JP3311416B2

JP3311416B2 - 電池の保持時間予測装置

Info

Publication number: JP3311416B2
Application number: JP04610593A
Authority: JP
Inventors: 雅治大▲角▼; 保文深尾
Original assignee: Omron Corp
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 1993-02-12
Filing date: 1993-02-12
Publication date: 2002-08-05
Anticipated expiration: 2017-08-05
Also published as: JPH06242195A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電池の保持時間予測装
置に関するもので、より具体的には無停電電源装置等に
内蔵される二次電池の保持時間を予測するための装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】パソコン，オフコン，ワープロ，ワーク
ステーション等の情報機器を使用中に停電等が生じて電
源が落ちると、作成中のデータ等が消滅したり、さらに
は、すでにメモリに格納してあるデータ等を破壊するお
それがある。したがって、予め無停電電源装置（ＵＰ
Ｓ）に接続し、停電時には係る無停電電源装置から一定
期間電力の供給を受けることにより、継続使用を可能と
し、必要に応じて所定のデータ保存その他の終了処理等
を行うことにより、上記問題の発生を未然に防ぐことが
できる。

【０００３】また、近年のオフィスオートメーション，
ファクトリーオートメーションのために小型の制御用の
コンピュータを分散配置することがある、係る各コンピ
ュータに対してもシステム保護や停電時でも所定の機能
を発揮させるなどのために上記のようなＵＰＳを設置し
ている。

【０００４】そして、係る各情報機器毎に設置される小
容量のＵＰＳでは、バックアップ用として小型で保守等
の不要な二次電池を内蔵させ、平常時は商用電源からの
電流を二次電池側にも流して充電し、停電時にはスイッ
チを切り替えて二次電池からの放電により負荷に対して
継続して電力供給するようになっている。

【０００５】ところで、実際の停電時においては、現在
行うべき処理を決定する上でバックアップ（ＵＰＳから
の電力供給）があと何分もつかという保持時間が重要な
要素となる。すなわち、比較的長時間もつような場合に
は、そのまま継続使用することができる。しかし、保持
時間が短い場合にそのまま継続使用をすると、その使用
中にＵＰＳからの電力供給がなくなり上記と同様の問題
が発生するおそれがあるので、処理・作業を終了する必
要がある。

【０００６】したがって、従来は係る装置の設計段階で
二次電池の容量と負荷の想定から二次電池が満充電され
ている場合の保持時間を算出し、それを目安の保持時間
として使用者に提示したり、或いは、バックアップ中の
端子電圧を測定・監視することで放電の進行状況を検出
するようにしたものがある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記した従来
のものでは、実際にバックアップ時における負荷は必ず
しも設計通りでは無く、また、温度等による電池の放電
能力の変化もあり、設計段階で求め提示される保持時間
は、あくまでも目安で実際の使用状況下における残りの
保持時間を知ることはできない。一方、端子電圧から放
電状況を検出することはできるものの、放電特性はリニ
アに変化するのではなくある時期に急に電圧が低下する
ため放電状況から実際に後何分間バックアップを行うこ
とができるのかを決定することは困難である。よって、
従来のものでは、常に急にバックアップが停止するおそ
れがあるという不安のもとに各種の機器を使用すること
になり、システムの信頼性にかけるとともに、たとえ長
時間バックアップ可能なほど電池容量が残っているよう
な場合でもデータ等の確保のためには停電後速やかに処
理の終了を行う必要があり、不便である。

【０００８】本発明は、上記した背景に鑑みてなされた
もので、その目的とするところは、バックアップ可能な
残り時間を正確に予測することができ、バックアップを
受ける各種装置の使用者等が適切な処理を行うことがで
き、信頼性の向上を図る電池の保持時間予測装置を提供
することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
ために、本発明に係る電池の保持時間予測装置では、電
池の周囲温度を測定する手段と、前記電力を積分する手
段と、前記電池から放電される電力を測定する手段と、
前記各測定する手段により検出された周囲温度と出力電
力と前記積分された電力に基づいて前記電池の端子電圧
が所定の値以上を保持する保持時間を生成する手段とを
備えた。

