JP5751493B2 - 電池監視装置 - Google Patents

Description

本発明は、電池監視装置に関し、詳しくは、一次電池で駆動される電子機器における電池の寿命診断に好適な電池監視装置に関するものである。

近年のプロセス制御システムは、無線通信装置の一種である無線フィールド機器を用いて構成されることもある。これらの無線フィールド機器の駆動電源としては、自己放電が少なく、長期間にわたってほぼ平坦で安定した高い出力電圧（３．６Ｖ）を供給できるたとえば塩化チオニルリチウムイオン電池に代表される一次電池（以下、単に電池という場合もある）が用いられている。

ところで、電気・ガス・上下水道などのプロセス制御システムは、定期保守点検期間以外は停止せず長期間にわたる連続運転が望まれていることから、駆動電池の寿命到達による無線フィールド機器の突発的な動作停止の発生は極力防止しなければならない。

無線フィールド機器の駆動電源として用いる一次電池は、かなり長期間にわたって安定した出力電圧を供給できるとはいうものの、電池の消費電流はユーザーが個別に設定する無線フィールド機器の動作条件によって大きく異なることから、電池寿命を一律に管理することは困難である。

そこで、従来の無線フィールド機器では、たとえば図６に示すような回路構成の電池監視装置が組み込まれている。図６において、出力電圧Ｖ０の一次電池１は直列接続されている内部抵抗Ｒ０を介して電圧測定部２に並列接続されるとともに、電圧測定部２の一端には電流測定部３の一端が接続されている。

電流測定部３の他端と電圧測定部２の他端には、負荷回路４が接続されている。負荷回路４は、負荷ＺＬと、負荷ＺＬの両端間に接続された抵抗Ｒ１とスイッチＳＷ１との直列回路とで構成されている。

電池監視部５は、図７に示すような機能ブロックを有するものであり、測定周期に応じて負荷回路４のスイッチＳＷ１をオンオフ駆動するとともに、電圧測定部２および電流測定部３の測定動作を制御してそれぞれの測定データを取り込み、図８に示すような電池寿命診断処理を実行する。

図７において、測定周期制御部５ａは回路全体の測定周期を制御するものであり、たとえば１時間に１回ずつ電圧および電流測定データを取り込むように、スイッチＳＷ１をオンオフ駆動するスイッチ駆動制御部５ｂ、電圧測定部２の電圧測定動作を制御する電圧測定制御部５ｃおよび電流測定部３の電流測定動作を制御する電流測定制御部５ｄに互いに同期した所定のタイミングクロックを出力する。

スイッチＳＷ１がオンの状態における電圧測定部２の測定データＶ２は、電圧測定制御部５ｃを介して電圧測定値メモリ５ｅに格納され、同じくスイッチＳＷ１がオンの状態における電流測定部３の測定データＩ２も、必要に応じて、電流測定制御部５ｄを介して電流測定値メモリ５ｈに格納される。

ここで、スイッチＳＷ１をオンにすることにより、抵抗Ｒ１とスイッチＳＷ１との直列回路にも電池１からある程度の負荷電流Ｉ１が流れることになり、電圧を測定することにより電池１の寿命を早く検出できる。

電圧測定値メモリ５ｅに格納された電圧測定データＶ２は電圧比較部５ｇの一方の入力端子に入力され、電圧基準値メモリ５ｆに格納されている電圧基準データＶｒは電圧比較部５ｇの他方の入力端子に入力される。

なお、比較するための基準電圧Ｖｒとしては、電池１の初期開放電圧や前回の測定電圧などを用いる。これらの基準電圧Ｖｒからどの程度の電圧低下が生じたかにより、アラーム発生の必要性が判定される。

電流測定値メモリ５ｈに格納された電流測定データＩ２は電流比較部５ｊの一方の入力端子に入力され、電流基準値メモリ５ｉに格納されている電流基準データＩｒは電流比較部５ｊの他方の入力端子に入力される。

電圧比較部５ｇは、電圧測定値メモリ５ｅから読み出された電圧測定データＶ２と電圧基準値メモリ５ｆから読み出された電圧基準データＶｒを比較し、電圧測定データＶ２が電圧基準データＶｒよりも下回っていれば（Ｖ２＜Ｖｒ）、所定のアラームを出力するようにアラーム出力部５ｋに指示する。

