JP2019149872A - 電源システム - Google Patents
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Abstract
Description
(A)IoTシステム用の電源システムとして、要求される機能のうち最も重要な機能は、IoTシステムを構成する様々な電圧の機器に電力を供給することである。また、IoTシステムの仕様が変更になった際にも、電源システムの仕様変更を極力抑えることである。IoTシステムは様々な種類のセンサーや通信機から構成されるため、それぞれのシステムに対して電源システムを再設計することは非効率だからである。
(B)IoTシステム用の電源システムとして、次に要求される機能はIoTシステム全体の消費電力の低減である。先に説明したように、昨今のIoTシステムは、消費電力が極めて小さなLPWA通信機や、センサーから構成されており、通常、電池が電源として使用されている。したがって、通信頻度が高い場合、あるいはセンサー類の消費電力が大きい場合、さらに、接続される機器の数が多い場合、また、長期間電池交換ができない用途等で、必要とされる電池のサイズが大きくなってしまうという課題がある。(中には太陽電池から電源供給されるIoTシステムも存在するが、多くの場合、太陽電池から鉛電池やリチウムイオン電池といった二次電池に充電された電力を消費する構成となっている。このため、ここでは簡単のため、太陽電池から電源供給されるIoTシステムも電池を電源とするIoTシステムと表現する。)
特許文献2および3は、本課題に対してなされた発明である。特許文献2は、無線通信装置に関するものであり、システムの消費電力を削減するため、予め定められた「パターン」に従って、電池からの電力供給をON/OFFする。また、特許文献3は、センサーと無線通信機を電池によって駆動させるシステムに関するものである。このシステムは、センサーの動作状態に応じて、省電力な電源供給経路を選択することが可能なシステムであり、設置環境をセンシングすることにより、システム全体の消費電力を低減できるものである。
(C)IoTシステムでは、システムを構成する機器の消費電力や、設置場所によって、商用のAC電源、あるいは太陽電池、一次電池等、様々な電源が使用される可能性を考慮しておく必要がある。たとえば、工場内のIoTシステムでは商用電源を使用することが容易であるが、農業用途のIoTシステムでは、一般的に商用電源を使用することが困難である。しかし、設置場所が水田や畑であり容易に電池交換が可能なため、安価なアルカリ乾電池を使用できる。同じ農業用途でも、消費電力が大きいIoTシステムに電力を供給する電源システムの場合、太陽電池から電力供給される鉛電池が使用される。鉛電池は安価な二次電池であるが、高温に弱く、2−3年に一度、電池交換が必要である。一方、橋梁や崖などの電池交換が困難な場所に設置されるIoTシステムや低温から高温までの広い温度範囲が要求される用途の場合、耐環境性に優れ、長期間使用可能な二酸化マンガンリチウム電池が使用される。また、このように電池交換を頻繁に行えない場所で、さらに消費電力が大きい用途では、鉛電池と比較して長期間、電池交換が不要なリチウムイオン電池が使用される。なお、これらの電池は一般的に電圧が異なり、アルカリ乾電池は1.5V前後、鉛電池直列接続数によって異なり一般的には6V〜24V、二酸化マンガンリチウム電池は3V前後、リチウムイオン電池は3.7V前後である。
(A)システム構成が変更になり、出力電源数やこれらの電圧が変化した場合においても、ハードウェアの変更を行う必要のない電源システムを提供すること。
(B)電圧種や電源供給先が複数、存在した場合に、これらを個別にON/OFF制御できる電源システムを提供すること。
(C)電源システムの電源として種類の異なる電池を使用した場合においても、電池残量の計測、電池の劣化診断等を行うことができる電源システムを提供すること。
(1)電池と、前記電池の電圧を昇圧若しくは降圧する複数の電圧昇降圧手段と、外部の機器に電力を供給するための複数の外部出力手段と、前記電圧昇降圧手段と前記外部出力手段の間に配置され、前記外部出力手段に対応付けられた選択制御手段と、前記外部出力手段に出力すべき電圧情報からなる出力電圧割当情報を格納する出力電圧割当情報格納手段と、前記選択制御手段を制御する電源システム制御手段を備え、複数の前記電圧昇降圧手段から出力される昇降電圧は、互いに相違し、前記電源システム制御手段は、前記出力電圧割当情報に基づいて前記選択制御手段により前記昇降電圧から1つの出力電圧を選択し、前記選択制御手段が対応付けられた前記外部出力手段は、前記出力電圧を外部の機器に供給することを特徴とする電源システム。
(2)前記外部出力手段のうち形状が同一の外部出力手段については、前記出力電圧に相当する電圧情報を表示する出力電圧表示手段を備えた(1)に記載の電源システム。
(3)複数の前記外部出力手段からの出力のONまたはOFFの組合せを指定した、複数の出力状態情報を格納するための出力状態情報格納手段を備え、前記電源システム制御手段は、前記出力状態情報に基づいて前記選択制御手段を制御する(1)又は(2)に記載の電源システム。
(4)出力状態切替えタイミング情報を格納するための出力状態切替えタイミング情報格納手段を備え、前記電源システム制御手段は、出力状態切替えタイミング情報に基づいて前記選択制御手段を制御する(3)に記載の電源システム。
