CN104903738A - 具有安全***的低功耗电池组 - Google Patents

Abstract

本申请针对在低功耗***中节省电池电能的方法和***。根据本发明的一个方面，带有低功耗处理器（110）的电池（88）用于关闭确定电池（88）的剩余电量的监控电路（120）。低功耗处理器（110）将周期性地唤醒，并对监控电路（120）上电，以便确定电池（88）的剩余电量。根据本发明的另一方面，具有安全过载电路。该安全过载电路是自动防故障装置的，当低功耗处理器（110）发生故障时，例如，低功耗处理器（110）不能唤醒，该安全过载电路允许来自电池（88）的电荷流过。

Description

具有安全***的低功耗电池组

相关申请的交叉引用

本申请要求2012年5月24日提交的名称为“具有安全***的低功耗电池组”的第61/651,376号美国临时专利申请的优先权，其公开的内容以引用的方式结合在本文中，并且，还要求2013年3月14日提交的名称为“具有安全***的低功耗电池组”的第61/782,358号美国临时专利申请的优先权，其公开的内容以引用的方式结合在本文中。

技术领域

本发明大致关于带有低功耗处理器和安全***、以便能够延长货架期的智能可充电电池组。

背景技术

可充电电池在当今世界已经无处不在，广泛应用在从移动电话和笔记本电脑到医疗器械到飞机的所有领域。它通常需要用户持续地获悉为设备供电的电池中的电量还剩多少。当设备很长一段时间没有使用，例如，当这些设备被运送或存储时，情况可能尤其是如此。然而，监控电池的电量通常导致电量的损耗。

通常，用于检测电池的剩余电量的能耗是很小的。对于使用大的电池组的设备，例如，被认为大于约5安培小时的设备，检测剩余电量造成的流失对于这些大的电池组可能是不明显的。然而，对于为总体运作而使用小的电池的设备，例如，被认为约0.7安培小时的设备，监控电池电量的电路所用到的电量可以造成相对较小的电池电量的明显的流失。

当靠电池供电的设备长时间不使用时，例如，该设备储存在仓库中或被运送，上述问题尤其明显。如上所述，虽然设备没有使用，但是电池组的电能仍然会被消耗以便连续地监控电量，不可避免地造成电池耗尽。对于库存的设备，对该设备进行持续充电的需要是昂贵，并且费劲的。对于被运送的设备，充电如果有可能的话，也是复杂的。

因此，需要提供一种智能电池组，其包括用于监控电池组的剩余电量的低功耗处理器。这将提供更好的电源管理，并延长电池寿命。

发明内容

本申请通过提供一种智能电池组来满足现有技术的需要，该智能电池组包括用于跟踪电池组电量的低功耗处理器，以及在低功耗处理器故障的情况下提供电力的安全***。

根据本发明的一个方面，公开了一种监控电池电量的方法，其包括使用低功耗处理器关闭电池监控电路的步骤。该方法还包括低功耗处理器定期启用电池监控电路来监控电池电量的步骤。如果发生故障从而妨碍了低功耗处理器与电池监控电路的通信，位于控制器中的数字处理器将与电池监控电路通信，以便跟踪电池电量。

根据本发明的另一方面，公开了一种带有监控电池电量的***的设备，其包括带有低功耗处理器的内置电池，以及外置电池、数字处理器和安全过载电路，其中，当低功耗处理器发生故障时，该安全过载电路允许电量流过。

本发明得到了非常低功耗的智能电池，其具有完全的测量能力，和非常长的货架期（通常，大于12个月）。此外，本发明降低了设备故障率，尽管添加了额外的硬件，但是其通过包含额外的安全机构，将确保电池监控电路能够继续工作，即使该设备中增加的新的硬件可能发生故障。

附图说明

图1为传统心室辅助***的示意图；

图2为带有智能电池盒功耗监控电路的心室辅助***的示范性实施例的示意图；

图3为安全过载结构的示意图；

图4为简化的电池结构的示意图。

具体实施方式

本领域技术人员可以理解的是，为了简单明了起见，在适当的情况下类似的参考数字可能是重复的。此外，具体的细节的提出是为了更好地理解本发明的实施例。然而，本领域技术人员将理解，本发明可以不完全按照这些具体细节实施，并且这些细节可以被众所周知和惯用技术所替代。此外，文字叙述不应当视为对本文所描述的实施例的范围的限制。

