JP2009049587A - ２次電池の寿命を延長させる無線通信端末及び送信制御プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】自己発電機能及び２次電池を備えた端末について、その２次電池の寿命（２次電池を交換するまでの期間）をできる限り延長させることができる無線通信端末及び送信制御プログラムを提供する。
【解決手段】２次電池の残容量を検出する残容量検出手段と、２次電池について、満充電容量＞第１の閾値残容量＞第２の閾値残容量＞残容量０と規定した上で、２次電池が、最大でも第１の閾値残容量までしか充電しないように制御する充放電制御手段と、２次電池の残容量が、第１の閾値残容量と第２の閾値残容量との間にある場合にのみ基地局へデータを送信し、第２の閾値残容量以下である場合に基地局へデータを送信しないように制御する送信制御手段とを有する。第１の閾値残容量＞繰り返しの充放電回数が最も多い最適残容量＞第２の閾値残容量の関係とするのが好ましい。
【選択図】図３

Description

本発明は、２次電池の寿命を延長させる無線通信端末及び送信制御プログラムに関する。

近年、ユビキタス環境におけるMachine-To-Machineのための無線通信端末が普及しつつある。これら端末は、人間によって所持され、移動体（自動車、ペット等）に具備され、又は様々な場所に配置され、様々な周辺情報を取得し、更にその周辺情報を送信することができる。このような周辺情報を特定のサーバに集めることによって、広範囲の位置情報と様々な周辺情報との関係を分析することができる。

このような端末は、周辺情報モニタ機能と通信モジュールとを搭載した端末であって、例えば、周辺情報（例えば気温・湿度のような周辺環境情報、又はカメラで撮影された周辺画像情報）を自動的にモニタし、その周辺情報を、基地局を介してサーバへ送信する。また、このような端末は、通常、携帯型であって、電源として２次電池を備えており、必要に応じて外部電源（ＡＣ電源）が使用できる構成となっている。

更に、自己発電機能を備えた端末も多い。例えば、端末の筐体外側部分に太陽電池を備えることができる。通常起動時は、この太陽電池から出力される電力によって２次電池を充電し、無線通信機能やその他の回路に電力を供給する。

このような端末は、通常、太陽電池によって発電した電気を、一旦、２次電池に蓄える。そして、２次電池から、無線通信機能やその他の回路へ電力を供給する。このような構成にすることによって、外部電源が使用できない場所であっても、また、太陽光が得られない夜間であっても、２次電池のみで無線通信機能を駆動させることができる。

特許第３１７３５８０号公報 特開２００７−０２００５１号公報 特開２００５−１９０２９５号公報 特開２００３−２４９６７２号公報 特開平８−２２３０６７号公報 "Batteries in a Portable World (secondedition)," Isidor Buchmann，Cadex Electronics Inc. 市村雅弘、他、「小形リチウムイオン電池の寿命特性」、電子情報通信学会技術研究報告電子通信エネルギー技術、Vol.105、No.197、pp.19−23． 松下電器産業、「バッテリー寿命が従来よりも約１．５倍に延びるエコノミーモード(ECO)」、[online]、[平成１９年７月４日検索]、インターネット＜URL:http://panasonic.jp/pc/support/products/r4g/mobile.html＞

しかしながら、通常、２次電池には、自己放電や繰り返し使用による寿命がある。従って、太陽電池が正常に動作している場合であっても、２次電池の劣化が早くなると、結局、２次電池を交換しなければならない。

そこで、本発明は、自己発電機能及び２次電池を備えた端末について、その２次電池の寿命（２次電池を交換するまでの期間）をできる限り延長させることができる無線通信端末及び送信制御プログラムを提供することを目的とする。

本発明によれば、自己発電手段と、該自己発電手段から出力された電気を充電する２次電池と、該２次電池の電力を用いて基地局と通信する無線通信手段とを有する無線通信端末において、
２次電池の残容量を検出する残容量検出手段と、
２次電池について、満充電容量＞第１の閾値残容量＞第２の閾値残容量＞残容量０と規定した上で、２次電池が、最大でも第１の閾値残容量までしか充電しないように制御する充放電制御手段と、
２次電池の残容量が、第１の閾値残容量と第２の閾値残容量との間にある場合にのみ基地局へデータを送信し、第２の閾値残容量以下である場合に基地局へデータを送信しないように制御する送信制御手段と
を有することを特徴とする。

