JP2008131785A

JP2008131785A - 電源選択装置

Info

Publication number: JP2008131785A
Application number: JP2006315523A
Authority: JP
Inventors: Osamu Hattori; 修服部
Original assignee: Morioka Seiko Instruments Inc
Current assignee: Morioka Seiko Instruments Inc
Priority date: 2006-11-22
Filing date: 2006-11-22
Publication date: 2008-06-05

Abstract

【課題】搭載した非充電式電池の寿命を最大限に延ばす電源選択装置を提供する。
【解決手段】充電式電源１２０は、充電電源１３０によって充電することができる。非充電式電源１１０は、充電電源１２０によって充電することができない。選択装置２１０は、充電式電源１２０と非充電式電源１１０のうちのどちらを電源として使用するかを選択する。中央処理装置１９０は、負荷２２０の電荷を算出し、充電式電源１２０と非充電式電源１１０のいずれかを使用するかを判断し、前記判断に基づいて、選択装置２１０に充電式電源１２０と非充電式電源１１０のどちらを使用するかを指示する。
【選択図】図１

Description

本発明は電源供給の困難な場所に於いて長時間の稼働が必要な装置を駆動し、且つその装置自体が体積的に大きな非充電式電源を持つことができない場合、非充電式電源の消耗を押さえる為に充電式の電源を組み合わせ、非充電式電源に貯まった電気を優先的に使用させる為に切替を行う電源の技術分野に属する。

電源供給が出来ない場合に於いての電力供給方法としては、一次電池が一般的である。一次電池は小型で容量の大きいものが多いが、その特性から充電出来ないものが多く、従って、その電池内に蓄えられた電気容量を使用してしまうと、一次電池自体を交換しないとその一次電池が電源を供給している装置を継続的に動かすことはできない。一方、発電装置においてその規模が小さい場合は、発電電圧も発電容量も小さい場合が多く、これに充電式の電源を接続しても単位時間に充電できる量はさほど多くない場合が多い。従って、充電式の電源のみで負荷装置を稼働させることは、難しい場合が多い。しかし、当該充電式電源は、非充電式電源の補助電源として非充電式電源の消耗を遅らせることは可能である。

隔離地や電源供給の困難な場所に於いて長時間稼働が必要な装置に於いては、充電式電源を補助電源として用い、非充電電源用の電池交換の頻度を減らすことは、コストやその他の負荷を含めて有利である場合が多い。

しかし、両電源をどの様に切り替えるかが問題である。前にも述べたが一次電源は一般的に容量が多い為に電源電圧も高く、流せる電流量も多い。反面、前出充電式電源はその発電機構が貧弱な為、電気容量も低く且つ電源電圧も低い為に、両者を直接並列に接続すると充電式電源が非充電式電源の補助電源の機能を発揮できなくなる。

監視カメラ装置の電源として、カメラを駆動するための太陽電池と、この太陽電池を補助するために設けられた補助電源装置とからなっている（特許文献１参照）。

また、検針装置においては、時計の出力によって画像入力装置を駆動するための第１の電源と、時計の出力によって無線装置を駆動する第２の電源を有しており、第１の電源と第２の電源はこの時計により、一定期間だけ駆動する（特許文献２参照）。
特開２００６−２１７５４６号公報特開２００４−９４７８７号公報

充電式の電池を非充電式の電池の補助電池とした場合、充電式の電池に蓄えられている電荷を負荷装置の稼動に用い、充電式電池に蓄えられている電荷が負荷装置を駆動させる為に不十分だった場合に限り非充電式電池を切り替えて用い、負荷装置の稼働に用いる形にすることが非充電式電池の寿命を延ばすことに繋がる。

しかし、充電式電池を充電する充電装置は、例えば、太陽電池のように、運動エネルギー変換電池や温度差発電電池であったりする場合が多く、その発電量は単位時間内に一定ではなく、充電式電池内に充電された電荷のみで負荷装置を稼働させることが可能かどうかを判定することが課題となる。

本発明の電源選択装置は、充電電源によって充電することができる充電式電源と、前記充電電源によって充電することができない非充電式電源と、前記充電式電源と前記非充電式電源のうちのどちらを電源として使用するかを選択する選択装置と、負荷の電荷を算出し、前記充電式電源と前記非充電式電源のいずれかを使用するかを判断し、前記判断に基づいて、前記選択装置に前記充電式電源と前記非充電式電源のどちらを使用するかを指示する中央処理装置とを有する。

