JP2004251826A - 電池残量検出装置及び電池交換時期判別方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】電池2の出力電圧をDC/DCコンバータ部10で昇降圧させる電源装置の電池2の電力供給能力を判断する電池残量検出装置100において、DC/DCコンバータ部10は、電池2の出力電圧をスイッチングする周波数を負荷変動に応じて可変するものであり、電池残量検出装置100は、所定単位時間内におけるDC/DCコンバータ部10のスイッチング回数を測定するカウンター装置150と、スイッチング回数に基づいて電池2の電力供給能力を判断する電池残量判断手段(カウント検出保持装置160など)とを有することを特徴とする。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、電池の残量を検出する電池残量検出装置及び電池交換時期判別方法に関し、特に無線テレメータ機器などで用いられる一次電池の残量検出などに好適な電池残量検出装置及び電池交換時期判別方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、自動販売機、料金検出装置などにおける販売量、使用量及び料金などのデータを無線通信により収集する無線テレメータが用いられるようになってきた。このような無線テレメータは、一次電池を電源として内蔵しており、例えばその一次電池のみで10年間動作する。この一次電池(又は電池)の交換時期を判断する方法としては、電池の出力電圧をA/Dコンバータで検出し、その検出値を平均化する処理などを施し、基準値と比較する方法があった(例えば、特許文献1参照)。
【0003】
【特許文献1】
特開平7−325134号公報
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の電池交換時期判断方法では、A/Dコンバータの分解能に限界があることなどから電池の出力電圧を正確に検出することが困難であり、正確に電池交換時期を判断することが困難であった。
【0005】
また、一次電池は、内部抵抗rをもつので、負荷電流Iが流れると、図5に示すように電圧降下(ΔVr=I×r)が発生する。上記従来の方法では、A/Dコンバータ及び演算器を用いているので、上記電圧降下時に電池電圧を監視している。さらに、一次電池の種類及び構造に応じて内部抵抗が異なるので、同じ容量の一次電池でも使用時の電圧降下が異なる。これらにより、上記従来の方法では、一次電池の種類及び構造に応じた電池残量検出方法をとることができず、電池残量(電力供給能力)を正確に検出することが困難であった。
【0006】
また、一次電池の種類及び構造によっては、連続大放電を頻繁に行ったり、劣化してくると、内部の電極表面が電極面活性化を失い電流供給能力が低下してしまう。その結果、ある値以上の負荷電流を流した場合、内部抵抗rによる電圧降下ΔVr以上に、図5に示す電極面活性化低下による電圧降下ΔVLを引き起こす。そこで、上記従来の電池交換時期判断方法では、A/Dコンバータ及び演算器を用いているので、内部抵抗rによる電圧降下ΔVrと電極面活性化低下による電圧降下ΔVLとの区別がつかないことにより、電池残量(電力供給能力)を正確に検出することが困難であるという問題点もあった。
【0007】
また、無線テレメータなどに内蔵される一次電池は、電池交換までの期間を長く要求され(例えば10年)、電池残量の変化が非常に緩やかである。そのため上記従来の電池交換時期判断方法では、一次電池の交換時期を判別するのに必要な精度で電池電圧を監視することが、A/Dコンバータの分解能及び精度上困難であるという問題点もあった。
【0008】
本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、電池の内部抵抗による電圧降下の影響を受けることなく、該電池の電力供給能力を検出して、高精度に電池残量を検出することができる電池残量検出装置及び電池交換時期判別方法を提供することを目的とする。
【0009】
また、本発明は、電池の内部抵抗による電圧降下と電極面活性化低下による電圧降下の影響を受けることなく、高精度に電池残量を検出して、正確に電池交換時期を判断することができる電池残量検出装置及び電池交換時期判別方法を提供することを目的とする。