以下实施例通常围绕心室辅助***，特别是HeartWare^TM心室辅助***，进行讨论。一般而言，HeartWare^TM心室辅助***包括位于患者外部的控制器。该外部控制器包括用于植入到患者身上配置为帮助心脏泵送血液的泵的驱动电子设备。该外部控制器还向该泵提供驱动和控制信号，向患者提供关于该设备的工作情况的反馈信号和警告信息。例如，当电池低于特定阈值时，产生警告，该警告可以是声音、视觉、触觉或上述组合。例如，在2013年1月4日提交的瓦达拉的名称为“可植入的血液泵的控制器和电源”的第61/749,038号美国专利申请中，描述了类似的控制器，其公开的内容以引用的方式结合在本文中。

图1为根据现有技术的心室辅助***控制器的示意图。该控制***10包括围绕着内部区域20设置的壳体16。壳体16沿着壳体轴线22在顶端16A和低端16B之间延伸。在顶端16A，具有大致平坦的外表面的顶面板24延伸横穿壳体轴线22。壳体16的侧面LS在顶面板24的圆周外边界和底面板26的圆周外边界之间延伸。总的来说，壳体16的侧面形成沿着轴22延伸的管状结构，两端板24和26形成对该管或管状结构的包围，从而封闭内部区域20。

管状结构包括第一或外在部分30（以下记为“LS外在部分30”）和与之相对的第二或内在部分32（以下记为“LS内在部分32”）。LS外在部分30和LS内在部分32的最外表面的相对最上部分为基本平坦，并且基本平行。然而，这些部分不必精确地平行，在其他实施例中，可以使用不同的形状。

第一显示设备40设置在顶面板24的外表面。第二显示设备42设置在LS内在部分32的外表面。第二显示设备42是可选的，并且可以从该控制***10上省略。在一个示例性的实施例中，显示设备40或显示设备42可能显示电池组剩余的电流。在图1的***中，位于控制器中的数字处理器92在执行其他任务的同时，例如，控制该控制器的其他部件，负责监控电池84和88剩余的电量。显示设备40和42还向患者提供关于该设备工作状态的反馈信息和警告信息。

壳体16还包括位于侧表面的设置在输入/输出（I/O）连接器组件49中的电源端口46和数据端口48。在LS外在部分30的外表面上设有输入设备50。

伸长的柔性电缆51从控制器端52延伸到泵端54。该电缆51可能还包括在电缆端52和54之间的柔性、螺旋形应力消除节段（未显示）。控制端连接器组件56设置在控制器端52，并且泵端连接器组件60设置在电缆51的泵端54。连接器组件56包括适合于分别与I/O连接器组件49的电源端口46和数字端口48紧密配合的连接器部分46’和48’。

类似的，泵端连接器组件60包括适合于分别与泵I/O连接器组件68的泵电源端口62和泵数据端口64紧密配合的连接器部分62’和64’。

控制器端连接器组件56适合于与在壳体16上的I/O连接器组件49紧密配合，并且泵端连接器组件60适合于与泵12上的泵连接器组件68紧密配合。

当控制器端连接器组件56连接到控制器10的I/O控制器组件49上，并且泵端连接器组件60连接到泵的泵I/O控制器组件68上时，该泵设备信号可以在电能输出端口46和泵电源端口62间传输。数据可以在数据传输端口48和泵数据端口64间传输，将向数据处理器92提供电动泵12的绕组的实时阻抗。

图1和2所示的实施例显示了该壳体可以被分为两个杯形部件。杯形上壳体部分16A具有圆周边缘R1，杯形下壳体部分16B具有圆周边缘R2。上壳体部分16A的边缘R1适合于与下壳体部分16B的边缘R2配合，并且该边缘R1可逆地连接到边缘R2。闩锁组件使得壳体部分16A能够快速拆装到壳体部分16B，以作为对按下设置在上壳体部分16A的LS外在部分30上的释放按钮RB的响应。

图1还显示了杯形壳体部分16B为控制***10的工作提供电能。壳体部分16B包括在它的内部的电源供应支持结构80。该支持结构80具有适合于在它的内部区域接收电池84的杯形形状。在一些实施例中，电池84固定在壳体部分16B上，并且这种结合可以通过部件代替。如图1所示，电源供应支持结构80的内部在几何上与电池84的形状相对应，从而帮助用户以自动防故障的方式置换电池。

在上壳体部分16A的内部设置有次要的或备用电池88，该电池连接到控制***10中的各种元件，从而在电池84发生灾难性故障的情况下，或者在将电池84例行更换为带电的或新的部件的过程中，向控制***提供备用电源。

