JP2014143087A - 電池劣化計測装置および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電池寿命を延ばすと共に、電池の内部抵抗の上昇による電池寿命を予測する。
【解決手段】電池劣化計測装置は、電池１と並列に設けられたコンデンサ６と、電池１とコンデンサ６との間に設けられたスイッチ７と、コンデンサ６の電圧を検出する電圧検出部８と、コンデンサ６の電圧が低電圧側閾値を下回ったときにスイッチ７をＯＮにし、コンデンサ６の電圧が高電圧側閾値を上回ったときにスイッチ７をＯＦＦにする制御部９と、スイッチ７がＯＮしている時間を計測するパルス幅計測部１０と、パルス幅計測部１０の計測結果に基づいて電池１の寿命を判定する電池寿命判定部１１と、電池１が寿命に達したと判定されたときに、電池１が寿命に達したことを外部に通知する電池寿命通知部１２とを備えている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電池の内部抵抗の上昇による電池寿命を予測することができる電池劣化計測装置および方法に関するものである。

従来、例えばプラントに配置され、無線によりプロセスデータを上位装置に送信する電池駆動の無線フィールド機器では、長期間のメンテナンスフリーを実現するために電池としてリチウム一次電池等を用いている。機器の低消費電流化のためには間欠動作が有効である。例えば無線通信の場合、送信や受信が必要なときだけ動作し、送信や受信が不要なときはスリープ状態とすることで、総合的な消費電流を削減することができる。消費電流を削減できる理由は、機器の動作時には多く（例えば数十ｍＡ）の電流を極短時間（例えば数ｍ秒）消費するが、非動作時には非常に少ない（例えば数十μＡ）しか消費しないためである。

このような間欠動作の機器を電池によって駆動する場合、機器の動作時の電流により発生する電池の内部抵抗による電圧降下により、電池の電圧が回路の動作下限電圧を下回ると、正常な動作が出来なくなってしまう。従来は、機器の停止を回避するために、電池の電圧低下を検出する電圧監視回路を設け、電池が放電限界になる前に警告を発生し、メンテナンスが必要であることを通知してから動作限界に達するまで、メンテナンスを行うのに充分な時間を確保できるようにしていた（特許文献１参照）。

特開２０１２−８５３６８号公報

図７は従来の問題点を説明する回路図、図８（Ａ）〜図８（Ｃ）は図７の回路の電流および電圧を示す図である。１００は電池、１０１は電池１００の内部抵抗、１０２は電圧レギュレータ、１０３は負荷回路である。Ｖ_Bは電池１００の電圧、Ｉ_Bは電池１００から供給される電流、Ｖ_Lは電圧レギュレータ１０２により負荷回路１０３に供給される電圧、Ｖ_B0は電池１００の初期状態での電圧、Ｖ_RLは負荷回路１０３が動作可能な下限の電圧を供給可能な電池１００の下限電圧である。

図８（Ａ）に示すように負荷回路１０３は、大きな電流を消費するときとほとんど電流を消費しないときがあり、平均すると比較的低い消費電流である。１例として、大きな電流を消費するときには電流Ｉ_Bの値は例えば３０ｍＡ程度であり、ほとんど消費しないときの電流Ｉ_Bの値は１００μＡ以下であり、平均すると２００μＡ程度の電流Ｉ_Bとなる。

図７のような回路に使用される電池１００としては、リチウム一次電池が使用され、中でも大容量である塩化チオニルリチウム電池が使用されることが多い。塩化チオニルリチウム電池は、自己放電が少なく長期間安定して使用できるものの、内部抵抗が大きいため、大電流を取り出すには適していない。このような電池は、電池の残容量に関わらず無負荷時の電圧はほぼ一定であるものの、残容量が少なくなるにつれて内部抵抗が増加し、比較的大電流を流したときに電圧が大きく低下することが知られている。

図８（Ａ）に示すように、パルス状の電流Ｉ_Bが流れることで、図８（Ｂ）、図８（Ｃ）に示すように電池１００の電圧Ｖ_Bが降下する。電池１００の残容量が多い図８（Ｂ）の場合には、電圧Ｖ_Bが下限電圧Ｖ_RLを下回ることはないが、電池１００の残容量が少なくなるについて電圧降下が大きくなるため、電池１００の残容量が少ない図８（Ｃ）の場合には、電圧Ｖ_Bが下限電圧Ｖ_RLを下回り、負荷回路１０３が正常に動作できなくなる。特許文献１に開示された技術では、電圧Ｖ_Bが下限電圧Ｖ_RLを下回った時点で電池１００の寿命と見なし、警告を発することになる。

しかしながら、図８（Ｃ）から明らかなように、電圧Ｖ_Bが下限電圧Ｖ_RLを下回るのは、比較的大きな電流Ｉ_Bが消費された一瞬であり、電流Ｉ_Bが少ない場合には電池１００から十分な電圧を供給できることが分かる。すなわち、電池１００が寿命であるとは言い切れないが、正常な動作が保証できないために、従来の技術では、電圧Ｖ_Bが下限電圧Ｖ_RLを下回った時点で電池１００の寿命と見なし、電池１００を交換していた。したがって、従来の技術では、まだ多くの容量が残っている電池１００を交換することになり、無駄であるばかりでなく、電池１００の交換頻度が高くなるという問題点があった。