【0010】
また、本発明は、A/Dコンバータの精度及び分解能の影響を受けることなく正確に電池交換時期を判断することができる電池残量検出装置及び電池交換時期判別方法を提供することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項1に記載の発明は、電池の出力電圧をDC/DCコンバータで昇降圧させる電源装置の該電池の電力供給能力を判断する電池残量検出装置において、前記DC/DCコンバータは、前記電池から出力される電圧をスイッチングする周波数を、負荷変動に応じて可変するものであり、前記電池残量検出装置は、所定単位時間内における前記DC/DCコンバータのスイッチング回数を測定するカウンター装置と、前記スイッチング回数に基づいて前記電池の電力供給能力を判断する電池残量判断手段とを有することを特徴とする。
【0012】
請求項2に記載の発明は、前記電池残量検出装置が、前記電池の出力電圧が所定電圧になったか否か判断する比較装置と、前記比較装置の判断結果に基づいて、前記カウンター装置及び電池残量判断手段の少なくとも一方の動作を開始又は停止させる電力供給装置とを有することを特徴とする。
【0013】
請求項3に記載の発明は、前記電池残量検出装置が、前記所定単位時間内における前記スイッチング回数が基準値を超えたときに、電池残量警告信号を前記電池残量判断手段に出力するカウント検出保持装置を有し、前記電池残量判断手段は、前記電池残量警告信号を所定回数以上受信したときに、前記電池の電力供給能力がなくなったと判断することを特徴とする。
【0014】
請求項4に記載の発明は、前記電池残量判断手段が、前記電池の電力供給能力がなくなったと判断したときに、該電池の交換を求める旨の信号を出力することを特徴とする。
【0015】
請求項5に記載の発明は、前記電池残量判断手段が、前記電池の電力供給能力がなくなったと判断したときに、該電池残量判断手段、前記カウンター装置、前記比較装置、前記電力供給装置及び前記カウント検出保持装置のうちの少なくとも1つの動作を停止させることを特徴とする。
【0016】
請求項6に記載の発明は、前記電池残量検出手段が、前記スイッチング回数と前記電池の出力電圧とに基づいて、該電池の電力供給能力を判断することを特徴とする。
【0017】
請求項7に記載の発明は、負荷変動に応じてスイッチング周波数を可変するDC/DCコンバータの電力供給源となる電池の交換時期を判断する電池交換時期判別方法において、所定時間内におけるスイッチング回数に基づいて前記電池の交換時期を判断することを特徴とする。
【0018】
請求項8に記載の発明は、所定時間内におけるスイッチング回数が基準値を超えたときに、電池残量警告信号を出力し、前記電池残量警告信号の出力された回数が所定回数を超えたときに、前記電池の交換時期がきたと判断することを特徴とする。
【0019】
請求項9に記載の発明は、前記電池の交換時期を、所定時間内におけるスイッチング回数と該電池の出力電圧とに基づいて判断することを特徴とする。
【0020】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照し、本発明の一実施形態に係る電池残量検出装置について説明する。本実施形態では、PHS無線テレメータに適用される電池残量検出装置について説明する。
【0021】
図1は、本発明の実施形態に係る電池残量検出装置が適用された機器(PHS無線テレメータ)の一部を示す回路図である。図2は図1に示す機器における各部の信号波形を示す図である。
機器1は、演算装置20によって制御される内部回路(無線テレメータ本体回路、図示せず)と、電源である電池2と、電池の出力電圧を昇圧して内部回路に電力を供給するDC/DCコンバータ部10と、電池2の電力供給能力を判断する電池残量検出装置100とを備えている。
【0022】
DC/DCコンバータ部10は、電池2の出力をスイッチングして昇圧するものであり、そのスイッチング周波数を負荷変動に応じて可変するものである。電池残量検出装置100は、DC/DCコンバータ部10のスイッチング周波数に基づいて電池2の残量を検出する。すなわち、電池残量検出装置100は、DC/DCコンバータ部10のスイッチング波形を量子化してカウントし、そのカウント値に基づいて電池2の残量(電力供給能力)を判断する。