(5)前記出力状態切替えタイミング情報は、外部トリガーモードとタイマーモードのいずれが選択されているかの情報と、タイマーモードの時間情報を含む(4)に記載の電源システム。
(6)複数種の電池が選択可能であり、選択した電池の上限電圧情報と下限電圧情報からなる電源情報を格納する電源情報格納手段と、前記電源情報格納手段に電源情報を伝送するための電源情報伝送手段と、を備える(1)乃至(5)のいずれに記載の電源システム。
(7)情報入手命令を発するシステム制御リセット手段を備え、前記情報入手命令を得た前記電源システム制御手段は、前記出力電圧割当情報格納手段から前記出力電圧割当情報を入手する(1)又は(2)に記載の電源システム。
(8)情報入手命令を発するシステム制御リセット手段を備え、前記情報入手命令を得た前記電源システム制御手段は、前記出力電圧割当情報格納手段から前記出力電圧割当情報を入手し、前記出力状態情報格納手段から前記出力状態情報を入手する(3)に記載の電源システム。
(9)情報入手命令を発するシステム制御リセット手段を備え、前記情報入手命令を得た前記電源システム制御手段は、前記出力電圧割当情報格納手段から前記出力電圧割当情報を入手し、前記出力状態情報格納手段から前記出力状態情報を入手し、前記出力状態切替えタイミング情報格納手段から前記出力状態切替えタイミング情報を入手する(4)に記載の電源システム。
この電源システムの特徴の一つは様々な電圧の電池を電源として使用できることである。たとえば、鉛蓄電池、リチウムイオン電池、二酸化マンガンリチウム電池、アルカリ電池、ニッケル水素電池等の電池に対応できる。ただし、本システムでは許容できる入力電圧の下限を二酸化マンガンリチウム電池の下限電圧の2Vとしているため、アルカリ電池とニッケル水素電池を使用する場合は直列接続にして使用する必要がある。また、直列接続後の下限電圧を2V以上とする必要がある。たとえば、アルカリ乾電池の下限電圧は0.8Vであるので、アルカリ電池を使用する場合は三直列以上にする必要がある。また、ニッケル水素電池の下限電圧は1Vであるので、ニッケル水素電池を使用する場合は二直列以上にする必要がある。また、本電源システムの許容できる上限の入力電圧は15Vであるので、この範囲で直列数を変更しても良い。
図1に示したように本発明の電源システムでは三種類のDC/DCコンバータ133〜135を搭載している。このDC/DCコンバータ133〜135の特徴は昇圧と降圧の両方が可能であるということである。さらに様々な電池の電圧に対応するため、入力可能な電圧範囲が広く2Vから15Vまでの電力の入力が可能である。また、DC/DCコンバータごとに昇降圧後の電圧が異なっており、それぞれ、3.3V、5V、12Vの三種類の電圧を生成できるようにしている。
図1に示したように3種類のDC/DCコンバータ133〜135により昇降圧された電力は四つの外部出力端子111〜114に供給しうる構成となっている。各電圧を外部出力端子に割り振る役割を担っている部分が出力制御スイッチ群136である。出力制御スイッチ群136は、外部出力端子111に対応付けられた出力制御スイッチ1361と、外部出力端子112に対応付けられた出力制御スイッチ1362と、外部出力端子113に対応付けられた出力制御スイッチ1363と、外部出力端子114に対応付けられた出力制御スイッチ1364で構成される。
つぎに、ON/OFF制御の方法について説明する。本電源システムでは出力状態という概念を導入している。出力状態とは、各外部出力端子のON/OFFの状態の組合せのことである。たとえば、外部出力端子111〜114の、出力状態としては、外部出力端子111:ON,外部出力端子112:ON,外部出力端子113:ON、外部出力端子114:ONから始まり、外部出力端子111:OFF、外部出力端子112:OFF、外部出力端子113:OFF、外部出力端子114:OFFまで、16通りの組合せが存在する。この16通りの組合せの一つ一つを出力状態として、ユーザーが設定する方式とすることで、例えば4ビットのディップスイッチで一つの出力状態を登録することが可能になる。この出力状態を複数登録しておき、これを出力制御スイッチ群136で選択制御することにより、様々な状況に合わせたON/OFF制御が可能になる。本発明の電源システムでは、出力状態格納部124に二種類の出力状態を登録できるようにしている。具体的には出力状態ごとに4ビットのディップスイッチを設けている。
つぎにシステム情報表示について説明する。通常、電源システムに異なる電圧の出力端子が複数存在する場合、誤挿入防止のため、異なった外観の出力端子やコネクタを使用し、場合によっては出力される電圧値を外部出力端子に印字して表示することが一般的である。しかしながら、本発明では、各出力端子に印加される電圧をユーザーが決めるため、出力端子の形状では電圧を判別できない。つまり、同形状あるいは、複数の外部出力がパッケージ化された出力端子では、どの端子にどの機器を繋げば良いか明確に判別できないのである。
本電源システムではシステム制御リセットボタンを一回押すことにより、システム制御リセットボタンから電源システム制御部130に情報入手命令が発せられ、情報入手命令により電源システム制御部130が以下の一連のプロセスを実行するように設定されている。
・電源情報格納部121からの電源情報の入手
