JP2010011530A - 電池駆動型のフィールド機器 - Google Patents

Abstract

【課題】 ダミー放電することなく、電池の内部抵抗上昇による電池電圧低下の影響を回避することを可能とする電池駆動型のフィールド機器を実現する。
【解決手段】 保存状態または微小電流放電状態で内部抵抗が増加する電池を電源とし、電池電圧を第１レギュレータで安定化した第１電圧により給電される電池駆動型のフィールド機器において、
前記電池電圧が所定値以下に低下したタイミングを検出する電圧監視回路と、
前記タイミングより所定時間継続する信号を出力する遅延回路と、
この遅延回路の出力継続時間中に、前記電池電圧より高い補助電圧を発生する昇圧回路と、
前記第１レギュレータの入力側または出力側で、前記補助電圧を電源電圧として切り替える切り替え回路と、
を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、保存状態または微小電流放電状態で内部抵抗が増加する電池を電源とし、電池電圧を第１レギュレータで安定化した第１電圧により給電される電池駆動型のフィールド機器に関するものである。

定周期または不定周期で短時間活性化されてデータ収集センター等と通信する無線モジュールを備えたフィールド機器では、その電源として塩化チオニルリチウム一次電池が使用される場合が多い。

塩化チオニルリチウム一次電池の放電特性は、負極の金属表面に生成される塩化リチウムの皮膜に左右される。長期保存等で皮膜が成長した状態で電池を放電させると、放電開始と同時に皮膜の生成状態が急激に変化し、過渡現象を呈した後、安定状態になる。

図４は、特許文献２に記載されている塩化チオニルリチウム一次電池の放電特性図である。皮膜による負極表面の抵抗が内部抵抗（数１０〜数１００Ω）となり、この内部抵抗のために、電池電圧は、放電開始時に急激に低下（例えば、低下分が１Ｖ以上）した後、放電電流（例えば２０ｍＡ程度）の流出に従って正常電圧（例えば３．２Ｖ以上）に復帰する。

このように、塩化チオニルリチウム一次電池は、保存状態または放電電流が微小な場合（例えば、数１０マイクロアンペア以下）には、負極表面の塩化膜が成長し、電池の内部抵抗が増加していく。この状態で消費電流が大きい無線モジュール等が活性化すると、電池電圧が急激に低下する。

フィールド機器を構成する重要な要素であるセンサ等は、＋５Ｖの安定化された電圧で給電する必要があるために、開放電圧値３．６Ｖの塩化チオニルリチウム一次電池の２個の直列接続（開放電圧７．２Ｖ）を使用し、レギュレータにより＋５Ｖの安定化された電圧を得る構成をとる。

無線モジュール等の起動による大きな消費電流の発生による内部抵抗の電圧降下が大きい場合には、レギュレータの入力電圧が＋５Ｖより低下するので、安定化された給電電圧を下回って、フィールド機器が正常に動作しなくなる場合がある。

この対策として、
（ａ）回路全体の消費電流を一定に保つように一定の条件下でダミー放電を行い、内部抵抗の増大を防ぐ手法が特許文献１に開示されている。

（ｂ）ダミー放電により塩化皮膜の破壊を行うシーケンスを実行した後に、無線モジュール等の大電流消費負荷を起動させる手法が特許文献２に開示されている。
などの対策がとられる。

図５は、従来手法による対策を備えた電池駆動型のフィールド機器の構成例を示す機能ブロック図である。内部抵抗ｒを持つ、塩化チオニルリチウム一次電池を２個直列接続した電池１の電池電圧Ｖ0を入力する第１レギュレータ２により、安定化した第１電圧Ｖc1（＋５Ｖ）を生成し、センサ３、このセンサの測定値を処理する信号処理部４等に給電している。フィールド機器としての信頼性を確保するためには、この第１電圧Ｖc1の安定供給は必須である。

更に、電池電圧Ｖ0を入力する第２レギュレータ５で安定化した第２電圧Ｖc2（＋３Ｖ）を生成し、無線モジュール６、ＣＰＵ７に給電している。第２レギュレータ５の負荷としてダミー放電抵抗８及び放電制御トランジスタ９の直列回路が接続されている。