【0023】
次に、電池残量検出装置100の具体的な構成について説明する。電池残量検出装置100は、測定開始電圧比較装置(比較装置)110と、電力供給装置120と、量子化装置130と、検出時間制御装置140と、カウンター装置150と、カウント検出保持装置160とを備えている。
【0024】
測定開始電圧比較装置(比較装置)110は、電池2の出力電圧が所定電圧になったか否か判断するものである。そして、測定開始電圧比較装置110は、電池2の出力電圧が所定電圧以上ある場合、電池残量が十分あると判断して、電池残量検出動作を行わせない信号を出力する。これにより、電池2についての省エネ化が図られる。
【0025】
具体的には、測定開始電圧比較装置110は、抵抗R111及びコンデンサC111からなるローパスフィルタと、電池2の電圧と予め定めた電圧とを比較するボルテージディテクタU111とから構成されている。図2に示すように、演算装置20が内部回路最大負荷制御信号(a)を出力すると、DC/DCコンバータ部10の負荷が最大となり、電池2の出力電圧VBATT(b)には内部抵抗による電圧降下ΔVr又は電極面活性化低下による電圧降下ΔVLが発生する(図2の(1))。この電圧降下により電池2の出力電圧VBATTが予め設定された電圧を下回ると、測定開始電圧比較装置110は、ON信号1(c)をハイからローにする(図2の(2))。
【0026】
電力供給装置120は、測定開始電圧比較装置110の判断結果(及び演算装置20の判断結果)に基づいて、量子化装置130、検出時間制御装置140及びカウンター装置150への駆動電力供給をON/OFFする。具体的には電力供給装置120は、OR回路U121と、内部回路で使用している電圧(電力)を電池残量検出装置100に供給するためのFETスイッチTr121とで構成されている。
【0027】
測定開始電圧比較装置110の出力信号であるON信号1(C)と演算装置20の出力信号であるON信号2(d)とが共に「ON」となった場合(本実施形態ではローレベル)、FETスイッチTr121は「ON」状態となる。これにより、内部回路で使用されている電源VLは、FETスイッチTr121を通り、電源V2(e)として、量子化装置130、検出時間制御装置140及びカウンター装置150へ供給される(図2(3))。この電力供給によって量子化装置130、検出時間制御装置140及びカウンター装置150は動作を開始する(図2(4),(5),(6))。
【0028】
量子化装置130は、DC/DCコンバータ部10のDC/DCコンバータIC11におけるアナログスイッチング波形(f)をデジタル信号である量子化信号(g)に変換するものである。すなわち量子化装置130は、ダイオードD131及びシュミットトリガU131で構成される。そして、量子化装置130は電源V2(e)が供給されると、アナログスイッチング波形(f)を量子化して量子化信号(g)を出力する(図2(7))。
【0029】
検出時間制御装置140は、電圧変換するためのダイオードD141,D142及び抵抗R141,R142、信号出力用ダイオードD143,D144及びプルダウン用抵抗R143から構成されている。検出時間制御装置140に電源V2が供給され、さらに検出時間制御装置140に電池残量警告保持信号(h)及び内部回路最大負荷制御信号(a)が入力されると、検出時間制御装置140はカウンター装置150へカウント開始信号(i)を出力し、カウント開始を指示する(図2(5))。
【0030】
カウンター装置150は、カウント検出保持装置160のカウントをクリアするシュミットトリガU152及びプルダウン抵抗R151と、量子化信号gをカウントするカウンタU151及びカウント数算出用ICU153とから構成されている。次にカウンター装置150がカウント検出保持装置160をクリアする動作について説明する。カウンター装置150は、電源V2が供給されるまではカウント検出保持装置CLR信号(j)を出力してカウント検出保持装置160をクリア状態に保たせる(図2(8))。そして、カウンター装置150は、電源V2が供給されると、カウント検出保持装置160のクリア状態を解除する(図2(6))。
