JP6399258B1 - バッテリ寿命推定装置 - Google Patents

Abstract

本発明のバッテリ寿命推定装置は、バックアップデータメモリ部に外部電源から電力が供給されない場合にバックアップデータメモリ部に電力を供給するバッテリの温度を、バッテリからバックアップデータメモリ部に電力が供給されている電力供給期間に測定し、測定したバッテリの温度に基づいてバッテリの寿命を推定するものである。本発明によれば、バッテリからバックアップデータメモリ部に電力が供給されている電力供給期間にバッテリの温度を測定し、測定したバッテリの温度に基づいてバッテリの寿命を推定するので、バッテリからの電力供給期間の温度状態を寿命の推定に反映することができるため、バッテリ寿命の推定精度を向上できる。

Description

本発明は、サーボシステムに外部電源から電力が供給されないときに、サーボモータの回転角度情報を保持するメモリに電力を供給するバッテリの寿命推定装置に関する。

産業用の製造装置などには回転速度や回転角度等を制御可能なサーボモータを備えたサーボシステムが用いられる。サーボシステムは、サーボモータ、外部電源からの電力をサーボモータへ供給し駆動させるサーボアンプ、サーボアンプへ制御信号を送るコントローラ、サーボモータの回転角度を検出してサーボアンプへフィードバックするエンコーダ等から構成される。サーボシステム稼働中にエンコーダが検出したサーボモータの回転角度はエンコーダ内のメモリに記憶され、コントローラはメモリに記憶された回転角度に基づいてサーボモータの制御を行う。

また、サーボシステムの稼動が一度停止した状態から再稼働する際、サーボシステムが停止したときのサーボモータの回転角度の情報を用いてコントローラが制御を開始することがある。サーボシステム稼働中には外部電源からサーボシステムに電力が供給されるが、サーボシステム停止時には外部電源から電力が供給されないため、サーボモータの角度の情報を記憶するメモリへの電力供給もなくなる。メモリが電力供給がないと情報を保持できなくなる種類のメモリである場合、メモリに情報を保持させておくためには外部電源からサーボシステムのメモリに電力が供給されない間にメモリに電力を供給する補助電源を備える必要がある。従来のサーボシステムには、補助電源としてのバッテリを備え、システム停止中にはバッテリからエンコーダ内のメモリへ電力を供給するようにし情報を保持させるものがあった。

このバッテリを一次電池で構成する場合、一次電池には寿命があるため、バッテリが消耗してエンコーダのメモリに十分な電力が供給されなくなるとメモリが保持していたサーボモータの回転角度は消失してしまう。そのため、エンコーダのメモリの情報を保持させられる程度のバッテリ残量がある間にバッテリを交換する必要があるが、一方でバッテリの交換が早すぎても不経済である。したがって、バッテリの寿命を精度よく推定することが求められる。

バッテリの寿命を推定するには、バッテリからの電力供給の累積時間、バッテリの使用環境における周囲温度、バッテリ電圧の推移といった情報を元に計算するのが一般的な方法である。特許文献１には、バッテリの周囲温度による消耗度合いを勘案してバッテリの寿命を推定する寿命推定装置の一例が開示されている。

特許文献１に示されたバッテリ寿命推定装置は、サーボアンプの電源をＯＮにすると外部電源からサーボアンプに電力が供給され、電源をＯＮにする度に電源ＯＮ直後のエンコーダのバッテリの温度を温度センサで測定・記録し、その温度を電源ＯＦＦの間、すなわちサーボアンプに外部電源から電力が供給されず、バッテリからメモリに電力供給されている期間のバッテリ温度の平均値と仮定する。そして、予め決めてある「平均温度に対するトータル寿命時間データ」を参照して、仮定した温度平均値に対応するバッテリのトータル寿命時間を求め、このトータル寿命時間からバッテリ消費時間を減算することでバッテリの残寿命時間を求めている。

