(57)【要約】  本発明は、負荷に電力を供給する電源であって、それぞれ異なる動作特性を有し、電気回路内で負荷に接続された複数のエネルギー蓄積要素と、蓄積要素の少なくとも1つと負荷との間に挿入され、エネルギー蓄積要素を回路要素から分離するように動作可能な回路要素であって、負荷に対するエネルギー供給が蓄積要素の特性と合致するように選択される回路要素とを備える電源を開示する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
負荷に電力を供給する電源であって、
それぞれ異なる動作特性を有し、電気回路内で前記負荷に接続された複数のエネルギー蓄積要素と、
前記蓄積要素の少なくとも1つと前記負荷との間に挿入され、前記エネルギー蓄積要素の前記1つを回路要素から分離するように動作可能な回路要素であって、前記負荷に対するエネルギー供給が前記蓄積要素の前記特性と合致するように選択される回路要素とを備える電源。
【請求項２】
前記蓄積要素が並列に接続され、前記回路要素が1対の前記蓄積要素の間に挿入される、請求項1に記載の電源。
【請求項３】
前記エネルギー蓄積要素の1つを監視し、それに対して前記負荷から課せられる要求を変更する電源監視ユニットを含む、請求項2に記載の電源。
【請求項４】
前記電源監視ユニットが、前記負荷に供給される最大電流を決定する、請求項3に記載の電源。
【請求項５】
前記電源監視ユニットが、所定の状態に到達したときに、前記1つのエネルギー蓄積要素を前記回路から切り離すように動作可能である、請求項3に記載の電源。
【請求項６】
前記1つの蓄積要素が、他の前記蓄積要素にエネルギーを補充するように動作可能である、請求項2に記載の電源。
【請求項７】
前記1つのエネルギー蓄積要素から前記他の前記エネルギー蓄積要素への電力供給が、前記1つの蓄積要素の特性に合致するように制限される、請求項6に記載の電源。
【請求項８】
前記回路要素がインダクタである、請求項1に記載の電源。
【請求項９】
前記エネルギー蓄積要素が少なくとも1つの電池セルを含む、請求項1に記載の電源。
【請求項１０】
前記少なくとも1つの電池セルと前記負荷との間に接続されたダイオードをさらに備え、
前記ダイオードが、前記負荷から前記少なくとも1つの電池セルへの突入電流を阻止する、請求項9に記載の電源。
【請求項１１】
前記少なくとも1つの電池セルがリチウムポリマーセルである、請求項9に記載の電源。
【請求項１２】
前記エネルギー蓄積要素が少なくとも1つの超コンデンサを含む、請求項1に記載の電源。
【請求項１３】
前記エネルギー蓄積要素が少なくとも1つの電解コンデンサを含む、請求項1に記載の電源。
【請求項１４】
前記エネルギー蓄積要素の少なくとも1つに接続された少なくとも1つの突入電流リミッタをさらに備える、請求項1に記載の電源。
【請求項１５】
バスに接続された、付随する抵抗および付随するスイッチを有する分流コントローラをさらに備え、
前記分流コントローラが、前記電源の電圧レベルを監視し、予め設定された最大電圧レベルに達したことに応答して前記付随するスイッチを閉じ、前記分流コントローラの前記付随するスイッチを閉じることにより、エネルギーが前記付随する抵抗中に放散される、請求項1に記載の電源。
【請求項１６】
前記エネルギー蓄積要素から前記負荷への電力の供給が、前記蓄積要素からの電流要件を前記負荷の要件に合致させるように動作可能なパワードライブコントローラによって制御される、請求項1に記載の電源。
【請求項１７】
前記エネルギー蓄積要素の少なくとも1つが前記電源監視ユニットによって監視され、前記コントローラの要件を利用可能な電力に合致させる、請求項16に記載の電源。
【請求項１８】
前記電源監視ユニットが、前記１つの蓄積要素の電力飽和レベルを示す制御信号を前記パワードライブコントローラに提供する、請求項17に記載の電源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電源に関する。
【背景技術】
【０００２】
電池は個々のセルから形成され、各セルは電圧および電流出力を生成する。セルは、直列または並列のアレイに配列されて、電源に必要とされる電圧および電流出力を生成することが可能な電源を形成する。
