JP7481410B2 - 電源システム - Google Patents

Description

本発明は、通信機器、センサー等から構成されるワイヤレスセンサーネットワーク用の電源システムに関するものであり、特に複数の電圧を、複数の外部出力端子に出力でき、複数のタイミングでのＯＮ／ＯＦＦ制御が可能で、太陽電池や二次電池、一次電池を電源とする電源システムに関する。

近年、すべての物がインターネットにつながるＩｏＴ（Ｉｎｔｅｒｎｅｔ ｏｆ Ｔｈｉｎｇｓ）端末の標準的な通信方式として、ＬＰＷＡ（Ｌｏｗ Ｐｏｗｅｒ Ｗｉｄｅ Ａｒｅａ）通信が注目されている。具体的には、ＬｏＲａ方式、ＳＩＧＦＯＸ（登録商標）方式、ＮＢ－ＩｏＴ方式等が知られている。これらの通信方式の特徴は、従来方式の１～２ケタ低い消費電力を使いながら、数キロメートル～数十キロメートルという広範囲での、通信が可能になる点である。この結果、ＩｏＴ端末の消費電力が低下するだけではなく、その基地局の消費電力も低下させることもできる。さらに、この基地局のサイズも大幅に小型化した結果、電信柱や建物の外壁や塀への取り付けが可能になる。

また、ＬＰＷＡ通信では、伝送レートが数十バイト／秒から数百キロバイト／秒と、他の通信方式と比較して遅いため、高度な半導体技術を用いることなく通信チップを安価に大量生産することができる。この結果、通信モジュールの低コスト化が可能である。さらに、ＬＰＷＡ通信では、基地局のコストが安いだけでなく、小型であるため、一つの基地局を設置するためのコストが大幅に低下する。さらに、一つの基地局がカバーできる領域も広いため、基地局数を削減することも可能であり、結果として、通信費の大幅な削減が可能になる。

以上、説明したようなＬＰＷＡ通信が普及することにより、太陽電池と二次電池の組合せた電源システムや一次電池を電源とする電源システムにより駆動可能なＩｏＴ通信端末を含むＩｏＴシステムが普及していくと予想されている。このようなＩｏＴシステムにとって重要なことは、ＩｏＴ通信端末の消費電力のみならず、ＩｏＴシステムを構成する様々な電圧、消費電流のセンサー、カメラ、電子ディスプレイ等の電源をも確保することである。なお、本明細書では、1台以上の無線通信端末と1台以上センサー類からなるユニットのことをＩｏＴシステムと定義する。通常、1台のＩｏＴ通信端末には１台のＩｏＴ通信端末と、１～３台のセンサー類が接続されることが一般的である。

このような多様な機器に対して電源を供給するシステムとしては、たとえば、特許文献１に記載された電源供給装置を使用することができる。この電源供給システムは、電圧が異なる複数の電源から、電圧、消費電流が異なる複数の電気回路に電源供給することが可能である。

また、ＩｏＴシステムでは、システム全体の消費電力を抑制することも重要である。そのためには、ＩｏＴシステムを構成する機器への電力供給を、必要な機器に必要なタイミングで行うことにより、待機電力を削減することが可能になる。たとえば、特許文献２には、あらかじめ登録された起動パターンによって、無線通信装置の送信回路、受信回路に電源投入される例が記載されている。これにより、無線通信装置を駆動させる必要がある時間以外の待機電力を最低限に抑えることが可能になる。

特許文献２では、予め決められた起動パターンによって、無線通信装置に電源供給されるシステムとなっているが、ＩｏＴシステムの運用上、これだけでは不都合が生じる場合がある。たとえば、河川の洪水監視用の水位センサーの計測値を無線通信装置で送信するような用途の場合、水位センサーの計測が必要になるのは増水した時である。この場合、通常時には無線通信装置に電源を投入する必要はなく、センサーを常時起動させておき、センサーの計測値が一定値以上になったときのみ頻繁なセンシングや通信を行う構成とするのが合理的である。

このようなシステムを実現する公知例としては特許文献３をあげることができる。特許文献３では電力を供給する電池と、電力を消費するセンサー、無線通信機との間に複数の電力供給経路を有し、システム全体の消費電力が大きい場合のみ、ＤＣコンバータを経由して、センサー、無線通信機に電力を供給するシステムとなっている。こうすることにより、電池の電力を有効活用できるとしている。さらに、特許文献３によれば、無線通信機からの情報をもとに、上記電力供給経路を切替えることができるとされている。