ＣＰＵ７は、信号処理部４と通信すると共に、無線モジュール６の送受信動作を制御する。更に、放電制御トランジスタ９を制御して前記（ａ）または（ｂ）の手法によるダミー放電を実行する。

第２電圧Ｖc2（＋３Ｖ）で給電されている無線モジュール６、ＣＰＵ７等の回路では、内部抵抗増加による電池電圧Ｖ0の低下が発生しても、第２レギュレータ５の入力電圧は＋３Ｖ以上あるので影響を受けない。

特開平５−６３８３７号公報 特開平７−１５３５９号公報

従来手法によるダミー放電では、フィールド機器において次のような問題がある。
（１）無線モジュール６が活性化する時刻をＣＰＵ７が知り得ない場合には、（ａ）の対策では、ダミー放電と無線モジュール６の活性化が同時に発生した場合に、センサ３等への給電電圧Ｖc1が低下し、フィールド機器としての信頼性が確保できない恐れがある。

（２）無線モジュール６の活性化は、無線ネットワークにより管轄されており、ＣＰＵ７は起動のタイミングを知り得ないので、（ｂ）の対策は有効ではない。

本発明は上述した問題点を解決するためになされたものであり、ダミー放電することなく、電池の内部抵抗上昇による電池電圧低下の影響を回避することを可能とする電池駆動型のフィールド機器の実現を目的としている。

このような課題を達成するために、本発明は次の通りの構成になっている。
（１）保存状態または微小電流放電状態で内部抵抗が増加する電池を電源とし、電池電圧を第１レギュレータで安定化した第１電圧により給電される電池駆動型のフィールド機器において、
前記電池電圧が所定値以下に低下したタイミングを検出する電圧監視回路と、
前記タイミングより所定時間継続する信号を出力する遅延回路と、
この遅延回路の出力継続時間中に、前記電池電圧より高い補助電圧を発生する昇圧回路と、
前記第１レギュレータの入力側または出力側で、前記補助電圧を電源電圧として切り替える切り替え回路と、
を備えることを特徴とする電池駆動型のフィールド機器。

（２）前記電池電圧を第２レギュレータで安定化した、前記第１電圧よりは低い第２電圧により給電される無線モジュールを備えることを特徴とする（１）に記載の電池駆動型のフィールド機器。

（３）前記昇圧回路は、前記電池電圧に対して前記第２電圧を加算した補助電圧を発生することを特徴とする（２）に記載の電池駆動型のフィールド機器。

（４）前記昇圧回路は、チャージポンプ形の昇圧回路であることを特徴とする（１）乃至（３）のいずれかに記載の電池駆動型のフィールド機器。

（５）前記昇圧回路は、ステップアップＤＣ／ＤＣコンバータであることを特徴とする（１）乃至（３）のいずれかに記載の電池駆動型のフィールド機器。

（６）前記第２電圧により給電され、前記無線モジュールの送受信動作を制御するＣＰＵを備えることを特徴とする（２）乃至（５）のいずれかに記載の電池駆動型のフィールド機器。

（７）前記電池は、塩化チオニルリチウム一次電池であることを特徴とする（１）乃至（６）のいずれかに記載の電池駆動型のフィールド機器。

本発明の構成によれば、次のような効果を期待することができる。
（１）本発明で導入される昇圧回路は、必要なときだけ動作するので、エネルギー効率が良く、かつ確実にセンサ等への＋５Ｖ系の給電電圧の低下を防ぐことができる。

（２）本発明で導入される昇圧回路の動作により、通常より消費電流が増えるため、塩化皮膜破壊の効果を期待することができる。

以下、本発明を図面により詳細に説明する。図１は、本発明を適用した電池駆動型のフィールド機器の一実施形態を示す機能ブロック図である。図５で説明した従来構成と同一要素には同一符号を付して説明を省略する。