電流比較部５ｊも、必要に応じて、電流測定値メモリ５ｈから読み出された電流測定データＩ２と電流基準値メモリ５ｆから読み出された電流基準データＩｒを比較し、電流測定値メモリ５ｈから読み出された電流測定データＩ２が電流基準値メモリ５ｆから読み出された電流基準データＩｒよりも下回っていれば（Ｉ２＜Ｉｒ）、所定のアラームを出力するようにアラーム出力部５ｋに指示する。

図８は、図６および図７の回路における出力電圧に基づく電池１の寿命診断処理の流れを説明するフローチャートである。スイッチＳＷ１をオンにして電圧測定部２で一次電池１の出力電圧Ｖ２を測定し（ステップＳ１）、電圧測定値メモリ５ｅに格納する。

電圧比較部５ｇは、電圧測定データＶ２と電圧基準データＶｒを比較し、Ｖ２＜Ｖｒが成立するか否かを判断する（ステップＳ２）。

Ｖ２＜Ｖｒが成立する場合、電圧比較部５ｇはアラーム出力部５ｋに電池１の出力電圧低下を外部に通知出力するための音声や発光や電子メールなどによる所定のアラームを出力するように指示し、アアラーム出力部５ｋは所定のアラームを出力する（ステップＳ３）。

これに対し、Ｖ２＜Ｖｒが成立しない場合は十分な出力電圧が得られているので、アラームを出力することなく、寿命診断処理を終了する。

特許文献１には、ニッケル・カドミウム蓄電池またはニッケル・水素蓄電池の充電状態を温度センサを用いることなく検出して、正確な充電完了検出を行う技術が記載されている。

特許文献２には、バッテリの内部抵抗値、負荷の基準抵抗値を用いて放電時電圧値を算出することによりＳＯＨ及びＳＯＣの算出値誤差を低減させ、良好にバッテリの状態を推定できる技術が記載されている。

特開平７−７９５３４ 特開２００９−２１４７６６

ところで、電池１の開放電圧には個体差があり、負荷電流の履歴や温度によっても変化する。

図６から図８に示した従来の回路構成および方法では、スイッチＳＷをオンにしてある程度の負荷電流を流しながら電池１の出力電圧を測定するが、無負荷時の電圧変化は考慮されてない。

このため、前回の測定状態からの出力電圧の変化が、電池１の寿命によるものなのか、あるいは電池１の寿命とは関係ない温度による変化や、寿命に関係しない経時変化などの要因によるものなのかが判別できない。

すなわち、従来の回路構成および方法では、電池１の寿命には関係なく、経時変化により電池１の出力電圧が変化しただけでもアラームが発生する可能性がある。

また、電池１の寿命が近づくと、電池１の内部抵抗が増大することがある。このとき、アラームの誤発報を避けるために基準電圧Ｖｒを下げすぎると、負荷電流の変化に起因する電池１の出力電圧の変化が大きくなって回路が正常に動作できなくなっているにも拘わらず、アラームを発生しなくなるおそれもある。

本発明は、これらの課題を解決するものであり、その目的は、機器が動作可能な状態で電池寿命アラームを的確に発生できる電池監視装置を実現することにある。

このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
駆動電源として一次電池を用いるプロセス制御システムを構成する無線フィールド機器に組み込まれる電池監視装置であって、
前記電池監視装置は、
前記一次電池の開放電圧Ｖ１および所定の負荷電流Ｉ１が流れる時の出力電圧Ｖ２を求める電圧測定手段と、
前記一次電池の負荷電流Ｉ１を求める電流測定手段と、
前記開放電圧Ｖ１と負荷電流Ｉ１および出力電圧Ｖ２に基づき前記一次電池の内部抵抗Ｒ０（＝（Ｖ１−Ｖ２）／Ｉ１）を求める抵抗値演算手段と、
前記開放電圧Ｖ１と負荷電流Ｉ１および前記機器に固有の最低駆動電圧Ｖｍｉｎに基づき前記機器が正常に動作可能な前記一次電池の内部抵抗Ｒｎｏ（＝（Ｖ１−Ｖｍｉｎ）／Ｉ１）を求める抵抗値演算手段と、
これら内部抵抗Ｒ０とＲｎｏを比較してＲ０＞Ｒｎｏを検出することにより電池寿命アラームを出力するアラーム出力手段と、
前記機器の無線通信を考慮したシミュレーションに基づく開放電圧Ｖ１と内部抵抗Ｒｎｏとの対応テーブルを含み、
前記開放電圧Ｖ１を測定したらこのテーブルを参照して必要な内部抵抗Ｒｎｏを読み出すことを特徴とする。