特開平７−１３０３７８号公報

特許文献１に示されたバッテリ寿命推定装置は、サーボアンプの電源をＯＦＦとしていた期間のエンコーダのバッテリの温度を電源ＯＮ直後のエンコーダのバッテリの温度と仮定して計算に用いているので、サーボアンプの電源ＯＦＦ期間にバッテリに激しい温度変化などがあった場合に、仮定した平均温度が実際のバッテリ温度と離れた温度になってしまい、結果的にバッテリ寿命日付の推定の精度が悪いという問題点があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、バッテリ寿命の推定の精度向上を可能とするバッテリ寿命推定装置を得ることを目的とする。

本発明のバッテリ寿命推定装置は、バックアップデータメモリ部に外部電源から電力が供給されない場合にバックアップデータメモリ部に電力を供給するバッテリの温度を、バッテリからバックアップデータメモリ部に電力が供給されている電力供給期間に測定し、測定したバッテリの温度データと、予め記憶した各温度における単位時間あたりのバッテリ降下電圧値から、バッテリ電力供給期間のバッテリ消費量に基づいてバッテリの寿命を推定するものである。

本発明によれば、バッテリからバックアップデータメモリ部に電力が供給されている電力供給期間にバッテリの温度を測定し、測定したバッテリの温度データと、予め記憶した各温度における単位時間あたりのバッテリ降下電圧値から、バッテリ電力供給期間のバッテリ消費量に基づいてバッテリの寿命を推定するので、バッテリからの電力供給期間の温度状態を寿命の推定に反映することができるため、バッテリ寿命の推定精度を向上できる。

本発明のバッテリ寿命推定装置を適用したサーボシステムの一部を示す構成図 本発明の実施の形態における測定データの時間経過に対応した温度変化を例示した測定図 バッテリの放電特性の一例を示す特性図 バッテリが所定の温度範囲にあった時間の占有率の一例を示す統計データテーブル

以下、本発明の実施の形態１におけるバッテリ寿命推定装置２１について、図１を用いて説明する。

図１は本実施の形態のバッテリ寿命推定装置２１を適用したサーボシステムの一部を示す構成図である。本実施の形態のバッテリ寿命推定装置２１はサーボシステムのサーボアンプ１とエンコーダ２に組み込まれ、測定したバッテリ４の温度をバッテリの寿命推定に反映して推定精度を向上するものである。なお、図において、実線の矢印は情報の流れを示し、点線は電力供給の接続線を示す。

このサーボシステムは、製造装置などに設けられ、回転速度や回転角度等を制御可能なサーボモータ（図示せず）と、サーボモータを駆動するサーボアンプ１と、サーボモータの回転角度を検出し、サーボアンプ１に出力するエンコーダ２と、このサーボシステムの稼働中にサーボアンプ１とエンコーダ２に電力を供給する外部電源３とを含む。エンコーダ２には、検出した回転角度の情報を記憶しておくバックアップデータメモリ部５が含まれており、検出した回転角度の情報はバックアップデータメモリ部５に記憶され、サーボアンプ１に回転角度の情報が送信される。そして、エンコーダ２で検出したサーボモータの回転角度の情報を参照してサーボアンプ１がサーボモータを駆動する。

また、このサーボシステムの稼動を一度停止し、再び稼働する際、サーボシステムが停止したときのサーボモータの回転角度の情報を用いてサーボアンプがサーボモータの制御を開始することがある。サーボシステム停止時の回転角度の情報はバックアップデータメモリ部５に記憶されるが、サーボシステム停止時には外部電源３から電力が供給されないため、サーボモータの回転角度の情報を記憶するバックアップデータメモリ部５への電力供給もなくなってしまう。この実施の形態では、バックアップデータメモリ部５は例えばＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）のような電力供給がないと情報を保持できない種類のメモリであり、サーボシステムの稼動停止時にバックアップデータメモリ部５に電力を供給するバッテリ４がサーボアンプ１に設けられている。

