JP2009148064A - 端末網制御装置用電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】太陽電池を利用し１０年以上安定して電源供給でき、円滑に運用できる独立した端末網制御装置用電源装置を提供する。
【解決手段】蓄電部には、太陽電池９から充電制御部１３で充電が制御され且つ充放電回数による劣化の少ない大容量キャパシタ１１を用いて１０年以上の寿命を確保する。また、予備の電源としてリチウム電池１２を備えることによって、高価な大容量キャパシタ１１の大きさを抑える。これにより、現実的な大きさ及びコストの電源装置１０を提供することができる。また、電池寿命検知部１６がリチウム電池１２の寿命到来を検知してセンタ側装置に通知する手段を持つことによって、円滑なセンタ運営が可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、通信回線を利用して遠隔検針を行うテレメータシステムの端末網制御装置用電源装置に関する。

従来、図４に示すような、電話回線のような通信回線２を利用してガス、水道、電気などのメータ４をセンタ側装置１より遠隔検針するテレメータシステムが構築されている。端末側には水道、ガス、電気などのメータに接続された端末網制御装置（ＮＣＵ）３３が設けられており、端末網制御装置３３が通信回線２を介してセンタ側装置と交信可能である。

端末網制御装置３３は、主に屋外に設置されるため、工事性の面から商用電源を使わず、電池駆動など独立した電源が求められる。端末網制御装置３３は超低消費電力タイプの機器であり、待機時の消費電力が数十マイクロワットと少なく、リチウム電池１本で約１０年間動作可能となっている。

しかし最近、図３に示すような、無線通信６を利用した端末網制御装置（ＮＣＵ）２３が増えている。センタ側装置１は通信回線網２を介して無線基地局５と接続されており、ＮＣＵ２３は、無線通信６、更には無線基地局５及び通信回線網２を介してセンタ側装置１と通信可能となっている。こうしたＮＣＵ２３が増えた理由は、無線通信６のエリア内であれば、通信回線がない場所にも設置できる、或いは電話回線などの配線工事が不要である、というメリットがあるためである。

無線通信には既存の携帯電話網が利用される。携帯電話網は通信可能エリアが広く、全国の各家庭のメータ検針を行うＮＣＵ２３にとっては最適である。携帯電話網を利用するには、ＮＣＵ２３に携帯電話無線モジュール７を搭載する。携帯電話無線モジュール７は、携帯電話網を利用したデータ通信に特化したモジュールであり、携帯電話機からデータ通信に不要な通話部や表示部、操作部を除き、データ通信に必要な無線部とデータ通信部のみをモジュール化したものである。

しかしながら、携帯電話無線モジュール７も低消費電力化が図られているとはいえ、待機時でも数ミリワットから十数ミリワットの消費電力がある。この電力量は、従来のＮＣＵ３３に比べると１００倍以上の消費電力である。こうした消費電力量が多い理由は、従来のＮＣＵ３３ではマイコンと電話回線モデムなど、数個のＬＳＩしか搭載していないのに比べ、携帯電話無線モジュール７は多くのＬＳＩが集積されており、それらの待機電力が重なっている上、データ通信をしていない待機時であっても、無線部が定期的に基地局５と位置情報などの遣り取りなどの動作を間欠的に行っているためである。

このような、無線通信６を利用したＮＣＵ２３の場合は、消費電力が大きく、従来のようにリチウム電池１本または数本では電池の寿命が短すぎて頻繁に電池交換が必要となり実際には運用できない。商用電源を利用するとなれば電源工事が必要となるため、ＮＣＵ２３の設置場所を選ぶことになる。このため、商用電源を利用できない場合は４０本や８０本など、多数のリチウム電池を搭載した電源装置２４で運用している。しかしながら、これだけ多数のリチウム電池を搭載しても、従来のＮＣＵ３３のように１０年の電池寿命には遠く及ばない。

携帯電話網を利用したＮＣＵ２３の消費電力が大きいとはいえ、トータルの消費電力量の大部分を占める待機時の消費電力は数十ミリワット程度でしかない。このレベルの消費電力量は、数年単位の期間を電池で賄うには上記のように多数の電池を必要とするものの、商用電源を使用するには小さい電力量である。