【０００３】
セルは、それぞれが特定の1組の動作特性を有する、様々な材料および形態で構成することができる。例えば、ある構造は、長期間にわたって定電圧で電流を供給するのに特によく適しているが、高い過渡負荷には適さないことがあり、別の構造は、そのような負荷によりよく適している。通常は、セルが影響を受けやすいと思われるデューティーサイクルに最適なセル構造を選択する。
【０００４】
多くの応用例では、デューティーサイクルは一定でありかつ反復的であり、一定かつ反復という要件を満たすために特定のセル構造を用いることが可能になっている。他の応用例では、デューティーサイクルは劇的にかつ一貫性なく変化することがあり、セルの選択をさらに困難にしている。例えば２、３例を挙げると、電動工具、模型飛行機、レーシングカートなど、高いピーク電流を必要とする多くの応用例では、容積および重量にも制約があるため、選択がさらに複雑になっている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
出願人らは、電池でアクチュエータに動力を供給し、ユーザを動かすことが必要とされる、電動下肢義肢に取り組んでおり、それは特に、実現困難な応用例である。高いピーク電流要件を有するこれらの応用例の多くでは、最大ピーク電流を満たすのに必要な数の電池が、利用可能な容積内に収まらない。したがって、多様な要求を満たし、短時間に大量のエネルギーを供給し、かつ非常に限られた容積内に収まる、コンパクトな電源が必要とされる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
したがって、本発明の一目的は、上記の不利益のいくつかまたはすべてを取り除く、または軽減することである。
【０００７】
本発明によれば、負荷に電力を供給する電源であって、
それぞれ異なる動作特性を有し、電気回路内で前記負荷に接続された複数のエネルギー蓄積要素と、
前記蓄積要素の少なくとも1つと前記負荷との間に挿入され、前記エネルギー蓄積要素の前記1つを回路要素から分離するように動作可能な回路要素であって、前記負荷に対するエネルギー供給が前記蓄積要素の前記特性と合致するように選択される回路要素とを備える電源が提供される。
【０００８】
本発明の一実施形態を、添付の図面を参照して単に例示の目的で以下に記載する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図1を参照すると、制御システム(40)は、パワーパック(50)から能動義肢(60)への電力の供給を制御する。従来の義肢とは異なり、能動義肢(60)は、単独で動くのに必要な機械的エネルギーを供給するように設計されている。制御システム(40)の目的は、能動義肢(60)の駆動機構(62)、例えば電動モータの制御を必要な方式で行うのに必要な信号を提供することである。センサ(42)は、切断患者の歩行の動力学に関する情報をリアルタイムで捕捉し、その情報を、インタフェース(44)を介してコントローラ(46)に提供する。コントローラ(46)は、関節の軌道、ならびに、協調した動きを提供するために駆動機構(62)が加えなければならない必要な力またはトルクを決定する。制御システム(40)は次に出力信号を生成し、この信号は、パワーパック(50)から駆動機構(62)に供給される電力を調節するのに使用される。
【００１０】
パワーパック(50)は、必要な動きを生み出すために駆動機構(62)にエネルギーを供給するように、それ自体が電源(54)に接続された、パワードライブ(52)を含む。電源(54)およびパワードライブ(52)は、飽和制御線(916)を介して相互に作用して、電力線(61)を介してパワードライブ(52)から駆動機構(62)に提供される電力量を制御する。パワードライブ(52)は、例えば、ELMO Motion ControlからのPIC25/50でよいが、本明細書の記載はこれだけに限定されない。
【００１１】
センサ(42)を用いる制御システム(40)の例は、Stephane Bedardによる2003年6月20日出願の米国特許出願第10/600,725号、「CONTROL SYSTEM AND METHOD FOR CONTROLLING AN ACTUATED PROSTHESIS」に記載されており、能動義肢の例は、Stephane Bedardらによる2003年6月17日出願の米国特許出願第10/463,495号、「ACTUATED PROSTHESIS FOR ABOVE-KNEE AMPUTEES」に記載されている。
