KR20070017478A - 콤팩트 전원 - Google Patents

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KR20070017478A
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스테판 베다르
실뱅 가네
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빅톰 휴먼 바이오닉스 인크.
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Abstract

본 발명은, 각각 상이한 동작 특성을 갖고, 전기 회로에서 부하에 접속되는 복수의 에너지 축전 소자; 및 축전 소자 중 적어도 하나와 부하 사이에 삽입되어, 부하로부터 에너지 축전 소자 중 하나를 분리하도록 동작 가능한 회로 소자를 포함하는 부하로 전력을 제공하기 위한 전원을 개시하고 있는데, 여기서 회로 소자는 축전 소자의 특성에 대해 부하로의 에너지 공급을 정합시키도록 선택된다.
전원, 전력 드라이브, 전력 모니터링, 병렬 제어기, 인공 삽입물, 축전 소자, 배터리 셀, 인덕터, 슈퍼 커패시터, 전해 커패시터, 방전 스위치, 유입 전류 제한기

Description

콤팩트 전원{COMPACT POWER SUPPLY}
본 발명은 전원에 관한 것이다.
배터리는, 각각 전압 및 전류 출력을 생성하는 개별 셀로 형성된다. 전원의 요구 전압 및 전류 출력을 생성할 수 있는 전원을 형성하기 위해서, 이들 셀은 직렬 또는 병렬 어레이로 배열된다.
이들 셀은, 각각 특정 동작 특성 세트를 갖는 각종 재료 및 구성으로부터 구성될 수도 있다. 예를 들어, 일부 구성은 특히 확장된 주기 동안에 일관된 전압에서 전류를 공급하는데 매우 적합할 수도 있지만 높은 과도(transient) 부하에 대해서는 부적합할 수도 있는 한편, 다른 구성은 이러한 부하에 대해 보다 적합하다. 겪게 될 충격 계수(duty cycle)에 대해 가장 적합한 셀 구성이 선택되는 것이 일반적이다.
다수의 애플리케이션에 있어서, 충격 계수는 일관되고 또한 반복적인데, 이는 특정 셀 구성이 요구를 만족시키는데 사용되는 것을 허용한다. 다른 애플리케이션에 있어서, 충격 계수는 극적으로 또한 일관되지 않게 변할 수도 있는데, 이는 셀 선택을 보다 어렵게 한다. 고 피크 전류를 필요로 하는 다수의 애플리케이션(예를 들어, 전력 툴, 취미용 비행기(hobby planes) 및 경주용 카트(race cart))이 또한 볼륨 및 중량 제약을 갖는 것이 그 선택을 더 복잡하게 한다. 본 출원인에 의해 지정된 특정 요구 애플리케이션은, 작동기에 전력을 공급하여 사용자를 이동시키기 위해서 배터리가 필요한 전동 다리 인공 삽입물(powered leg prosthesis)이다. 고 피크 전류 요건을 갖는 다수의 이들 애플리케이션에 대하여, 최대 피크 전류를 만족시키는데 필요한 배터리의 수는 가용 볼륨 내부에 맞지 않았다. 그에 따라, 가변 요구를 만족시킬 수 있고, 단시간 내에 고에너지량을 전달할 수 있으며, 매우 제한된 볼륨 내부에 맞는 콤팩트 전원이 필요하다.
따라서, 본 발명은, 전술된 단점의 전부 또는 일부를 제거하거나 완화하기 위한 목적이 있다.
발명의 요약
본 발명에 따르면, 각각 상이한 동작 특성을 갖고, 전기 회로에서 부하에 접속되는 복수의 에너지 축전 소자; 및 축전 소자 중 적어도 하나와 부하 사이에 삽입되어, 부하로부터 에너지 축전 소자 중 하나를 분리하도록 동작 가능한 회로 소자를 포함하는 부하로 전력을 제공하기 위한 전원이 제공되는데, 여기서 회로 소자는 축전 소자의 특성에 대해 부하로의 에너지 공급을 정합시키도록 선택된다.
도1은 작동 메커니즘을 갖는 인공 삽입물을 위한 제어 시스템을 도시한 블록도.
도2는 전력 팩의 개략적인 블록도.
도3은 도2에 포함된 배터리의 개략적인 블록도.
도4는 고주파 펄스 폭 변조(Pulsed Width Modulation)(PWM) 신호의 그래프.
도5는 전형적인 게이트 전류 프로파일(gait current profile)의 그래프.
도6은 도2에 포함된 전력 관리 유닛(Power Management Unit)(PMU)의 개략적인 블록도.
도7은 PMU 알고리즘의 흐름도.
도8은 G(S) 전달 함수의 블록도.
다음에, 첨부된 도면을 참조하여, 단지 예시로서 본 발명의 실시예가 보다 상세하게 설명된다.