これらにより、機器が動作可能な状態で、電池寿命アラームを的確に発生できる。

本発明の一実施例を示すブロック図である。 図１の電池監視部６の具体的な機能ブロック図である。 図１および図２の回路における出力電圧に基づく電池１の寿命診断処理の流れを説明するフローチャートである。 スイッチＳＷ１のオン時間と内部抵抗Ｒ０の抵抗値変化の関係を示す特性例図である。 スイッチＳＷ１のオン時間と内部抵抗Ｒ０の抵抗値変化の関係を示す他の特性例図である。 従来の電池監視装置の一例を示すブロック図である。 図６の電池監視部５の具体的な機能ブロック図である。 図６および図７の回路における出力電圧に基づく電池１の寿命診断処理の流れを説明するフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明の一実施例を示すブロック図であり、図６と共通する部分には同一の符号を付けている。図１と図６の異なる点は、電池監視部６の具体的な構成である。

図２は電池監視部６の具体的な機能ブロック図であり、図７の機能ブロックと共通する部分には同一の添え字ａ〜ｊを付けている。図２と図７の異なる点は、図２の機能ブロック図には、電池１の内部抵抗Ｒ０を演算する抵抗値演算部６ｋと、演算された内部抵抗Ｒ０の値を格納する抵抗値メモリ６ｍと、機器が正常に動作できる内部抵抗Ｒｎｏを演算する抵抗値演算部６ｎと、演算された内部抵抗Ｒｎｏの値を格納する抵抗値メモリ６ｐと、これら内部抵抗Ｒ０とＲｎｏを比較する抵抗比較部６ｑを設けていることである。

図２において、抵抗値演算部６ｋは、スイッチＳＷ１がオフの時の電池１の開放電圧Ｖ１（実際には負荷回路ＺＬに電流ＩＬが流れている時の電圧）と、スイッチＳＷ１がオンになり抵抗Ｒ１とスイッチＳＷ１との直列回路にも電池１からある程度の負荷電流Ｉ１が流れる時の電池１の出力電圧Ｖ２と、電流測定部３の測定値から求めた加算された負荷電流Ｉ１に基づき、電池１の内部抵抗Ｒ０（＝（Ｖ１−Ｖ２）／Ｉ１）を演算し、演算した内部抵抗Ｒ０の抵抗値を抵抗値メモリ６ｍに逐次格納する。

抵抗値演算部６ｎは、スイッチＳＷ１がオフの時の電池１の開放電圧Ｖ１（実際には負荷回路ＺＬに電流ＩＬが流れている時の電圧）と、電圧基準値メモリ６ｆに格納されている機器が正常に動作するために必要な最低駆動電圧Ｖｍｉｎ（たとえば３Ｖ）と、電流測定部３の測定値から求めた負荷電流Ｉ１に基づき、電池１の内部抵抗Ｒｎｏ（＝（Ｖ１−Ｖｍｉｎ）／Ｉ１）を演算し、演算した内部抵抗Ｒｎｏの抵抗値を抵抗値メモリ６ｐに逐次格納する。なお、電流Ｉ１は電流測定部３の測定値から求められるが、Ｖ２と抵抗値Ｒ１から算出することもできる。

抵抗比較部６ｑは、抵抗値メモリ６ｍから読み出された内部抵抗Ｒ０と抵抗値メモリ６ｐから読み出された内部抵抗Ｒｎｏを比較し、抵抗値メモリ６ｍから読み出された内部抵抗Ｒ０が抵抗値メモリ６ｐから読み出された内部抵抗Ｒｎｏよりも上回っていれば（Ｒ０＞Ｒｎｏ）、所定のアラームを出力するようにアラーム出力部６ｒに指示する。

ここで、電池１の内部抵抗Ｒ０が大きくなりすぎると、機器の消費電流ＩＬにより電池１の出力電圧が低下し、機器が正常な動作を保てなくなる。すなわち、この状態が電池１の寿命が尽きた状態ということになる。

そこで、前述のように、機器が正常に動作するために必要な最低駆動電圧（たとえば３Ｖ）と電池１の開放電圧Ｖ１と負荷電流Ｉ１に基づき、機器が正常に動作できる電池１の内部抵抗Ｒｎｏを計算によって求め、上記内部抵抗Ｒ０がこの内部抵抗Ｒｎｏよりも大きいか小さいかを判断してＲ０＞Ｒｎｏの場合にアラームを発生させるように判定すれば、機器が正常に動作できなくなる前に確実にアラームを発生させることができる。

図３は、図１および図２の回路における出力電圧に基づく電池１の寿命診断処理の流れを説明するフローチャートである。スイッチＳＷ１をオフにして電圧測定部２で一次電池１の出力電圧（開放電圧）Ｖ１を測定し（ステップＳ１）、電圧測定値メモリ６ｅに格納する。