次に本実施の形態１のバッテリ寿命推定装置の構成について説明する。バッテリ寿命推定装置２１は、バックアップデータメモリ部５に外部電源３から電力が供給されない期間、すなわちバッテリ４からバックアップデータメモリ部５に電力を供給している期間に、バッテリ４の温度を測定するバッテリ温度測定部６と、このバッテリ温度測定部６が測定したバッテリ４の温度に基づいて、バッテリ４の寿命を推定する推定部１４と、推定部１４が演算に用いるデータを記憶する記憶部１０と、推定部１４で推定したバッテリ４の寿命、バッテリ交換時期に達した旨の警告等の表示を行う表示機能部１８とバッテリ温度測定部からの温度データを推定部１４に入力する入力部２２を有する。

バッテリ温度測定部６は、バッテリ４の温度を測定する温度センサ８と、温度センサ８が温度を取得した時刻を取得するための時計ＩＣ７と、温度センサ８と時計ＩＣ７からのデータを記憶する測定データ記憶部９からなる。

また、推定部１４は、入力部２２から送られるバッテリ４の温度データに基づいてバッテリ消費量を演算するバッテリ消費量演算部１５と、このバッテリ消費量演算部１５で演算されたバッテリ消費量に基づいてバッテリ残量時間を演算するバッテリ残量演算部１６とからなる。

そして、記憶部１０はバッテリの温度毎の単位時間当たりのバッテリ降下電圧値を記憶する温度特性データ記憶部１１と、バッテリ消費量演算部１５が演算したバッテリ残量を記憶するバッテリ残量記憶部１２と、バッテリ交換を警告するべきバッテリの電圧データを記憶する警告電圧データ記憶部１３とからなる。

上述した推定部１４のバッテリ消費量演算部１５は、バッテリ温度測定部６から送られるバッテリ４の温度、および、温度特性データ記憶部１１に予め記憶されたバッテリ温度毎の単位時間当たりのバッテリ降下電圧値を用いて、バッテリ４の消費量を演算するものである。

さらに、表示機能部１８は、バッテリの交換を警告するバッテリ交換警告表示部１９とバッテリ寿命の推定時刻を表示するバッテリ寿命推定時刻表示部２０とからなる。

なお図１に示した構成は実施の形態の一つであり、バッテリ寿命推定装置の要素であるバッテリ温度測定部６と記憶部１０と推定部１４と表示機能部１８はエンコーダ、サーボアンプのどちらかに全て配置してもよく、エンコーダ、サーボアンプ以外の外部装置に設けてよい。

次に、本実施の形態のバッテリ寿命推定装置の動作について説明する。まず、サーボシステムが稼働を停止した時の動作を説明する。サーボシステムの稼働を停止すると、外部電源３からサーボアンプ１、エンコーダ２への電力供給がなくなる。外部電源３からの電力供給がなくても、バックアップデータメモリ部５に情報を保持させるために、サーボアンプ１に配置されたバッテリ４がバックアップデータメモリ部５に電力を供給する。このバッテリ電力供給期間に、バッテリ温度測定部６は時計ＩＣ７と温度センサ８を用いて、所定時間ごとにバッテリ４の温度を測定し、この測定温度と測定時刻とを対応させた測定データを測定データ記憶部９に記憶する。図２は測定データ記憶部９に記憶された測定データの一例を、時間経過に対応した温度変化として示した測定図である。
なお、バッテリの温度を測定する時間間隔は、バッテリ電力供給期間における温度変化を把握できれば、一定でなくてもよい。この温度測定のためにバッテリ温度測定部６もバッテリ４からの電力供給を受ける。

続いて、サーボシステムが稼働を再開した時の動作について説明する。サーボシステムが稼働し始めると、外部電源から電力が供給されない場合から供給される場合へ移行し、バッテリ４からの電力供給は停止し、推定部１４において、バッテリの寿命を推定する動作が行われる。