【0031】
カウンター装置150における量子化信号(g)のカウント動作について次に説明する。カウンター装置150は、電源V2が供給された状態で、検出時間制御装置140から出力されたカウント開始信号(i)を入力すると、量子化信号(g)のカウントを開始する。そしてカウンター装置150は、量子化信号(g)を16分周したカウント検出保持装置CLR信号(l)を出力するとともに、予め設定したカウント数に達したときはカウント結果信号(k)を有効とする。
【0032】
カウント検出保持装置160は、電池残量判断手段ともなるものであり、フリップフロップU160から構成されている。カウント検出保持装置160には内部回路の電源である電源VLが供給される。カウント検出保持装置160は、上記カウント検出保持装置CLR信号(j)を解除された状態において、有効なカウント結果信号(k)をカウント検出保持装置CLR信号(l)でラッチし、電池残量警告信号(m)を出力することで演算装置20に対して電池残量警告を行い(図2(9),(10))、電池残量警告保持信号(h)をカウント停止の状態にする(本実施形態ではハイ状態、図2(11),(12))。
【0033】
検出時間制御装置140は、電池残量警告保持信号(h)がカウント停止の状態になった場合、カウンター装置150へカウント開始信号(i)を出力してカウント停止を指示する(図2(13))。
【0034】
カウンター装置150は、検出時間制御装置140からカウント停止を指示された場合、カウント検出保持装置160へ出力するカウント検出保持装置CLK信号(l)及びカウント結果信号(k)を無効とする(本実施形態ではロー、図2(20),(21))。
【0035】
演算装置20は、カウント検出保持装置160から電池残量警告信号(m)により電池残量警告をうけると(本実施形態ではロー)、図3に示す処理を行う。図3は電池残量警告に対する演算装置20の処理手順を示すフローチャートである。先ず、演算装置20は、電池残量警告信号(m)を入力すると(ステップS1)、その電池残量警告信号(m)の有効/無効について判定する(ステップS2)。
【0036】
ステップS2で有効である場合、すなわち電池2の出力電圧が電池交換基準電圧より低くなったことを電池残量警告信号(m)により知らされた場合、演算装置20はON信号2(d)をOFF状態(本実施形態ではハイ、図2(14))にする(ステップS3)。次いで演算装置20は、電池残量警告信号(m)が有効となった回数すなわちON信号2(d)をOFF状態にした回数(n)をカウントし、その回数(n)が予め定めた回数(例えば8回)以上になったか判断する(ステップS4)。
【0037】
ステップS4で回数(n)が予め定めた回数未満の場合、演算装置20はON信号2(d)をON状態にし、ステップS1に戻る(ステップS5)。すなわち電池残量警告信号(m)により電池残量警告を予め定めた回数受けていない場合は、再度ON信号2(d)をON状態(本実施形態ではロー)にする(図2(18))。
【0038】
一方、ステップS4で回数(n)が予め定めた回数以上の場合、すなわち電池残量警告を予め定めた回数受けた場合、演算装置20は、省エネのためON信号2(d)をOFF状態としたまま保持し、電池交換者への通知を行う。これらにより、電池残量警告信号(m)が誤動作などにより発生しても、予め定めた回数未満の電池残量警告信号(m)では電池交換者への通知が行われないので、より正確に電池2の交換時期を把握することができる。
【0039】
演算装置20がON信号2(d)をOFF状態にすると(図2(14))、電力供給装置120が電源V2を出力しなくなるため、量子化装置130、検出時間制御装置140及びカウンター装置150は動作が停止し、それらの出力信号は全てローとなる(図2(15),(16),(8))。
【0040】
カウント検出保持装置160は、カウンター装置150から出力されたカウント検出保持装置CLR信号(l)がクリアされた状態となるため、電池残量警告信号(m)により電池残量警告解除(本実施形態ではハイ)を行い(図2(17))、電池残量警告保持信号(h)によりカウントを再開させる(図2(8))。
【0041】
次に、PHS無線テレメータ装置をなす機器1全体の動作と、電池残量検出装置100の動作との関係について説明する。