この問題を解決するために、図９に示すように、電池１００と並列に大容量のコンデンサ１０４を設け、一時的な電圧降下を回避することがよく行われている。このように、コンデンサ１０４を設けることで、電池１００の残容量が多い場合（図１０（Ｂ））、電池１００の残容量が少ない場合（図１０（Ｃ））のいずれの場合でも、電圧Ｖ_Bの一時的な降下を十分に防ぐことが可能となる。しかしながら、図９に示す回路では、電池１００の残容量が少なくなったことを示す内部抵抗の増加が回路上のどこにも現れないため、電池１００の残容量を推定することが出来なくなってしまう。このため、電池１００が放電限界になるまで警告を発することができないので、メンテナンスを行うのに充分な時間を確保することが難しくなる。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、電池の内部抵抗による一時的な電圧低下を回避して電池寿命を延ばすと共に、電池の内部抵抗の上昇による電池寿命を予測することができる電池劣化計測装置および方法を提供することを目的とする。

本発明の電池劣化計測装置は、電子機器に電力を供給する電池と、この電池と並列に設けられたコンデンサと、前記電池と前記コンデンサとの間に設けられたスイッチと、前記コンデンサの電圧を検出する電圧検出手段と、前記コンデンサの電圧が予め設定された低電圧側閾値を下回ったときに、前記スイッチをＯＮにして前記コンデンサの充電を開始し、前記コンデンサの電圧が予め設定された高電圧側閾値を上回ったときに、前記スイッチをＯＦＦにして前記コンデンサの充電を終了する制御手段と、前記スイッチがＯＮしている時間を計測するＯＮ時間計測手段と、このＯＮ時間計測手段の計測結果に基づいて前記電池の寿命を判定する電池寿命判定手段と、前記電池が寿命に達したと判定されたときに、前記電池が寿命に達したことを外部に通知する電池寿命通知手段とを備えることを特徴とするものである。

また、本発明の電池劣化計測装置の１構成例は、さらに、電池交換が可能か否かを外部に通知する電池交換可否通知手段を備え、前記制御手段は、外部からの操作により通常モードから電池交換モードになったときに、前記スイッチをＯＮにして前記コンデンサの充電を開始し、この充電開始後に前記コンデンサの電圧が前記高電圧側閾値を上回ったときに、前記スイッチをＯＦＦにして前記コンデンサの充電を終了すると共に、電池交換が可能になったことを前記電池交換可否通知手段を通じて外部に通知することを特徴とするものである。
また、本発明の電池劣化計測装置の１構成例は、さらに、外部からの操作により電池交換モードになったときからの経過時間を計測する経過時間計測手段を備え、前記制御手段は、前記経過時間計測手段で計測している時間が所定時間を超えたときに、通常モードに戻すことを特徴とするものである。
また、本発明の電池劣化計測装置の１構成例において、前記制御手段は、通常モードに戻すときに、通常モードに戻ることを前記電池交換可否通知手段を通じて外部に通知した後に、通常モードに戻すことを特徴とするものである。
また、本発明の電池劣化計測装置の１構成例において、前記制御手段は、通常モードに戻ることを通知している間に、電池交換モードに入る操作が再度なされた場合には、前記経過時間計測手段による経過時間の計測を再度開始させ、計測している時間が前記所定時間を超えたときに、通常モードに戻すことを特徴とするものである。

また、本発明の電池劣化計測装置の１構成例は、さらに、環境エネルギーを電気エネルギーに変換するエナジーハーベスト電源と、このエナジーハーベスト電源と前記コンデンサとの間に設けられた第１の逆流防止ダイオードと、前記スイッチと前記コンデンサとの間に設けられた第２の逆流防止ダイオードとを備えることを特徴とするものである。
また、本発明の電池劣化計測装置の１構成例は、複数の前記電池が直列に接続され、さらに、各電池と並列に設けられた複数の転極防止ダイオードと、前記コンデンサと前記電圧検出手段との間に設けられた過電流保護素子と、前記コンデンサと前記電圧検出手段との間に設けられた逆流防止ダイオードとを備え、前記コンデンサおよびスイッチは、電池毎に設けられ、前記電圧検出手段は、直列に接続された複数の前記コンデンサの両端電圧を検出することを特徴とするものである。

また、本発明の電池劣化計測方法は、電子機器に電力を供給する電池と並列に設けられたコンデンサの電圧を検出する電圧検出ステップと、前記コンデンサの電圧が予め設定された低電圧側閾値を下回ったときに、前記電池と前記コンデンサとの間に設けられたスイッチをＯＮにして前記コンデンサの充電を開始する充電ステップと、前記コンデンサの電圧が予め設定された高電圧側閾値を上回ったときに、前記スイッチをＯＦＦにして前記コンデンサの充電を終了する非充電ステップと、前記スイッチがＯＮしている時間を計測するＯＮ時間計測ステップと、このＯＮ時間計測ステップの計測結果に基づいて前記電池の寿命を判定する電池寿命判定ステップと、前記電池が寿命に達したと判定したときに、前記電池が寿命に達したことを外部に通知する電池寿命通知ステップとを含むことを特徴とするものである。