この程度の消費電力にフィットする電源として太陽電池が考えられる。特許文献１にあるように、太陽電池と蓄電池を組み合わせれば独立型の電源となる。しかし、この方法では、天候不良が続いた上に端末網制御装置の動作が多い場合などに、電源供給が途絶える恐れがある。即ち、検針時に端末の電源が落ちている可能性があり、検針業務に支障が出る。それでも再検針などを繰り返せば検針可能であるが、ガス残量低下通報、ボンベ交換通報、セキュリティ緊急通報など、端末からの通報を利用している用途には信頼性がなく、使用できない。

携帯電話網を使用した端末網制御装置の動作時の消費電力は、待機時に比べて何十倍も大きく数ワットとなる。これは、端末網制御装置がトータルで必要とする電力量が端末の運用条件により大きく左右されることを意味する。

悪天候かつ最悪の運用条件で使用されても端末網制御装置に電源供給できる能力を電源装置に持たせると、太陽電池パネルや蓄電素子があまりに大きくなってしまい、現実性がないという問題がある。

端末網制御装置には、通常、ガスメータの１０年寿命と同等の寿命が求められる。蓄電素子として鉛蓄電池やリチウムイオン電池を使用する場合はエネルギー密度が大きく、小さい体積で大きな容量を得られるが、充放電回数や時間経過による劣化などで１０年の寿命は期待できない。

これら選定した大きな太陽電池パネルや蓄電素子を電源装置として採用することは、悪天候と最悪の運用条件を根拠とするものである。そのような条件は実使用においてはまれな状態であり、そうした電源装置は殆どの場合過剰仕様となってしまう。また太陽電池と蓄電素子のみの構成の場合、使用開始時などに蓄電素子に充電されていない状態のときには、太陽電池からの電力が充電されるまで時間を要する。もしくは、別途充電するなどの必要がある。
特開２０００−１０２１９１号公報

そこで、待機時の消費電力が少ないながら長期に渡って電源供給可能とすべき端末網制御装置用電源装置において、充電される大容量の蓄電素子と予備電池とを併用することで、効率的な電源仕様を得る点で解決すべき課題がある。

この発明の目的は、待機時の消費電力が少ないながら長期に渡って電源供給可能とすべき端末網制御装置用電源装置において、電源の仕様が過剰となることを防止して、構成が簡素で製作コストを抑制できる端末網制御装置用電源装置を提供することである。

この発明による端末網制御装置用電源装置は、太陽電池を電源とし、蓄電素子として大容量キャパシタを用い、キャパシタの不足を補うリチウム電池を予備電池として持たせることを特徴としている。

大容量キャパシタは、経年により容量減となるものの、充放電回数による劣化はあまりなく、蓄電素子として使用すれば１０年間蓄電の機能を果たすという長寿命が期待できる。キャパシタの容量は悪天候と標準条件で余裕を持たせて設定されるが、キャパシタはエネルギー密度が小さいために体積が大きくなる傾向があるので、大きさを抑えることによる電力不足については予備のリチウム電池で補うこととされる。即ち、使用開始時や端末網制御装置が標準条件以上に動作した場合など、キャパシタが一定電圧以下になる場合には、予備電池からの電源供給に切り替えて電源供給が動作される。

標準条件で電池が消耗することはほとんどないが、運用条件の厳しい端末や、一時的に多く動作する場合は電池が消耗する場合がある。電池の寿命が来る前にセンタに通報する機能を備えることによって、システムのさらに円滑な運用を図ることができる。

また、大容量キャパシタは耐電圧を超えて充電してはならない。ＤＣ／ＤＣコンバータによって電圧を調整して充電する場合は、耐電圧を超えて充電することはない。しかしながら、回路を簡単にするために太陽電池からの出力を直列にダイオードのみで大容量キャパシタに接続するような場合には、耐電圧を超えることがあるため、バイパス回路が必要となる。バイパス回路は、大容量キャパシタの耐電圧を超える前に電流をバイパスし、耐電圧を超えて充電させないようにする。

バイパス回路は、太陽電池の最大出力電流をバイパスする必要があり、満充電時に発熱する。バイパス回路の近傍には大容量キャパシタもあり、バイパス回路が長時間発熱することは望ましくない。よってバイパス回路をなくし、ＤＣ／ＤＣコンバータのみで耐電圧以下の電圧で充電する回路構成とすることが望まれるところである。しかし、大容量キャパシタは耐電圧が低いため、直列に接続して使用する場合があり、その場合はＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧を大容量キャパシタの耐電圧の和に調整していても、各キャパシタの電圧バランスがくずれた場合に過電圧で充電される可能性があるため、やはりバイパス回路は必要である。