PHS無線テレメータ装置における内部回路の最大負荷モードは無線送信時であることから、検出時間制御回路へ入力される内部回路最大負荷制御信号(a)は無線送信時に有効とする。
【0042】
図4は、DC/DCコンバータ部10におけるスイッチング回数の測定結果を示すものである。この測定結果では、電池2の内部抵抗rによる電圧降下ΔVrのみを起こした場合のスイッチング回数と、電池2の内部抵抗rに加えて電極面活性化低下による電圧降下ΔVLを起こした場合のスイッチング回数とを示している。また、電池2としては、スパイラル型である構造Aの電池と、ボビン型である構造Bの電池を対象とした。
【0043】
PHS無線テレメータにおいて、例えば電池残量が1ヶ月となる個所は四角形の線で囲まれた部分である。すなわち、スイッチング回数が約85回となる部分が電池残量1ヶ月を示すこととなる。
内部抵抗による電圧降下ΔVrのみが生じた場合、構造Aの電池は使用前電圧が2.2[V]のとき電池残量が1ヶ月となり、構造Bの電池は2.3[V]のとき電池残量が1ヶ月となる。一方、内部抵抗による電圧降下ΔVrと電極面活性化低下による電圧降下ΔVLとが生じた場合、構造Aの電池は2.5[V]のとき電池残量が1ヶ月となり、構造Bの電池は2.7[V]のとき電池残量が1ヶ月となる。
【0044】
これらの測定結果により、DC/DCコンバータ部10のスイッチング回数を基準として電池2の電池残量(電力供給能力)を判断することで、電池の内部抵抗rによる電圧降下ΔVrであるか、電極面活性化低下による電圧降下ΔVLであるかに左右されずに、また電池2の構造の相違に左右されずに、電池2の電池残量(電力供給能力)を正確に判断できることがわかる。
【0045】
したがって、本実施形態の電池残量検出装置100は、DC/DCコンバータ部10のスイッチング回数に基づいて電池2の電池残量(電力供給能力)を判断するので、電池2の内部抵抗rによる電圧降下ΔVrであるか、電池2の電極面活性化低下による電圧降下ΔVLであるかに左右されずに、また電池2の構造の相違に左右されずに、高い精度で電池残量を検出することができる。
【0046】
また、本実施形態の電池残量検出装置100は、測定開始電圧比較装置110において電池2の出力電圧と予め定めた測定開始電圧とを比較し、電池2の出力電圧が測定開始電圧に下がるまで電池残量検出装置100を動作させないので、従来の電池残量検出装置よりも大幅に省エネ化を図ることができる。
【0047】
そして、電池残量検出装置100は、電池2の出力電圧が測定開始電圧まで下がるとスイッチング回数の測定を開始し、スイッチング回数が基準値よりも高いと電池残量警告信号を演算装置20に出力する。演算装置20は、電池残量警告信号を所定回数受けていない場合、再度電池残量検出装置100を動作させ、電池残量警告信号を所定回数受けた場合、再度電池残量検出装置100の動作を停止させた状態のまま保持して電池交換者への通知を行う。これらによっても省エネ化を図ることができる。
【0048】
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
上記実施形態では、本発明に係る電池残量検出装置をPHS無線テレメータに適用した例を説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各種自動販売機、各種データ計測装置などに内蔵される電池残量の検出などに本発明を適用することができる。
【0049】
また、上記実施形態では、DC/DCコンバータ部10のスイッチング回数に基づいて電池2の電池残量(電力供給能力)を判断したが、本発明はこれに限定されるものではなく、他の要素とスイッチング回数とに基づいて電池残量を判断してもよい。例えば、電池2の出力電圧とスイッチング回数とに基づいて電池2の電池残量を判断してもよい。このようにすると、電池2において電極面活性化低下がどの程度起こっているかなどを判断することもできる。
【0050】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、DC/DCコンバータのスイッチング回数に基づいて電池の電池残量(電力供給能力)を判断するので、電池の内部抵抗及び/又は電極面活性化低下による電圧降下の影響を受けることなく、該電池の電力供給能力を検出して、高精度に電池残量を検出することができる。