도1을 참조하면, 제어 시스템(40)은 전력 팩(50)으로부터 액티브 인공 삽입물(60)로의 전력 공급을 제어한다. 종래의 인공 삽입물과 달리, 액티브 인공 삽입물(60)은 혼자서 이동하는데 필요한 기계적 에너지를 공급하도록 설계된다. 제어 시스템(40)의 목적은, 요구된 방식으로 액티브 인공 삽입물(60)의 작동 메커니즘(62)(예를 들어, 전기 모터)을 제어하는데 필요한 신호를 제공하는 것이다. 센 서(42)는 절단 수술을 받은 사람(amputee)의 운동 역학(dynamics of locomotion)에 대한 정보를 실시간으로 캡처하고, 그 정보를 인터페이스(44)를 통해 제어기(46)로 제공한다. 제어기(46)는, (근육이) 공동 작용할 수 있는(coordinated) 운동을 제공하기 위해서 작동 메커니즘(62)에 의해 인가되어야 하는 필요한 힘이나 토크 및 관절 궤도(joint trajectories)를 결정한다. 그런 다음, 제어 시스템(40)은, 전력 팩(50)으로부터 작동 메커니즘(62)으로 공급되는 전력을 조정하는데 이용되는 출력 신호를 발생시킨다.
전력 팩(50)은, 필요 운동을 생성하기 위해서 작동 메커니즘(62)으로 에너지를 공급하는 전원(54)에 접속되는 전력 드라이브(52)를 포함한다. 전력 라인(61)을 통해서 전력 드라이브(52)에 의해 작동 메커니즘(62)으로 공급되는 전력량을 제어하기 위해서, 전원(54)과 전력 드라이브(52)는 포화 제어 라인(916)을 통해 상호작용한다. 전력 드라이브(52)는 예를 들어 ELMO Motion Control로부터의 PIC25/50 모델일 수도 있지만, 이 모델에 제한되지는 않는다.
센서(42)를 사용하는 제어 시스템(40)의 일례는, "CONTROL SYSTEM AND METHOD FOR CONTROLLING AN ACTUATED PROSTHESIS"란 명칭으로 Stephane Bedard에 의해 2003년 6월 20일 출원된 미국특허출원 제10/600,725호에 개시되어 있고, 액티브 인공 삽입물의 일례는, "ACTUATED PROSTHESIS FOR ABOVE-KNEE AMPUTEES"란 명칭으로 Stephane Bedard 등에 의해 2003년 6월 17일 출원된 미국특허출원 제10/463,495호에 개시되어 있다.
작동 메커니즘(62)의 동작에 필요한 전류는 도4 및 도5에 도시된 바와 같은 2개의 주요 전류 프로파일로 분할될 수도 있다. 제1 전류 프로파일은 상대적으로 고주파 펄스 폭 변조(PWM) 신호이다. PWM은, 모터 제어에 있어서 광범위하게 이용되는 고효율 제어 신호이다. PWM 신호의 주기는 항상 동일하지만, 신호 충격 계수(ON/OFF 비)는 도4에 도시된 바와 같이 시간에 따라 변할 수도 있다. 작동 메커니즘(62)에 공급되는 전력 드라이브(52)의 출력은 PWM 타입이다. 이 프로파일을 준수하기 위해서 전력 드라이브(52)에 의해 취해지는 필요한 에너지는 전원(54)으로부터 나와야 한다.
제2 전류 프로파일은 저주파 PWM 신호이다. 액티브 인공 삽입물(60)의 경우에, 그것은 게이트(gait) 또는 절단 수술을 받은 사람의 운동을 재생하는 주요 전류 엔벨로프(envelop)이다. 도5에 도시된 예시인 이 프로파일은 상대적으로 고전류일 수도 있지만 짧은 지속 시간(duration)을 갖고, 정상 게이트 동작에 대해 사인파와 같은 형태를 갖는다. 그러므로, 전원에 부과된 전류 요구는 변하고, 이들 요구를 만족시키기 위해서 전원은 도2에 보다 상세하게 도시된 바와 같이 구성된다는 것을 알 수 있다.
전력 축전 소자
전원(54)은 상이한 특성의 에너지 축전 소자(즉, 배터리(100)), 슈퍼 커패시터(super capacitor)(200) 및 전해 커패시터(electrolytic capacitor)(300)를 갖는다. 축전 소자는, 단자(56, 58)에 접속된 버스(59)를 통해 전력 드라이브(52)에 병렬 접속된다. 제1 프로파일인 고주파 펄스 폭 변조(PWM)는 전해 커패시터에 의해 가장 적절하게 지정되는 한편, 제2 프로파일인 저주파 펄스 폭 변조는 배터리(100) 및 슈퍼 커패시터(200)에 의해 가장 적절하게 지정된다. 축전 소자는, 특정 경우에 배터리(100) 및 슈퍼 커패시터(200)로부터의 전류 흐름을 제한하기 위해서 버스(59)에 삽입되는 인덕터(400)에 의해 기능적으로 분리되는데, 이는 후술된다. 인덕터(400)는 배터리(100) 및 슈퍼 커패시터(200)로부터의 전류 공급을 지연시키는 동작을 하고, 그에 따라 전류는 병렬 전해 커패시터(300)의 방전에 의해 우선적으로 공급된다.