本発明の電源選択装置は、前記中央処理装置が、前記充電式電池では負荷を充分駆動できないと判断された場合は前記非充電式電池を使用し、それ以外の場合には、前記非充電式電源よりも前記充電式電源を優先して使用するように判断する。

本発明の電源選択装置は、前記非充電式電源及び充電式電源の電流を測定するために前記負荷と前記選択装置の間に配置した電流計と、前記非充電式電源の電圧を測定するために前記負荷と前記選択装置の間に配置した第１の電圧計と、前記充電式電源の電圧を測定するために前記充電式電源と前記選択装置の間に配置した第２の電圧計と、を有し、前記中央処理装置は、前記電流計、前記第１及び第２の電圧計から得られた値から前記電荷を算出する。

本発明の電源選択装置は、負荷装置が稼働する為に必要な単位時間の電気量が一定だと仮定した場合、電流量とその負荷が稼働する定格電圧又は電圧計の値で算定でき、充電式電源に貯まった電気量はその容量と端子電圧から算出できる為、付加装置を充電式電源に貯まった電気量で動かせる時間を算定できる。

本発明の電源選択装置は、前記中央処理装置が処理する間隔を決めるインターバルタイマークロックを有する。

負荷装置を稼働させる為に非充電型電源側を選択するか、充電式電源側を選択するかを判定する為には切り替えを行うべき電子回路が必要となる。しかし、当該電気回路を常に作動させることは電源の消耗を招く結果となる。従って、判定は一定の時間毎に行い、判定回路には当該動作を行う時にだけ通電することが好ましい。測定に関する回路及び判定に関する回路を常時稼働させる必要はなく、一定の時間毎に測定及び算出及び選択装置を作動させれば良い。従って、インターバルタイマークロック等のデバイスを用いて前記測定及び算出及び選択装置に通電して、作動させれば良い。

本発明の電源選択装置は、前記中央処理装置の演算条件と駆動用ソフトウエアを格納する記憶装置を有する。

本発明の効果は、非充電式電池と充電式を組み合わせることで非充電式電池のみではその充電量の変化から負荷の確実な稼働を保証することは難しかったが、非充電式で電池を組み合わせることで負荷の確実な稼働が保証し易くなった。更に、充電式電池を優先的に使うことで、非充電式電池の消耗を極力抑え、同時に非充電式電池の消耗が押さえられることで、電池交換の頻度を単に充電式電池を非充電式電池の補助電池として用いたよりも、寿命を延ばすことができる。

このことにより、電池交換が非常に困難な場所に負荷装置が置かれている場合に、電池交換の頻度を下げることにより、電池交換に係わる負荷を軽減することが可能になる。

本実施例では本発明の電源選択装置の構造について説明する。図１、は本発明の電源選択装置の構造を示すブロック図である。本装置１００の構成は、電池系として非充電式電池１１０及び充電式電池１２０とその充電式電池１２０を充電する為の充電電源１３０、測定系として電源電圧や電流を測定する為に電流計１４０及び電圧計１（１５０）及び２（１５０）、時間管理系として定期的に又一定の時間だけ信号が立ち上がり、電源スイッチをオンにするインターバルタイマークロック１７０と電源スイッチ１８０、演算系として中央処理装置１９０とデータを格納しておくＥＥＰＲＯＭ（電気的消去可能なプログラマブル記憶装置）２００と接続する電池を選択する選択装置２１０とからなる。

電池系に於いて、非充電式電池１１０は一次電池であり、リチウム電池や水銀電池等の小型で高容量のものが好ましく、本実施例ではリチウム電池を用いた。一方、充電式電池１２０は二次電池であり、ニッケル・水素電池やリチウム・イオン電池等があるが、前記二次電池では充放電の繰り返しには弱く、従って本実施例では前記二次電池ではなく、耐電圧５．５Ｖの電気二重層コンデンサを用いた。一方、充電電源１３０は太陽電池パネルと運動エネルギー変換型発電器が検討されたが、動物の体と共に移動する応用分野であることから、本実施例では運動エネルギー変換型発電装置が採用された。しかし、電気二重層コンデンサは過電圧に弱い為、発電装置による発電電圧が５．５Ｖを越える可能性があるため、降伏電圧が５．５Ｖのツェナーダイオードを保護回路として発電装置と電気二重層コンデンサの間に挿入した。

測定計では、電流計１４０に於いては極力内部抵抗の少ない通過型電流計を用い、電圧計１５０、１６０に付いては半導体式ボルテージディテクタを用い、分解能は電流計１４０及び電圧計１５０、１６０とも１０ビットの分解能とした。電流計１４０の示す値に数値化については、中央処理装置１９０が搭載しているＡ／Ｄ変換器を用いた。電圧計１（１５０）及び電流計１４０については負荷装置２２０の消費電流、印加電圧及び消費電力を測定するセンサーとして稼働し、電圧計２（１６０）は充電式電池１２０の電圧を測定する目的を持つ。