当电池84和电池88都存在的时候，控制***10将使用电池84为控制器，特别是驱动电子设备提供电能。当电池84耗尽时，控制器自动切换到备用电源，即电池88，或者切换到通过电源插口87的适配器，并且该耗尽的电池被替换。电池84和88可能为任何合适的可充电电池类型，如锂离子、镍镉或任何其他合适的复合材料。

图1还显示了支持结构80还包括电源插口87，以致控制***10可以通过外部电源供电。该外部电源还可能是墙式（AC）适配器或车载（DC）适配器。

杯形壳体部分16A覆盖提供控制***10的功能运作的部件，尤其涉及到植入的泵12的驱动。壳体部分16A覆盖数字处理器92和相关存储器94、泵驱动网络98和次要电池88。

电能传导组件P设置在内部区域20中。该电能传导组件P与电源供应支持结构80相关联，并且连接来自电源的电能。该电源可能是电池84、通过电源插口87的外部电源，或者次要电池88。该电能传导组件P向控制***10的所有部件提供电能。

此外，电能传导组件P通过功率放大器98从数字处理器92到电能输出端46的电能驱动信号线，其中，该电能驱动信号可以通过缆线51连接到泵12的电机。

在内部区域20还设置有数据传导组件D。该数据传导组件D提供代表工作的当前状态的数据，包括泵12的当前状态。从泵接收的数据使得数据处理器92能够确定根据电机的各自绕组的时间变化的阻抗。作为对阻抗数据的响应，数字处理器92确定通过电源端口46和电缆51施加到电机的合适的驱动电源信号。

控制***10的输入设备可能采取键盘或按键的形式。在其他实施例中，输入设备50可能包括连接器。在另外的实施例中，输入设备50可能同时为键盘/按键和连接器。该输入设备允许用户或管理员改变或更改与控制***10的工作相关的任何信息。

控制***10可能还包括有线或无线收发器，TX/RX。该收发器连接到数字处理器92，并且发送和接收数据。这使得控制***10能够与监控器通信，从而显示与控制***有关的更具体的信息以及与患者的健康相关的用法。

图2为根据本发明的一个实施例的心室辅助***的示意图。该***包括附加特征，例如，低功耗处理器（LPP）110和监控电路120。图2所示的***的工作类似于图1所示的***。类似的部件将不再讨论，本领域技术人员可以理解在这两个***中类似的部件将以相同或相似的方式工作。

传统上，低功耗处理器用在设备中以便允许有不同的电源模式。LPP 110用于电池管理目的，减轻了数字处理器92的这些职能。在使用数字处理器来管理电池电量的现有技术中，电池电量通常的货架期为一到两个月。通过使用低功耗处理器来监控电池电量，本发明将电池的货架期延长到十二到十八个月。

优选地，LPP 110在电池88的内部。然而，本领域技术人员将理解，LPP 110可能与电池88位于相同的位置，或者这两者可以相邻并通过合适的接口通信。LPP 110可以是任何市场上可买到的低功耗处理器，如Microchip PIC24，XLP，然而，可以使用任何合适的处理器。

LPP 100工作在休眠状态或唤醒状态。休眠状态引起小的电流量来维持内部计时机制，以便确定何时进入唤醒状态。在唤醒状态中，LPP 10使得若干电路，包括监控器电路120，能够确定电池84、电池88或这两者的剩余电量。

监控电路120是电池燃料计量电流。一般而言，电池燃料计量电路（也被称为“电池能源管理电路”）是通过测量电流、电压和温度来确定电池的电量从而提供电池管理。一种这样的电池能源管理电路为德州仪器的BQ20Z65电池能源管理电路，然而，任何合适的电池能源管理集成电路都可以实现必要功能。该监控电路120还包括保护电路，其有助于检测电池84和88的过电压或电压不足，或者检测何时电池84和88的温度超过特定阈值。

监控电路120还工作在两个状态：默认安全状态和正常工作状态。该默认安全状态是监控电路120上电初始后进入的第一个状态。在默认安全状态中，监控电路120不会或没有检测LPP 110，并且因此不会或没有检测发送到数字信号处理器92的信号，其中，该数字信号处理器负责监控电池84、电池88或这二者的电量。在默认安全状态中，位于控制器中的数字信号处理器92与电池监控电路120通信以便连续地监控电池84、电池88或这二者的电量。正常工作状态是监控电路120检测到LPP 110的存在时所进入的状态。在正常工作状态中，监控电路120使得它自己能够被LPP 110关闭，并且当LPP 110进入睡眠状态，它能够重新启用。正常工作状态使得LPP 110能够监控电池84、电池88或这二者的电量，它的优点将在下面讨论。如果监控电路120不能检测到LPP 110，它将回到默认安全状态。