전원(54)은 또한 전력 보호/관리 소자를 포함한다. 전력 보호/관리 소자는, 결합된 스위치(510) 및 저항기(520)를 갖는 로컬 병렬 제어기(local shunt controller)(500), 다이오드(600), 저속 유입 제한기(slow in-rush limiter)(700), 고속 유입 제한기(fast in-rush limiter)(800) 및 전력 관리 유닛(PMU)을 포함한다. 후술되는 바와 같이, 배터리(100)는 또한 보호 소자 및 관리 소자를 포함한다.
에너지 재생 단계(regeneration phase) 동안에 전원(54)의 Vout+(56)와 Vout-(58) 단자에 걸쳐 큰 전압 유도를 방지하기 위해서, 병렬 제어기(500) 및 결합된 스위치(510)와 저항기(520)가 포함된다. 다이오드(600)는 동일한 단계 동안에 전원(54)의 버스(59) 상의 역전류로부터 배터리(100)를 보호한다. 더욱이, 소정의 비작동 주기 이후에 전원(54)이 파워-온되는 경우, 슈퍼 커패시터(200) 및 전해 커패시터(300)는 완전히 방전된다. 그러므로, 저속 유입 제한기(700) 및 고속 유입 제한기(800)는, 각각 슈퍼 커패시터(200) 및 전해 커패시터(300)로부터 야기되는 배터리(100)의 전류 유출(current drain)을 적절하게 제한하는데 사용된다.
에너지 축전 소자의 특성은 이하에서 보다 충분히 설명되는 바와 같이 그 내 부 구성에 의해 결정된다.
배터리
도3을 참조하면, 배터리(100)는 고에너지 밀도 리튬 폴리머(Li-Pol) 셀(100)(예를 들어, Kokam Engineering에 의해 제조된 SLPB36495-HD 셀 모델)과 같은 10개의 배터리 셀(110)을 포함하지만, 이 모델에 제한되지는 않는다. 배터리 셀(110)은 직렬 구성되는데, 이 구성은 비교적 고전압(공칭 37V, 완전히 충전되는 경우에는 최대 42V)이 이용되는 것을 허용할 뿐만 아니라, 고전류(전력)의 이용도 허용한다. 이들 셀(110)은, 셀(110)의 공칭 전류의 10배까지의 고전류의 방전을 가능하게 하는 액티브 인공 삽입물(60)의 예시적인 애플리케이션에 대해, 또는 고 피크 전류를 필요로 하는 소정의 다른 애플리케이션에 있어서 매우 적절하다. 이 성능은 배터리(100) 내부의 필요한 셀(100) 수의 감소를 가능하게 하는데, 그 이유는 셀(110)의 능력이 그 공칭 전류보다 고전류를 전달하기 때문이다. 또한, 그것은 유리한 볼륨-대-성능(volume-over-performance) 솔루션을 제공하고, 비교적 콤팩트 설계를 허용하는데, 이는 액티브 인공 삽입물(60)의 경우에 또는 전원을 위해 제한된 가용 공간을 갖는 소정의 다른 전기 또는 전자 장치의 경우에 중요한 인자이다.
다양한 구성에서 배터리 셀의 다른 타입 및 수가 이용될 수도 있다. 예를 들어, 선택적인 실시예에 있어서, Kokam Engineering에 의해 제조된 30개의 SLPB393452-H 고에너지 밀도 리튬 폴리머(Li-Pol) 셀이, 각각 10개의 배터리 셀이 직렬로 접속된 3개의 병렬 스트링으로 구성될 수도 있다.
물론, 배터리(100)는, 동작 범위 내에서 전력을 전달하기 위해서 전력 드라 이브(52)의 전원 요건을 정합시킬 필요가 있는데, 그에 따라 애플리케이션에 종속하여 배터리 셀(110)의 수 및 구성이 변경될 수도 있다. 배터리(100)는, 재충전을 위해 배터리 셀(110)을 전원에 접속시키는 충전 커넥터(170)를 더 포함한다.
액티브 인공 삽입물(60) 애플리케이션의 일례에 있어서, 전기 모터와 같은 작동 메커니즘(62)은 약 18A의 최대 피크 전류 및 약 36V의 전형적인 전압 요건을 갖지만, 이 요건에 제한되지는 않는다. 하나의 배터리 셀(110)이 3.7V의 공칭 전압을 갖기 때문에, 이는, 약 10개의 직렬 배터리 셀(110)이 필요하다는 것을 의미한다. 그러나, 단일 배터리 셀(110)의 정상 동작 전압은 4.2V(완전 충전)부터 3.0V(완전 방전)까지 변하고, 그에 따라 가능한 반전 동작 상태를 식별하기 위해서 이들 셀은 모니터링된다.