また、本発明の電池劣化計測方法の１構成例は、さらに、外部からの操作により通常モードから電池交換モードになったときに、前記スイッチをＯＮにして前記コンデンサの充電を開始する電池交換モード充電ステップと、この充電開始後に前記コンデンサの電圧が前記高電圧側閾値を上回ったときに、前記スイッチをＯＦＦにして前記コンデンサの充電を終了すると共に、電池交換が可能になったことを外部に通知する電池交換可否通知ステップとを含むことを特徴とするものである。
また、本発明の電池劣化計測方法の１構成例は、さらに、外部からの操作により電池交換モードになったときからの経過時間を計測する経過時間計測ステップと、この経過時間計測ステップで計測している時間が所定時間を超えたときに、通常モードに戻す通常モード復帰ステップとを含むことを特徴とするものである。
また、本発明の電池劣化計測方法の１構成例において、前記通常モード復帰ステップは、通常モードに戻すときに、通常モードに戻ることを外部に通知した後に、通常モードに戻すステップを含むことを特徴とするものである。
また、本発明の電池劣化計測方法の１構成例において、前記通常モード復帰ステップは、通常モードに戻ることを通知している間に、電池交換モードに入る操作が再度なされた場合には、前記経過時間の計測を再度開始させ、計測している時間が前記所定時間を超えたときに、通常モードに戻すステップを含むことを特徴とするものである。

本発明によれば、電池と並列に設けたコンデンサから負荷電流を供給するようにし、コンデンサの電圧が低電圧側閾値を下回ったときにコンデンサを充電し、コンデンサの電圧が高電圧側閾値を上回ったときにコンデンサの充電を終了することを繰り返すことにより、大きな電流が流れたときに発生する、電池の内部抵抗による一時的な電圧低下を防ぐことができ、電池の寿命を延ばすことができる。また、本発明では、スイッチのＯＮ時間を計測することにより、電池の内部抵抗の上昇による電池の寿命を簡単に予測することができる。また、本発明では、電池をコンデンサに接続してコンデンサを充電する充電時と、電池をコンデンサから切り離す非充電時とに動作を分けることができるので、非充電時であれば、電子機器が動作中でも電池の交換が可能となる。

また、本発明では、通常モードと電池交換モードとを明確に分けることができ、また電池の交換が不可能なときか電池の交換が可能なときかを電池交換可否通知手段を通じて作業者に通知するようにしたので、コンデンサの非充電時に電池を交換することができ、この非充電時であれば、電池から電流が流れていないため、電池を交換しても火花が出ることはなく、防爆が必要なエリアにおいても安全に電池交換が可能となる。

また、本発明では、外部からの操作により電池交換モードになったときからの経過時間を計測し、計測している時間が所定時間を超えたときに、通常モードに戻すことにより、作業者が通常モードに戻すことを忘れるのを防止できる。

また、本発明では、通常モードに戻すときに、通常モードに戻ることを電池交換可否通知手段を通じて外部に通知した後に、通常モードに戻すことにより、作業者に注意を促すことができる。

また、本発明では、通常モードに戻ることを通知している間に、電池交換モードに入る操作が再度なされた場合には、経過時間の計測を再度開始させ、計測している時間が所定時間を超えたときに、通常モードに戻すことにより、電池交換モードの延長が可能になる。

また、本発明では、エナジーハーベスト電源と第１、第２の逆流防止ダイオードとを設けることにより、容易にエナジーハーベストによる電力利用を実現することができる。

また、本発明では、転極防止ダイオードと過電流保護素子と逆流防止ダイオードとを設けることにより、複数の電池を直列に接続した構成に対応することができる。

本発明の第１の実施の形態に係る電池劣化計測装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第１の実施の形態に係る電池劣化計測装置の各部の電流および電圧を示す図である。 本発明の第１の実施の形態に係る電池劣化計測装置の動作を示すフローチャートである。 本発明の第２の実施の形態に係る電池劣化計測装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第３の実施の形態に係る電池劣化計測装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第４の実施の形態に係る電池劣化計測装置の構成を示すブロック図である。 従来の問題点を説明する回路図である。 図７の回路の電流および電圧を示す図である。 従来の別の問題点を説明する回路図である。 図９の回路の電流および電圧を示す図である。

［第１の実施の形態］
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の第１の実施の形態に係る電池劣化計測装置の構成を示すブロック図である。本実施の形態の電池劣化計測装置は、電池１と、電流制限抵抗３と、電圧レギュレータ４と、負荷回路５とからなる電子機器に設けられる。電子機器の例としては、無線機器がある。電池１の例としてはリチウム一次電池がある。図１中の２は電池１の内部抵抗である。