图2显示了监控电路120是独立的模块。然而，本领域技术人员将认识到，该监控电路可以位于LPP 110、电池88或电池84一起。此外，LPP 110、监控电路120和电池88可以实现为一个集成的单元。

LPP 110同时与数字处理器92和监控电路120通信，以便确定电池84和电池88的电量状态。在工作中，当设备没有使用在需要节约电池84和88的电量的情况下，LPP 110关闭监控电路120。当监控电路120被关闭时，来自电池84或电池88的电荷将不会流过。

在一个实施例中，低功耗处理器周期性地“唤醒”，如每小时、每天（例如，每24小时）、每周或每月，以便对电池进行检查。此外，定期的唤醒可以通过用户编程以便发生在不同的时间间隔。这是与现有技术所公开的连续检查电池的剩余电量所不同的技术。通过电池管理的周期性唤醒，这里所描述的特征提供了一种低功耗处理器，其节省了电池的电量，并且使得电量能够用于更主要的功能，如，控制泵12。

在可选的实施例中，每当采用外部电源时，低功耗处理器都将“唤醒”。该外部电源可以是电池84或通过电源插口87连接的电源适配器，如墙上适配器或车载适配器。监控电路120周期性的活动相比使用处理器连续监控电池电量的现有技术节省了电量，从而大大地延长了存储或运送中的货架期（例如，大于12个月）。

对于低电量的电池，如内部电池88，这种功能的完全关闭可能是至关重要的。此外，本实施例可能还连同低功耗处理器周期性唤醒使用。换句话说，该低功耗处理器可能同时周期性地唤醒，或者当连接外部电源时唤醒。

当LPP 10唤醒，其激活监控电路120。接着，该监控电路120通过采样与电池相关的电流、电压和/或温度，采取必要的步骤来确定电池84、电池88或这二者的电量状态。根据电池的状态信息，监控电路120通过显示设备40或显示设备42显示当前电量。例如，如果监控电路120确定剩余电量低于预定阈值，除了产生用户警告来表示电池88需要更换，显示设备40和/或42可能显示该电量。警告可能持续一段预定的时间，接着将关闭以节省电池电量。

在设备生产时，该设备被设为默认状态。这包括监控电路120被设置到默认安全状态。如上所述，在这个状态中，监控电路120发送信号到数字处理器92以便监控电池的电量，其通过与监控电路120的通信实现。一旦检测到LPP 110，监控电路120将进入正常工作状态，这使得监控电路120能够通过LPP 110关闭，并且当LPP 110进入睡眠状态时，重新启动。正常工作状态还允许LPP 100与监控电路120通信，以便确定连接的电池的电量。如果监控电路120没有检测到LPP 110，或者检测到关于LPP 110的故障，监控电路将回到默认安全状态。

当该设备储存了很长一段时间或被运送，该设备进入到休眠状态。在这种状态中，LPP 110进入到休眠模式，在这种模式下，停止对其他电路的供电。当在休眠状态中，LPP 110将周期性地进入唤醒状态，在这种状态下，它将向多个电路供电，包括监控电路120，这样便可以确定电池84、电池88或这二者的剩余电量。这在设备长时间不使用的过程中有助于保存电池的电量。

根据本发明的一个实施例，其他特征在于安全过载电路，如图3和4所示。该安全过载电路是冗余组件，其在LPP 110不能被唤醒的情况下提供电能。这确保了即使在LPP 110故障的情况下，也能有来自电池84或电池88的供电。对于设备，如心室辅助***的控制器，这确保了电荷的流动，以及由泵12执行的关键的救生功能如果发生中断的话，只受到最小程度的中断。此外，向用户或管理员警告问题的发生也是很重要的。因此，如果LPP 110失效，可以在显示接口40或显示接口42上显示错误信息以便指示故障或故障的类型。

在一个实施例中，LPP 110连接到模拟开关。当LPP 110唤醒的时候，该开关被拨动，LPP 10与监控电路120通信，管理来自电池的电荷流动。如果LPP 110不能唤醒，该模拟开关不被拨动，并且有故障被检测到。可能由于LPP 110以外的理由检测到故障，例如，该开关没有正常工作。

