(57)【要約】【課題】バッテリの交換周期を長くし、機器を本質安全防爆対応にし、コストと機器の体積の増大を抑制する。【解決手段】電源回路は、バッテリ回路１−１，１−２を備え、各バッテリ回路１−１，１−２は、バッテリ２−１，２−２と、バッテリ２−１，２−２の電圧に一定の電圧降下をもたらす定電圧降下回路３−１，３−２と、定電圧降下回路３−１，３−２を選択的に無効化するバイパス回路４−１，４−２と、アノードが定電圧降下回路３−１，３−２の出力端子に接続され、カソードが負荷回路７の正極側電源端子に接続された逆流防止ダイオード６−１，６−２とを備える。２つのバッテリ回路のうち運用系のバッテリ回路１−１のバイパス回路４−１をＯＮ設定とし、待機系のバッテリ回路１−２のバイパス回路４−２をＯＦＦ設定とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
負荷回路に対して並列に接続された複数のバッテリ回路を備え、
各バッテリ回路は、
負極が前記負荷回路の負極側電源端子に接続されたバッテリと、
入力端子が前記バッテリの正極に接続され、前記バッテリの電圧に一定の電圧降下をもたらす定電圧降下回路と、
この定電圧降下回路の入力端子と出力端子との間に設けられ、前記定電圧降下回路を選択的に無効化するバイパス回路と、
アノードが前記定電圧降下回路の出力端子に接続され、カソードが前記負荷回路の正極側電源端子に接続された逆流防止ダイオードとを備え、
前記複数のバッテリ回路のうち運用系のバッテリ回路のバイパス回路をＯＮ設定とし、待機系のバッテリ回路のバイパス回路をＯＦＦ設定とすることを特徴とする電源回路。
【請求項２】
請求項１記載の電源回路において、
さらに、各バッテリ回路は、バッテリの電圧および電流のうち少なくとも一方を計測する計測回路を備えることを特徴とする電源回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無線フィールド機器等の電子機器に搭載される電源回路に係り、特にバッテリを使用して負荷に電力を供給する電源回路に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
無線フィールド機器は、既設プラントに新たに配線を引かずに追加できるため、有効であり、普及し始めている。無線フィールド機器は、外部から電源を供給することができないため、バッテリの電力によって動作させることが多い。したがって、数年程度の比較的長期間動作させることが可能なバッテリを搭載する必要がある。
【０００３】
長寿命大容量バッテリとして、塩化チオニールリチウムバッテリが使用されることが多いが、このバッテリは使用する電流値、周囲温度などによって容量が変化し、最大容量（定格容量）に比べて半分程度の容量になってしまうことがある。また、長期間動作に使用されるバッテリは、内部抵抗が大きいため、多くの電流を取り出すと電圧降下が大きくなる。
【０００４】
無線フィールド機器は、一般的に、間欠動作により平均消費電流を少なくするようにしているが、無線送信時には、１ｍｓ程度の非常に短時間であっても、数十ｍＡ程度の電流が流れる。一方、すべての回路が動作していないスリープ時には数十μＡ程度の消費電流であり、無線送信時とスリープ時の消費電流の比は１０００倍にも及ぶ。このように消費電流が変化する場合に、バッテリからどの程度の電力が取り出せるかは、厳密には不明であり、予期せず短期間で電池寿命となってしまうことが有り得る。
【０００５】
また、無線フィールド機器は、メッシュネットと呼ばれる、他ノードの通信データを中継する機能を持っていることが多く、中継を行わない場合（自ノードだけの通信を行う場合）と中継を行う場合とでは消費電流が大きく異なるし、中継する他ノードの数によっても消費電流は大きく変化する。さらに、データの中継については、システムが自動的に判断し決定するので、状況に応じて動的に変化していくため、消費電流を事前に正確に見積もることは不可能である。
【０００６】
図６（Ａ）、図６（Ｂ）は従来の電源回路の動作を説明する図であり、図６（Ａ）はバッテリの電圧を示し、図６（Ｂ）は負荷回路を流れる電流を示している。図７は電源回路（バッテリ１００）と負荷回路１０１との接続を示すブロック図である。図６（Ａ）において、Ｖ１０はバッテリ１００の容量が多い場合のバッテリ電圧、Ｖ１１はバッテリ１００の容量が少ない場合のバッテリ電圧、ＶＬは負荷回路１０１の最低動作電圧である。
【０００７】
バッテリの残容量が少なくなってくると、無負荷時のバッテリの電圧が若干低下する傾向にあるものの、十分正常な範囲であることが多い。しかし、図６（Ｂ）に示すように無線送信時などに大きな消費電流が流れたときには、電圧降下によりバッテリ１００の電圧Ｖ１１が負荷回路１０１の最低動作電圧ＶＬを下回ってしまうことがある。無線フィールド機器が間欠動作するため、バッテリの電圧が回路の最低動作電圧を下回るのは短時間であるものの、正常な動作は期待できない。したがって、このような場合、バッテリの寿命と判断し、バッテリを交換する必要がある。従来、バッテリの寿命を判定する技術としては、特許文献１に開示された技術がある。