本実施の形態の電池劣化計測装置は、電池１と並列に設けられるコンデンサ６と、電池１とコンデンサ６との間に設けられるスイッチ７と、コンデンサ６の両端電圧Ｖ_Cを検出する電圧検出部８と、電圧検出部８の検出結果に応じてスイッチ７を制御する制御部９と、スイッチ７がＯＮしている時間を計測するパルス幅計測部１０（ＯＮ時間計測手段）と、パルス幅計測部１０の計測結果に応じて電池１の寿命を判定する電池寿命判定部１１と、電池１が寿命に達したと判定されたときに電池１が寿命に達したことを通知する電池寿命通知部１２とから構成される。コンデンサ６としては、漏れ電流の少ない大容量コンデンサが適しており、リチウムイオンキャパシタなどが使用可能である。

図２（Ａ）〜図２（Ｃ）は本実施の形態の電池劣化計測装置の各部の電流および電圧を示す図、図３は電池劣化計測装置の動作を示すフローチャートである。
電圧検出部８は、コンデンサ６の両端電圧Ｖ_Cを検出する（図３ステップＳ１００）。電圧検出部８は、コンデンサ６の両端電圧Ｖ_Cが予め設定された低電圧側閾値Ｖ_thlを下回ったときに出力信号ＤＥＴをＯＮにし、コンデンサ６の両端電圧Ｖ_Cが予め設定された高電圧側閾値Ｖ_thhを上回ったときに出力信号ＤＥＴをＯＦＦにする。

制御部９は、電圧検出部８の出力信号ＤＥＴがＯＮになったとき、すなわちコンデンサ６の両端電圧Ｖ_Cが低電圧側閾値Ｖ_thlを下回ったときに（図３ステップＳ１０１においてＹＥＳ）、図２（Ｃ）に示すようにスイッチ７をＯＮにする制御信号ＳＷを出力する（図３ステップＳ１０２）。これにより、スイッチ７がＯＮとなり、コンデンサ６の充電が開始される。以後、制御部９は、電圧検出部８の出力信号ＤＥＴがＯＦＦになるまで、制御信号ＳＷをＯＮにして、スイッチ７がＯＮの状態を維持する。パルス幅計測部１０は、制御信号ＳＷがＯＮになると、時間計測を開始する（図３ステップＳ１０３）。

次に、制御部９は、電圧検出部８の出力信号ＤＥＴがＯＦＦになったとき、すなわちコンデンサ６の両端電圧Ｖ_Cが高電圧側閾値Ｖ_thhを上回ったときに（図３ステップＳ１０４においてＹＥＳ）、図２（Ｃ）に示すように制御信号ＳＷをＯＮからＯＦＦに変更する（図３ステップＳ１０５）。これにより、スイッチ７がＯＦＦとなり、コンデンサ６の充電が終了する。以後、制御部９は、電圧検出部８の出力信号ＤＥＴがＯＮになるまで、制御信号ＳＷをＯＦＦにして、スイッチ７がＯＦＦの状態を維持する。

パルス幅計測部１０は、制御信号ＳＷがＯＦＦになると、時間計測を終了する（図３ステップＳ１０６）。こうして、ステップＳ１００〜Ｓ１０６の処理を繰り返すことにより、高電圧側閾値Ｖ_thhと低電圧側閾値Ｖ_thlの間の電圧を電圧レギュレータ４に常に供給することができる。電圧レギュレータ４は、コンデンサ６の電圧Ｖ_Cを入力とし、一定の電圧Ｖ_Lを生成して負荷回路５に供給する。

また、制御信号ＳＷのパルス幅、すなわちスイッチ７がＯＮしている時間ｔ_PHを計測することで、コンデンサ６の両端電圧Ｖ_CがＶ_thlからＶ_thhになるまでコンデンサ６を充電する時間が分かり、この時間により電池１の内部抵抗２を推定することができる。内部抵抗２が大きいと、電池１が流すことのできる電流が少なくなるので、ＯＮ時間ｔ_PHを長く必要とする。このように、ＯＮ時間ｔ_PHは、電池１の寿命を反映した時間となる。

電池寿命判定部１１は、パルス幅計測部１０による時間計測が終了した場合、ＯＮ時間ｔ_PHが所定時間より長いかどうかを判定する（図３ステップＳ１０７）。電池寿命判定部１１は、ＯＮ時間ｔ_PHが所定時間より長い場合（ステップＳ１０７においてＹＥＳ）、電池１が寿命に達したと判定する（図３ステップＳ１０８）。そして、電池寿命通知部１２は、電池１が寿命に達したことを、例えば図示しないＬＥＤの点灯によって外部に通知する（図３ステップＳ１０９）。これにより、電池１を交換するメンテナンス作業を実施する作業者は、電池１が寿命に達したことを認識することができる。以上のようなステップＳ１００〜Ｓ１０９の処理が一定時間毎に繰り返し実行される。

以上のように、本実施の形態では、電池１と並列に設けたコンデンサ６から負荷電流Ｉ_Lを供給するようにし、コンデンサ６の両端電圧Ｖ_Cが低電圧側閾値Ｖ_thlを下回ったときにコンデンサ６を充電し、電圧Ｖ_Cが高電圧側閾値Ｖ_thhを上回ったときにコンデンサ６の充電を終了することを繰り返すことにより、大きな電流Ｉ_Bが流れたときに発生する、電池１の内部抵抗２による一時的な電圧低下を防ぐことができ、電池１の寿命を延ばすことができる。また、本実施の形態では、スイッチ７のＯＮ時間ｔ_PHを計測することにより、電池１の内部抵抗２の上昇による電池１の寿命を簡単に予測することができる。