従来構成と比較した本発明の特徴部は、第１レギュレータ２の入力電圧Ｖｃ０の電圧低下を監視する電圧監視回路１００、この電圧監視回路の検出タイミングで動作する遅延回路２００、この遅延回路の出力継続期間中に電池電圧Ｖ0より高い補助電圧Ｖuを出力する昇圧回路３００、電池電圧Ｖ0と補助電圧Ｖuを切り替えて第１レギュレータ２に入力する切り替え回路４００を設けた構成にある。

本発明の構成では、図５の従来構成で示した、ダミー放電抵抗８及び放電制御トランジスタ９の直列回路に対するＣＰＵ７によるダミー放電制御回路は備えていない。

図２は、図１に示す本発明構成の動作を説明する波形図である。実施形態では、無線モジュール６の非活性時の電流は０ｍＡ、活性時の電流は２０ｍＡ、無線モジュール６非活性時の電池電圧Ｖ0は６．５Ｖ、電池１の内部抵抗は１００Ω、電圧監視回路１００のしきい値電圧（所定値）は５．２Ｖとする。

無線モジュール６は低消費電力形であり、通常は数μＡ程度でスタンバイしていて、１０ｍｓ程度の時間だけ活性化して外部機器との送受信を行う。

図２（Ａ）は無線モジュール電流の波形、図２（Ｂ）は電池１の電池電圧Ｖ0の波形を示す。時刻ｔ１で無線モジュール６が活性化すると、電池電圧Ｖ0は、内部抵抗１００Ωのために、６．５Ｖから４．５Ｖまで低下する。

図２（Ｃ）は、第１レギュレータ２の入力電圧Ｖｃ０の波形であり、電圧監視回路１００のしきい値電圧５．２Ｖを横切った瞬間に、図２（Ｄ）に示すように電圧監視回路２００により電圧低下が検出される。

図２（Ｅ）は、電圧監視回路１００による電圧低下検出信号で起動されるオフ遅延形の遅延回路２００の波形を示し、無線モジュール６の稼動が停止して電池電圧Ｖ0が６．５Ｖに復帰する時刻ｔ２よりは所定時間遅い時刻ｔ３までの持続期間Ｔ（継続時間（例えば、無線モジュール６が活性中の時間））に設定される。

この遅延回路２００の出力で駆動される昇圧回路３００は、この持続期間Ｔでオン状態となり、電池電圧Ｖ0より高い電圧値の補助電圧Ｖuを出力する。切り替え回路４００は、持続期間Ｔの期間に、電池電圧Ｖ0から補助電圧Ｖuに切り替えて第１レギュレータ２に入力させるので、第１レギュレータ２の出力は、５Ｖの安定化電圧が確保される。

切り替え回路４００は、実施形態では２個のダイオードＤ１及びＤ２による周知の電圧比較形のスイッチング回路で構成されているが、ＣＰＵ７で制御されるトグル形の切り替え回路であってもよい。ダイオードＤ１及びＤ２によるスイッチング回路の出力に接続されているコンデンサＣ１は、後述するチャージポンプ昇圧回路出力の平滑用である。

切り替え回路４００の動作で、電圧監視回路１００の入力電圧は、図２（Ｃ）に示すように、直ちにしきい値電圧５．２Ｖを上回るようになるが、遅延回路２００によって昇圧回路３００がオフするタイミングをずらし、安定して昇圧する時間を確保する。

以上の動作で、電池電圧Ｖ0（図２（Ｂ））が５Ｖを下回る場合でも、第１レギュレータ２の入力電圧を５Ｖ以上に保つことができる。この結果、無線モジュール６等の大電流消費による電池１の内部抵抗に起因する電圧降下の影響が、センサ等の５Ｖ系の機器の給電電圧に波及することを回避することができる。

昇圧回路３００は、種々の周知回路を採用することができる。図３は、チャージポンプ形の昇圧回路３００の回路構成図である。遅延回路２００の出力期間Ｔの信号で所定周期のオシレータＯＳＣが起動され、直列接続されたスイッチングトランジスタＱ１，Ｑ２を交互にオンオフ制御する。