배터리 셀(110)은 예를 들어 Maxim에 의해 제조된 MAX1666 PCM 모델과 같은 PCM(120, 130, 140 및 150)을 사용하여 모니터링되지만, 이 모델에 제한되지는 않는다. 개별 PCM(120, 130, 140 및 150)은, 전압, 충전 및 방전 전류를 측정함으로써, 2개 또는 3개의 직렬 배터리 셀(110)을 포함하는 결합된 셀 그룹(112, 113, 114 및 115)을 모니터링한다. 충전 모드에 있어서, PCM(120, 130, 140 및 150)이 현저한 전압 변화 또는 과전류 상태를 검출하는 경우, 그것은, 각각의 제어 라인(122, 132, 142 및 152)을 통해 그 결합된 충전 보호 스위치(124, 134, 144 및 154)를 제어하여 그 결합된 셀 그룹(112, 113, 114 및 115)의 이용을 디세이블함으로써, 모니터링된 배터리 셀(110)을 보호한다. 방전 모드 중에, 하나의 셀 그룹에서의 반전 상태의 검출은, 추가 전류 공급을 방지하기 위해서 방전 보호 스위 치(164)를 개방시킨다. PCM(120, 130, 140 및 150)은, 결합된 셀 그룹(112, 113, 114 및 115)이 보호 해제 전압 또는 전류에 도달하는 경우, 바이패스 모드로 복귀한다(폐쇄상태로 스위칭된다).
슈퍼 커패시터
배터리(100)의 피크 전류 기여를 제한하기 위해서, 고에너지 축전 소자인 슈퍼 커패시터(200)가 사용된다. 슈퍼 커패시터(200)는 매우 단시간 내에 고에너지량을 전달할 수 있는데, 이는 배터리(100)의 행위와 상이한 행위이다. 배터리는 그 볼륨 내부에 보다 고에너지를 축전할 수 있기 때문에 고에너지 소자로 고려되지만, 신속하게 그것을 전달하는 동일한 능력을 갖지는 않는다. 따라서, 유입 고전류는 슈퍼 커패시터(200)(예를 들어, Evans Capacitor로부터의 THQ3050243 모델이지만, 이 모델에 제한되지는 않음)에 의해 부분적으로 전달된다. 24mF가 예시적인 애플리케이션에 대해 충분하다고 평가되었다.
슈퍼 커패시터의 ESR이 가능한 한 낮게 유지되어야 함에 따라, 슈퍼 커패시터(200)의 등가 직렬 저항기(Equivalent Serial Resistor)(ESR)에 관해 특별한 주의가 취해져야 한다. 하나의 슈퍼 커패시터(200)의 기대값은 mΩ에 있어야 하고, 다수의 슈퍼 커패시터(200)가 있는 경우에 전체 그룹에 대해서 1Ω보다 낮은 값이 이용된다. 고 ESR은 순시 가용 전류를 낮추게 되는데, 이는, 배터리(100)가 보다 고전류 기여를 제공해야 하는 것을 의미한다.
전해 커패시터
전해 커패시터(300)는, PWM 필터링 뿐만 아니라, 배터리(100)의 피크 전류 기여를 제한하기 위해서 사용되는 고에너지 축전 소자이다. 슈퍼 커패시터(200)와 유사하게, 전해 커패시터(300)는 단시간 내에 고에너지량을 전달할 수 있는데, 이는 배터리(100)의 행위와 상이한 행위이다. 그에 따라, 보다 고주파 유입 고전류가 전해 커패시터(300)(예를 들어, Panasonic으로부터의 EEUFC1J471L 모델이지만, 이 모델에 제한되지는 않음)에 의해 부분전적으로 전달된다. 이 예시에 있어서, 볼륨 고려사항에 대하여, 보다 작은 전해 커패시터(300)가 사용되는 것이 바람직하고, 이 경우에 0.47mF의 개별 용량을 갖는 커패시터의 전체 용량은 2.82mF이다(병렬로 6개의 전해 커패시터(300)). 부가적인 이점은, 이 전해 커패시터(300)의 병렬구성(paralleling)에서 비롯되는데, 주목할만하게 그 ESR은 인자 6만큼 감소되는 한편, 용량 및 최대 전류는 인자 6만큼 증가된다.