【０００８】
また、一時的な大電流を供給できるようにするために、バッテリと負荷との間に大容量のコンデンサを挿入し、バッテリからの電流を減らす方法がある。しかし、機器が防爆対応の場合、大容量コンデンサの追加は困難である。その理由は、本質安全防爆では、点火源となり得る、蓄積されたエネルギー量を制限しており、大容量コンデンサを使用することが難しいからである。
【０００９】
また、特許文献２に開示されているようにバッテリを並列に多数接続し、バッテリの内部抵抗を小さくすることで、大電流使用時の電圧降下を小さくすることが考えられるが、多数のバッテリを使用すると、コストと機器の体積が増大するという問題がある。
また、通常は太陽電池などの発電機から電力を供給し、発電機から電力が供給できないときにはバッテリから電力を供給する技術が提案されている（特許文献３参照）。しかし、特許文献３に開示された技術では、光、振動、温度差などを利用して発電する発電機を使用しているが、無線フィールド機器を動作させる充分な電力を生成することができず、十分な電力を得ようとすると発電機のサイズが大きくなってしまうという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００４−３２０９２３号公報
【特許文献２】特開２００５−１７６４６１号公報
【特許文献３】特開２００６−２０４０２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
以上のように従来の技術では、バッテリの寿命を判定することはできるが、バッテリを無線フィールド機器に適用した場合、バッテリが本来の想定よりも短期間で寿命となってしまい、バッテリの交換周期が短くなってしまうことが有り得る。
バッテリの交換周期を長くするために、バッテリと負荷との間に大容量のコンデンサを挿入する技術もあるが、本質安全防爆を満たさないという問題点があった。
また、バッテリを並列に多数接続する方法では、コストと機器の体積が増大するという問題点があった。
また、特許文献３に開示された技術では、無線フィールド機器を動作させる充分な電力を生成することができず、十分な電力を得ようとすると発電機のサイズが大きくなってしまい、無線フィールド機器に発電機を搭載できないという問題点があった。
【００１２】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、バッテリの交換周期を長くすることができ、電源回路を搭載する機器を本質安全防爆対応にすることができ、コストと機器の体積の増大を抑制することができる電源回路を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の電源回路は、負荷回路に対して並列に接続された複数のバッテリ回路を備え、各バッテリ回路は、負極が前記負荷回路の負極側電源端子に接続されたバッテリと、入力端子が前記バッテリの正極に接続され、前記バッテリの電圧に一定の電圧降下をもたらす定電圧降下回路と、この定電圧降下回路の入力端子と出力端子との間に設けられ、前記定電圧降下回路を選択的に無効化するバイパス回路と、アノードが前記定電圧降下回路の出力端子に接続され、カソードが前記負荷回路の正極側電源端子に接続された逆流防止ダイオードとを備え、前記複数のバッテリ回路のうち運用系のバッテリ回路のバイパス回路をＯＮ設定とし、待機系のバッテリ回路のバイパス回路をＯＦＦ設定とすることを特徴とするものである。
また、本発明の電源回路の１構成例において、さらに、各バッテリ回路は、バッテリの電圧および電流のうち少なくとも一方を計測する計測回路を備えることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、運用系のバッテリが本来の想定よりも短期間で寿命となってしまった場合でも、待機系のバッテリにより更に電力を供給し続けることができるので、従来よりもバッテリの交換周期を長くすることができる。また、本発明では、バッテリと負荷回路との間にコンデンサを設けないので、本発明の電源回路を搭載する機器を、本質安全防爆対応にすることができる。また、本発明では、最低２つのバッテリとその付属回路を機器に搭載すればよいので、多数のバッテリを搭載する場合や発電機を搭載する場合と比べて、コストと機器の体積の増大を抑制することができる。
【００１５】
また、本発明では、計測回路を設けることにより、運用系のバッテリの状態（寿命）を監視することができ、バッテリの交換時期を適切に把握することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施の形態に係る電源回路の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る定電圧降下回路の構成を示す回路図である。