また、本実施の形態では、電池１をコンデンサ６に接続してコンデンサ６を充電する充電時と、電池１をコンデンサ６から切り離す非充電時とに動作を分けることができるので、非充電時であれば、電子機器が動作中でも電池１の交換が可能となる。

なお、スイッチ７がＯＦＦしている時間ｔ_PLは、負荷電流Ｉ_Lによりコンデンサ６の両端電圧Ｖ_CがＶ_thhからＶ_thlまで低下する時間を表しており、このＯＦＦ時間ｔ_PLを計測すれば、次式に示すように負荷電流Ｉ_Lの平均値を求めることができる。
Ｉ_L＝｛Ｃ×（Ｖ_thh−Ｖ_thl）｝／ｔ_PL ・・・（１）
式（１）におけるＣはコンデンサ６の容量である。

なお、本実施の形態では、コンデンサ６から電圧検出部８と制御部９とパルス幅計測部１０と電池寿命判定部１１と電池寿命通知部１２に電源電圧ＶＤＤを供給しているが、これに限るものではなく、これら構成要素のうち少なくとも一部について電圧レギュレータ４から電源電圧を供給するようにしてもよい。

高電圧側閾値Ｖ_thh、および低電圧側閾値Ｖ_thlは、例えば以下のように決めることができる。なお、いかなる場合でも、Ｖ_thh＞Ｖ_thlである必要があり、高電圧側閾値Ｖ_thhと低電圧側閾値Ｖ_thlの差は十分大きい電圧である方が望ましい。なぜならば、この差が大きいほどコンデンサ６の充電や放電に時間がかかるため、時間ｔ_PHやｔ_PLをより正確に求めることができるからである。

低電圧側閾値Ｖ_thlの下限は、主に負荷回路５を正常に動作させるのに必要な電圧レギュレータ４に与えるべき電圧の下限から決定することができる。例えば、電圧レギュレータ４に最低２．４Ｖを与えた場合に負荷回路５が正常に動作するとした場合、この２．４Ｖに若干のマージンを加え、２．６Ｖを低電圧側閾値Ｖ_thlとして設定することができる。なお、当然ではあるが、この電圧で電圧検出部８や制御部９が正しく動作することが必要であり、また、コンデンサ６も正しく動作する必要がある。リチウムイオンキャパシタなどは、動作する下限電圧が定義されている場合があり、低電圧側閾値Ｖ_thlがこの下限電圧を上回っている必要がある。

高電圧側閾値Ｖ_thhの上限は、主に使用する電池１の特性から決定することができる。ここでの電池１の特性とは、寿命となる前の無負荷状態での電池１の出力する最低電圧である。例えば、塩化チオニルリチウム電池のような寿命により無負荷時の電圧がほとんど変化しない電池の場合、初期状態で３．６Ｖであり寿命直前に３．５Ｖとなると仮定する。なお、ここでの寿命とは、各種条件も含まれるため、例えば温度により電圧が変化する場合、最も電圧が低くなるような温度を仮定する必要がある。この３．５Ｖに若干のマージンを加え、３．３Ｖを高電圧側閾値Ｖ_thhとして設定することができる。なお、電池１から電圧検出部８までの回路に逆流防止用ダイオードなどの電圧降下を発生しうる素子が含まれている場合、その電圧降下分を加味しなければならない。例えば、逆流防止用ダイオードの電圧降下が０．３Ｖの場合、３．３Ｖから０．３Ｖを減じて高電圧側閾値Ｖ_thhを３．０Ｖと設定することができる。当然ではあるが、電圧検出部８を含む各種回路は、高電圧側閾値Ｖ_thhで正常に動作する必要がある。

以上から、上記の例では、低電圧側閾値Ｖ_thlは２．６Ｖ、高電圧側閾値Ｖ_thhは３．３Ｖまたは３．０Ｖとなり、高電圧側閾値Ｖ_thhと低電圧側閾値Ｖ_thlの差は０．７Ｖから０．４Ｖとなる。
なお、電圧レギュレータ４の消費電力が、電圧レギュレータ４の入力電圧に依存する場合、高電圧側閾値Ｖ_thhが高いと電圧レギュレータ４で消費される消費電流が増えてしまう。このような場合には、高電圧側閾値Ｖ_thhを低くするような設定を行うことで回避可能であるが、上述のように高電圧側閾値Ｖ_thhと低電圧側閾値Ｖ_thlの差を大きくすることのメリットが得られなくなるため、電圧レギュレータ４を、消費電力が入力電圧に依存しない構成にすることが望ましい。

［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。図４は本発明の第２の実施の形態に係る電池劣化計測装置の構成を示すブロック図であり、図１と同一の構成には同一の符号を付してある。電子機器においては、複数の電池１を直列に接続して電圧を高くして使うことがある。本実施の形態は、このような場合に適用するものである。