인덕터
전술된 바와 같이, 상이한 특성을 갖는 에너지 축전 소자는 인덕터(400)에 의해 분리된다. 인덕터(400)의 역할은, 배터리(100) 및 슈퍼 커패시터(200)의 전류 기여를 지연시키고, 그에 따라 피크 고주파 전류 상태가 발생되는 경우에 그 전류 기여를 제한하는 것이다. 전력 드라이브(52)가 잠재적으로 고주파 잡음( 및 그에 따른 전류)을 유도하고, 슈퍼 커패시터가 고주파 상태 하에서 잘 수행되지 않기 때문에, 인덕터(400)는 전력 드라이브(52)와 슈퍼 커패시터(200) 사이에 위치된다. 저주파 서브-시스템(즉, 배터리(100) 및 슈퍼 커패시터(200))의 허용 기여 제한을 허용하기 위해서, 충분한 인덕턴스가 이용되어야 한다. 저주파 서브 시스템인 배터리(100) 및 슈퍼 커패시터(200)의 전류 기여를 감소시킴으로써, 인덕터(400)는 전 해 커패시터(300)로 하여금 전력 드라이브(52)로 에너지를 전달하도록 한다. 액티브 인공 삽입물(60)의 예시적인 애플리케이션에 있어서, 인덕터(400)는 예를 들어 API Delevan으로부터의 DC780-153K 인덕터 모델일 수도 있지만, 이 모델에 제한되지는 않는다. 선택된 인덕터(400)가 애플리케이션의 최악 전류를 정합시키는 증분 전류값을 가져야 하는 것에 주의해야 하는데, 이는 소정의 예시에서 대략 18A이다.
전력 보호/관리 소자
병렬 제어기
소정의 상황에 있어서, 전원(54)은, 에너지를 전달하는 대신에, 액티브 인공 삽입물(60)로부터 에너지를 흡수할 것이고, 이러한 상황은 재생 단계로서 언급된다. 재생 단계는 예를 들어, 액티브 인공 삽입물(60)의 사용자가 체어를 내려가는 경우에 발생한다. 전원(54)에 대한 재생 단계의 영향은 그 소자에 대한 에너지 복귀인데, 여기서 에너지는 슈퍼 커패시터(200) 및 전해 커패시터(300)를 재충전하는데 이용될 수도 있다. 그러나, 일단 슈퍼 커패시터(200) 및 전해 커패시터(300)가 완전히 재충전되면, Vout+(56)와 Vout-(58)에 걸친 전압은 계속해서 증가할 수도 있는데, 이는 손상될 수도 있다. 슈퍼 커패시터(200) 및 전해 커패시터(300)를 보호하기 위해서, 병렬 제어기(500)는 Vout+(56)와 Vout-(58)에 걸친 전압을 모니터링하여, 소정의 최대 전압 레벨에 도달했는지 여부를 판정한다. 모니터링된 전압이 소정의 최대 전압 레벨을 넘을 때마다, 병렬 제어기(500)는 스위치(510)를 폐쇄하는데, 이는 흡수된 에너지가 저항기(520)로 흩어지게 한다. 이에 반해, 모니터링된 전압이 소정의 최대 전압 레벨 이하가 될 때마다, 병렬 제어기(500)는 스위치(510) 를 개방한다.
다이오드
재생 단계 동안에, 전술된 바와 같이, 전원(54)에 대한 영향은, 그 소자에 대한 에너지 복귀인데, 이는 배터리(100)에 대해 손상 가능하게 될 수도 있다. 다이오드(600)의 목적은, 전원(54)의 버스(59) 상의 역전류를 저지함으로써 이러한 에너지 복귀로부터 배터리(100)를 보호하는 것이다.
유입 제한기
배터리(100)로부터 슈퍼 커패시터(200) 및 전해 커패시터(300)를 충전하는 경우(예를 들어, 슈퍼 커패시터(200) 및 전해 커패시터(300)의 완전 방전에 대한 영향을 노리는 소정의 비작동 주기 이후에 전원(54)이 파워-온되는 경우), 배터리(100)는 매우 높고 신속한 전력 유출(power drain)을 경험한다. 이는, 가용 최대 허용 전력을 초과할 수 있는 전력 유출을 야기하고, 그에 따라 과충전 상태로부터 배터리(100)를 보호하기 위해서 PMU로 하여금 배터리(100)를 버스(59)로부터 접속해제하도록 한다. 이러한 상황이 발생하는 것을 방지하기 위해서, 저속 유입 제한기(700) 및 고속 유입 제한기(800)는 배터리(100)에 대해 각각 슈퍼 커패시터(200) 및 전해 커패시터(300)의 전류 유출을 적절하게 제한한다.
저속 유입 제한기(700) 및 고속 유입 제한기(800)는 예를 들어 슈퍼 커패시터(200)와 전해 커패시터(300)에 걸쳐 선형으로 전압 증가를 허용하는 N-채널 D2PAK 전력 MOSFET에 기반할 수도 있다. 단순한 방법은 근접 정상-상태 허용 전력을 위한 충전 시간을 조정하는 것이다.