如果开关没有被拨动，LPP 110将被旁路，并且数字处理器92变成负责电源管理。数字处理器92与监控电路120通信，以便正确管理设备的功率损耗。这使得来自电池84或电池88的电荷能够流动，从而向泵的驱动电子设备提供所需的电能，并且向泵提供驱动和控制信号。

当LPP 110被旁路，数字处理器92与监控电路120通信。这起到了将监控电路120留在上电的恒定状态的作用。虽然这具有不断消耗电池电能的不利影响，但是它至少确保了电能的流动并且该设备将不会灾难性地失效。

在可选的实施例中，例如，当外部电源向控制***10供电，电荷信号将会升高，并致使LPP 110唤醒。如图4所示，如果LPP 110唤醒，它将施加电压到它的输出管脚，并允许电荷从电池流出。

然而，在出现故障的情况下，LPP 110可能不会唤醒。因此，如图3所示，输出FET将不会启用。经过一段时间，控制***10将从外部供电中唤醒，并置位电荷启用线。该控制***10将检测到内部的电池组88没有输出电压，并且***管理总线没有通信。电池组内存在荷启用线而不存在输出电压，将导致保险丝断开，如图3所示。这将永久地将电池组处于“总是开启”的模式中。数字处理器92将直接与监控电路120通信，并且该***10将不能够进入到长期的睡眠模式。

尽管已经参考具体实施方案描述了本发明，但是可以理解的是，这些实施例仅是对本发明的原理和应用进行阐述。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

例如，在HeartWare的心室辅助***的背景下已经描述了包括低功耗处理器的智能电池组，但是本领域技术人员可以很容易认识到本发明在移动设备（如智能电话、笔记本电脑和平板电脑等等）中的优势。同样的，本发明的智能电池组可以实现在数字摄像机、便携式音箱或任何具有很长的休眠期的其他合适的电子设备中。

Claims (19)

1.一种用于监控设备中的电池的电量的方法，包括：

提供具有唤醒状态和休眠状态的低功耗处理器，该低功耗处理器配置为周期性地从所述休眠状态变为唤醒状态；

周期性地启用电压监控电路，来确定所述电池的电量，当所述低功耗处理器处在所述唤醒状态时，所述低功耗处理器启用所述电池监控电路。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电池监控电路具有默认安全状态和正常工作状态，在默认安全状态中数字处理器启用所述电池监控电路，在正常工作状态中所述低功耗处理器周期性地启用所述电池监控电路，当检测到所述低功耗处理器时，所述电池监控电路从所述默认安全状态切换到所述正常工作状态。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，当所述设备检测到所述低功耗处理器发生故障时，所述电池监控电路从所述正常工作状态切换到所述默认安全状态。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定所述电池的电量还包括检测至少两个电池的电量。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述两个电池中的至少一个电池可以从所述设备上拆卸。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括将所述确定的电量显示在所述设备上的显示器上。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括当所述确定的电量低于阈值时，生成警告。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括如果低功耗处理器不能被唤醒，则显示故障信息。

9.一种确定设备中的电池的电量的***，包括：

内部电池；

低功耗处理器；

数字处理器；以及

安全过载电路，当所述低功耗处理器发生故障时，该安全过载电路能够允许来自电池的电荷流过。

10.根据权利要求9所述的***，其特征在于，所述安全过载电路包括模拟开关。

11.根据权利要求10所述的***，其特征在于，所述低功耗处理器配置为拨动模拟开关以便停用所述安全过载电路。

12.根据权利要求9所述的***，其特征在于，所述安全过载电路包括保险丝。

13.根据权利要求12所述的***，其特征在于，当所述低功耗处理器不能被唤醒时，所述数字处理器熔断保险丝。

14.根据权利要求9所述的***，其特征在于，所述***还包括外部电池。

15.根据权利要求14所述的***，其特征在于，所述外部电池是可拆卸的。

16.根据权利要求9所述的***，其特征在于，所述***还包括显示器。

17.根据权利要求16所述的***，其特征在于，所述显示器配置为显示所述确定的电量。

18.根据权利要求16所述的***，其特征在于，如果所述低功耗处理器不能被唤醒，则所述显示器配置为显示故障信息。

19.根据权利要求9所述的***，其特征在于，所述***还包括报警器，该报警器配置为如果所述确定的电量低于阈值，则向用户发出警告。