図４の例では、２個の電池１を直列に接続している。第１の実施の形態と同様に、コンデンサ６は、電池１と並列に接続され、電流制限抵抗３とスイッチ７とは、電池１とコンデンサ６との間に設けられる。これらの電流制限抵抗３とコンデンサ６とスイッチ７とは、電池毎に設けられる。また、直列接続した各電池１のばらつきなどによって発生しうる転極を防止する転極防止ダイオード１３が、電流制限抵抗３およびスイッチ７よりも電池１に近い位置に電池１と並列に設けられる。転極防止ダイオード１３のカソードは電池１の正極に接続され、アノードは電池１の負極に接続される。この転極防止ダイオード１３も、電池毎に設けられる。

また、コンデンサ６と電圧検出部８との間には、過電流が流れることを防止する過電流保護素子１４と、電池１に対して電流が流れ込むようなことがないようにする逆流防止ダイオ−ド１５とが挿入されている。電池劣化計測装置のその他の構成要素は第１の実施の形態で説明したとおりである。こうして、本実施の形態では、複数の電池１を直列に接続した構成に対応することができる。

［第３の実施の形態］
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。図５は本発明の第３の実施の形態に係る電池劣化計測装置の構成を示すブロック図であり、図１と同一の構成には同一の符号を付してある。本実施の形態の制御部９ａは、表１のような動作を行うことで、通常モードと電池交換モードとを分けることができる。

モードスイッチ１６（ＭＯＤＥ）がＯＦＦである通常モード時の動作は第１の実施の形態と同じなので、説明は省略する。なお、本実施の形態では、制御部９ａの出力として制御信号ＳＷとパルス信号ＰＷとがあり、制御信号ＳＷでスイッチ７を制御し、制御信号ＳＷの代わりにパルス信号ＰＷをパルス幅計測部１０に入力するようにしている。ただし、通常モード時においては制御信号ＳＷとパルス信号ＰＷは同一の信号なので、電池劣化計測装置の通常モード時の動作は第１の実施の形態と同じである。

次に、電池交換モード時の動作について説明する。電池１を交換しようとする作業者は、以下のような手順で電池交換を行う。まず、作業者は、モードスイッチ１６（ＭＯＤＥ）をＯＮにする。モードスイッチ１６がＯＦＦからＯＮになったとき（表１の交換モード切替時）、制御部９ａは、ＣＨＧ端子にパルスＰを出力すると共に、電池交換可否通知手段である発光ダイオード１７（ＬＥＤ）を点灯させ、電池交換が不可能であることを作業者に通知する。

このパルスＰの出力により、電圧検出部８ａは、コンデンサ６の両端電圧Ｖ_Cの値に関係なく、強制的に出力信号ＤＥＴをＯＮにする。これにより、制御部９ａが制御信号ＳＷをＯＮにするので、スイッチ７がＯＮとなり、コンデンサ６の充電が開始される。以後、制御部９ａは、電圧検出部８ａの出力信号ＤＥＴがＯＦＦになるまで、制御信号ＳＷをＯＮにして、スイッチ７がＯＮの状態を維持する。電池１の交換前にコンデンサ６を充電する理由は、電圧検出部８ａと制御部９ａと負荷回路５に供給する電力を確保するためである。

次に、制御部９ａは、電圧検出部８ａの出力信号ＤＥＴがＯＦＦになったとき、すなわちコンデンサ６の両端電圧Ｖ_Cが高電圧側閾値Ｖ_thhを上回ったときに、制御信号ＳＷをＯＮからＯＦＦに変更すると共に、発光ダイオード１７（ＬＥＤ）を消灯させ、電池交換が可能であることを作業者に通知する。制御信号ＳＷがＯＦＦになったことにより、スイッチ７がＯＦＦとなり、コンデンサ６の充電が終了する。なお、電池交換モードにおいては、制御部９ａは、電圧検出部８ａの出力信号ＤＥＴの値に関係なく、モードスイッチ１６（ＭＯＤＥ）がＯＦＦになるまで、制御信号ＳＷをＯＦＦにして、スイッチ７がＯＦＦの状態を維持する。

作業者は、発光ダイオード１７（ＬＥＤ）が消灯した後に、電池１を交換する。そして、作業者は、モードスイッチ１６（ＭＯＤＥ）をＯＮからＯＦＦに切り替えて、通常モードに復帰させる。

なお、電池交換モードでは、制御信号ＳＷのパルス幅の計測と電池１の寿命判定とを行う必要はない。そこで、電池交換モードにおいては、制御部９ａは、パルス幅計測部１０に出力するパルス信号ＰＷを常にＯＦＦにしている。

以上のように、本実施の形態では、通常モードと電池交換モードとを明確に分けることができ、また電池１の交換が不可能なときか（コンデンサ６の充電時）、電池１の交換が可能なときか（コンデンサ６の非充電時）を、発光ダイオード１７（ＬＥＤ）で作業者に通知するようにしたので、コンデンサ６の非充電時に電池１を交換することができ、この非充電時であれば、電池１から電流が流れていないため、電池１を交換しても火花が出ることはなく、防爆が必要なエリアにおいても安全に電池交換が可能となる。