【0051】
また、本発明によれば、DC/DCコンバータのスイッチング回数に基づいて電池の電池残量(電力供給能力)を判断するので、A/Dコンバータの精度及び分解能の影響を受けることなく正確に電池交換時期を判断することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態に係る電池残量検出装置が適用された機器を示す回路図である。
【図2】同上の機器における各部の信号波形を示す図である。
【図3】電池残量警告に対する処理手順を示すフローチャートである。
【図4】DC/DCコンバータのスイッチング回数の測定結果を示す図である。
【図5】各種状態の電池における電圧降下の原因などを示す図である。
【符号の説明】
1…機器、2…電池、10…DC/DCコンバータ部、20…演算装置、100…電池残量検出装置、110…測定開始電圧比較装置、120…電力供給装置、130…量子化装置、140…検出時間制御装置、150…カウンター装置、160…カウント検出保持装置
Claims (9)
- 電池の出力電圧をDC/DCコンバータで昇降圧させる電源装置の該電池の電力供給能力を判断する電池残量検出装置において、
前記DC/DCコンバータは、前記電池から出力される電圧をスイッチングする周波数を、負荷変動に応じて可変するものであり、
前記電池残量検出装置は、
所定単位時間内における前記DC/DCコンバータのスイッチング回数を測定するカウンター装置と、
前記スイッチング回数に基づいて前記電池の電力供給能力を判断する電池残量判断手段とを有することを特徴とする電池残量検出装置。 - 前記電池残量検出装置は、
前記電池の出力電圧が所定電圧になったか否か判断する比較装置と、
前記比較装置の判断結果に基づいて、前記カウンター装置及び電池残量判断手段の少なくとも一方の動作を開始又は停止させる電力供給装置とを有することを特徴とする請求項1記載の電池残量検出装置。 - 前記電池残量検出装置は、
前記所定単位時間内における前記スイッチング回数が基準値を超えたときに、電池残量警告信号を前記電池残量判断手段に出力するカウント検出保持装置を有し、
前記電池残量判断手段は、前記電池残量警告信号を所定回数以上受信したときに、前記電池の電力供給能力がなくなったと判断することを特徴とする請求項1又は2記載の電池残量検出装置。 - 前記電池残量判断手段は、前記電池の電力供給能力がなくなったと判断したときに、該電池の交換を求める旨の信号を出力することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載の電池残量検出装置。
- 前記電池残量判断手段は、前記電池の電力供給能力がなくなったと判断したときに、該電池残量判断手段、前記カウンター装置、前記比較装置、前記電力供給装置及び前記カウント検出保持装置のうちの少なくとも1つの動作を停止させることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一項に記載の電池残量検出装置。
- 前記電池残量検出手段は、
前記スイッチング回数と前記電池の出力電圧とに基づいて、該電池の電力供給能力を判断することを特徴とする請求項1乃至5のいずれか一項に記載の電池残量検出装置。 - 負荷変動に応じてスイッチング周波数を可変するDC/DCコンバータの電力供給源となる電池の交換時期を判断する電池交換時期判別方法において、
所定時間内におけるスイッチング回数に基づいて前記電池の交換時期を判断することを特徴とする電池交換時期判別方法。 - 所定時間内におけるスイッチング回数が基準値を超えたときに、電池残量警告信号を出力し、
前記電池残量警告信号の出力された回数が所定回数を超えたときに、前記電池の交換時期がきたと判断することを特徴とする請求項7記載の電池交換時期判別方法。 - 前記電池の交換時期を、所定時間内におけるスイッチング回数と該電池の出力電圧とに基づいて判断することを特徴とする請求項7又は8記載の電池交換時期判別方法。
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