JP2012026778A - 一次電池の残量検出方法及び残量検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】一次電池を使用したフィールド機器において、電池の残量を正確に予測することができる残量検出方法及び残量検出装置を提供する。
【解決手段】無線手段によりデータ収集するフィールド機器に搭載される一次電池に対して、所定の周期で所定時間負荷を接続した後に開放し、負荷接続したときの前記一次電池の電池電圧から、前記負荷を開放したときの前記一次電池の電池電圧の電圧に回復までの時間に基づいて前記一次電池の残量を判定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、プラント、工場等に分散配置され、無線手段でデータ収集する圧力／差圧伝送器、各種流量計、温度計、バルブ・ポジショナ等のフィールド機器に搭載される一次電池の残量検出方法及び残量検出装置に関するものである。

一般的なフィールド機器では、２線式信号線等で上位に設置される制御コンピュータ・システムと接続し、４−２０ｍＡの電流信号を送受信することにより、電源を生成するとともに、収集したデータを上位に送信する。

近年になっては、無線手段をフィールド機器に組み込んで、検知、収集したデータを制御コンピュータ・システム等の上位装置へ送信するシステムもあり、このようなフィールド機器に関連する先行技術文献としては、特許文献１及び特許文献２がある。

図５は、無線手段を具備するフィールド機器の構成例を示す機能ブロック図である。プロセス圧Ｐは、振動式センサ・ドライブ部１Ａ、１Ｂに入力され、振動式センサの固有振動数として検知、増幅、整形され、パルス信号としてＣＰＵ２に入力される。ＣＰＵ２は、周波数カウンターを備えたマクロプロセッサおよびデジタルアナログ回路である。

カウントされたパルス数からセンサの固有振動数(共振周波数)を計算し、その値からプロセス圧Ｐを算出する。算出結果は、ＲＦモジュール３を通してプロセス圧に応じた通信信号として、アンテナ４を介して、データ収集する上位装置に送信される。

表示装置５は、ＬＣＤ等の外部表示機能であり,プロセス圧やアラームを周期的に表示することができる。ＲＡＭ６及びＥＥＰＲＯＭ７は、ＣＰＵ２がプロセス圧Ｐを算出する際の補正係数や、プロセス圧の中間値、一次電池８の寿命管理データを格納する。

無線を使用したフィールド機器では、一次電池で動作する方式が一般的である。電池を用いる場合において、交換の手間を省くために、間欠動作等の省電力動作を行い、数年間の動作を要求されている。従って、一次電池には自己放電が極めて少ない特性を持つ塩化チオニルリチウム電池が使用される。

内蔵される一次電池８は、ＣＰＵ２により寿命管理される。一次電池の寿命管理手法として特許文献３に技術開示がある。図６は、特許文献３に開示されている従来の一次電池の残量検出装置の一実施例を示す機能ブロック図である。

一次電池１０に対して一定時間毎に、ＣＰＵ２０から電子スイッチ３０を介して一定負荷４０を接続し、接続時の電池電圧ＶをＣＰＵ２０で読み出し、予め設定されている基準電圧より負荷を接続したときの電圧Ｖが低下した場合に、電池寿命を迎えたと判定する。

図７は、負荷によるパルス電流Ｉが流れたときの電池電圧の変化特性図である。パルス電流Ｉを流した場合に低下する電池電圧Ｖｒと閾値Ｖｓとを比較して、ＶｒがＶｓを下回っている場合に電池寿命のアラームを立てる。

特開２００３−１３４０３０号公報 特開２００３−１３４２６１号公報 特開２００７−２８０９３５号公報

従来技術では、次のような問題がある。
（１）一次リチウム電池は、その特性上電極材料がなくなるまでは一定の電圧を維持し、無くなったとたんにほぼ０Ｖとなる。電池電圧を測定行い、寿命を計算する場合、電池交換のアラームを出しても、急激に電池電圧が低下するために、電池交換までの時間が少なく、交換が間に合わなくなり、システムダウン等の障害が発生する。