続いてスイッチＳＷ１をオンにして電圧測定部２で一次電池１の出力電圧Ｖ２を測定し（ステップＳ２）、電圧測定値メモリ６ｅに格納する。

抵抗値演算部６ｋは、これら出力電圧Ｖ１とＶ２と負荷電流Ｉ１に基づき、次式により電池１の内部抵抗Ｒ０を演算し（ステップＳ３）、演算した内部抵抗Ｒ０の抵抗値を抵抗値メモリ６ｍに逐次格納する。
Ｒ０＝（Ｖ１−Ｖ２）／Ｉ１

抵抗値演算部６ｎは、出力電圧Ｖ１と機器の正常動作に必要な最低駆動電圧（たとえば３Ｖ）と負荷電流Ｉ１に基づき、次式により電池１の内部抵抗Ｒｎｏを演算し（ステップＳ４）、演算した内部抵抗Ｒｎｏの抵抗値を抵抗値メモリ６ｐに逐次格納する。
Ｒｎｏ＝（Ｖ１−３）／Ｉ１

抵抗比較部６ｑは、抵抗値メモリ６ｍから読み出された内部抵抗Ｒ０と抵抗値メモリ６ｐから読み出された内部抵抗Ｒｎｏを比較する（ステップＳ５）。

内部抵抗Ｒ０が内部抵抗Ｒｎｏよりも上回っていれば（Ｒ０＞Ｒｎｏ）、電池の出力電圧が３Ｖ以下に低下していると判断でき、所定のアラームを出力するようにアラーム出力部６ｒに指示し、アラーム出力部６ｒは所定のアラームを出力する（ステップＳ６）。

これに対し、Ｒ０＞Ｒｎｏが成立しない場合は機器の正常動作に必要な最低駆動電圧以上の十分な出力電圧が得られていると判断できるので、アラームを出力することなく、寿命診断処理を終了する。

機器が正常に動作するために機器の入力端で３Ｖ以上の最低駆動電圧を必要とする場合には、電池の出力電圧が３Ｖ以下に落ちてしまうと、機器は正常に動作できなくなる。電池の内部抵抗が大きくなると、機器の消費電流により機器の入力端における電池電圧が最低駆動電圧を下回り、このような現象が発生する可能性が出てくる。

機器の入力端で３Ｖを確保できる電池の内部抵抗をＲｎｏとすると、この内部抵抗Ｒｎｏは、機器の動作が比較的単純であれば、前述のような単純な式
Ｒｎｏ（＝（Ｖ１−３）／Ｉ１）
で計算できる。

無線通信機器などでは、消費電流はパルス状に変化し、さらに入力段にDCDCコンバータを使用していると、機器の入力電流が非線形に変化する場合もある。図１において、スイッチＳＷ１をオフにした時の電池１の出力電圧Ｖ１は、電池１にとっては負荷電流ＩＬが流れている状態での出力電圧であり、内部抵抗Ｒ０と負荷電流ＩＬによる電圧降下が含まれた値である。つまり、負荷電流ＩＬが大きいほど出力電圧Ｖ１は下がってしまう。

負荷回路ＺＬの入力段にＤＣ／ＤＣコンバータを設けている場合、出力電圧Ｖ１が下がるとＤＣ／ＤＣコンバータの電流利得が低下し、負荷電流ＩＬが大きくなる方向になる。そうすると、電池の内部抵抗により出力電圧Ｖ１はさらに低下し、それにより負荷電流ＩＬもさらに増加するというループで、出力電圧Ｖ１はどんどん低下することになる。

このようなループは、現実的には無線通信の動作時間が有限であることから安定に動作可能な条件があり、問題はないが、電池の末期などで内部抵抗Ｒ０が増大してくると、このループにより一気に出力電圧Ｖ１が最低駆動電圧３Ｖを切ってしまうことがある。

その対策としては、機器の内部に機器の無線通信を考慮したシミュレーションに基づく出力電圧Ｖ１と内部抵抗Ｒｎｏとの対応テーブルを設けておき、出力電圧Ｖ１を測定したらこのテーブルを参照して必要な内部抵抗Ｒｎｏを抵抗基準値メモリ６ｐにロードすればよい。