本発明の無線通信端末における他の実施形態によれば、自己発電手段は、光を受けて発電する太陽電池であることも好ましい。

本発明の無線通信端末における他の実施形態によれば、残容量検出手段は、放電深度(DoD: Depth of Discharge)又は出力電圧から、２次電池の残容量を検出することも好ましい。

本発明の無線通信端末における他の実施形態によれば、２次電池の特性から、繰り返しの充放電回数が最も多くなる最適残容量を特定し、第１の閾値残容量＞最適残容量＞第２の閾値残容量の関係となるように、第１の閾値残容量及び第２の閾値残容量を決定することも好ましい。

本発明の無線通信端末における他の実施形態によれば、自動的に周辺情報をモニタする周辺情報モニタ手段を更に有し、周辺情報を基地局へ送信するように機能することも好ましい。

本発明の無線通信端末における他の実施形態によれば、送信制御手段は、送信すべきデータを所定バースト長単位に区分し、その所定バースト長のパケットの送信間隔として、所定待ち時間を確保することも好ましい。

本発明によれば、
自己発電手段と、
自己発電手段から出力された電気を充電する２次電池と、
２次電池の電力を用いて基地局と通信する無線通信手段と
２次電池の残容量を検出する残容量検出手段と、
２次電池について、満充電容量＞第１の閾値残容量＞第２の閾値残容量＞残容量０と規定した上で、２次電池が、最大でも第１の閾値残容量までしか充電しないように制御する充放電制御手段と
を有する無線通信端末に搭載されたコンピュータを機能させる送信制御プログラムであって、
２次電池の残容量が、第１の閾値残容量と第２の閾値残容量との間にある場合にのみ基地局へデータを送信し、第２の閾値残容量以下である場合に基地局へデータを送信しないように制御するようにコンピュータを機能させることを特徴とする。

本発明の送信制御プログラムにおける他の実施形態によれば、２次電池の特性から、繰り返しの充放電回数が最も多くなる最適残容量を特定し、第１の閾値残容量＞最適残容量＞第２の閾値残容量の関係となるように、第１の閾値残容量及び第２の閾値残容量を決定するようにコンピュータを機能させることも好ましい。

本発明の送信制御プログラムにおける他の実施形態によれば、無線通信端末は、自動的に周辺情報をモニタする周辺情報モニタ手段を更に有しており、周辺情報を基地局へ送信するようにコンピュータを機能させることも好ましい。

本発明の無線通信端末及び送信制御プログラムによれば、自己発電機能及び２次電池を備えた端末について、その２次電池の残容量が、常に一定範囲（満充電容量に対して例えば６０％〜２０％）に保持されるために、その２次電池の寿命をできる限り延長させることができる。これによって、２次電池を交換するまでの期間をできる限り延長させることができ、結果的に、メンテナンス作業の軽減につながる。

以下では、図面を用いて、本発明を実施するための最良の形態について詳細に説明する。

図１は、無線通信端末を有するシステム構成図である。

図１によれば、本発明における無線通信端末１は、アンテナ１２を備えており、無線リンクを介して無線基地局２と通信をすることができる。無線基地局２は、ネットワークを介してデータ収集サーバ３に接続されている。これにより、無線通信端末１は、無線基地局２を介してデータ収集サーバ３と通信をすることができる。

また、無線通信端末１は、自己発電機能としての太陽電池１０と、その太陽電池１０から出力された電気を蓄積する２次電池１１とを備えている。無線通信端末１は、その２次電池の電力を用いて無線通信機能を駆動することができる。従って、外部電源が無い場所であっても、配置することができる。勿論、外部電源１４を備えるものであってもよい。

更に、無線通信端末１は、周辺情報をモニタすることができる周辺情報モニタ部１３を備えている。周辺情報として、例えば、温度・湿度・雨量・震度のような周辺環境情報、又は画像のような周辺画像情報がある。例えば無線通信端末１は、周辺情報モニタ部１３によって自動的にモニタした周辺情報を、無線基地局２を介して、データ収集サーバ３へ送信することができる。このように、自己発電機能を有し、且つ周辺情報モニタ部によってモニタしたデータを自動的に送信する無線通信端末は、様々な場所に配置することができる。