전력 관리 유닛(PMU)
축전 소자의 구성이, 적절한 소자가 작동 메커니즘(62)으로 전류를 공급할 수 있게 함에도 불구하고, 전력 관리 유닛(PMU)(900)으로부터 추가 향상 및 제어가 획득될 수도 있다. 도6에 도시된 PMU(900)는, 배터리(100)로부터의 가용 최대 허용 전력을 결정하고, 방전 스위치 제어 라인(914)을 이용하여 방전 스위치를 개방 또는 폐쇄하고, 전력 포화 제어 라인(916)을 이용하여 전력 드라이브(52)를 전력 포화 명령으로 설정하는 목적을 갖는 제어기이다. 전력 포화 제어 라인(916) 상의 신호는 배터리(100)로부터의 가용 전력을 지시하고, 전력 드라이브(52)에 의해 작동 메커니즘(62)을 위한 최적 제어 신호를 선택하는데 이용된다.
PMU(900)는 디지털 신호 프로세서(DSP)(910), 선택사양인 오디오 경보(960), LCD 디스플레이(970)의 저전력 레벨 지시기 및 DC/DC 변환기(950)를 포함한다. 선택사양인 오디오 경보(960) 및 LCD 디스플레이(970)의 저전력 레벨 지시기는 PMU(900)의 일부가 되는 것, 또는 전원(54) 상에 위치되는 것 조차도 요구되지 않고, 또한 이들은 예를 들어 원격으로 위치될 수도 있다.
DSP(910)는 모니터링 라인(912)을 통해 배터리 셀(110)의 전압을 실시간으로 모니터링하는 상태 머신을 포함한다. 배터리 셀(110)의 상태가 변함에 따라, DSP(910)는 전력 포화 제어 라인(916)에 대해 적절한 레벨을 결정하기 위한 알고리즘을 실행한다. DSP(910)에 의해 실행될 수도 있는 알고리즘의 일례는 도7에 도시된 흐름도에 의해 도시된다. 알고리즘을 구성하는 단계의 시퀀스는 블록(920) 내지 블록(942)의 시퀀스에 의해 지시된다.
블록(920)에 있어서, 알고리즘은, 모니터링 라인(912)을 통해 시간 샘플 "t"에서 개별 배터리 셀(110)의 순시 전압(Vbati(t))을 모니터링함으로써 시작하고, 블록(922)에서 개별 배터리 셀(110)의 모든 순시 전압을 합산함으로써 배터리(100)의 전체 순시 전압(Vbat(t))을 계산한다.
블록(924)에 있어서, 알고리즘은, 각 배터리 셀(110)에 대하여, 최종 "l" 시간 샘플에 대한 평균 전압(MeanVbati(t))을 계산한다. 이 단계는, 개별 배터리 셀(110)의 상태를 간단히 표시할 수도 있고, 표시하지 않을 수도 있는 전압에서의 급상승(sharp rises) 또는 급강하(sharp drops)를 필터링하는 역할을 한다.
블록(926)에 있어서, 모든 배터리 셀(110)에 대한 MeanVbati(t)의 평균(VmeanVbat)이 계산된다. 블록(926)에 대해 병렬로, 블록(928)은 모든 배터리 셀(110)에 대한 MeanVbati(t)의 최소를 식별하는데, 이는 VmeanMin을 야기한다.
그런 다음, 블록(930)에서, 전체 순시 전압(Vbati(t))과, 최종 "l" 시간 샘플에 대한 평균 전압의 최소 대 그 평균 전압의 평균의 비와 같은 가중 인자를 승산함으로써, 가중 전압(Vbat(weighted))이 계산된다. 이 가중 인자의 목적은, 개별 배터리 셀(110) 중에서 가능한 전압 모순(voltage discrepancies)을 고려하는 것이다. 물론, 전원의 특정 상태를 표시하는데 다른 가중 인자가 이용될 수도 있다.
블록(932)에 있어서, 알고리즘은, 가중 전압(Vbat(weighted))이, 배터리(100) 또는 그 구성 배터리 셀(110)의 일부에 대해 손상이 발생하는 것이 시작될 수도 있는 최소 동작 안전 전압 레벨 이하를 지시하는 임계값인 최소 허용 전압(Vbat(acceptable)) 이하인지 여부를 체크한다. Vbat(weighted)이 Vbat(acceptable) 이하인 경우에는, 블록(933)에서 알고리즘은 방전 스위치 제어 라인(914)을 통해 방전 스위치(164)를 개방하여, 버스(59)로부터 배터리(100)를 접속해제한다. 반면에, Vbat(weighted)이 Vbat(acceptable) 이하가 아닌 경우에는, 블록(935)에서 알고리즘은 방전 스위치 제어 라인(914)을 통해 방전 스위치(164)를 폐쇄하여, 배터리(100)를 버스(59)에 접속시킨다.
블록(936)에 있어서, 가중 전압(Vbat(weighted))과 최소 허용 전압(Vbat(acceptable)) 사이의 차와, 전류 조정기를 구현하는 전달 함수(G(S))를 승산함으로써, 작동 메커니즘(62)의 전력 포화 레벨(PMaxSat)이 계산된다. 도8은 G(S) 전달 함수의 블록도인데, 여기서 배터리(100) 전류인 Ibat, 배터리(100) 등가 저항인 Rt, 가용 전류인 Iav, 이득 함수인 G1과 G2 및 샘플링 주파수인 F는 [수학식 1], [수학식 2] 및 [수학식 3]의 관계를 갖는다.