【００１２】
駆動機構(62)の動作に必要な電流は、図4および5に示すような2つの主な電流プロファイルに分類される。第1の電流プロファイルは、比較的高い周波数のパルス幅変調(PWM)信号である。PWMは、モータ制御に広く使用されている高効率の制御信号である。PWM信号の周期は常に同じままであるが、図4に示すように、信号のデューティーサイクル(ON/OFF比)は時間とともに変化する。駆動機構(62)に供給されるパワードライブ(52)の出力は、PWMタイプのものである。パワードライブ(52)がこのプロファイルを満たすのに必要なエネルギーは、電源(54)から供給しなければならない。
【００１３】
第2の電流プロファイルは低い周波数のものである。これは、歩行を、あるいは能動義肢(60)の場合には切断患者の動きを再現する、主電流の包絡線である。図5に一例を示すこのプロファイルは、比較的高電流であってもよいが、持続時間が短く、通常の歩行動作で正弦波様の形状を有する。したがって、電源に課せられる電流要求は変動し、この要求を満たすために、電源は、図2にさらに詳細に示すように構成される。
【００１４】
電力蓄積要素
電源(54)は、特性の異なるエネルギー蓄積要素、すなわち電池(100)、超コンデンサ(200)、および電解コンデンサ(300)を有する。蓄積要素は、端子56、58に接続されたバス(59)によって、パワードライブ(52)に並列に接続されている。第1のプロファイルである高周波数パルス幅変調(PWM)は、電解コンデンサ(300)によって最適に対処され、低周波数である第2のプロファイルは、電池(100)および超コンデンサ(200)によって最適に対処される。蓄積要素は、バス(59)に挿入されたインダクタ(400)によって機能的に分離されて、後述する特定の事例では、電池(100)および超コンデンサ(200)からの電流の流れを制限する。インダクタ400は、電池100および超コンデンサ200からの電流の供給を遅らせる役割を果たし、したがって、電流は、並列の電解コンデンサ(300)を放電することにより選択的に供給される。
【００１５】
電源(54)はまた、電源保護/管理要素(power protection/management elements)も含む。電源保護/管理要素は、付随するスイッチ(510)および抵抗(520)を備える局部分流コントローラ(local shunt controller) (500)と、ダイオード(600)と、低速突入電流リミッタ(slow in-rush limiter) (700)と、高速突入電流リミッタ(fast inrush limiter) (800)と、電源管理ユニット(PMU) (900)とを含む。後述するように、電池(100)も保護要素および管理要素を含む。
【００１６】
分流コントローラ(500)ならびに付随するスイッチ(510)および抵抗(520)は、エネルギー再生段階で、電源(54)の端子Vout+ (56)とVout- (58)の間に大きな電圧誘導が生じるのを防ぐために含まれている。ダイオード(600)は、同じ段階において、電源(54)のバス(59)上の逆電流から電池(100)を保護する。さらに、ある期間休止していた後で電源(54)を入れた場合、超コンデンサ(200)および電解コンデンサ(300)は完全に放電される。したがって、低速突入電流リミッタ(700)および高速突入電流リミッタ(800)は、それぞれ、超コンデンサ(200)および電解コンデンサ(300)による電池(100)への電流ドレインを適切なときに制限する。
【００１７】
エネルギー蓄積要素の特性は、以下により詳細に記載する内部構造によって決まる。
【００１８】
電池