【００１０】

【作用】電池から放電される電力を測定することにより
実際の使用状況下にある負荷の状態が検出される。そし
て、電池の放電特性に大きな影響を与える周囲温度と、
かかる実際の負荷電力（電池の放電電力と略等しい）
と、電力の積算値から保持時間を予測する。よって、使
用者等はその時の使用状況下にそくした保持時間を知る
ことができ、安心して作業を続けられ、また、残り時間
が短い場合には適切な処理を行いデータ保護等が確実に
図られる。

【００１１】

【実施例】以下、本発明に係る電池の保持時間予測装置
の好適な実施例を添付図面を参照にして詳述する。図１
は本発明に係る保持時間予測装置の一実施例を浮動充電
方式のＵＰＳに実装した例を示している。同図に示すよ
うに、商用電源１の出力は、切り替えスイッチ２と充電
器３に並列に接続され、平常時は切替スイッチ２を介し
て商用電源１の出力がそのまま負荷４に供給される。一
方、充電器３は商用電源１から出力された交流を直流に
変換しつつ電池５に対して浮動充電を行うようになって
いる。これにより、たとえ電池５が自己放電しても常時
微弱電流により充電され続け、電池５は原則として常に
満充電の状態となる。そして、電池５は、インバータ６
を介して上記切替スイッチ２に接続されており、停電発
生時には切替スイッチ２を切替えることにより、電池５
に充電した容量を放電しインバータ６，切り替えスイッ
チ３を介して負荷４に電力を継続して供給するようにな
る。なお、かかる構成は従来のＵＰＳと基本的に同じで
あるためその詳細な説明を省略する。

【００１２】ここで本実施例における保持時間予測装置
は、まず電池５に近接してセンサ１０を設置している。
このセンサ１０は、電池５の周囲温度、並びに電池の放
電電力を求めるための電池５の端子電圧並びに出力電流
をそれぞれ測定するセンサ部から構成される。そして、
各センサ部で検出された測定データが処理部１１に送ら
れ、そこにおいてファジィ推論により保持時間を予測す
るとともに残り時間を算出し、その結果をＬＥＤ，ＬＣ
Ｄ等からなる表示部１２に送りバックアップ可能な予測
残り時間を表示して使用者に知らせるようになってい
る。なお、かかる表示に替えてまたは表示とともに接続
されたコンピュータなどの装置に残り時間を送り、その
コンピュータ側で残り時間に応じた適切な処理を行わせ
るようにしても良い。特に、ファクトリーオートメーシ
ョンなどに用いられるコンピュータ（制御機器）の場合
に有用である。

【００１３】すなわち、本発明が算出する予測保持時間
は、停電が発生してバックアップに入った状態で、その
停電時の負荷状態が続いた時にどれだけ電池がもつか
（所定の電圧値以上を保持できる時間）の予測であり、
電池の放電特性は一般に図２に示すようなカーブとな
り、同程度の放電容量を有する電池の場合には、負荷電
力と周囲温度とが一定であればほぼ同一となる。換言す
れば、電力或いは温度が異なればその特性も異なり、一
度保持時間予測を行った後に負荷電力或いは周囲温度が
変動するとその時の保持時間は前記予測結果から変動す
る。そこで本例では、上記したようにセンサ１０を用い
て係る電力並びに温度を測定し、それに基づいて予測す
るようにしている。

【００１４】ここで、処理部１１は、同図（Ｂ）に示す
ように、まず、センサ１０で測定された周囲温度並びに
負荷電力、すなわち電池５の放電電力（電圧×電流）が
保持時間予測部１１ａに入力され、そこにおいてファジ
ィ推論を行いその停電時における条件の元で連続して使
用した場合の保持時間を予測するようになっている。そ
して、本例では結論部がシングルトンの簡略化ファジィ
推論装置を用いており、具体的にはその一例として、図
３（Ａ），（Ｂ）に示すようなメンバシップ関数並びに
同図（Ｃ）に示すルールを用いて推論処理をし、予測保
持時間（秒）を求めるようになる。

【００１５】さらに、このようにして求めた予測保持時
間は、電池が満充電の時の値であり、実際には充電途中
（充電率が１未満）であったり、さらには、係る保持時
間が算出されるまでにすでにバックアップにより使用
（放電）された電力量があるため、それら（充電率と放
電量）を考慮して予測保持時間の補正を行う。具体的に
は、下記式により求める。