Ｑ１，Ｑ２の直列回路の一端は接地電位に、他端は第２レギュレータ５による第２電圧Ｖc2が供給されている。チャージポンプコンデンサＣ２の一端は、Ｑ１，Ｑ２の接続点電位Ｖbに、他端はダイオードＤ３を介して電池電圧Ｖ0に接続されると共に、切り替え回路４００のダイオードＤ２を介して第１レギュレータ２の入力に接続されている。

このような回路構成により、チャージポンプコンデンサＣ２の他端に発生する補助電圧Ｖuの電位は、電池電圧Ｖ0に対して周期的に一定の第２電圧Ｖc2の電位Ｖbが加算された、電池電圧Ｖ0よりは高い電位となる。この電位はダイオードＤ２で選択され、第１レギュレータ２の入力に接続されたコンデンサＣ１で平滑され、第１レギュレータ２に入力される。

昇圧回路３００としては、図３で例示したチャージポンプ形の昇圧回路の他、インダクタとスイッチング素子を使ったステップアップＤＣ／ＤＣコンバータを採用することができる。

定電圧出力機能を持つ昇圧回路の出力を、第１レギュレータ２の出力側に接続し、昇圧回路と第１レギュレータを切り替える構成とすることができる。更に、切り替え回路４００は、ダイオードを使用した電圧比較による自動切り替え回路の他、昇圧回路と第１レギュレータとの接続のオン／オフを制御してもよい。

実施形態では、昇圧回路３００の入力電圧源は、電池電圧Ｖ0と第２電圧Ｖc2の２電源で示したが、電池１の電池電圧Ｖ0だけを入力して昇圧してもよいし、第２電圧Ｖc2だけを入力して昇圧する構成をとることも可能である。

実施形態では、消費電流が大きい負荷として無線モジュールを例示したが、これに限定されるものではない。本発明は、消費電流による電池電圧低下がフィールド機器としての信頼性を損なう負荷を備える電池駆動型のフィールド機器一般に適用することができる。

本発明を適用した電池駆動型のフィールド機器の一実施形態を示す機能ブロック図である。 図１の動作を説明する波形図である。 チャージポンプ昇圧回路の回路構成図である。 塩化チオニルリチウム一次電池の放電特性図である。 従来の電池駆動型のフィールド機器の構成例を示す機能ブロック図である。

符号の説明

１ 電池
２ 第１レギュレータ
３ センサ
４ 信号処理部
５ 第２レギュレータ
６ 無線モジュール
７ ＣＰＵ
１００ 電圧監視回路
２００ 遅延回路
３００ 昇圧回路
４００ 切り替え回路

Claims (7)

1. 保存状態または微小電流放電状態で内部抵抗が増加する電池を電源とし、電池電圧を第１レギュレータで安定化した第１電圧により給電される電池駆動型のフィールド機器において、
   前記電池電圧が所定値以下に低下したタイミングを検出する電圧監視回路と、
   前記タイミングより所定時間継続する信号を出力する遅延回路と、
   この遅延回路の出力継続時間中に、前記電池電圧より高い補助電圧を発生する昇圧回路と、
   前記第１レギュレータの入力側または出力側で、前記補助電圧を電源電圧として切り替える切り替え回路と、
   を備えることを特徴とする電池駆動型のフィールド機器。
2. 前記電池電圧を第２レギュレータで安定化した、前記第１電圧よりは低い第２電圧により給電される無線モジュールを備えることを特徴とする請求項１に記載の電池駆動型のフィールド機器。
3. 前記昇圧回路は、前記電池電圧に対して前記第２電圧を加算した補助電圧を発生することを特徴とする請求項２に記載の電池駆動型のフィールド機器。
4. 前記昇圧回路は、チャージポンプ形の昇圧回路であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の電池駆動型のフィールド機器。
5. 前記昇圧回路は、ステップアップＤＣ／ＤＣコンバータであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の電池駆動型のフィールド機器。
6. 前記第２電圧により給電され、前記無線モジュールの送受信動作を制御するＣＰＵを備えることを特徴とする請求項２乃至５のいずれかに記載の電池駆動型のフィールド機器。
7. 前記電池は、塩化チオニルリチウム一次電池であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の電池駆動型のフィールド機器。

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