バッテリの寿命を推定するため、まず、直近のバッテリ電力供給期間におけるバッテリ４の消費電力を推定する。ここで、図３にバッテリ４の放電特性の一例である特性図を示す。バッテリ４は一次電池であり、図３に示すように、放電時間、すなわちバッテリ４が電力を供給している時間が経つにつれて放電することによりバッテリ電圧が低下する放電特性を示す。この放電特性は、バッテリ４の使用環境の温度により異なり、温度が低いほど電圧低下の度合いが大きい。この放電特性を示すデータは、予め温度特性データ記憶部１１に記憶されており、例えば、バッテリ４を用いて実際に電圧降下を測定することで求められる。この放電特性により、温度に応じた単位時間当たりのバッテリの電圧低下の値が分かる。

この放電特性を用いて、バッテリ４が置かれた温度環境に応じてバッテリ４の消費電力を推定すれば、より温度環境の変化に適応した推定を行える。このとき、バッテリ４が置かれた温度環境がどのようなものであったかは、測定データ記憶部９に記憶された測定データからわかる。
バッテリ消費量演算部１５は、測定データ記憶部９からバッテリ電力供給期間に測定した測定温度と測定時刻とを対応させた測定データを取得すると、温度を所定の範囲ごとに区切り、バッテリ電力供給期間において測定温度が各温度範囲に含まれていた時間の比率、すなわち各温度範囲の時間についての占有率を求める。求めた占有率の一例を図４に示す。この図４の例では、バッテリ電力供給期間においてバッテリ４が置かれた温度環境が、６度台から１５度台の間であった時間が全体の１０％、１６度台から２５度台の間であった時間が全体の８０％、２６度から３５度の間であった時間が全体の１０％であったことを示している。

続いて、バッテリ消費量演算部１５は、温度特性データ記憶部１１に予め記憶されたバッテリ温度毎の単位時間当たりのバッテリ降下電圧値を参照する。次に、バッテリ消費量演算部１５は、参照したバッテリ温度毎の単位時間当たりのバッテリ降下電圧値を、さきほど求めた各温度範囲の時間の占有率で重みづけして、今回のバッテリ電力供給期間における単位時間当たりのバッテリ降下電圧値を求める。例えば、温度範囲が１６度台から２５度台の範囲については図３の放電特性のうち温度２０度のときの電圧低下の傾きを代表値として用い、同様にして他の温度範囲についても代表値を決め、各代表値を時間の占有率で重みづけした後に加算することで求めることができる。
そして、バッテリ消費量演算部１５は、求めた単位時間当たりのバッテリ降下電圧値と今回のバッテリ電力供給期間とを乗算することで、このバッテリ電力供給期間のバッテリ消費量を求める。なお、このバッテリ消費量の求め方はこれに限らず、図３の放電特性の解像度を、より細かくして計算してもよいし、各温度範囲毎の消費量を計算してから加算して求めてもよい。

次に、バッテリ残量演算部１６は、バッテリ消費量演算部１５が求めたバッテリ消費量とバッテリ残量記憶部１２が記憶している前回のサーボシステム停止時までのバッテリ残量を取得し、前回までのバッテリ残量から今回のバッテリ消費量を減算することで現在のバッテリ残量を求める。また、求めた現在のバッテリ残量をバッテリ残量記憶部１２に記憶することで、バッテリ消費量データを蓄積する。
バッテリ残量演算部１６はバッテリ残量記憶部１２からのバッテリ残量とバッテリの使用時間データにより、全バッテリ電力供給期間中の平均バッテリ消費速度を求めることができ、このバッテリ消費速度と現在のバッテリ残量とを用いて、今後のバッテリ稼働可能時間を求めた後、サーボアンプ１にバッテリ４を装着してからの全期間中のバッテリ電力供給期間の割合を用いて、推定されるバッテリの寿命、すなわち寿命推定時刻を求める。例えばバッテリ稼働可能時間があと１０日間（２４０時間）で、全期間中のバッテリ電力供給期間の割合が１０％の場合、１０／０．１で寿命推定時刻は１００日後の同時刻となる。このようにして、バッテリの温度変化に適応したバッテリの寿命が推定される。
求められたバッテリ寿命推定時刻は推定部１４が表示機能部１８のバッテリ寿命推定時刻表示部２０に出力信号を送信することで表示され、サーボシステムのユーザは適切なバッテリ寿命推定時刻を知ることができる。