また、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。様々な電池に対応できる電源回路の例としては、特許文献４に記載されたような電源回路の公知例がある。この電源回路により出力電圧が異なる異種の電池を電源として使用できるようになる。

特開２０１０－１７８４５５号公報 特開平８－１３９６３５号公報 特開２０１２－９８８０９号公報 特開平５－１８４１３６号公報

以上の先行技術はいずれも優れたものであるが、様々な用途に使用されるＩｏＴシステム用の電源システムとして要求される機能を実現する場合、様々な課題が発生する。
（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。

特許文献１は、主に本課題に対してなされた発明であり、この電源システムは、電源の上流部に位置し、電圧、電流を柔軟に変更できる電源供給基板と、電源の下流部に位置し、電源供給基板で調整された所定の電力を負荷機器に供給するための機能基板、および、電源供給基板と機能基板を接続するコネクタから構成されている。さらに、機能基板には電圧電流情報格納手段が設けられており、機能基板に接続される負荷機器が要求する電圧電流情報が格納されている。この情報を電源供給基板に伝送することにより、電源供給基板において、適切な電圧、電流の調整ができるようになっている。

本先行技術は、機能基板のハードウェア構成、および、機能基板の電圧電流情報を変更することによって、様々な幅広い電流容量、電圧種の負荷機器からなるシステムに対応できる優れた技術である。しかしながら、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、電流容量に対する制限は大きくない。したがって、本先行技術のように、システム構成によって電源システムのハードウェア構成を変更することがコスト上の負担となっている。
（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。

これらの先行技術は、電源を一定の条件のもと、ＯＮ／ＯＦＦすることにより、不要な待機電力を削減することが可能な電源システムを提供するものであり優れた技術である。しかしながら、ＩｏＴシステムに要求される汎用的な電源システムとしては、様々な負荷機器を外部から接続した場合でも、各機器を個別にＯＮ／ＯＦＦ制御することが必要である。特に、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制御できることが重要であるが、これらの先行技術にはこの方法は示されていない。
（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。

様々な電池に対応できる電源システムの例としては、特許文献４に記載されたような電源回路の先行技術がある。この先行技術では、電子機器の電池収納部の電極にＤＣ／ＤＣコンバータを接続し、さらに電池収納部にセットされた電池の種類を検出する検出手段を設けて、この検出結果に基づいて、供給電源をＤＣ／ＤＣコンバータの出力か、または電池の出力に切り替えるよう電源切替えを行う。これにより、出力電圧が異なる異種の電池を電源として使用できるようにしている。

本先行技術は、様々な電池を電源として使用できる優れた技術であるが、電池の種類が異なった場合の電池残量の計測方法、電池の劣化診断方法は記載されていないため、通信装置を通じて、電池残量がなくなる前に電池残量を計測して、必要に応じて電池交換を行うこと、ができないという問題が発生する。

以上、まとめると、本発明の課題は以下のとおりである。
（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。

上記課題を解決するため、発明者らは鋭意検討を行った結果、以下の電源システムを考案するに至った。以下、詳細に説明する。

通常、ＩｏＴシステムでは1台の通信機と１～３台のセンサー類からなる接続機器と電源システムにより構成される。また、これらの機器の電圧は３．３Ｖ、５Ｖ、１２Ｖのいずれかが一般的である。たとえば、このようなＩｏＴシステムの場合、システム構成が変わった場合においても電源システムのハードウェアを変更する必要がないようにするためには、少なくとも４台の接続機器が３種類の電圧に対応できるように１２個の外部出力端子が必要になる。通常、外部出力端子の数は、コスト的にも回路基板に占めるスペース的にも、影響が大きいため、極力減らす必要がある。そこで、外部出力端子は必要最低限に抑えた上で、外部出力端子の前段に、ＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等の選択制御手段を設け、ディップスイッチ等の設定変更で各外部出力端子に割り当てる電圧を変更する方法を考案した。すなわち、
（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。

このようにすることにより、外部出力端子の数を大幅に削減することが可能になる。ただし、本発明のように限られた数の外部出力端子を様々な電圧に使用する場合、以下の問題が発生する。

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（たとえば、複数の端子接続が可能な複数口端子）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。

また、外部出力端子に印加される電圧を、ディップスイッチ等の目視できるスイッチを使って設定したとしても、ディップスイッチの切替えが不十分な場合、あるいは人為的なエラーで誤った設定をした場合、最悪の場合、接続機器を故障させてしまう恐れがある。