図3を参照すると、電池(100)は、高エネルギー密度のリチウムポリマー(Li-Pol)セルなどの10個の電池セル(110)を含み、これは、例えばKokam Engineering製のSLPB36495-HDセルであるが、本明細書の説明はそれだけに限定されるものではない。電池セル(110)は直列に構成されており、この配列によって、比較的高い電圧(公称37 V、満充電時で最大42 V)を使用することができ、かつ高い電流(電力)を使用することができる。これらのセル(110)は、セル(110)の公称値の10倍(1C mA = 2000 mAのとき10 C)までの高電流を放電することが可能なので、能動義肢(60)のこの例示的な応用例に、または高いピーク電流が必要な他のどんな応用例にもよく適している。この性能により、セル(110)は公称値よりも高い電流を供給できるため、電池(100)内の必要なセル(110)の数を減らすことができる。さらに、こうすると、体積当たりの性能が高い有利な解決策が得られ、比較的コンパクトな設計が可能になるが、これは、電源に利用できる空間が限られている、能動義肢(60)または他のあらゆる電気機器あるいは電子機器の場合に、重要な要素である。
【００１９】
他のタイプおよび異なる数の電池セルを、様々な構成で使用してもよい。例えば、1つの代替実施形態では、Kokam Engineering製の30 SLPB393452-H高エネルギー密度リチウムポリマー(Li-Pol)セルをそれぞれ10個直列に接続した列を、3列並列に並べて構成してもよい。
【００２０】
当然ながら、動作範囲内の電力を供給するためには、電池(100)は、パワードライブ(52)の電源要件に合致している必要があり、したがって、応用例に応じて電池セル(110)の数および構成は変わり得る。電池(100)はさらに、再充電のために電池セル(110)を電力源に接続する充電コネクタ(170)を含む。
【００２１】
能動義肢(60)の応用例では、電動モータなどの駆動機構(62)は、約36 Vの一般的な電圧要件および約18 Aの最大ピーク電流を有するものと想定するが、本明細書の説明はこの仕様だけに限定されるものではない。つまり、1つの電池セル(110)は3.7 Vの公称電圧を有するので、約10個の直列電池セル(110)が必要となる。ただし、単一の電池セル(110)の通常の動作電圧は、4.2 V(満充電時)から3.0 V(完全放電時)まで変化するので、起こり得る不適正な動作状態を識別するためにセルは監視される。
【００２２】
電池セル(110)は、PCM (120、130、140、および150)を用いて監視され、これは例えばMaxim製のMAX1666 PCMなどであるが、本明細書の説明はこのモデルだけに限定されるものではない。個々のPCM (120、130、140、および150)は、電圧、充電電流、および放電電流を測定することにより、直列に配列された2または3個の電池セル(110)を備える関連するセル群(112、113、114、および115)を監視する。充電モードでは、PCM (120、130、140、および150)は、顕著な電圧変化または過電流状態を検出すると、監視した電池セル(110)に関連する充電保護スイッチ(124、134、144、および154)をそれぞれの制御線(122、132、142、および152)を介して制御して、関連するセル群(112、113、114、および115)を使用不能にすることにより、監視した電池セル(110)を保護する。放電モードでは、1つのセル群に不適正な状態が検出されると、放電保護スイッチ(164)を開いて、それ以上電流が供給されないようにする。関連するセル群(112、113、114、および115)が保護解除電圧または電流に達すると、PCM (120、130、140、および150)は、バイパスモードに戻る(スイッチを閉じる)。
【００２３】
超コンデンサ
電池(100)のピーク電流に対する寄与を制限するために、高エネルギー蓄積要素、すなわち超コンデンサ(200)が使用される。超コンデンサ(200)は、非常に短時間の間に大量のエネルギーを供給することができ、これは電池(100)の挙動とは異なる。電池は、その体積中により高いエネルギーを蓄積できるので、高エネルギー要素と見なされるが、そのエネルギーを同じ程迅速に供給する能力は有さない。したがって、本明細書の説明は次のモデルだけに限定されるものではないが、例えばEvans CapacitorからのTHQ3050243などの超コンデンサ(200)によって、高い突入電流の一部が供給される。この例示的な応用例では、24 mFで十分であると評価されている。