そして、バイパス回路が満充電時に発熱しないようにするには、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧を、耐電圧の和ではなく、各バイパス回路の設定電圧の和より低くする必要がある。

本発明による端末網制御装置用電源装置によれば、消費電力の大きい携帯電話網を利用した端末網制御装置であっても、電源工事を必要としない独立した小型の太陽電池電源を得ることができる。また、殆どの運用条件で１０年以上の寿命が期待でき、電池交換などのメンテナンスの必要がない。

以下、図面を参照して、この発明による端末網制御装置用電源装置の実施形態を説明する。本発明による端末網制御装置用電源装置の一実施例のブロック図を図１に示す。端末網制御装置用電源装置が適用されるテレメータシステムとしては、ＮＣＵの電源装置を除き、図３に示すものと同様であって良く、システムについての再度の説明を省略する。

図１に示す電源装置１０は、太陽電池９を電源とし、蓄電素子として大容量キャパシタ（以下、「キャパシタ」と略す）１１を用い、キャパシタ１１の電力不足を補うリチウム電池１２を予備電池として持たせた電源装置である。キャパシタ１１であれば経年により容量減はあるものの、充放電回数による劣化はあまりなく１０年間蓄電の機能を果たすことができる。キャパシタ１１の容量は、悪天候と標準条件で余裕を持たせて設定される。

使用開始時や端末網制御装置が標準条件以上に動作した場合など、キャパシタ１１が一定電圧以下になると予備電池であるリチウム電池１２からの電源供給に切り替えて、電力不足を補って電源供給するように動作する。

標準条件で電池が消耗することはほとんどないが、運用条件の厳しい端末や、一時的に多く動作する場合はリチウム電池１２が消耗する場合がある。リチウム電池１２の寿命が来る前にセンタに通報する機能を備えることによって、テレメータシステムの更に円滑な運用を図ることができる。

また、前述したように、太陽電池９からの出力を直列にダイオードのみで大容量キャパシタに接続するような場合はキャパシタの耐電圧を超えるため、当該耐電圧を超える前に電流をバイパスし、キャパシタ１１に耐電圧を超えて充電させないようにするバイパス回路が必要である。そして、各キャパシタの電圧バランスがくずれた場合に過電圧で充電されるのを回避し、バイパス回路が満充電時に発熱しないようにするため、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧は、耐電圧の和ではなく、各バイパス回路の設定電圧の和より低く設定される。

本発明の実施形態の回路例を図２に示す。太陽電池９からの出力は充電制御部１３に接続されている。充電制御部１３は、太陽電池９への逆流防止のダイオード１７とＤＣ／ＤＣコンバータ１８を通して、太陽電池９からの出力電力をキャパシタ１１に充電する。

本実施例に接続する端末網制御装置は３Ｖ動作であり、キャパシタ１１は２つの２．５Ｖ耐圧品１１ａ，１１ａを直列に接続している。直列のキャパシタ１１ａ，１１ａにはそれぞれにバイパス回路１９ａ，１９ａを設けてある。各バイパス回路１９ａは、シャントレギュレータとトランジスタで構成されている。バイパス回路１９ａの設定電圧は、各キャパシタ１１ａの耐電圧の２．５Ｖを超えない値に設定される。こうした構成・設定により、極端な例であるが、一つのキャパシタ１１ａが２．５Ｖ満充電、他の一つのキャパシタ１１ａが０Ｖの空の状態から充電を開始しても、既に満充電のキャパシタ側のバイパス回路が働いて電流をバイパスするので、満充電のキャパシタは耐圧を超えて充電されることはなく、空のキャパシタはバイパス回路を通した電流で充電されていく。

また、すべて満充電時の不要な発熱を避けるために充電制御部１３のＤＣ／ＤＣコンバータ１８の出力電圧は２．５Ｖ＋２．５Ｖ＝５．０Ｖよりも小さい４．９Ｖに設定する。この設定により、満充電時にバイパス回路１９は働かず、不要な発熱が抑えられる。