（２）また、電池の新旧を見分ける手法が特性上難しく、作業者が一旦取りはずした電池を再度装着した場合、新品と検知してしまい、電池寿命の時間の計算を誤りシステムダウン等の障害が発生する。

（３）上記特許文献３に記載の技術では、電池の内部インピーダンスによって、通常の動作の放電時の電圧より下回る可能性があり、このことによって、電池寿命を見誤る可能性がある。また、電池電圧が基準値を下回った場合に、初めて寿命を判断するものであり、電池交換を行うタイミングまでの予測が立てることができなく、その結果、電池電圧低下によるシステム障害が発生する。

（４）無線手段を持つフィールド機器で、外部からの受信を持ってデータ送信を返す場合に、ちょうど無線送受信作業と診断のためのパルス電流が重なった場合に、パルス電流Ｉに加えて、無線手段の動作電流も流すこととなる。

図８は、負荷によるパルス電流発生時に送信手段が稼動したときの電池電圧の変化特性図である。外部から受信要求ある場合については、無線動作がどこに入るかを機器は判断できないので、無線動作のようなパルス電流が流れている場合には、その消費電流が電池のインピーダンスにより、電池電圧をＶｒより更に低下したＶｒ´に下げる結果となり、閾値Ｖｓを下回ってしまい、誤検知を起こしてしまう可能性がある。

本発明の目的は、一次電池を使用したフィールド機器において、電池の残量を正確に予測することができる残量検出方法及び残量検出装置を提供することにある。

このような課題を達成するために、本発明は次の通りの構成になっている。
（１）無線手段によりデータ収集するフィールド機器に搭載される一次電池に対して、所定の周期で所定時間負荷を接続した後に開放し、負荷接続したときの前記一次電池の電池電圧から、前記負荷を開放したときの前記一次電池の電池電圧の電圧に回復までの時間に基づいて前記一次電池の残量を判定することを特徴とする一次電池の残量検出方法。

（２）負荷接続したときの前記一次電池の電圧と、負荷を開放したときの前記一次電池の電圧との差電圧をスパン１００％とするとき、負荷接続したときの前記一次電池の電圧よりこのスパンの略２０％から略８０％までの回復に要する時間を測定することを特徴とする（１）に記載の一次電池の残量検出方法。

（３）前記電池電圧が前記スパンの略２０％から略８０％までの回復要する時間に対する電池残量を参照値として保持するＲＯＭを備えることを特徴とする（２）に記載の一次電池の残量検出方法。

（４）前記一次電池の温度測定値により前記ＲＯＭの参照値を補正することを特徴とする（３）に記載の一次電池の残量検出方法。

（５）周期的に駆動される前記無線手段が前記一次電池の負荷となり、所定時間後負荷が開放されるときの一次電池の電池電圧の回復特性に基づいて前記一次電池の残量を判定することを特徴とする（１）乃至（４）のいずれかに記載の一次電池の残量検出方法。

（６）前記一次電池の残量の判定値が所定の閾値超えたときにアラーム表示若しくは前記無線手段でアラームを上位装置に送信することを特徴とする（１）乃至（５）のいずれかに記載の一次電池の残量検出方法。

（７）無線手段によりデータ収集するフィールド機器に搭載される一次電池に対して、所定の周期で所定時間負荷を接続した後に開放する負荷制御手段と、負荷接続したときの前記一次電池の電池電圧から、前記負荷を開放したときの前記一次電池の電池電圧の電圧に回復するまでの時間を計測する時間測定手段と、測定された時間に基づいて前記一次電池の残量を判定する電池残量判定手段とを備えることを特徴とする一次電池の残量検出装置。

本発明によれば、次のような効果を期待することができる。
（１）電池の内部インピーダンスによって、通常の動作の放電時の電圧より下回る場合にも、電池寿命を見誤る可能性がない。また、電池交換を行うタイミングまでの予測を精度よく立てることが可能であり、システム障害を回避することができる。