【００２４】
超コンデンサ(200)の等価直列抵抗(ESR)は、できるだけ低く抑えなければならないので、特に注意を払う必要がある。1つの超コンデンサ(200)の予想値はmΩ単位で示され、複数の超コンデンサ(200)が使用される場合、その群全体で1 Ω未満でなければならない。ESRが高いと、利用可能な瞬間電流が低くなり、電池(100)の電流寄与をより高くしなければならなくなる。
【００２５】
電解コンデンサ
電解コンデンサ(300)は、電池(100)のピーク電流への寄与を制限するため、ならびにPWMのフィルタリングのために使用される高エネルギー蓄積要素である。超コンデンサ(200)と同様に、電解コンデンサ(300)は、非常に短時間の間に大量のエネルギーを供給することができ、これは電池(100)の挙動とは異なる。したがって、本明細書の説明は次のモデルだけに限定されるものではないが、例えばPanasonicからのEEUFC1J471Lコンデンサなどの電解コンデンサ(300)によって、より高周波数の高い突入電流の一部が供給される。これまで説明してきた応用例では、体積を考慮すると、より小さな電解コンデンサ(300)、この場合は個々の容量が0.47 mFで総容量が2.82 mFとなるコンデンサ(並列に配列した6個の電解コンデンサ(300))を使用することが好ましい。電解コンデンサ(300)をこのように並列に配列することによるさらなる利益は、特にESRは6分の1に大きく低減されるが、容量および最大電流は6倍に増加することである。
【００２６】
インダクタ
上述したように、インダクタ(400)により、異なる特性をもつエネルギー蓄積要素が分離される。インダクタ(400)は、ピーク高周波電流状態が生じたときに、電池(100)および超コンデンサ(200)の電流寄与を遅延させ、よってそれを制限する役割を果たす。インダクタ(400)は、パワードライブ(52)と超コンデンサ(200)との間に配置される。というのは、パワードライブ(52)は潜在的に高周波ノイズを(したがって電流を)誘導し、超コンデンサは高周波条件下では良好に動作しないからである。インダクタ(400)は電池(100)に対しても同じ役割を果たす。低周波のサブシステム、すなわち電池(100)および超コンデンサ(200)の寄与を、許容可能な程度に制限できるようにするために、十分なインダクタンスを用いなければならない。低周波のサブシステム、すなわち電池(100)および超コンデンサ(200)の電流寄与を低減することにより、インダクタ(400)は、電解コンデンサ(300)にそのエネルギーをパワードライブ(52)に供給させる。能動義肢(60)のこの例示的な応用例では、インダクタ(400)は、例えばAPI DelevanからのDC780-153Kインダクタでよいが、本明細書の説明はこのモデルだけに限定されるものではない。選択されたインダクタ(400)は、この応用例における最も悪い状態の電流、この所与の例では約18 Aに合致する、増分的な電流値を有さなければならないことに留意されたい。
【００２７】
電源保護/管理要素
分流コントローラ
特定の状況では、電源(54)は、能動義肢(60)にエネルギーを供給する代わりにそこからエネルギーを吸収するが、そのような状況は再生段階と呼ばれる。再生段階は、例えば能動義肢(60)のユーザが階段を降りている場合に発生する。再生段階が電源(54)に及ぼす影響は、その要素にエネルギーが戻ることであり、そのエネルギーを、超コンデンサ(200)および電解コンデンサ(300)を再充電するのに使用することができる。しかしながら、超コンデンサ(200)および電解コンデンサ(300)が完全に再充電されると、Vout+ (56)とVout- (58)の間の電圧が上昇し続けることがあり、それが損傷をもたらす恐れがある。超コンデンサ(200)および電解コンデンサ(300)を保護するため、分流コントローラ(500)は、Vout+ (56)とVout- (58)の間の電圧を監視して、予め設定した最大電圧レベルに達しているかどうか判断する。監視された電圧が予め設定した最大電圧レベルを越えると、分流コントローラ(500)はスイッチ(510)を閉じ、その結果、吸収されたエネルギーは抵抗(520)中に放散される。逆に、監視された電圧が予め設定した最大電圧レベルを下回ると、分流コントローラ(500)はスイッチ(510)を開く。