切替部１４は、キャパシタ１１が充電されていない場合にリチウム電池１２を接続する働きをする。本実施例では、後段の出力部１５の能力と端末網制御装置２３の負荷条件を考慮して、閾値を３．５Ｖとした。切替部１４内の電圧検知部２０でキャパシタ１１の電圧を検知し、３．５Ｖから４．９Ｖの満充電の場合はキャパシタ１１を電源とするため切替部１４内のＦＥＴ（電界効果トランジスタ）２１はオフである。キャパシタ１１の電圧が０Ｖから３．５Ｖとなった場合にＦＥＴ２１をオンにしてリチウム電池１２を電源として供給する。本実施例では、リチウム電池１２は２本直列で約６Ｖとなるため、キャパシタ側への逆流防止のためダイオード２２が挿入されている。

出力部１５は、ＤＣ／ＤＣコンバータで構成されており、接続する端末網制御装置２３に適合した電圧を出力する。

電池寿命検知部１６ではリチウム電池１２の電池寿命を判断する。寿命と判断した場合には最終的に端末網制御装置２３からセンタ側装置１へ通報されなければならない。そのために端末網制御装置２３への信号線を追加するなどの方法もあるが、本実施例では出力部１５を制御して出力電圧を２．４Ｖ程度に意図的に低下させ、端末網制御装置２３に電池電圧低下通報させる方式としている。

次に、本実施例において、キャパシタ１１とリチウム電池１２を併用する根拠を示す。本実施例において太陽電池９は出力が３ワット品、キャパシタ１１は１４００ファラド２本１１ａ，１１ａを直列として７００ファラドとしている。３ワットの太陽電池９のパネルは、一般的な多結晶太陽電池でも１５０ｍｍ×２５０ｍｍ程度である。キャパシタ１１も多数の電池を使う端末網制御装置２３の電池収納部に入る程度の大きさである。これらの電源は端末網制御装置２３の電源として問題のない大きさである。

本実施例において、キャパシタ１１に蓄え、電源として使用できる電力量は、４．９Ｖから３．５Ｖまで７００ファラドであるので計算から約１ワットアワーとなる。

端末網制御装置２３としては待機時１５ミリワット、動作時１．５ワットと仮定する。運用条件としては簡単に配下の端末１台につき１分間動作するものとする。例えば、配下に１０台の端末を持つ端末網制御装置２３で、月に１回の検針を行うのであれば、月の動作時間は１０分となる。

電源装置の待機時の動作について説明する。１ワットアワーの充電電力であれば、太陽電池９が接続されていなくても約２日は待機状態で動作可能である。

太陽電池９は直射日光だけでなく拡散光でも発電する。曇りの場合でも約３分の１程度発電でき、約１ワット程度あるので、これでも十分、端末網制御装置２３の待機電力を上回り、キャパシタ１１を充電することができる。また、雨や雪など非常に暗くなる場合の太陽電池９の発電量は晴れた日の場合の１０分の１以下となる。しかし、発電量が１００分の１となっても３０ミリワットあるため、キャパシタ１１に充電するのは厳しいが、端末網制御装置２３の待機電力程度は殆どの場合、賄うことができ、キャパシタ１１の電圧を維持できる。これらのことから、最悪でも日の出から日の入りはキャパシタ１１の電圧を維持できると仮定すれば、待機状態で約４日間動作可能である。

次に、電源装置の充電能力について説明する。使用開始時以外は３．５Ｖから４．９Ｖへの充電となる。キャパシタ１１に蓄えられる充電量は約１ワットアワーであるので、晴れの場合は１時間以内に充電できる。曇りの場合でも数時間で充電が完了する程度である。本実施例では必要とする充電量が最大でも約１ワットアワーであるので、出力３ワットの太陽電池９でも十分である。

次に、電源装置の動作時について説明する。通常検針動作は月に数回というオーダーでなされる。本実施例のシステムでは、夜に放電した電力分を朝から充電して回復するというサイクルを巡るので、検針周期が月に１回でも月に２回でも基本的にあまり関係ない。毎日検針するというのは現実的にはないと想定される。それよりも配下の端末が多いと１回の検針時の動作時間が比例して大きくなるのでこちらが問題となる。

検針動作を昼に行うと逐次充電されるので都合が良いのであるが、夜に検針動作を行うと電力を消費するのみとなる。しかし運用に条件をつけるのは困難であるので、夜に検針されると仮定する。
待機状態は一晩で約０．２５ワットアワーを消費する。残りの約０．７５ワットアワーで検針動作分を賄うとすれば、約３０分の動作、つまり端末網制御装置２３の配下の端末は３０台までとなる。