ここで、２次電池の特性について説明する。

携帯電話機又は携帯情報端末のような端末は、２次電池として、リチウムイオン電池を使用する場合が多い。リチウムイオン電池は、単位体積あたりの容量が大きく、且つ充電時のメモリ効果がないため、２次電池として最適である。

リチウムイオン電池は、満充電状態又は過放電状態（空充電状態、残容量０）で長期間放置した場合、その充放電可能な寿命を著しく劣化させることが知られている（例えば非特許文献１、２及び３参照）。特に、非特許文献３によれば、１００％充電状態で充放電を繰り返す場合は、８０％充電状態で充放電を繰り返す場合と比較して、２次電池の容量の減少が早い（耐用年数が短い）ことが確認できる。

図２は、リチウムイオン電池における充放電回数対残容量の概略的な特性グラフである。

図２のグラフは、リチウムイオン電池に対する一般的な特性グラフであって、特定条件の下で計測した結果ではない。２次電池の特性から、繰り返しの充放電回数が最も多くなる最適残容量を特定する。一般には、リチウムイオン電池は、およそ４０％充電状態で充放電を繰り返した場合、その充放電回数が最も多い。即ち、その寿命が長いといえる。一方で、およそ４０％充電状態から、充電割合を大きくしても又は小さくしても、その充放電回数は少なくなる。

先行技術文献に記載されているような、太陽電池によって２次電池を充電するような端末では、常時、太陽電池によって２次電池を充電するものである。そうすると、無線通信機能が動作している時間を除いて、ほとんどの時間帯において、その２次電池は満充電状態にあると考えられる。つまり、太陽電池から２次電池に対する充電を繰り返すことによって、２次電池の寿命（充放電回数）は劣化する。

また、周辺情報をモニタするために配置されたような無線通信端末は、通常、メンテナンス作業を軽減するために、太陽電池を備えている場合が多い。それにもかかわらず、太陽電池の電気を蓄積する２次電池の交換作業が頻繁に発生するようでは、メンテナンス作業を軽減するという目的は達成できない。本発明によれば、送信制御をすることによって、２次電池の寿命を延長し、結果的に、メンテナンス作業を軽減する。

図３は、本発明における無線通信端末の機能構成図である。

図３によれば、無線通信端末１は、外部に、自己発電機能としての太陽電池１０と、無線通信機能としてのアンテナ１２と、周辺情報モニタ部１３と、外部電源（ＡＣ電源）１４とを有する。本発明によれば、外部電源を必要としないものであるが、外部電源を使用する場合であっても、２次電池の充電割合を制御している。

また、無線通信端末１は、内部に、２次電池１１と、電源制御部１５と、送信バッファ１６と、送信制御部１７と、フラッシュメモリ（Ｆ−ＲＯＭ）１８と、無線通信機能部１９とを有する。特に、送信制御部１７は、無線通信端末１に搭載されたコンピュータを機能させるプログラムを実行することによって実現される。

電源制御部１５は、残容量検出部１５１を更に含んでいる。電源制御部１５は、太陽電池１０と外部電源１４とを自動的に切り替えながら、２次電池に対する充放電制御機能を有する。

ここで、２次電池について、以下のように閾値を規定する。
［１］ 第１の閾値残容量＞最適残容量＞第２の閾値残容量
（例えば） ６０％充電 ＞４０％充電＞ ２０％充電
［２］ 満充電容量 ＞第１の閾値残容量＞第２の閾値残容量＞残容量０
（例えば）１００％充電＞ ６０％充電 ＞ ２０％充電 ＞０％充電
このとき、電源制御部１５の充放電制御機能は、２次電池が、最大でも第１の閾値残容量（６０％充電）までしか充電しないように制御する。

また、残容量検出部１５１は、２次電池１１の残容量を検出する。検出された残容量は、送信制御部１７へ出力される。

ここで、残容量とは、放電深度(DoD:
Depth of Discharge)から計算される値（電池容量×（１−放電深度））であって、残容量検出部１５１に備えられたマイクロコンピュータによって測定される。放電深度に対する残容量の関係について、具体的には、放電深度０％の場合は残容量１００％となり、放電深度１００％の場合は残容量０％となる。

尚、放電深度が直接的に得られない場合、２次電池の出力電圧であってもよい。その場合、マイクロコンピュータにより出力電圧から残容量を推定する。出力電圧に対する残容量及び放電深度の関係について、具体的には、電圧４．２Ｖ（＝充電電圧）の場合、放電深度０％及び残容量１００％となり、電圧２．７５Ｖ（＝終止電圧）の場合、放電深度１００％及び残容量０％となる。