【００２８】
ダイオード
再生段階の間、上述したように、電源(54)への影響はその要素にエネルギーが戻ることであり、それが電池(100)に損傷を与えることがある。ダイオード(600)の目的は、電源(54)のバス(59)への逆電流を妨げることによって、電池(100)にそのようなエネルギーが戻らないように保護することである。
【００２９】
突入電流リミッタ
超コンデンサ(200)および電解コンデンサ(300)を電池(100)から充電するとき、例えば、ある一定期間電源(54)を作動させず、超コンデンサ(200)および電解コンデンサ(300)を故意に完全に放電させた後に、電源(54)が通電される場合、電池(100)からの非常に大きくかつ急速な電力ドレインが起こる。その結果、得られる最大許容電力を超えることもある電力ドレインが生じ、したがって、電池(100)を過放電の状態から保護するために、PMUは、電池(100)をバス(59)から切り離す。このような状態が発生するのを防ぐため、低速突入電流リミッタ(700)および高速突入電流リミッタ(800)は、それぞれ超コンデンサ(200)および電解コンデンサ(300)から電池(100)への電流ドレインを、適切なときに制限する。
【００３０】
低速突入電流リミッタ(700)および高速突入電流リミッタ(800)は、例えば、それぞれ超コンデンサ(200)および電解コンデンサ(300)の両端間電圧を線形に上昇させる、NチャネルD2PAKパワーMOSFETに基づくものでよい。次に進む簡単なやり方は、充電時間を、ほぼ定常状態の受け入れ可能な電力が得られるように調整することである。
【００３１】
電源管理ユニット(PMU)
蓄積要素のこの構成により、適切な要素が電流を駆動機構(62)に供給することが可能になるが、電源管理ユニット(PMU) (900)によってさらなる機能強化および制御が得られる。図6に示すPMU (900)はコントローラであり、その目的は、電池(100)から得られる最大許容電力を決定し、放電スイッチ制御線(914)を用いて放電スイッチ(164)を開閉し、また電力飽和制御線(916)を用いてパワードライブ(52)の電力飽和コマンドを設定することである。電力飽和制御線(916)上の信号は、電池(100)から供給可能な電力を示し、駆動機構(62)に最適な制御信号を選択するために、パワードライブ(52)がそれを使用する。
【００３２】
PMU (900)は、デジタル信号プロセッサ(DSP) (910)、任意選択の音声警告(960)、およびLCDディスプレイ(970)の低電力レベルインジケータ、ならびにDC/DC変換器(950)を含む。任意選択の音声警告(960)およびLCDディスプレイ(970)の低電力レベルインジケータは、PMU (900)の一部分である必要はなく、さらには電源(54)上に配置される必要さえもなく、例えば離れて配置されてもよい。
【００３３】
DSP (910)は、監視線(912)を介して電池セル(110)の電圧をリアルタイムで監視する状態装置を含む。電池セル(110)の状態が変わると、DSP (910)は、電力飽和制御線(916)の適切なレベルを決定するアルゴリズムを実行する。DSP (910)が実行できるアルゴリズムの例は、図7に示すフローチャートに記述されているものである。アルゴリズムを構成する一連のステップは、一連のブロック(920)から(942)に示されている。
【００３４】
ブロック(920)において、アルゴリズムは、監視線(912)を通して時間サンプル"t"で個々の電池セル(110)の瞬間電圧VbatI (t)を監視することによって開始し、ブロック(922)で、個々の電池セル(110)のすべての瞬間電圧を合計することにより、電池(100)の総瞬間電圧Vbat (t)を計算する。
【００３５】
ブロック(924)で、アルゴリズムは、各電池セル(110)について、最後の時間サンプル"I"での平均電圧MeanVbatI (t)を計算する。このステップは、一時的に現れることがあるが、個々の電池セル(110)の状態を表さないかも知れない、電圧の急峻な上昇または降下を除去する役割を果たす。