以上のことから、本実施例において、リチウム電池１２を使用せずに動作可能な標準条件としては、待機時で４日間動作するという条件であり、運用条件としては端末網制御装置２３の配下の端末は３０台までとなる。

もちろん前記条件で使用していても、天候不良が４日続いた後に検針が重なるなどの悪条件が重なればキャパシタ１１の電荷がなくなるが、その場合はリチウム電池１２が動作を担保する。これら悪条件が重なることは稀であり、リチウム電池１２の消耗はあまりないはずであるが、万が一消耗した場合はセンタ側装置１に通報が上がるので運用に支障は出ない。

ここで、リチウム電池１２を備えない場合を考える。リチウム電池１２がない場合、キャパシタ１１の電荷がなくなると端末網制御装置２３の電源が落ちるため、悪条件が重なった場合であっても電源供給できなければならない。つまり、本実施例同様のシステムで、天候不良が４日続いたあと配下の端末３０台の検針ができなければならない。
このような場合にも検針動作を確保するには、単純にキャパシタ１１の容量を倍にする必要がある。しかし、そうした対応では、倍に増えたキャパシタが全体として端末網制御装置２３の電池収納部分に入らなくなるため、別筐体を備える必要があり、しかも高価なキャパシタの数が倍になることでコストも大幅にアップし商品性が低下する。また、上記最悪条件よりも条件が悪くなることも考えられる。端末のテストなどでイレギュラーな動作が入ることも考えられる。このように、キャパシタ１１の容量を倍にする対策は、稀にしか発生しない事象のために過剰仕様となることが判る。本発明によるキャパシタ１１とリチウム電池９を併用することのメリットが大きいかが理解される。

本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で上記実施形態に多くの修正および変更を加え得ることは勿論である。

本発明の端末網制御装置用電源装置の概略構成を示すブロック図。 図１に示す端末網制御装置用電源装置の一実施例を示す回路図。 無線通信を利用した端末網制御装置のシステム構成図。 従来の通信回線を利用した端末網制御装置のシステム構成図。

符号の説明

１ センタ側装置 ２ 通信回路網
４ メータ ５ 無線基地局
６ 無線通信 ７ 携帯電話無線モジュール
９ 太陽電池 １０ 電源装置
１１（１１ａ，１１ａ） 大容量キャパシタ
１２ リチウム電池 １３ 充電制御部
１４ 切替部 １５ 出力部
１６ 電池寿命検知部 １７ ダイオード
１８ ＤＣ／ＤＣコンバータ １９（１９ａ，１９ａ） バイパス回路
２０ 電圧検知部 ２１ ＦＥＴ
２２ ダイオード ２３ 端末網制御装置

Claims (5)

1. 通信回線を利用して遠隔検針を行うテレメータシステムに用いられる端末網制御装置のための電源装置であって、太陽電池で得た電力を蓄電する大容量キャパシタと、予備電池としてのリチウム電池とを具備することを特徴とする端末網制御装置用電源装置。
2. 請求項１に記載の端末網制御装置用電源供給装置において、
   前記リチウム電池の寿命の到来を検知しその旨をセンタ側に通報する電池寿命検知手段を具備することを特徴とする端末網制御装置用電源装置。
3. 請求項１又は２に記載の端末網制御装置用電源装置において、
   前記大容量キャパシタは複数個のキャパシタを直列に接続して構成されてなり、それぞれの前記キャパシタに過電圧防止のバイパス回路が設けられており、前記大容量キャパシタへの充電電圧は前記各バイパス回路のバイパス設定電圧の和より低く制御されることを特徴とする端末網制御装置用電源装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の端末網制御装置用電源装置において、
   前記端末網制御装置は、携帯電話無線モジュールを備えることを特徴とする端末網制御装置用電源装置。
5. 請求項１に記載の端末網制御装置用電源装置において、
   前記太陽電池で得られた電力の前記大容量キャパシタへの充電を制御する充電制御部と、当該充電制御部に接続されており前記大容量キャパシタの出力電圧に応じて前記大容量キャパシタと前記リチウム電池とのいずれかを切り替えて出力する切替部と、前記切替部に接続され且つ後続に前記端末網制御装置が接続されており前記リチウム電池の電池寿命に応じて当該電池寿命情報を出力可能な出力部とを備えることを特徴とする端末網制御装置用電源装置。

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