なお、作業者がモードスイッチ１６をＯＦＦにすることを忘れるのを防ぐために、モードスイッチ１６を押しボタン式のスイッチとし、制御部９ａは、経過時間計測手段となるタイマ（不図示）でモードスイッチ１６がＯＮになったときからの経過時間を計測し、所定時間が経過したら、通常モードに戻すようにしてもよい。

また、制御部９ａは、所定時間が経過したときに即座に通常モードに戻さずに、発光ダイオード１７（ＬＥＤ）を点滅させて作業者に注意を促した後に、通常モードに戻すようにしてもよい。また、制御部９ａは、作業者に注意を促している間に押しボタン式のモードスイッチ１６が再度押下された場合、タイマによる計時を再度開始し、所定時間が経過したら通常モードに戻すようにしてもよい。

［第４の実施の形態］
次に、本発明の第４の実施の形態について説明する。図６は本発明の第４の実施の形態に係る電池劣化計測装置の構成を示すブロック図であり、図１と同一の構成には同一の符号を付してある。第１〜第３の実施の形態の構成によれば、容易にエナジーハーベスト（環境発電）に対応することが可能となる。

エナジーハーベスト電源１８は、熱、光、振動、電磁波、流体エネルギーなど様々な形態で環境中に存在する環境エネルギーを電気エネルギーに変換する。エナジーハーベスト電源１８の１例としては太陽電池がある。このエナジーハーベスト電源は、比較的微小で不安定な電力源であるため、一旦蓄電素子に電力を蓄える必要がある。第１〜第３の実施の形態では、蓄電素子としてコンデンサ６を搭載しているため、エナジーハーベスト電源１８の出力電圧を入力とし一定の電圧を生成する電圧レギュレータ１９を搭載することで、コンデンサ６に充電することが可能となる。

本実施の形態では、コンデンサ６に充電する電源として電池１とエナジーハーベスト電源１８の２つを用いるため、電圧レギュレータ１９とコンデンサ６との間に逆流防止ダイオード２０を設けると共に、スイッチ７とコンデンサ６との間に逆流防止ダイオード２１を設けることが必要となる。逆流防止ダイオード２０のアノードは電圧レギュレータ１９の出力に接続され、カソードはコンデンサ６に接続される。逆流防止ダイオード２１のアノードはスイッチ７の出力に接続され、カソードはコンデンサ６に接続される。

逆流防止ダイオード２０を通過した電圧レギュレータ１９の出力電圧は、低電圧側閾値Ｖ_thlよりも高く、かつ電圧レギュレータ４と電圧検出部８，８ａと制御部９，９ａとが動作可能な電圧である必要があるが、出来るだけ高い電圧に設定した方がエナジーハーベスト電源１８で生成した電力を有効に使用することができるため、逆流防止ダイオード２１を通過した電池１の出力電圧よりも高い方が望ましい。

こうして、本実施の形態では、エナジーハーベスト電源１８を使ってコンデンサ６を充電することができ、エナジーハーベスト電源１８から電力を供給しているときには、電池１から電流が流れないため、電池１の寿命を延ばすことができる。エナジーハーベスト電源１８から電力が供給されているときには、スイッチ７のＯＦＦ時間ｔ_PLに基づいて負荷電流Ｉ_Lの平均値を計算することはできなくなるものの、通常、エナジーハーベスト電源１８により生成される電力は小さいため、スイッチ７のＯＮ時間ｔ_PHに与える影響は少なく、ＯＮ時間ｔ_PHの変化による電池寿命の推定は可能である。

なお、第１〜第４の実施の形態の電圧検出部８，８ａと制御部９，９ａとパルス幅計測部１０と電池寿命判定部１１と電池寿命通知部１２とは、ハードウェアで構成してもよいし、ＣＰＵおよび記憶装置を備えたコンピュータを用いて構成してもよい。コンピュータを用いる場合、ＣＰＵは、記憶装置に格納されたプログラムに従って第１〜第４の実施の形態で説明した処理を実行する。

本発明は、電池寿命を予測する技術に適用することができる。

１…電池、３…電流制限抵抗、４，１９…電圧レギュレータ、５…負荷回路、６…コンデンサ、７…スイッチ、８，８ａ…電圧検出部、９，９ａ…制御部、１０…パルス幅計測部、１１…電池寿命判定部、１２…電池寿命通知部、１３…転極防止ダイオード、１４…過電流保護素子、１５，２０，２１…逆流防止ダイオ−ド、１６…モードスイッチ、１７…発光ダイオード、１８…エナジーハーベスト電源。

Claims (12)