【００１６】

【数１】補正後の予測保持時間＝ファジィ推論による予
測保持時間−補正量補正量＝（電池公称容量×（１−充電率）＋電力積分）
／推論に使用した電力但し、上記式中の電池公称容量は、「公称電圧（本例で
は１２Ｖ）×出力電流」の積分値であり、同様に電力積
分は放電を開始してからの「放電電流×端子電圧」の積
分値である。また、充電率は、電池５への充電時におけ
る充電電流×端子電圧を時間積分した値を上記の電池公
称容量で除した値であり、推論に使用した電力は、保持
時間を予測したときに用いた放電開始直後の「出力電流
×端子電圧」である。

【００１７】そして、その様にして求めた、最終的な予
測時間を次段のタイマー１１ｂにプリセットする。この
タイマー１１ｂは、１秒ごとに減算されそのタイマー１
１ｂの現在の値がバックアップ可能な残り時間として表
示部１２に出力される。

【００１８】さらに、本例における保持時間予測部１１
ａには、上記推論に使用した電力（放電開始直後の「出
力電流×出力電圧」）をバッファなどに格納しておき、
それをセンサ１０から送られるバックアップ中の電力と
比較して負荷変動の有無を監視し、負荷変動があった場
合には再度推論処理して変動した負荷に応じた保持時間
を予測しタイマー１１ｂへの再セットを行うようになっ
ている。すなわち、本例では負荷の変動を検知する手段
は、保持時間予測部１１ａに兼用されている。

【００１９】ところで、電池５が劣化している場合に
は、放電特性のカーブが比較的短時間で低下、すなわち
新品の電池に比較して保持できる時間が短くなる。従っ
て、上記タイマー１１ｂの値が零になる前にＵＰＳが停
止してしまうおそれがある。そこで本例では、実際のバ
ックアップ時における端子電圧の変化を監視し、必要に
応じて予測した保持時間を補正するようにしている。

【００２０】すなわち、まず上記保持時間予測部１１ａ
と並列に劣化判定電圧決定部１１ｃを設け、その決定部
１１ｃに上記測定して得られた周囲温度並びに負荷電力
を入力し、そこにおいてファジィ推論を行いタイマー１
１ｂの出力が零になるまでの端子電圧低下の標準カーブ
（各時における基準電圧）を求めるようになっている。

【００２１】そして、本例では、細かい時間間隔毎にお
けるそれぞれの基準電圧を求め、それら求めた多数の基
準電圧を結ぶことにより図４中破線で示すような標準カ
ーブを作成する。そして本例では、原則としてタイマー
が零になる時を基準として１分毎（１分前基準電圧，２
分前基準電圧…）を求めるようになっている。但し、放
電開始当初の電圧降下の変化量は比較的小さいため、途
中から間隔を長く（例えば１０分前以上は５分間隔や１
０分間隔等とする）している。

【００２２】そして、係る推論を行うための具体的なフ
ァジィ知識は、条件部（温度，電力）のメンバシップ関
数は、予測保持時間を求める時に用いた図３（Ａ），
（Ｂ）に示す関数と同じものを使用し、ルールの一例と
しては図５に示すようになっている。なお、この例で
は、放電終了（タイマー出力＝０）１分前の基準電圧を
求めるためのルールを示したが、具体的な図示は省略す
るが上記したごとく各時間毎のルールを作成・格納した
ものを用いる。なお図示のルールは、電池５の端子電圧
が１２Ｖのものについてのものである。

【００２３】次いで、上記求めた各基準電圧（標準カー
ブ）を次段の電圧低下判定部１１ｄに入力し、さらにこ
の判定部１１ｄには、上記タイマー１１ｂの出力（残り
時間）並びにセンサ１０から得られる電池の端子電圧を
入力するようにしている。この電圧低下判定部１１ｄで
は、タイマー１１ｂから与えられる現在の残り時間とと
標準カーブとから現在における基準電圧を求め、その基
準電圧と実際の端子電圧とを比較する。そして、実際の
端子電圧の方が低い場合には、その電池が劣化している
と考えられるため、補正を行い現在の端子電圧に基づく
残り時間（当初求めた時間より短くなる）を求め、それ
を補正値としてタイマー１１ｂにセットする。そして、
タイマー１１ｂは、再セットされた時間から減算し残り
時間を出力するようになる。