Figure 112006034479546-PCT00001
Figure 112006034479546-PCT00002
Figure 112006034479546-PCT00003
[수학식 2]의 이득 함수 G1 및 G2는 다음과 같이 계산될 수도 있다:
Figure 112006034479546-PCT00004
Figure 112006034479546-PCT00005
여기서, GA는 시스템의 희망 이득이고, fc는 시스템의 희망 컷-오프 주파수이고, 시스템은 배터리(100) 및 부하(이 경우, 전력 드라이브(52))이다.
그런 다음, 블록(938)에서, 알고리즘은 전력 포화 제어 라인(916)을 통해 전력 드라이브(52)로 전력 포화 명령(PMaxCMD)을 전송함으로써, 작동 메커니즘(62)을 전력 드라이브(52)의 전력 포화 레벨로 설정한다.
블록(940)에 있어서, 저역 통과 필터가 PMaxSat에 대해 적용되는데, 저역 통과 필터의 목적은, PMaxSat 값의 작은 급한 변화량을 제거하기 위해서 적절하게 소정의 지연을 도입하는 것이다. PmaxSat의 저역 통과 필터링의 다음에, 블록(942)에 있어서, 가용 전력에 응답하여, 전달 함수(G(S))가 동적으로 조정된다.
통상적으로, DSP(910)는 동작을 위해 단일 3.3V 및 2개의 +/-12V 전원을 필요로 한다. 이 전력은, DC/DC 변환기(950)(예를 들어, DATEL TWR-3.3/4-12/300-D4 모델이지만, 이 모델에 제한되지는 않음)를 사용하여 전력 드라이브(52)의 가용 전력의 일부를 요구된 DSP(910) 전력 레벨로 변환함으로써, 제공될 수도 있다. DC/DC 변환기(950)를 사용하는 이점은, 전원(즉, 배터리(100))으로부터 DSP(910)를 격리할 수 있다는 것이다. 다른 가능한 접근법은, DSP(910)에 대해 전용인 부가 전원을 갖거나, 또는 모듈러 블록 대신에 변환기로서 DSP에 통합된 이산 전자 소자를 사용하는 등가 변환기를 만드는 것이다.
자율 시간(autonomy time)의 끝에 접근하는 경우에 사용자에 대한 경보를 고려하여, 오디오 경보(960) 및/또는 LCD 디스플레이(970)는 2-단계 구성, 즉 배터리(100)의 전력이 낮게 되는 것을 지시하는 제1 경보; 및 배터리(100)의 전력이 "임계 전력 장애(critical power failure)" 상태에 근접함을 지시하는 제2 경보로서 구현될 수도 있다. 예를 들어, 제1 경보는, PMU(900)에 의해 배터리(100)가 (정상 동작 상태 하에서) 전체 방전까지 추가 30분 동안 동작하기에 충분한 전력 예비를 갖는다고 추정되는 경우에 발행될 수도 있는 한편, 제2 경보는 전체 방전 10분 전에 발행될 수도 있다.
그러므로, 동작에 있어서, 배터리(100)는 초기에 커넥터(170)를 사용하여 충전된다. 셀(110)은 PCM(120, 130, 140 및 150)에 의해 모니터링되고, 완전히 충전되는 경우 충전기(170)로부터 격리된다. 인공 삽입물이 작동되면, 슈퍼 커패시터(200) 및 전해 커패시터(300)는, 배터리(100)에 대한 유출을 제한하는 유입 제한기(700 및 800)를 갖는 배터리(100)로부터 충전된다.
절단 수술을 받은 사람의 최초 운동은 센서(42)에 의해 확보되고, 작동 메커 니즘(62)의 동작을 개시하기 위해서 제어기(46)에서 제어 신호를 발생시킨다. 전력 드라이브(52)는 포화 제어 라인(916)에 의해 지시된 최대에 이르기까지 필요한 전류를 결정하고, 전원(54)을 메커니즘(62)에 접속시킨다. 전해 커패시터(300)는, 고속 유입 제한기(800)에 의해 제한된 바와 같이 전해 커패시터(300)를 재충전하는 배터리(100)를 전류 공급의 보다 고주파 컴포넌트에 제공한다. 인덕터(400)는, 전해 커패시터(300)에 의해 요구가 만족되도록 배터리(100) 및 슈퍼 커패시터(200)로부터의 전류 흐름을 억제한다.
전력 드라이브가 고전류를 필요로 하는 경우, 보다 낮은 주파수에서, 슈퍼 커패시터(200)는, 요건을 만족시키기 위해서 배터리(100)에 의해 보충된 고전류를 공급한다.