そこで、以下のように、ディップスイッチや半導体メモリ等の出力電圧割当情報格納手段に格納された情報を、多色ＬＥＤ等の出力電圧割当情報表示手段により、表示させることが極めて重要である。すなわち、
（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。

さらに、複数の外部出力端子の出力を外部出力端子ごとにＯＮ／ＯＦＦ制御する場合でも、電源システムの改変なしに対応するために、発明者等は、出力状態という概念を導入することとした。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、外部出力端子が四個ある場合、出力状態としては、端子１：ＯＮ，端子２：ＯＮ，端子３：ＯＮ、端子４：ＯＮから端子１：ＯＦＦ、端子２：ＯＦＦ、端子３：ＯＦＦ、端子４：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、これを選択制御手段により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。すなわち、
（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。

また、複数の出力状態を切替えるタイミングを決める方法としては、各出力状態が有効となる条件をディップスイッチや半導体メモリ等の出力状態切替えタイミング情報格納手段に格納する。各出力状態を有効にする条件として、出力状態ごとにタイマーで切り替えるか、センサーからの接点入力や通信機からのデータ入力による外部トリガーによって切り替えるかを設定できるようにすれば良い。また、タイマーによって切り替える場合は、該当する時間を設定できるようにしておけば良い。すなわち、
（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。

本発明の電源システムの、もう一つの特徴は様々な電池を電源として接続できることであり、特に、電池の種類が異なった場合でも電池残量の計測、電池の劣化診断が可能なことである。これらを行うためには、接続された電池の使用可能な上限電圧、下限電圧が必要である。一般的に、電池の上限電圧、下限電圧は電池の種類のよって異なり、また、電池残量は上限電圧と下限電圧の間の電圧を計測することにより、推定できるからである。また、電池が劣化した際には、多くの場合、充電後の電池電圧が上限電圧まで上昇しないことによって劣化診断を行うことができるからである。すなわち、以下のような電源システムとすれば良い。
（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。

また、このようなシステムでは、様々なシステム制御情報の設定をディップスイッチの設定や半導体メモリへのデータ転送によって行うことができるが、設定データを有効にさせるためのシステム制御情報リセットスイッチがあれば、よりユーザビリティが高いシステムとなる。すなわち、
（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。

本発明によれば、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ができる。さらに、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ができる。また、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ができる。

本発明の電源システムのブロック図である。 本発明の電源システムで使用される電池に関する情報を示す表である。 本発明の太陽光発電電源システムのブロック図である。 本発明の電源システムの出力制御スイッチの動作を説明するための図である。 本発明の電源システムのブロック図である。

図１を用いて、本発明を実施するための形態を説明する。まず、電源システム１００の概要を説明し、その後、詳細を説明する。

図１は本発明の電源システムのブロック図である。電源として使用する電池１４２から出力された電力を複数のＤＣ／ＤＣコンバータで三種類の電圧に変換し、出力制御スイッチ群１３６を介して外部出力端子１１１～１１４に三種類の電圧が出力される構成となっている。また、電源システム制御部１３０は、主に二つの役割を担っている。出力制御スイッチ群１３６の制御とシステム情報表示部１５０へのシステム情報の表示である。

出力制御スイッチ群１３６を制御するためには、出力状態切替えタイミング情報格納部１２２、出力電圧割当情報格納部１２３、出力状態情報格納部１２４の情報をもとにしている。また、これらの情報格納部１２２～１２４の情報を更新するタイミングは、システム制御情報リセットボタン１３１が押されたタイミングである。

さらに、システム情報表示部１５０には、各外部出力端子１１１～１１４に出力される電圧情報、電池１４２の電池残量情報や電池劣化情報が表示される。各外部出力端子１１１～１１４に出力される電圧情報は、出力電圧割当情報格納部１２３の情報をもとに行われ、電池１４２の電池残量情報と電池劣化情報は、電池１４２の電圧を電圧計測スイッチ１３８と分圧回路部１３２を介して電源システム制御部１３０で計測することにより行われる。システム情報表示部１５０に情報が表示されるタイミングは、システム制御情報リセットボタン１３１が押されたタイミングであり、この際、電源システム制御部１３０は、電圧計測スイッチ１３８を制御することにより電池１４２の電圧を計測して、電池残量情報、電池劣化情報を算出する。