時間管理系では、３２７６８Ｈｚの水晶発振器を搭載したインターバルタイマークロック１７０と、低電力で作動するＣ−ＭＯＳ(コンプリメンタリー・メタル・セミコンダクタ・オキサイド)型の電源スイッチ１８０を採用した。インターバルタイマークロック１７０の消費電力は、１０ナノアンペア以下と非常に小さいものを使用した。

次に、非充電式電池１１０又は充電式電池１２０のいずれを選択するのか、という選択する方法について説明する。図２は、充電式電池の充電量を示した図である。また、図２（ａ）は充電式電池１２０に貯まった電荷を負荷装置２２０の電源として使用する選択を示し、図２（ｂ）は非充電式電池１２０を負荷装置２２０の電源として使用する選択を示す。

負荷装置２２０には、その装置が可動する最低限の電圧が存在する。その電圧を下回れば負荷装置２２０は正常に稼働することができない為、インターバルタイマークロック１７０が作動して、次回にどちらの電池を使うかを判断する迄の時間Ｔに、充電式電池１２０の電位が図２の「負荷稼働最低電圧」を下回らないようにしなければならない。負荷装置２２０の使用電力は、電流計１４０の値に電圧計１（１５０）の値の積に相当する為、この積の値に時間Ｔと定数を掛けると、必要な電荷の量が算出される。この値を電気二重層コンデンサの静電容量で割る事で、電圧の値が得られる。この電圧の値に負荷稼働最低電圧を加えたものが、電圧Ａ及び電圧Ａ’である。一方、現充電完了点は現在、電気二重層コンデンサに蓄えられている電位を電圧で表している。従って、点Ａ又は点Ａ’が現充電完了点を超えているか否かで、どちらの電池を使うか判定できる。

電圧Ａの場合は、現充電完了点を超えているので、充電式電池１２０を電源として選択する。反面、電圧Ａ’の場合は現充電完了点を下回っているので、非充電式電池１１０を電源として選択する。

これらの選択は、インターバルタイマークロック１７０が作動する度に行われる。インターバルタイマークロック１７０の状態がオンになると、測定系及び演算系の回路に電源が供給される。この電源は、時間管理系の電源を含めて非充電式電池１１０が電源となる。また、インターバルタイマークロック１７０の状態がオフになると、測定系及び演算系の回路の電源が供給されなくなるが、時間管理系の電源は引き続き供給される。

電圧計は、充電式電池１２０の出力側と選択された電源と負荷装置２２０の間にある。充電式電池１２０の電圧は常に変化する為、監視が必要であるが、電圧計は電子式のものでも微弱な電流が流れる為、非充電式電池１１０の消耗につながる。また、負荷の消費電力量を測定するときは、選択装置２１０で非充電式電池１１０を選択すれば、負荷２２０と非充電式電池１１０が直結されることから、図１の電圧計１（１５０）の位置が適切である。因って、電圧計２（１６０）を図１に示す位置に配置することした。

次に、本実施例に於ける本発明の電源選択装置の具体的な動作について説明する。先ず、本電源選択装置１００で使用する条件、変数及びソフトウエアはＥＥＰＲＯＭの中に格納されている。条件の書き込みに付いては、外部からの書き込みで行う。

本発明の電源選択装置１００のモードには「条件設定モード」と「運用モード」がある。条件設定モードは外部的にＥＥＰＲＯＭの内容が書き換えられたときに行われ、運用モードは実際の運用時に用いられる。

先ずは、条件設定モードから説明する。条件設定モードに入ると非充電式電池から演算系と時間管理系の素子に電源が供給される（工程１０１）。これによって演算系と時間管理系の回路が立ち上がる（工程１０２）。図１の中央処理装置１９０は、ＥＥＰＲＯＭ２００からのソフトウエアで処理を開始する（工程１０３）。中央処理装置１９０は、ＥＥＰＲＯＭ２００から運用モードで必要になる条件を読み込み、中央処理装置１９０内にセットする（工程１０４）。次に、中央処理装置１９０はインターバルタイマークロック１７０に条件をセットし（工程１０５）、インターバルタイマーククロック１７０の動作を開始させる（工程１０６）。インターバルタイマークロック１７０の条件としては、立ち上がる時間や立ち上がりが持続する時間等がある。次に、中央処理装置を「運用モード」にセットし（工程１０７）、演算系の電源を切断する（工程１０８）。