・出力状態切替えタイミング情報格納部からの出力状態切替えタイミング情報の入手
・出力電圧割当情報格納部123からの出力電圧割当情報の入手
・出力状態情報格納部124からの出力状態情報の入手
・電池残量計測の開始
・電池残量計測結果の表示
・出力電圧割当情報の表示
・出力状態1の出力
このようにシステム制御情報リセットボタンを押すことにより、ディップスイッチへの設定登録、結線作業、電池交換作業を行う際の人為的ミスを削減することが可能になる。
101 第一の負荷機器
102 第二の負荷機器
103 第三の負荷機器
104 第四の負荷機器
111 第一の外部出力端子
112 第二の外部出力端子
113 第三の外部出力端子
114 第四の外部出力端子
121 電源情報格納部
122 出力状態切替えタイミング情報格納部
123 出力電圧割当情報格納部
124 出力状態情報格納部
130 電源システム制御部
131 システム制御情報リセットボタン
132 分圧回路部
133 DC/DCコンバータ(3.3V)
134 DC/DCコンバータ(5V)
135 DC/DCコンバータ(12V)
136 出力制御スイッチ群
1361、1362、1363、1364 出力制御スイッチ
137 出力制御スイッチ群
1371、1372、1373、1374 出力制御スイッチ
138 電圧計測スイッチ
141 電池(12V)
142 電池(3V)
143 電池(6V)
150 システム情報表示部
300 太陽光発電電源システム
301 太陽電池
302 ソーラーチャージャー
401 3.3V用スイッチ
402 5V用スイッチ
403 12V用スイッチ
500 電源システム
Claims (9)
- 電池と、
前記電池の電圧を昇圧若しくは降圧する複数の電圧昇降圧手段と、
外部の機器に電力を供給するための複数の外部出力手段と、
前記電圧昇降圧手段と前記外部出力手段の間に配置され、前記外部出力手段に対応付けられた選択制御手段と、
前記外部出力手段に出力すべき電圧情報からなる出力電圧割当情報を格納する出力電圧割当情報格納手段と、
前記選択制御手段を制御する電源システム制御手段を備え、
複数の前記電圧昇降圧手段から出力される昇降電圧は、互いに相違し、
前記電源システム制御手段は、前記出力電圧割当情報に基づいて前記選択制御手段により前記昇降電圧から1つの出力電圧を選択し、
前記選択制御手段が対応付けられた前記外部出力手段は、前記出力電圧を外部の機器に供給することを特徴とする電源システム。 - 前記外部出力手段のうち形状が同一の外部出力手段については、前記出力電圧に相当する電圧情報を表示する出力電圧表示手段を備えた請求項1に記載の電源システム。
- 複数の前記外部出力手段からの出力のONまたはOFFの組合せを指定した、複数の出力状態情報を格納するための出力状態情報格納手段を備え、前記電源システム制御手段は、前記出力状態情報に基づいて前記選択制御手段を制御する請求項1又は2に記載の電源システム。
- 出力状態切替えタイミング情報を格納するための出力状態切替えタイミング情報格納手段を備え、前記電源システム制御手段は、出力状態切替えタイミング情報に基づいて前記選択制御手段を制御する請求項3に記載の電源システム。
- 前記出力状態切替えタイミング情報は、外部トリガーモード若しくはタイマーモードのいずれのモードであるかを示すモード情報と、タイマーモードの時間情報を含む請求項4に記載の電源システム。
- 複数種の電池が選択可能であり、選択した電池の上限電圧情報と下限電圧情報からなる電源情報を格納する電源情報格納手段と、前記電源情報格納手段に電源情報を伝送するための電源情報伝送手段と、を備える請求項1乃至5のいずれか一項に記載の電源システム。
- 情報入手命令を発するシステム制御リセット手段を備え、前記情報入手命令を得た前記電源システム制御手段は、前記出力電圧割当情報格納手段から前記出力電圧割当情報を入手する請求項1又は2に記載の電源システム。
- 情報入手命令を発するシステム制御リセット手段を備え、前記情報入手命令を得た前記電源システム制御手段は、前記出力電圧割当情報格納手段から前記出力電圧割当情報を入手し、前記出力状態情報格納手段から前記出力状態情報を入手する請求項3に記載の電源システム。
- 情報入手命令を発するシステム制御リセット手段を備え、前記情報入手命令を得た前記電源システム制御手段は、前記出力電圧割当情報格納手段から前記出力電圧割当情報を入手し、前記出力状態情報格納手段から前記出力状態情報を入手し、前記出力状態切替えタイミング情報格納手段から前記出力状態切替えタイミング情報を入手する請求項4に記載の電源システム。
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JP2002182799A (ja) * | 2000-12-19 | 2002-06-26 | Fujitsu Kiden Ltd | 電源切り替え装置 |
JP2013125643A (ja) * | 2011-12-14 | 2013-06-24 | Toshiba Lighting & Technology Corp | 直流コンセント |
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2018
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