PMU(900)는 셀(110)의 상태를 모니터링하고, 적절하게 전력 드라이브(52)에서 주요 전력 명령을 수정한다. 배터리(100)의 상태가 임계 에너지 레벨을 지시하는 경우, 절단 수술을 한 사람이 적절한 액션을 취하는 것을 허용하기 위해서 저전력 레벨 지시기(960 및 970)가 작동된다. 셀의 상태가 지속해서 악화되는 경우, 스위치(164)가 개방되고, 배터리(100)가 격리된다.
따라서, 전원(54)이, 축전 소자의 특성과 충격 계수를 정합시키고, 그 성능을 모니터링하여 적절하게 전력 공급을 수정함으로써 배터리 셀(100)에 대한 영구적인 손상을 방지하는데 효과적이라는 것을 알 수 있다.
본 발명은 액티브 인공 삽입물에 대한 사용에 제한되지 않고, 예를 들어, 무선 전력 툴, 취미용 비행기 및 경주용 카트와 같이 짧은 시간 주기 동안 고에너지 요구를 갖는 다른 애플리케이션도 전술된 전원으로부터 이익을 얻을 수도 있다는 것이 주목되어야 한다.
본 발명이 특정 실시예 및 그 예시로서 설명되었지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게, 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 본 발명의 특정 실시예에 대해 수정이 적용될 수도 있다는 것은 명백하다.

Claims (18)

  1. 부하로 전력을 제공하기 위한 전원에 있어서,
    각각 상이한 동작 특성을 갖고, 전기 회로에서 상기 부하에 접속되는 복수의 에너지 축전 소자; 및
    상기 축전 소자 중 적어도 하나와 상기 부하 사이에 삽입되어, 상기 부하로부터 상기 에너지 축전 소자 중 하나를 분리하도록 동작 가능한 회로 소자
    를 포함하고,
    여기서, 상기 회로 소자는 상기 축전 소자의 특성에 대해 상기 부하로의 에너지 공급을 정합시키도록 선택되는
    전원.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 축전 소자는 병렬로 접속되고, 상기 회로 소자는 한 쌍의 상기 축전 소자 사이에 삽입되는
    전원.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 에너지 축전 소자 중 하나를 모니터링하고, 그 후에 상기 부하로부터의 요구를 변경하기 위한 전력 모니터링 유닛
    을 더 포함하는 전원.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 전력 모니터링 유닛은 상기 부하로 공급되는 최대 전류를 결정하는
    전원.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 전력 모니터링 유닛은, 소정 상태의 도달에 따라 상기 회로로부터 상기 하나의 에너지 축전 소자를 접속해제하도록 동작 가능한
    전원.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 하나의 에너지 축전 소자는 다른 에너지 축전 소자에서 에너지를 보충하도록 동작 가능한
    전원.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 하나의 축전 소자로부터 상기 다른 축전 소자로의 전력 공급은 상기 하나의 축전 소자의 특성을 정합시키기 위해 제한되는
    전원.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 회로 소자는 인덕터인
    전원.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 에너지 축전 소자는 적어도 하나의 배터리 셀을 포함하는
    전원.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 배터리 셀과 상기 부하 사이에 접속된 다이오드
    를 더 포함하고,
    여기서, 상기 다이오드는 상기 부하로부터 상기 적어도 하나의 배터리로의 유입 전류(in-rush currents)를 억제하는
    전원.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 배터리 셀은 리튬 폴리머 셀인
    전원.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 에너지 축전 소자는 적어도 하나의 슈퍼 커패시터(super capacitor)를 포함하는
    전원.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 에너지 축전 소자는 적어도 하나의 전해 커패시터(electrolytic capacitor)를 포함하는
    전원.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 에너지 축전 소자 중 적어도 하나에 접속된 적어도 하나의 유입 전류 제한기
    더 포함하는 전원.
  15. 제1항에 있어서,
    버스에 접속된 병렬 제어기(shunt controller)
    를 더 포함하고,
    여기서, 상기 병렬 제어기는 결합된 저항기 및 결합된 스위치를 갖고, 상기 병렬 제어기는 상기 전원의 전압 레벨을 모니터링하고, 소정의 최대 전압 레벨에 도달되는 것에 응답하여 상기 결합된 스위치를 폐쇄하고, 상기 병렬 제어기의 결합된 스위치의 폐쇄는 상기 결합된 저항기로의 에너지의 손실을 야기하는
    전원.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 에너지 축전 소자로부터 상기 부하로의 전력 공급은, 상기 축전 소자로부터의 전류 요건과 상기 부하의 요건을 정합시키도록 동작 가능한 전력 드라이브 제어기에 의해 제어되는
    전원.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 에너지 축전 소자 중 적어도 하나는, 가용 전력에 대해 상기 제어기의 요건을 정합시키기 위해서, 전력 모니터링 유닛에 의해 모니터링되는
    전원.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 전력 모니터링 유닛은, 상기 축전 소자 중 하나의 전력 포화 레벨을 지시하는 제어 신호를 상기 전력 드라이브 제어기로 제공하는
    전원.
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