【００３６】
ブロック(926)で、すべての電池セル(110)についてMeanVbatI (t)の平均VmeanVbatが計算される。ブロック(926)と並行して、ブロック(928)で、各電池セル(110)についてMeanVbati(t)の最小値を特定し、これがVmeanMinとなる。
【００３７】
次に、ブロック(930)で、総瞬間電圧Vbati(t)に、最後の時間サンプル"I"の平均電圧の最小値とそれらの平均電圧の平均値の比に等しい重み係数を乗算することにより、重み付けされた電圧Vbat(weighed)が計算される。この重み係数は、個々の電池セル(110)の間で起こり得る電圧の不一致を考慮に入れるためのものである。当然ながら、他の重み係数を使用して、電源の特定の状態を表してもよい。
【００３８】
ブロック(932)で、アルゴリズムは、重み付けされた電圧Vbat(weighted)が最小許容電圧Vbat(acceptable)を下回っているか否かを調べるが、この電圧Vbat(acceptable)は、操作上安全な最小電圧レベルを示す閾値であり、それを下回ると、電池(100)またはその構成要素である電池セル(110)の一部に損傷が生じ始める恐れがある。Vbat(weighed)がVbat(acceptable)を下回る場合、ブロック(933)で、アルゴリズムは、電池(100)をバス(59)から切り離すために、放電スイッチ制御線(914)を介して放電スイッチ(164)を開く。一方、Vbat(weighed)がVbat(acceptable)を下回っていない場合は、ブロック(935)で、アルゴリズムは、電池(100)をバス(59)に接続するために、放電スイッチ制御線(914)を介して放電スイッチ(164)を閉じる。
【００３９】
ブロック(936)で、重み付けされた電圧Vbat(weighed)と最小許容電圧Vbat(acceptable)の差に、電流調整器を実現する伝達関数G(S)を乗算することによって、駆動機構(62)の電力飽和レベルPMaxSatが計算される。図8は、G(S)伝達関数のブロック図を示し、この伝達関数においてIbatは以下の式で表される。
【数１】
2007524331.tif 000003
【００４０】
式中、Ibatは電池(100)の電流、Rtは電池(100)の等価抵抗、
【数２】
2007524331.tif 000004
【００４１】
式中、Iavは利用可能な電流、G1およびG2は利得関数、Fはサンプリング周波数、
PmaxSat = Iav・Vbat (weighted)   式(3)
である。
【００４２】
式2の利得関数G1およびG2は、次式のように計算することができる。
【数３】
2007524331.tif 000005
【００４３】
式中、GAは本システムの所望の利得、fcは本システムの所望の遮断周波数であり、システムは電池(100)および負荷、この場合はパワードライブ(52)である。
【００４４】
アルゴリズムは次に、ブロック(938)で、電力飽和制御線(916)を介して電力飽和コマンドPMaxCMDをパワードライブ(52)に送ることにより、パワードライブ(52)の駆動機構(62)の電力飽和レベルを設定する。
【００４５】
ブロック(940)で、PMaxSatを低域フィルタにかけるが、この低域フィルタの目的は、適当なときに特定の遅延を生じさせて、PMaxSat値の小さく急速なばらつきを排除することである。PMaxSatの低域フィルタリングの後、ブロック(942)で、伝達関数G(S)は、利用可能な電力に応答して動的に調整される。
【００４６】
通常、DSP (910)は、動作するのに3.3 Vの単一電源と+/- 12 Vの二重電源とを必要とする。この電力は、パワードライブ(52)の利用可能な電力の一部を、DC/DC変換器(950)を用いて必要なDSP (910)電力レベルに変換することによって供給してもよく、この変換器(950)は、例えばDATEL TWR-3.3/4-12/300-D4であるが、本明細書の説明はこれだけに限定されるものではない。DC/DC変換器(950)を使用することの利点は、DSP (910)を電源から、すなわち電池(100)から隔離できることである。他の可能な手法は、モジュラーブロックの代わりに、変換器として一体化された、またはDSP (910)専用の追加の電源を有する別個の電子要素を用いて、等価の変換器を作ることである。