図３のフローチャートにおいて、ステップＳ２でスイッチＳＷ１をオンにしている時間を長くすることにより、電池１の内部抵抗Ｒ０の変化を調べることもできる。

本実施例のように一次電池１として塩化チオニルリチウムイオン電池を使用する場合、高温時に電池内部に抵抗の大きい被膜が成長することがあるが、この内部被膜は、電流をある程度以上の時間印加することにより除去できる。そこで、スイッチＳＷ１をオンにする時間を調整することで、電池１のどのような要因による内部抵抗を測定するのか測定対象を選択できる。

図４は、スイッチＳＷ１のオン時間と出力電圧Ｖ１の関係の一例を示す特性図である。電池１の内部抵抗Ｒ０は、ある程度の負荷電流を流すと徐々に低下する場合がある。スイッチＳＷ１がオンになる直前に開放電圧Ｖ１を測定しておき、スイッチＳＷ１をオンした直後にＶ２を測定すれば、測定された内部抵抗Ｒ０は被膜抵抗が支配的な場合の抵抗値となる。

スイッチＳＷ１を長時間オンにした後に測定すれば、被膜は除去されており、電解液などによる反応抵抗が支配的な測定値となる。

被膜抵抗が大きい場合、スイッチＳＷ１をオンにした直後は電池１の内部抵抗Ｒ０が高く、その後、しばらくすると被膜が除去されて反応抵抗のみになる。

また、機器の動作が間欠的な動作となっている場合には、被膜抵抗が機器の動作に影響することが考えられる。さらに、機器の動作が間欠的であったとしても、１回の動作が長時間にわたり、被膜抵抗が影響しないような動作も考えられる。

図５は、スイッチＳＷ１のオン時間と出力電圧Ｖ１の関係を示す他の特性例図である。さらには、図５に示すように、電池１の状態によっては、スイッチＳＷ１をオンにした直後では電池１の内部抵抗Ｒ０が低く、その後、次第に内部抵抗Ｒ０が増大するような特性が見られることもある。この場合、スイッチＳＷ１をオンした直後における出力電圧Ｖ１の低下は小さく、その後のＶ１は時間とともに徐々に低下していく。

これらいずれの場合でも、機器の動作に合わせて、スイッチＳＷ１のオン時間を調整して最適なタイミングでＶ２の値を測定することにより、機器の動作に影響を与える可能性のある内部抵抗Ｒ０を診断できる。

以上説明したように、本発明によれば、機器が動作可能な状態で電池寿命アラームを的確に発生する電池監視装置を実現できる。

１ 一次電池
２ 電圧測定部
３ ルーティングデバイス
４ 負荷回路
６ 電池監視部
６ａ 測定周期制御部
６ｂ スイッチ駆動制御部
６ｃ 電圧測定制御部
６ｄ 電流測定制御部
６ｅ 電圧測定値メモリ
６ｆ 電圧基準値メモリ
６ｇ 電圧比較部
６ｈ 電流測定値メモリ
６ｉ 電流基準値メモリ
６ｊ 電流比較部
６ｋ，６ｎ 抵抗値演算部
６ｍ，６ｐ 抵抗値メモリ
６ｑ 抵抗比較部
６ｒ アラーム出力部

Claims (1)

1. 駆動電源として一次電池を用いるプロセス制御システムを構成する無線フィールド機器に組み込まれる電池監視装置であって、
   前記電池監視装置は、
   前記一次電池の開放電圧Ｖ１および所定の負荷電流Ｉ１が流れる時の出力電圧Ｖ２を求める電圧測定手段と、
   前記一次電池の負荷電流Ｉ１を求める電流測定手段と、
   前記開放電圧Ｖ１と負荷電流Ｉ１および出力電圧Ｖ２に基づき前記一次電池の内部抵抗Ｒ０（＝（Ｖ１−Ｖ２）／Ｉ１）を求める抵抗値演算手段と、
   前記開放電圧Ｖ１と負荷電流Ｉ１および前記機器に固有の最低駆動電圧Ｖｍｉｎに基づき前記機器が正常に動作可能な前記一次電池の内部抵抗Ｒｎｏ（＝（Ｖ１−Ｖｍｉｎ）／Ｉ１）を求める抵抗値演算手段と、
   これら内部抵抗Ｒ０とＲｎｏを比較してＲ０＞Ｒｎｏを検出することにより電池寿命アラームを出力するアラーム出力手段と、
   前記機器の無線通信を考慮したシミュレーションに基づく開放電圧Ｖ１と内部抵抗Ｒｎｏとの対応テーブルを含み、
   前記開放電圧Ｖ１を測定したらこのテーブルを参照して必要な内部抵抗Ｒｎｏを読み出すことを特徴とする電池監視装置。

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