次に本発明の電源システムの詳細を説明する。

＜電源＞
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２は、本発明のシステムが電源として使用できる電池の一般的な１セルあたりの公称電圧、下限電圧、上限電圧、およびの本システム用の電源として使用する際の使用可能な直列接続範囲を示す図である。この図にあるように多様な電圧の電池を多様な直列接続した電池に対応できることが特徴である。電池の直列数を増やして電池電圧を高くした場合、同じ電力を出力するための電流が少なくなるため、出力電力を上げることができるというメリットがあるが、リチウムイオン電池や二酸化マンガンリチウム電池のように、エネルギー密度が高く可燃性の液体を使用している電池の場合、直列数を上げると危険性が増すため、電池の安全性を担保するための電池監視回路等のコストが高くなるという問題がある。

さらに、リチウムイオン電池や鉛電池、ニッケル水素電池等の二次電池の場合、太陽電池等の発電機器と接続して使用する。図３は太陽電池と本発明の電源システムを接続した太陽光発電電源システムのブロック図である。本太陽光発電電源システム３００は、太陽電池３０１、ソーラーチャージャー３０２、本発明の電源システム１００から構成されている。太陽電池３０１により発電された電力はソーラーチャージャー３０２において、最大電力追従制御により出力電力が最大化される。また、ソーラーチャージャー３０２はこの電力を二次電池に適した充電電圧に変換したうえで、電源システム１００内の二次電池を充電する。

図２に示した上限電圧は、二次電池の場合、ソーラーチャージャー３０２にて生成される電力の電圧にほぼ対応している。ソーラーチャージャー３０２から伝送された電力は、電池の電力よりも優先的に使用され、最終的に負荷機器１０１～１０４に供給される。太陽電池３０１で生成される電力が負荷機器１０１～１０４で消費される電力をまかなうことができている場合、太陽光発電された電力が、二次電池の充電にも使用されるよう制御されている。太陽光発電がない夜間には、日中、二次電池に充電された電力を使用する。

次に、複数の異なる種類の電池が取り付けられた場合の、電池残量の計測、電池劣化診断の方法について説明する。電池残量計測、電池劣化診断を行うため電池電圧の計測を行う方法を、図１を用いて説明する。電池電圧を計測するためには電圧計測スイッチ１３８を制御し分圧回路部１３２によって電池電圧を約１／５に分圧し、実際の電圧の２０％程度に低下させる。電源システム制御部は、通常、低消費電力のマイコンを使用するが、マイコンが電圧を計測するには、マイコンが処理できる電圧（通常は５Ｖ以下）にする必要があるからである。通常、このような低消費電力のマイコンを使用するシステムでは５Ｖ以下の電池を使うため、このような問題は発生しないが、本発明の電源システムでは、マイコンが処理できる電圧が３．３Ｖ以下であり、これに対して１５Ｖまでの電池の電圧を計測する必要があるため、このような工夫が必要である。

以上の方法で計測された電池電圧は、予め電源情報格納部１２１に格納されている電池の上限電圧情報と下限電圧情報の間の値になる。この間にならない場合は、すでに下限電圧以下となり、電池交換が必要な状態となっているか、誤った電池が接続された場合が想定されるため、電源システムの停止等の処置を行う。なお、電源情報格納部１２１としては、半導体メモリを使用しているが、半導体メモリにデータを伝送するためには外部からの通信が必要になるため、用途によっては通信が不要なディップスイッチを電源情報格納部１２１として採用することも可能である。

電池残量を推定するためには、上限電圧を残量１００％、下限電圧を残量０％として、計測時の残量を推定する。この推定方法には様々な方法があるが、精度は低いが、最も低コストで推定できる方法は、上限電圧と下限電圧の間を直線補間して、計測電圧値から電池残量を推定する方法である。精度良く計測する必要がある場合は、計測電圧の値と同時に電池の種類情報を電源情報格納部１２１に格納しておく。こうすることにより、電池の種類ごとに異なる放電カーブを参照し、これをもとに電池残量を推定することができる。また、電池電圧は放電電流が大きい状態で計測すると、誤差が大きくなるため、負荷機器が稼働していない時間を選んで計測する等の対策を行うことも有効である。