次に「運用モード」について説明する。運用モードでは、インターバルタイマークロック１７０の立ち上がっている時間のみ演算系及び測定系が作動する。その手順を図３で示す。

先ず、インターバルタイマークロック１７０が立ち上がると演算系と測定系に非充電式電池１１０から電源が供給される。電源が供給されると中央処理装置１９０がＥＥＰＲＯＭ２００からソフトウエアと条件を読み出し、初期化を行う（工程２０１）。次に、図１の電流計１４０、電圧計１（１５０）及び電圧計２（１６０）の数値を読み込む（工程２０２）。この時測定した電圧計２（１６０）の値をＢとする。読み込んだ数値から負荷の消費電力を計算する（工程２０３）。更に計算された消費電力とインターバルタイマークロックの設定時間から次にインターバルタイマークロックが作動するまでの間に負荷が消費する電力量を推定し、更に前記電力量を充電式電池１２０の静電容量から対応する電圧値Ｂ’を計算する。前記Ｂ値と前記Ｂ’値を比較する。この時、Ｂ値がＢ’値を上回っていれば充電式電池に充分な電荷が貯まっている訳であるがら図１の選択装置２１０を充電式電池側に設定して、充電式電池１２０を電源として選択する。一方、Ｂ’値がＢを上回る場合は、充電式電池１２０は充電不充分であるから、選択装置２１０を非充電式電池側に設定し、非充電式電池１１０を電源として選択する（工程２０４）。選択装置作業が終了すると、中央制御装置１９０は測定系の電源を切断し、続いて演算系の電源を切断する。続いて、インターバルタイマークロック１７０が立ち下がり、次にインターバルタイマークロック１７０が立ち上がるまで選択された電池が、負荷用の電池として使用される。

本発明は太陽光、風力や動体等の自然エネルギーを用いた発電システムはその発電量や発電時期が不規則であり、継続性が求められる電源としての機能を満たすことは難しかったが、非充電式電池と組み合わせることで安定的に電源供給が可能となる。

また、不規則であるとは言え自然エネルギーで充電が可能である為、非充電式電池の寿命を延ばすことは可能である。産業上の利用分野としては電源供給が無く、しかも電池交換が難しい分野、例えば原野に設置されたセンサーや通信装置の電源等が考えられる。

電源選択装置ブロック図である。充電式電池の充電状況と電池選択に係わる条件であり、図２（ａ）は充電式電池が選択される場合、図２（ｂ）は非充電式電池が選択される場合を示す。電源スイッチの状態と処理との関係を示す。条件設定モードを設定するフローチャートを示す。

符号の説明

１００電源選択装置
１１０非充電式電池
１２０充電式電池
１３０充電電源
１４０電流計
１５０、１６０電圧計
１７０インターバルタイマークロック
１８０電源スイッチ
１９０中央処理装置
２００ＥＥＰＲＯＭ（記憶装置）
２１０選択装置

Claims

充電電源によって充電することができる充電式電源と、
前記充電電源によって充電することができない非充電式電源と、
前記充電式電源と前記非充電式電源のうちのどちらを電源として使用するかを選択する選択装置と、
負荷の電荷を算出し、前記充電式電源と前記非充電式電源のいずれかを使用するかを判断し、前記判断に基づいて、前記選択装置に前記充電式電源と前記非充電式電源のどちらを使用するかを指示する中央処理装置と、
を有する電源選択装置。
前記中央処理装置は、前記充電式電池では負荷を充分駆動できないと判断された場合は前記非充電式電池を使用し、それ以外の場合には、前記非充電式電源よりも前記充電式電源を優先して使用するように判断する請求項１記載の電源選択装置。
前記非充電式電源及び充電式電源の電流を測定するために前記負荷と前記選択装置の間に配置した電流計と、
前記非充電式電源の電圧を測定するために前記負荷と前記選択装置の間に配置した第１の電圧計と、前記充電式電源の電圧を測定するために前記充電式電源と前記選択装置の間に配置した第２の電圧計と、を有し、
前記中央処理装置は、前記電流計、前記第１及び第２の電圧計から得られた値から前記電荷を算出する請求項１又は２記載の電源選択装置。
前記中央処理装置が処理する間隔を決めるインターバルタイマークロックを有する請求項１乃至３のいずれかに記載の電源選択装置。
前記中央処理装置の演算条件と駆動用ソフトウエアを格納する記憶装置を有する請求項１乃至４のいずれかに記載の電源選択装置。