JP6566447B2 - 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

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「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．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 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、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 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，ＬＥＩ１５ＱＹ、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）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−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。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、ＩＣ６１０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−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８００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、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。

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８００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、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３３０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１１００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Ｒ４２８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ＢＡＳ７０−０４Ｗ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。Ｕ４０５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Ｃ４１５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. 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、前記バッテリー接続検知回路は、
   第１の基準電圧源および第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バッテリーとの接続を検知するための比較回路であって、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、
   前記検知回線と前記比較回路との間に接続された、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スイッチであって、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、スイッチと
   を備え、
   前記第１の基準電圧源は、前記比較回路の第１の入力である正の入力に接続され、前記第２の基準電圧源は、前記比較回路の第２の入力である負の入力に接続され、前記極性とは独立した電圧の制限回路は、前記比較回路の前記正の入力に接続される、バッテリー接続検知回路。
2. 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、
   前記検知端子と電気的に接続された、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送るように構成される、バッテリー接続検知回路と、
   を含み、
   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送って該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該ＭＯＳＦＥＴ素子スイッチを通して電流が流れることを可能にし、
   前記バッテリー接続検知回路は、
   第１の基準電圧源および第２の基準電圧源と、
   前記検知端子に接続され、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バッテリーとの接続を検知するための比較回路であって、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
   を有し、
   前記極性とは独立した電圧の制限回路は、前記検知回線と前記比較回路との間に接続され、
   前記第１の基準電圧源は、前記比較回路の第１の入力である正の入力に接続され、前記第２の基準電圧源は、前記比較回路の第２の入力である負の入力に接続され、前記極性とは独立した電圧の制限回路は、前記比較回路の前記正の入力に接続される、再充電式バッテリー。
3. 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２に記載の再充電式バッテリー。
4. 前記ＭＯＳＦＥＴ素子スイッチがｎ−ＦＥＴである、請求項２または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２から４のいずれか一項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２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該ＭＯＳＦＥＴ素子スイッチに信号を送り、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２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２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送るように構成される、請求項２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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