【００２４】ここで、係る補正処理は、現在の端子電圧
と等しい標準カーブ上のポイントを検出し、そのポイン
トにおける残り時間を補正値に決定している。すなわ
ち、例えば実際の電池の端子電圧の変化が図４中実線で
示すようになっていると、ある時刻ｔ1 における端子電
圧ｖ1 は同時刻の基準電圧ｖ0 よりも低いため、劣化で
あると決定され、補正処理に移る。そして、その端子電
圧ｖ1 を平行移動し標準カーブと交差、すなわち、標準
カーブ上の端子電圧ｖ1 の位置を求め、その時の時刻
（残り時間）ｔ2 をタイマー１１ｂにセットするように
なる。また、このように補正処理がされ残り時間が短く
なった場合には、表示部１２に対して所定のメッセージ
を表示したり，残り時間を点滅させるなどを行い、使用
者に残り時間が減少したことを教えるようになってい
る。また、係る表示に替えて或いはそれに加えてブザー
などの音声による警告を行うようにしても良い。

【００２５】なお、上記とは逆に実際の端子電圧の方が
上記基準電圧よりも高い場合には、実際のバックアップ
可能な残り時間はタイマーの出力よりも長いことになる
が、本例では係る場合には補正を行わない。但し、補正
処理を行うようにしてももちろん良い。

【００２６】なお図２に示すように、停電発生に伴う放
電開始直後は、電池５の端子電圧が一時的に低下するこ
とがある。したがって、係る低下の現象が生じると、そ
れを電池の劣化と誤判定するおそれがある。そこで、係
る現象が発生する可能性のある領域では、劣化判定を行
わないようにしている。すなわち、出力電流と端子電圧
の積から瞬時の電力を求め、それを積分することにより
電力量を求める。そして、その電力量が一定の値に達す
るまでは端子電圧を無視（劣化の判断或いは補正処理を
行わない）するようにしている。そして、係る処理は例
えば劣化判定電圧決定部１１ｃ内において常時入力され
る負荷電力を積分し、その積分値を所定のしきい値と比
較し積分値が大きくなった時に判定開始の制御信号を電
圧低下判定部１１ｄに送ったり、或いは、所定の積分値
になるまでは電圧低下判定部に対し基準カーブを送らな
い（電圧低下判定部１１ｄに入力される端子電圧は０Ｖ
と比較されて基準電圧以上となり補正処理を行わない）
ようにするなどにより実行される。すなわち本例では、
電池の放電開始後所定のエネルギーを放電したことを検
知する手段は、劣化判定電圧決定部１１ｃに内蔵され
る。また、上記の劣化判定電圧決定部１１ｃ並びに電圧
低下判定部１１ｄにて、電圧の劣化を検知し、保持時間
を補正する手段が構成される。

【００２７】次に上記した実施例の作用について図６に
示すフローチャートを用いて説明する。すなわち、停電
発生を検知すると、切替スイッチ２を切替えて負荷４に
対し電池５から電力供給をする。そして、この時の電池
の周囲温度並びに出力電流・電圧（負荷電力）を測定す
る（Ｓ１０１，１０２）。次いで、測定した各種データ
を処理部１１内の保持時間予測部１１ａに入力し、ファ
ジィ推論を行うとともに、充電率，放電量に基づく補正
を行い、予測保持時間を算出する（Ｓ１０３，１０
４）。

【００２８】そして、その予測結果をタイマー１１ｂに
セットし、タイマーをスタートさせる。そして、タイマ
ー出力である残り時間を常時表示する（Ｓ１０５，１０
６）。この時、保持時間予測部１１ａでは、入力される
負荷電力を保持時間予測のための推論に用いた負荷電力
と比較して負荷変動があるか否かを判断し（Ｓ１０
７）、変動があればステップ１０２に戻り再度予測を行
う。一方、変動がなければそのまま処理を続け（タイマ
ーの減算）、次のステップに移り、劣化判定電圧決定部
１１ｃにて放電開始からの電力量が一定値をこえたか否
かを判断する（Ｓ１０８）。そして、こえるまでステッ
プ１０６〜１０８のループ中の処理を繰り返し行う。