周辺情報モニタ部１３によってモニタされた周辺情報は、送信バッファ１６に蓄積され、送信待ち状態に置かれる。送信バッファ１６に蓄積されたデータは、送信制御部１７の制御に応じて出力タイミングが制御される。

送信制御部１７は、２次電池の残容量が、第１の閾値残容量（例えば６０％）と第２の閾値残容量（例えば２０％）との間にある場合にのみデータを送信し、第２の閾値残容量（例えば２０％）以下である場合にデータを送信しないように制御する。これにより、２次電池の寿命をできる限り延長させるような残容量に保持することができる。そして、送信バッファ１６から取り出したデータを、フラッシュメモリ１８へ出力する。このとき、所定のバースト単位長のデータに区分して、送信する。

フラッシュメモリ１８は、無線通信機能に対するブロックデバイスとして使用され、ファイルシステムとして動作する。無線通信機能部１９は、既存のベースバンド処理、ＩＦ処理及びＲＦ処理によって、アンテナ１２から電波を出力する。

図４は、本発明における送信制御部の処理のフローチャートである。

送信制御部１７は、送信すべきデータが発生した際、例えば、アプリケーションからの通信開始が指示された際に、このフローチャートの処理を開始する。

（Ｓ４０１）最初に、送信バッファ１６にデータを蓄積されているか否かを判定する。送信すべきデータが蓄積されていない場合、処理を終了する。

（Ｓ４０２）送信バッファ１６にデータが蓄積されている場合、電源制御部１５内の残容量検出部１５１から、残容量を取得する。

ここで、電源制御部１５は、２次電池１１の残容量が、第１の閾値残容量以下となるように制御している。具体的には、電源制御部１５は、２次電池１１を充電していき、残容量が第１の閾値残容量に達した際に、太陽電池１０から出力された電力をそのまま放電するようにする。これによって、２次電池１１には、最大で第１の閾値残容量よりも高く充電されることはない。即ち、残容量検出部１５１によって検出される残容量も、第１の閾値残容量よりも高くなることはない。

（Ｓ４０３）次に、送信制御部１７は、残容量が、第２の閾値残容量以上であるか否かを判定する。ここで、残容量が第２の閾値残容量よりも低い場合、データを送信することなく、処理を終了する。

これによって、２次電池に一定の残容量（第１の閾値残容量〜第２の閾値残容量）が存在する状態で保持することができる。もし、２次電池の残容量が０になるまでデータ通信を実行した場合、その後、残容量０の状態で２次電池が放置されることによって、その寿命を短くすることにつながる。

例えば、リチウムイオン電池である２次電池について、満充電状態に対しておよそ４０％充電状態を保持することが、その電池の寿命を長くすると認められた場合、第１の閾値残容量を６０％とし、第２の閾値残容量を２０％とすることも好ましい。この場合、２次電池１１は、満充電時の６０％残容量状態から２０％残容量状態までの間で、常に保持される。これによって、２次電池１１の寿命を延長させることができる。

（Ｓ４０４）一方で、残容量が第２の閾値残容量以上であるならば、データを送信する。このとき、送信すべきデータを所定バースト長単位に区分して送信する。

（Ｓ４０５）所定バースト長のパケットを送信した後、送信間隔として、所定待ち時間を確保する。データ送信間隔を空けることよって、２次電池に対する負荷を小さくすることでき、２次電池の回復効果も得られる。そして、再びＳ４０１へ戻る。

図５は、本発明における電源制御部の回路構成図である。

図５の回路構成によれば、電池接続制御部１５３によって、太陽電池と外部電源とを使い分けることができる。外部電源を優先的に使用することとなる。また、充放電制御部１５２は、２次電池１１の残容量が、第１の閾値残容量（例えば６０％）以下となるように制御している。

以上、詳細に説明したように、本発明の無線通信端末及び送信制御プログラムによれば、自己発電機能及び２次電池を備えた端末について、その２次電池の残容量が、常に一定範囲（満充電容量に対して例えば６０％〜２０％）に保持されるために、その２次電池の寿命をできる限り延長させることができる。これによって、２次電池を交換するまでの期間をできる限り延長させることができ、結果的に、メンテナンス作業の軽減につながる。