（２）無線フィールド機器のような製品の電池電圧低下によって、大きなトラブルが起こす製品であっても、電池の残量を正確に予測することによって、事前に電池交換のアラームを出し、トラブルを回避することができる。

本発明を適用した一次電池の残量検出装置の一実施例を示す機能ブロック図である。 負荷から開放された後の一次電池の電池電圧の回復特性図である。 図２の特性図より読み取ったスパン２０％から８０％までの所要時間を示す表である。 本発明の一次電池の残量検出方法の処理手順を示すフローチャートである。 無線手段を具備するフィールド機器の構成例を示す機能ブロック図である。 従来の一次電池の残量検出装置の一実施例を示す機能ブロック図である。 負荷によるパルス電流が流れたときの電池電圧の変化特性図である。 負荷によるパルス電流発生時に送信手段が稼動したときの電池電圧の変化特性図である。

以下本発明を、図面を用いて詳細に説明する。図１は、本発明を適用した一次電池の残量検出装置の一実施例を示す機能ブロック図である。図６で説明した従来構成と同一要素には同一符号を付して説明を省略する。

図１において、図６の従来構成に追加された要素は、温度センサ５０である。本発明の特徴は、ＣＰＵ２０内のデータ処理方法にある。ＣＰＵ２０のＩＯポート２１からの操作信号で電子スイッチ３０がオンオフ制御され、負荷４０が所定周期で所定時間一次電池１０に接続される。

一次電池１０の電圧Ｖは、ＣＰＵ２０に導かれ、Ａ／Ｄコンバータ２２で常時ディジタル変換される。内部カウンター２３は、トリガ信号をＡ／Ｄコンバータ２２に与え、所定時間間隔のＡ／Ｄコンバータ２２のディジタル変換値をＲＡＭ２４に保存させる。ＲＯＭ２５は、寿命予測参照値を保存し、この寿命予測参照値は、温度センサ５０からの温度測定値により補正される。

図２は、負荷から開放された後の一次電池の電池電圧の回復特性図である。図２（Ａ）は、電池残量が９０％相当の回復特性図である。負荷接続時の電池電圧ＶＬから負荷開放後の回復電圧ＶＨまでの上昇カーブの勾配をα１で示す。

図２（Ｂ）は、電池残量が２７％相当の回復特性図である。負荷接続時の電池電圧ＶＬから負荷開放後の回復電圧ＶＨまでの上昇カーブの勾配をα２で示す。α２＞α１であり、電池残量が少なくなるに比例して勾配が増加する。

本発明の特徴は、負荷開放後の回復電圧までの上昇カーブの勾配に基づいて電池残量を演算する。具体的な信号処理は、図２（Ａ），（Ｂ）に示すように、負荷接続したときの一次電池の電圧ＶＬと、負荷を開放したときの一次電池の電圧ＶＨとの差電圧をスパン１００％とするとき、負荷接続したときの一次電池の電圧ＶＬよりこのスパンの略２０％まで回復した時刻ｔ１から略８０％までの回復した時刻ｔ２までに要する経過時間Ｔ１，Ｔ２を測定し、この経過時間に対する電池残量の参照値をＲＯＭ２５のテーブルより読み出して電池残量を予測する。

図３は、図２の特性図より読み取ったスパン２０％から８０％までの所要時間を示す表である。この表によれば、電池残量９０％では、スパン２０％から８０％までの所要時間は４８.８１秒である。これに対し、電池残量２７％では、スパン２０％から８０％までの所要時間は４４.３２秒である。

一次電池１０は、温度によってその上昇カーブの勾配αに違いが見られることから、温度センサ５０の測定値によって、ＣＰＵ２０内のＲＯＭ２５に保持されている参照値を補正することで精度の良い寿命予測が実現される。

図４は、本発明の一次電池の残量検出方法の処理手順を示すフローチャートである。ステップＳ１で処理がスタータすると、ステップＳ２で温度データを取得する。次にステップＳ３で一次電池に所定期間負荷を与える。ステップＳ４にチェックで負荷接続が終了と判定すれば、ステップＳ５でカウンターをスタートさせ、ステップＳ６でカウンターをクリアする。