また、比較部１７でバッテリ残量演算部１６で求めたバッテリ残量と警告電圧データ記憶部１３に予め記憶したバッテリ交換の警告を表示するべきバッテリ寿命警告電圧データと比較し、現在のバッテリ残量がバッテリ寿命警告電圧よりも下回っていた場合、バッテリ交換警告表示部１９でバッテリの交換をするべき旨を表示する。この表示はライトの点滅やサーボアンプに配置された液晶画面上への交換すべきことがわかる文章の表示などでもよく、サーボシステムのユーザが認識しやすいようにアラームの発令をしてもよい。

以上説明したように、本実施の形態にかかるバッテリ寿命推定装置によれば、バッテリ４からバックアップデータメモリ部５に電力が供給されている電力供給期間にバッテリ４の温度を測定し、測定したバッテリの温度データと、予め記憶した各温度における単位時間あたりのバッテリ降下電圧値から、バッテリ電力供給期間のバッテリ消費量に基づいてバッテリの寿命を推定するので、バッテリ４からの電力供給期間の温度状態を寿命の推定に反映することができるため、バッテリ寿命の推定精度を向上できる。

１ サーボアンプ
２ エンコーダ
３ 外部電源
４ バッテリ
５ バックアップデータメモリ部
６ バッテリ温度測定部
７ 時計ＩＣ
８ 温度センサ
９ 測定データ記憶部
１０ 記憶部
１１ 温度特性データ記憶部
１２ バッテリ残量記憶部
１３ 警告電圧データ記憶部
１４ 推定部
１５ バッテリ消費量演算部
１６ バッテリ残量演算部
１８ 表示機能部
１９ バッテリ交換警告表示部
２０ バッテリ寿命推定時刻表示部
２１ バッテリ寿命推定装置
２２ 入力部

Claims (8)

1. サーボモータの回転角度を記憶するバックアップデータメモリ部に電力を供給するバッテリが電力を供給しているバッテリ電力供給期間の前記バッテリの温度データと、予め記憶した各温度における単位時間あたりのバッテリ降下電圧値から、前記バッテリ電力供給期間のバッテリ消費量を求めて、前記バッテリの寿命を推定する推定部を備えたバッテリ寿命推定装置。
2. 前記推定部に前記バッテリの温度データを入力する入力部を備えた請求項１記載のバッテリ寿命推定装置。
3. 前記バッテリの温度を測定するバッテリ温度測定部を備え、
   前記推定部は、前記バッテリ温度測定部が測定した前記バッテリの温度データに基づいて、前記バッテリの寿命を推定することを特徴とする請求項１記載のバッテリ寿命推定装置。
4. 前記バッテリは前記サーボモータに外部電源から電力が供給されない場合に前記バックアップデータメモリ部に電力を供給する
   請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のバッテリ寿命推定装置。
5. 前記推定部は、前記温度データに基づき前記バッテリ電力供給期間の前記バッテリ消費量を求め、前記バッテリ消費量と、前記バッテリの電力容量とからバッテリ残量を求め、前記バッテリ残量と前記バッテリの使用時間とから、前記バッテリ残量が前記バックアップデータメモリ部にデータを保持させられる電圧の下限値となるまでの時間を前記バッテリの前記寿命として求める
   ことを特徴とする請求項４記載のバッテリ寿命推定装置。
6. 前記推定部は、前記外部電源から電力が供給されない場合から供給される場合へ移行した時に前記温度データを取得する
   ことを特徴とする請求項５記載のバッテリ寿命推定装置。
7. 前記推定部は前記バッテリ残量が予め記憶したバッテリ寿命警告電圧に達した時に表示部にバッテリ交換時期に達した旨を警告する出力信号を送信する
   ことを特徴とする請求項６記載のバッテリ寿命推定装置。
8. 前記推定部は求めた前記寿命を表示するよう前記表示部に出力信号を送信する
   ことを特徴とする請求項７記載のバッテリ寿命推定装置。

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