前述した本発明における種々の実施形態によれば、当業者は、本発明の技術思想及び見地の範囲における種々の変更、修正及び省略を容易に行うことができる。前述の説明はあくまで例であって、何ら制約しようとするものではない。本発明は、特許請求の範囲及びその均等物として限定するものにのみ制約される。

無線通信端末を有するシステム構成図である。 リチウムイオン電池における充放電回数対残容量の概略的な特性グラフである。 本発明における無線通信端末の機能構成図である。 本発明における送信制御部の処理のフローチャートである。 本発明における電源制御部の回路構成図である。

符号の説明

１ 無線通信端末
１０ 太陽電池、自己発電機能
１１ ２次電池、リチウムイオン電池
１２ アンテナ
１３ 周辺情報モニタ部
１４ 外部電源、ＡＣ電源
１５ 電源制御部
１５１ 残容量検出部
１５２ 充放電制御部
１５３ 電池接続制御部
１６ 送信バッファ
１７ 送信制御部
１８ フラッシュメモリ、Ｆ−ＲＯＭ
１９ 無線通信機能部
２ 無線基地局
３ データ収集サーバ

Claims (9)

1. 自己発電手段と、該自己発電手段から出力された電気を充電する２次電池と、該２次電池の電力を用いて基地局と通信する無線通信手段とを有する無線通信端末において、
   前記２次電池の残容量を検出する残容量検出手段と、
   前記２次電池について、満充電容量＞第１の閾値残容量＞第２の閾値残容量＞残容量０と規定した上で、前記２次電池が、最大でも第１の閾値残容量までしか充電しないように制御する充放電制御手段と、
   前記２次電池の残容量が、第１の閾値残容量と第２の閾値残容量との間にある場合にのみ前記基地局へデータを送信し、第２の閾値残容量以下である場合に前記基地局へデータを送信しないように制御する送信制御手段と
   を有することを特徴とする無線通信端末。
2. 前記自己発電手段は、光を受けて発電する太陽電池であることを特徴とする請求項１に記載の無線通信端末。
3. 前記残容量検出手段は、放電深度(DoD: Depth of Discharge)又は出力電圧から、前記２次電池の残容量を検出することを特徴とする請求項１又は２に記載の無線通信端末。
4. 前記２次電池の特性から、繰り返しの充放電回数が最も多くなる最適残容量を特定し、第１の閾値残容量＞最適残容量＞第２の閾値残容量の関係となるように、第１の閾値残容量及び第２の閾値残容量を決定することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の無線通信端末。
5. 自動的に周辺情報をモニタする周辺情報モニタ手段を更に有し、
   前記周辺情報を前記基地局へ送信するように機能することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の無線通信端末。
6. 前記送信制御手段は、送信すべきデータを所定バースト長単位に区分し、その所定バースト長のパケットの送信間隔として、所定待ち時間を確保することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の無線通信端末。
7. 自己発電手段と、
   前記自己発電手段から出力された電気を充電する２次電池と、
   前記２次電池の電力を用いて基地局と通信する無線通信手段と
   前記２次電池の残容量を検出する残容量検出手段と、
   前記２次電池について、満充電容量＞第１の閾値残容量＞第２の閾値残容量＞残容量０と規定した上で、前記２次電池が、最大でも第１の閾値残容量までしか充電しないように制御する充放電制御手段と
   を有する無線通信端末に搭載されたコンピュータを機能させる送信制御プログラムであって、
   前記２次電池の残容量が、第１の閾値残容量と第２の閾値残容量との間にある場合にのみ前記基地局へデータを送信し、第２の閾値残容量以下である場合に前記基地局へデータを送信しないように制御するようにコンピュータを機能させることを特徴とする送信制御プログラム。
8. 前記２次電池の特性から、繰り返しの充放電回数が最も多くなる最適残容量を特定し、第１の閾値残容量＞最適残容量＞第２の閾値残容量の関係となるように、第１の閾値残容量及び第２の閾値残容量を決定するようにコンピュータを機能させることを特徴とする請求項７に記載の送信制御プログラム。
9. 前記無線通信端末は、自動的に周辺情報をモニタする周辺情報モニタ手段を更に有しており、
   前記周辺情報を前記基地局へ送信するようにコンピュータを機能させることを特徴とする請求項７又は８に記載の送信制御プログラム。

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