の再充電式バッテリー。
  9. 前記コネクタの前記検知端子が前記バッテリー・パックを受け入れるように構成された前記医療装置の中の前記対応する端子に係合するときに、該バッテリー検知信号が前記高い状態から前記低い状態に低下する、請求項8に記載の再充電式バッテリー。
  10. 前記バッテリー・パックを受け入れるように構成された前記医療装置の中の前記対応する端子は、接地される、請求項9に記載の再充電式バッテリー。
  11. 前記バッテリー管理プロセッサは前記割り込みを受け取り、前記バッテリー検知信号を分析して該バッテリー検知信号が高い状態を有するか低い状態を有するかを決定する、請求項7から10のいずれか一項に記載の再充電式バッテリー。
  12. 前記バッテリー管理プロセッサは前記MOSFET素子スイッチに信号を提供し、前記バッテリー検知信号が前記低い状態を有するならば、前記MOSFET素子スイッチを通して電流が流れることを可能にする、請求項11に記載の再充電式バッテリー。
  13. 前記バッテリー接続検知回路は、第1の電圧を用いてバイアスをかけられた検知回線および第2の電圧を用いてバイアスをかけられた基準回線を含み、また前記第1の電圧を前記第2の電圧に比較するための比較回路を有し、前記比較回路は、該第1の電圧が該第2の電圧よりも大きいときに第1の状態を、該第1の電圧が該第2の電圧よりも小さいときに第2の状態を有する出力を有する、請求項3から12のいずれか一項に記載の再充電式バッテリー。
  14. 前記第2の状態は、前記バッテリー・パックを受け入れるように構成された前記医療装置へ該バッテリー・パックが挿入されたことを示す、請求項13に記載の再充電式バッテリー。
  15. 前記比較回路はコンパレータとして構成されたオペアンプを含む、請求項13または14に記載の再充電式バッテリー。
  16. 前記バッテリー接続検知回路は静電気保護要素を含む、請求項3から15のいずれか一項に記載の再充電式バッテリー。
  17. 前記バッテリー管理プロセッサは、前記コネクタを通して前記電力を供給される前記医療装置へハンドシェーキング信号を提供するように構成される、請求項3から16のいずれか一項に記載の再充電式バッテリー。
  18. 前記ハンドシェーキング信号は暗号化される、請求項17に記載の再充電式バッテリー。
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