二次電池の劣化度を判定する場合、満充電になっている可能性が高い時間帯、たとえば、太陽光発電により充電する場合は日没直後の時間に定期的に電池電圧を測定し、その値を記録しておけば良い。雨天の日には充電量が十分ではないこともあるが、ある一定期間、この測定を繰り返すことにより、その間の最も高い電池電圧が、満充電状態だと推定できる。この電池電圧と、予め電源情報格納部１２１に格納されている上限電圧を比較し、この差から電池の劣化度を推定するのである。この方法は、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池の劣化診断としては、限定的な効果しか得られないが、鉛電池に対して有効である。

リチウムイオン電池や、ニッケル水素電池に対しても有効な方法は、電池残量が少なくなる日の出前の時間帯にも、定期的に電池の電圧を測定し、その値を記録しておけば良い。こうすることにより、二次電池の劣化度合い（上記した満充電状態からの電圧の低下量）の推移を継続的に計測することができる。たとえば、図３に示した太陽光発電システムでは、太陽光による発電がなかったとしても、５日間、システム全体に電力供給できるよう電池の容量を選定する。この際、電池の劣化を考慮して予め２倍程度の容量にする。２４時間一定の比率で電力が消費されるシステムでは、発電が止まる日没から日の出までの時間から一時間当たりの電池残量の低下量を計測することができる。この値を二次電池の劣化度合いとして管理すれば良い。この値から二次電池が、５日間の電力を賄えなくなった時点を電池の交換時期として管理するのである。

以上、詳細に述べたように、異なった数種類の電池が接続されたとしても、あらかじめ、電池の上限電圧と下限電圧情報、または、電池の種類情報、放電カーブ情報等、電池の上限電圧と下限電圧を特定できる情報を格納することにより、電池の残量を推定することができる。こうして得られた電池残量情報を接続されている通信機を介してシステム管理サーバに転送することにより、電池交換が必要な時期を知ることができる。また、電源システム基板に電池残量を表示する手段（たとえば、ＬＥＤ素子等）を設けておくことにより、定期点検の際に電池残量を知ることができ、その場で電池交換することができる。

＜昇降圧回路＞
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。

＜電圧制御＞
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。

ここで出力制御スイッチ群１３６の動作を詳細に説明するため、外部出力端子１１１に供給される電力を制御する部分の出力制御スイッチ１３６１、および外部出力端子１１１に関連した出力制御関連部分のみを図４に示した。外部出力端子１１１に供給される電力を制御している出力制御スイッチ１３６１は三つのＦＥＴから構成されている。それぞれ、３．３Ｖ用スイッチ４０１、５Ｖ用スイッチ４０２、１２Ｖ用スイッチ４０３である。これらのスイッチは主に二つの役割を担っている。一つは外部出力端子１１１への供給電力の電圧選定、もう一つの役割は外部出力端子１１１への供給電力のＯＮ／ＯＦＦ制御である。これらの動作について以下に説明する。

外部出力端子１１１への供給電力の電圧選定を行えるよう、本電源システムでは出力割当情報格納部１２３が設けられている。具体的には外部出力端子ごとに、２ビットのディップスイッチが設けられており、ユーザーは外部出力端子ごとの電圧をディップスイッチの設定により行える。たとえば、出力電圧割当情報格納部１２３において、外部出力端子１１１用の電圧として３．３Ｖが選択された場合、電源システム情報部１３０は出力電圧割当情報格納部１２３の設定変更がなされるまで、５Ｖ用スイッチ４０２、１２Ｖ用スイッチ４０３を、常にＯＦＦ状態にするよう制御する。また、出力電圧割当情報格納部１２３において選択された３．３Ｖ用スイッチ４０１は以下に説明するＯＮ／ＯＦＦ制御を担うことになる。以上、外部出力端子１１１用の出力制御スイッチについて詳細に説明したが、他の外部出力端子１１２～１１４についても同様の動作を行う。

なお、図５は図１の変形例である。出力制御スイッチ群１３７は、３．３Ｖ用スイッチ、５Ｖ用スイッチ、１２Ｖ用スイッチで構成される出力制御スイッチ１３７１～１３７３と、５Ｖ用スイッチのみで構成される出力制御スイッチ１３７４で構成される。出力制御スイッチ群１３７のように、出力制御スイッチ群は、必ずしも同じタイプの出力制御スイッチで構成される必要はない。

また、出力制御スイッチは必ずしも全ての外部出力端子に対応して設ける必要はなく、例えば、一部の外部出力端子は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３３～１３５により昇降圧された電力のいずれかを常に出力するものでもよい。