1. 電子機器に電力を供給する電池と、
   この電池と並列に設けられたコンデンサと、
   前記電池と前記コンデンサとの間に設けられたスイッチと、
   前記コンデンサの電圧を検出する電圧検出手段と、
   前記コンデンサの電圧が予め設定された低電圧側閾値を下回ったときに、前記スイッチをＯＮにして前記コンデンサの充電を開始し、前記コンデンサの電圧が予め設定された高電圧側閾値を上回ったときに、前記スイッチをＯＦＦにして前記コンデンサの充電を終了する制御手段と、
   前記スイッチがＯＮしている時間を計測するＯＮ時間計測手段と、
   このＯＮ時間計測手段の計測結果に基づいて前記電池の寿命を判定する電池寿命判定手段と、
   前記電池が寿命に達したと判定されたときに、前記電池が寿命に達したことを外部に通知する電池寿命通知手段とを備えることを特徴とする電池劣化計測装置。
2. 請求項１記載の電池劣化計測装置において、
   さらに、電池交換が可能か否かを外部に通知する電池交換可否通知手段を備え、
   前記制御手段は、外部からの操作により通常モードから電池交換モードになったときに、前記スイッチをＯＮにして前記コンデンサの充電を開始し、この充電開始後に前記コンデンサの電圧が前記高電圧側閾値を上回ったときに、前記スイッチをＯＦＦにして前記コンデンサの充電を終了すると共に、電池交換が可能になったことを前記電池交換可否通知手段を通じて外部に通知することを特徴とする電池劣化計測装置。
3. 請求項２記載の電池劣化計測装置において、
   さらに、外部からの操作により電池交換モードになったときからの経過時間を計測する経過時間計測手段を備え、
   前記制御手段は、前記経過時間計測手段で計測している時間が所定時間を超えたときに、通常モードに戻すことを特徴とする電池劣化計測装置。
4. 請求項３記載の電池劣化計測装置において、
   前記制御手段は、通常モードに戻すときに、通常モードに戻ることを前記電池交換可否通知手段を通じて外部に通知した後に、通常モードに戻すことを特徴とする電池劣化計測装置。
5. 請求項４記載の電池劣化計測装置において、
   前記制御手段は、通常モードに戻ることを通知している間に、電池交換モードに入る操作が再度なされた場合には、前記経過時間計測手段による経過時間の計測を再度開始させ、計測している時間が前記所定時間を超えたときに、通常モードに戻すことを特徴とする電池劣化計測装置。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の電池劣化計測装置において、
   さらに、環境エネルギーを電気エネルギーに変換するエナジーハーベスト電源と、
   このエナジーハーベスト電源と前記コンデンサとの間に設けられた第１の逆流防止ダイオードと、
   前記スイッチと前記コンデンサとの間に設けられた第２の逆流防止ダイオードとを備えることを特徴とする電池劣化計測装置。
7. 請求項１記載の電池劣化計測装置において、
   複数の前記電池が直列に接続され、
   さらに、各電池と並列に設けられた複数の転極防止ダイオードと、
   前記コンデンサと前記電圧検出手段との間に設けられた過電流保護素子と、
   前記コンデンサと前記電圧検出手段との間に設けられた逆流防止ダイオードとを備え、
   前記コンデンサおよびスイッチは、電池毎に設けられ、
   前記電圧検出手段は、直列に接続された複数の前記コンデンサの両端電圧を検出することを特徴とする電池劣化計測装置。
8. 電子機器に電力を供給する電池と並列に設けられたコンデンサの電圧を検出する電圧検出ステップと、
   前記コンデンサの電圧が予め設定された低電圧側閾値を下回ったときに、前記電池と前記コンデンサとの間に設けられたスイッチをＯＮにして前記コンデンサの充電を開始する充電ステップと、
   前記コンデンサの電圧が予め設定された高電圧側閾値を上回ったときに、前記スイッチをＯＦＦにして前記コンデンサの充電を終了する非充電ステップと、
   前記スイッチがＯＮしている時間を計測するＯＮ時間計測ステップと、
   このＯＮ時間計測ステップの計測結果に基づいて前記電池の寿命を判定する電池寿命判定ステップと、
   前記電池が寿命に達したと判定したときに、前記電池が寿命に達したことを外部に通知する電池寿命通知ステップとを含むことを特徴とする電池劣化計測方法。
9. 請求項８記載の電池劣化計測方法において、
   さらに、外部からの操作により通常モードから電池交換モードになったときに、前記スイッチをＯＮにして前記コンデンサの充電を開始する電池交換モード充電ステップと、
   この充電開始後に前記コンデンサの電圧が前記高電圧側閾値を上回ったときに、前記スイッチをＯＦＦにして前記コンデンサの充電を終了すると共に、電池交換が可能になったことを外部に通知する電池交換可否通知ステップとを含むことを特徴とする電池劣化計測方法。
10. 請求項９記載の電池劣化計測方法において、
    さらに、外部からの操作により電池交換モードになったときからの経過時間を計測する経過時間計測ステップと、
    この経過時間計測ステップで計測している時間が所定時間を超えたときに、通常モードに戻す通常モード復帰ステップとを含むことを特徴とする電池劣化計測方法。
11. 請求項１０記載の電池劣化計測方法において、
    前記通常モード復帰ステップは、通常モードに戻すときに、通常モードに戻ることを外部に通知した後に、通常モードに戻すステップを含むことを特徴とする電池劣化計測方法。
12. 請求項１１記載の電池劣化計測方法において、
    前記通常モード復帰ステップは、通常モードに戻ることを通知している間に、電池交換モードに入る操作が再度なされた場合には、前記経過時間の計測を再度開始させ、計測している時間が前記所定時間を超えたときに、通常モードに戻すステップを含むことを特徴とする電池劣化計測方法。

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