【００４７】
自律時間(autonomy time)が終わりに近づいたときのユーザに対する警告に関して、音声警告(960)および/またはLCDディスプレイ(970)は、二段構成として実現してもよい。すなわち、第1の警告は電池(100)の電力が低下していることを示し、第2の警告は電池(100)の電力が「臨界の電源異常」状態に近づいていることを示す。例えば、電池(100)が(通常の動作条件下で)完全放電まであと30分動作するのに十分な電力の蓄積を有するとPMU (900)が見積もったときに、第1の警告を発行してもよく、完全放電まであと10分のときに、第2の警告を発行してもよい。
【００４８】
したがって、動作においては、最初にコネクタ(170)を用いて電池(100)を充電する。セル(110)を、PCM (120、130、140、および150)で監視し、完全に充電されると充電器(170)から切り離す。義肢が作動すると、超コンデンサ(200)および電解コンデンサ(300)が電池(100)から充電され、突入電流リミッタ(700および800)が電池(100)へのドレインを制限する。
【００４９】
切断患者の初期の歩行が、センサ(42)によって捕捉され、この歩行によって、コントローラ(46)で制御信号を生成して、駆動機構(62)の動作が開始される。パワードライブ(52)は、飽和制御線(916)によって示される最大値以下の必要な電流を決定し、電源(54)を機構(62)に接続する。電解コンデンサ(300)は、電流供給の高周波側の周波数成分を電池(100)に提供し、高速突入電流リミッタ(800)による制限の下で電解コンデンサ(300)を再充電する。インダクタ(400)は、電流が電池(100)から超コンデンサ(200)へ流れるのを阻止し、したがって電解コンデンサ(300)によってその要求が満たされる。
【００５０】
パワードライブ(52)が低周波数で高電流を必要とする場合、超コンデンサ(200)が高電流それを供給し、要件を満たすまで電池(100)が高電流を補完する。
【００５１】
PMU (900)は、セル(110)の状態を監視し、パワードライブ(52)の主要な電力コマンドを適切に変更する。電池(100)の状態が臨界エネルギーレベルを示すと、低電力レベルインジケータ(960および970)が起動して、切断患者に適切な動作を行わせる。セルの状態が悪化し続けている場合、スイッチ(164)が開き、電池(100)は切り離される。
【００５２】
したがって、電源(54)は、蓄積要素の特性をデューティーサイクルに合致させるのに有効であり、また、電池セル(110)の性能を監視し、電力の供給を適切に変更することによって、電池セル(110)が恒久的に損傷するのを回避するのに有効であることが分かる。
【００５３】
本発明の用途は能動義肢に限定されず、例えば充電式電動工具、模型飛行機、レーシングカートなど、短時間に高エネルギーを必要とする他の応用例もまた、上述の電源の利益を享受できることに留意されたい。
【００５４】
本発明を、特定の実施形態およびその実施例を用いて説明してきたが、本発明の範囲から逸脱することなく、本発明の特定の実施形態に変更を加えてもよいことが、当業者には明らかになるであろうことに留意されたい。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】駆動機構を有する義肢用の制御システムを示すブロック図である。
【図２】パワーパックの概略ブロック図である。
【図３】図2に含まれる電池の概略ブロック図である。
【図４】高周波数パルス幅変調(PWM)信号のグラフである。
【図５】一般的な歩行電流プロファイルのグラフである。
【図６】図2に含まれる電源管理ユニット(PMU)の概略ブロック図である。
【図７】PMUアルゴリズムのフローチャートである。
【図８】G(S)伝達関数のブロック図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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