【００２９】一方、電力量が一定値をこえたならステッ
プ１０９以降にいき、電圧低下判定部１１ｄにて端子電
圧の監視を行い、電池の劣化に伴う残り時間の補正処理
ループに移る。すなわち、負荷変動がないとすると端子
電圧が所定の基準電圧以上か否かが判断され、以上であ
ればタイマー零になるまで表示をし続け、タイマーが零
になったならＵＰＳを停止して電池の過放電による劣化
を抑制する（Ｓ１０９〜１１３）。一方、負荷変動があ
ったなら上記と同様ステップ１０２に戻り再度ファジィ
推論等を行い保持時間の再設定を行う。また、端子電圧
が基準電圧より小さくなると、タイマー値の補正を行い
（Ｓ１１４）、ステップ１０５に戻りタイマーの再セッ
トに伴う再スタートを行う。

【００３０】

【発明の効果】以上のように、本発明に係る電池の保持
時間予測装置では、負荷電力と温度条件と電力の積算値
から実際の使用状況に応じた保持時間が予測されるた
め、その電池により駆動される装置の使用者が安心して
作業を行うことができる。そして、その様に保持時間
（残り時間）がわかるため、電池の容量いっぱいまで放
電させてバックアップ処理を行うことができるので、必
要以上に大きな容量からなる電池を用いる必要がなく、
無停電電源などの電池を実装した装置の小型化が図れ
る。

【００３１】また、保持時間を補正する手段及びまたは
負荷の変動を検知する手段を設けた場合には、電池が劣
化しているとそれを検知し予測値を補正したり、或いは
負荷変動があった場合には再予測を行うことができるの
で、常に使用状況に応じた残り時間を求めることがで
き、バックアップ可能な残り時間をより正確に予測する
ことができる。よって、バックアップを受ける各種装置
の使用者等が適切な処理を行うことができる。さらに、
電池の放電エネルギー量を検知する手段を設けた場合に
は、電池の放電初期時における過渡的な出力電圧の変動
影響を受けないため、正確な保持時間予測（補正）が可
能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る保持時間予測装置の好適な一実施
例並びにそれを実装したＵＰＳの一例を示す図である。

【図２】電池の放電特性の一例を示す図である。

【図３】保持時間予測を行うためのファジィ知識を示す
図である。

【図４】電池の経過時間に対する予測端子電圧（標準カ
ーブ）並びに電池の劣化に伴う保持時間の補正を説明す
る図である。

【図５】標準カーブを求めるためのファジィルールの一
例を示す図である。

【図６】本実施例の作用を説明するフローチャート図で
ある。

【符号の説明】

１商用電源２切替スイッチ３充電器４負荷５電池６インバータ１０センサ１１処理部１１ａ保持時間予測部１１ｂタイマー１１ｃ劣化判定電圧決定部１１ｄ電圧低下判定部１２表示部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者深尾保文京都府京都市南区吉祥院西ノ庄猪之馬場町１番地日本電池株式会社内 (56)参考文献特開平２−262078（ＪＰ，Ａ) 特開平２−305591（ＪＰ，Ａ) 特開昭57−200874（ＪＰ，Ａ) 特開平２−262077（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01R 31/36

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】電池の周囲温度を測定する手段と、前記電池から放電される電力を測定する手段と、前記電力を積分する手段と、前記各測定する手段により検出された周囲温度と出力電
力と前記積分された電力に基づいて前記電池の端子電圧
が所定の値以上を保持する保持時間を生成する手段とを
備えた電池の保持時間予測装置。
【請求項２】前記保持時間から前記電池の放電開始か
らの経過時間を減算して残り保持時間を算出し出力する
手段を備えた請求項１に記載の電池の保持時間予測装
置。
【請求項３】前記電池の端子電圧からその電池の劣化
を検知し、少なくとも劣化している場合には、前記求め
られた保持時間を補正する手段を備えた請求項１または
２に記載の電池の保持時間予測装置。
【請求項４】前記電池の放電開始後所定のエネルギー
量を放電したことを検知する手段を備え、その検知後前
記保持時間を補正する手段による劣化検知並びにそれに
伴う補正を開始するようにした請求項３に記載の電池の
保持時間予測装置。
【請求項５】負荷の変動を検知する手段を備え、その
変動を検知した際には前記保持時間を生成する手段を再
起動して再度保持時間の予測・修正を行うようにした請
求項１〜４のいずれか１項に記載の、電池の保持時間予
測装置。