ステップＳ７でカウンターがＡｍｓに達したタイミングよりステップＳ８でＡＤ変換データをＲＡＭに保存、このデータ保存をステップＳ９のチェックでＢｓｅｃ経過まで継続し、ステップＳ１０に進む。ここで、Ａ及びＢは任意の数値である。

ステップＳ１０では、ＲＡＭに保存されたＡＤ変換データから負荷開放時の２０％から８０％時点までの所要時間を求める。ステップＳ１１でＲＯＭ内の参照値に温度による補正を実行する。

ステップＳ１２では温度補正されたＲＯＭの参照値との比較により一次電池の予測寿命を算出する。ステップＳ１３のチェックで、予測寿命がアラーム閾値より少である場合には、ステップＳ１４で無線通信及び機器の表示装置にてアラームを通報し、電池交換を促しステップＳ１５で処理を終了する。ステップＳ１３のチェックで、予測寿命がアラーム閾値より大である場合には、ステップＳ１５にスキップして処理を終了する。

フィールド機器が無線手段を備える構成では、周期的に所定時間駆動される無線手段が一次電池の負荷となるので、送信を停止してその負荷が開放されるときの一次電池の電池電圧の回復特性に基づいて一次電池の残量を判定する仕様とすることが可能である。

ＣＰＵ２０内のＲＯＭ２５に設定されている参照値は、平均環境温度によって温度補正を行ってもよい。また、ユーザーで電池交換行う際に、電池の新旧を判断するため、電池を挿入時にまず本発明の残量判定を実行してもよい。

１０ 電池
２０ ＣＰＵ
２１ ＩＯポート
２２ Ａ／Ｄコンバータ
２３ 内部カウンター
２４ ＲＡＭ
２５ ＲＯＭ
３０ 電子スイッチ
４０ 負荷
５０ 温度センサ

Claims (7)

1. 無線手段によりデータ収集するフィールド機器に搭載される一次電池に対して、所定の周期で所定時間負荷を接続した後に開放し、負荷接続したときの前記一次電池の電池電圧から、前記負荷を開放したときの前記一次電池の電池電圧の電圧に回復までの時間に基づいて前記一次電池の残量を判定することを特徴とする一次電池の残量検出方法。
2. 負荷接続したときの前記一次電池の電圧と、負荷を開放したときの前記一次電池の電圧との差電圧をスパン１００％とするとき、負荷接続したときの前記一次電池の電圧よりこのスパンの略２０％から略８０％までの回復に要する時間を測定することを特徴とする請求項１に記載の一次電池の残量検出方法。
3. 前記電池電圧が前記スパンの略２０％から略８０％までの回復要する時間に対する電池残量を参照値として保持するＲＯＭを備えることを特徴とする請求項２に記載の一次電池の残量検出方法。
4. 前記一次電池の温度測定値により前記ＲＯＭの参照値を補正することを特徴とする請求項３に記載の一次電池の残量検出方法。
5. 周期的に駆動される前記無線手段が前記一次電池の負荷となり、所定時間後負荷が開放されるときの一次電池の電池電圧の回復特性に基づいて前記一次電池の残量を判定することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の一次電池の残量検出方法。
6. 前記一次電池の残量の判定値が所定の閾値超えたときにアラーム表示若しくは前記無線手段でアラームを上位装置に送信することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の一次電池の残量検出方法。
7. 無線手段によりデータ収集するフィールド機器に搭載される一次電池に対して、所定の周期で所定時間負荷を接続した後に開放する負荷制御手段と、負荷接続したときの前記一次電池の電池電圧から、前記負荷を開放したときの前記一次電池の電池電圧の電圧に回復するまでの時間を計測する時間測定手段と、測定された時間に基づいて前記一次電池の残量を判定する電池残量判定手段とを備えることを特徴とする一次電池の残量検出装置。