＜ＯＮ／ＯＦＦ制御＞
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。

この二つの出力状態を切替えることにより、外部出力端子１１１～１１４のＯＮ／ＯＦＦを個別に制御することが可能になる。たとえば、負荷機器１０１として通信機が接続され、負荷機器１０２としてセンサーが接続されているとする。また、常時センサーを起動させておき、センサーが対象を検知したときのみ通信機が必要な情報を送信するような場合を考える。このようなケースでは、出力状態１として外部出力端子１１１をＯＮ、外部出力端子１１２をＯＮとし、出力状態２として外部出力端子１１１をＯＦＦ、外部出力端子１１２をＯＮと設定しておけばよい。こうすることにより、必要な時のみＯＮされていればよい外部出力端子１１１の通信機は、必要な時のみＯＮに切り替えられ、常時ＯＮされている必要がある外部出力端子１１２は、常時ＯＮに制御される。

つぎに上記出力状態を切替えるタイミングの設定方法を説明する。本電源システムでは、二つの方法で出力状態を切替えることができる。一つはタイマーによる切替えモード、もう一つは外部トリガーによる切替えモードである。切替えモードを選択できるよう出力状態ごとに１ビットのディップスイッチが出力状態切替えタイミング情報格納部１２２として設けられている。こうすることにより、出力状態１では外部トリガーモード、出力状態２ではタイマーモードを選択するようなハイブリッド制御も可能となる。たとえば、上記通信機とセンサーの例では、センサーによる対象の検知が外部トリガーに相当し、一定時間通信を行うと自動的に通信機の電源をＯＦＦにする制御が、上記ハイブリッド制御に相当する。外部トリガーの方法としては、通信による外部トリガーと、センサー出力の電圧変化による外部トリガーの二つの方法に対応できるようになっている。なお、タイマー設定は出力状態ごとに可能となっており、それぞれ１秒から７日までの間で１６種類の時間を選択できるよう４ビットのディップスイッチが出力状態切替えタイミング情報格納部１２２として設けられている。

＜システム情報表示＞
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。

たとえば本発明の電源システムでは、外部出力端子１１１～１１４として、四本の接地用電線を含め８本の電線の接続が可能な複数口端子を使用している。このように、一つの部品にすることにより製造コストを削減できるからである。ただし、このように異なる電圧が出力される端子を一つの部品とすることにより、電圧を間違えて接続するリスクが高くなる。この問題を避けるため、本発明の電源システムでは、四個の外部出力端子に対応した緑と青と赤の３色ＬＥＤ四個をシステム情報表示部１５０として設けてある。ＬＥＤの色がそれぞれの外部出力端子に印加されている電圧に対応しており、緑が３．３Ｖ、青が５Ｖ、赤が１２Ｖに対応している。このようなシステム情報表示部があることにより、負荷機器の電力線の誤挿入を大幅に削減することが可能になる。

また、このＬＥＤは電池の残量表示の役割も担っている。先に述べた方法により、電池の残量を計測したのち、残量に対応した緑のＬＥＤを点滅させる。具体的にはＬＥＤが一つ点滅：電池残量０～２５％、二つ点滅：電池残量２６～５０％、三つ点滅：電池残量５１～７５％、四つ点滅：電池残量７６～１００％としている。さらにこのＬＥＤを電池の劣化情報表示、エラー情報表示としても利用可能である。

＜システム制御情報リセットボタン＞
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。

本発明は、接続されている負荷機器の消費電力や、気温が、特定の間隔で変動する場所、用途で使用される電源システムに関する。特に、通信機器やセンシング、さらに電子ペーパーを用いたデジタルサイネージ機器のように定期的に電力を消費する負荷機器に電力を供給する電源システムや、屋外機器に電源供給を行う電源システムに適応すれば大きな効果ある。

１００ 電源システム
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 (1)

1. 電圧の異なる複数種の電池を電源として使用可能な電源システムであって、
   前記電源システムに接続される前記電池の電圧を計測する電圧計測手段と、
   前記電源システムに接続される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、
   前記電源システムに接続される前記電池からの電力を外部機器に供給する電力供給手段と、
   制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、前記電源システムに接続された電池について、前記電圧計測手段で計測した前記電池の電圧が前記電源情報格納手段で予め格納された前記上限電圧情報と前記下限電圧情報の範囲内に無いときに、前記電源システムの停止処理を行うことにより、前記電力供給手段から前記電源システムに接続される前記電池の電力を前記外部機器に供給しないように制御する、
   ことを特徴とする電源システム。

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