【図３】本発明の実施の形態に係るバイパス回路の構成を示す回路図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る電圧／電流計測回路の電流計測部の構成を示す回路図である。
【図５】本発明の実施の形態に係る電源回路の動作を説明する図である。
【図６】従来の電源回路の動作を説明する図である。
【図７】従来の電源回路と負荷回路との接続を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の実施の形態に係る電源回路の構成を示すブロック図である。
本実施の形態の電源回路は、バッテリを各々含む２つのバッテリ回路１−１，１−２を負荷回路７に対して並列に接続したものである。本実施の形態の電源回路は、例えば無線フィールド機器に搭載される。負荷回路７は、送信回路や受信回路等を含む。
【００１８】
バッテリ回路１−１は、負極が負荷回路７の負極側電源端子に接続されたバッテリ２−１と、入力端子がバッテリ２−１の正極に接続され、バッテリ２−１の電圧に一定の電圧降下をもたらす定電圧降下回路３−１と、定電圧降下回路３−１の入力端子と出力端子との間に設けられ、この入力端子と出力端子とを短絡することにより定電圧降下回路３−１を選択的に無効化するバイパス回路４−１と、バッテリ２−１の電圧および電流のうち少なくとも一方を計測する電圧／電流計測回路５−１と、アノードが定電圧降下回路３−１の出力端子（バッテリ２−１の正極）に接続され、カソードが負荷回路７の正極側電源端子に接続される逆流防止ダイオード６−１とから構成される。
【００１９】
同様に、バッテリ回路１−２は、負極が負荷回路７の負極側電源端子に接続されたバッテリ２−２と、入力端子がバッテリ２−２の正極に接続された定電圧降下回路３−２と、定電圧降下回路３−２の入力端子と出力端子との間に設けられ、定電圧降下回路３−２を選択的に無効化するバイパス回路４−２と、バッテリ２−２の電圧および電流のうち少なくとも一方を計測する電圧／電流計測回路５−２と、アノードが定電圧降下回路３−２の出力端子（バッテリ２−２の正極）に接続され、カソードが負荷回路７の正極側電源端子に接続される逆流防止ダイオード６−２とから構成される。
【００２０】
以下、本実施の形態の電源回路の構成とその動作についてより詳細に説明する。定電圧降下回路３−１は、図２に示すように複数のダイオード３０を直列に接続した構成からなる。定電圧降下回路３−１による電圧降下量は、ダイオード３０の個数で決定される。図２の３１は定電圧降下回路３−１の入力端子、３２は出力端子である。入力端子３１はバッテリ２−１の正極に接続される。定電圧降下回路３−２の構成も定電圧降下回路３−１と同様である。
【００２１】
バイパス回路４−１は、図３に示すようにスイッチ４０からなる。図３の４１はバイパス回路４−１の入力端子、４２は出力端子である。入力端子４１は定電圧降下回路３−１の入力端子３１に接続され、出力端子４２は定電圧降下回路３−１の出力端子３２に接続される。スイッチ４０としては、アナログスイッチ、トランジスタ、リレーなどがある。スイッチ４０としてアナログスイッチ、トランジスタ、リレーなどの外部から電気的にオン／オフを制御可能な素子を用いる場合には、バイパス回路４−１の動作を外部から電気的に設定することが可能である。バイパス回路４−２の構成もバイパス回路４−１と同様である。
【００２２】
本実施の形態では、バッテリ回路１−１を通常使用する運用系のバッテリ回路とし、バッテリ回路１−２を運用系のバッテリ回路が寿命を迎えてから使用される待機系のバッテリ回路とする。そして、運用系のバッテリ回路１−１のバイパス回路４−１を手動操作もしくは外部からの電気的な操作によりＯＮ設定（定電圧降下回路３−１を無効にする）とし、待機系のバッテリ回路１−２のバイパス回路４−２を手動操作もしくは外部からの電気的な操作によりＯＦＦ設定（定電圧降下回路３−２を有効にする）としておく。
【００２３】
バイパス回路４−１，４−２を電気的に操作する場合、予め定められた設定に従って負荷回路７の設定手段（不図示）がバイパス回路４−１，４−２を操作してもよいし、バイパス回路４−１，４−２の所望の状態を外部から負荷回路７の受信手段（不図示）に対して無線で通知し、この通知に応じて負荷回路７の設定手段がバイパス回路４−１，４−２を操作するようにしてもよい。
【００２４】
電圧／電流計測回路５−１の電流計測部は、図４に示すように、抵抗５０〜５３と、オペアンプ５４と、コンパレータ５５とから構成される。図４の５６は入力端子、５７は出力端子、５８は信号出力端子である。入力端子５６は定電圧降下回路３−１の出力端子３２に接続され、出力端子５７は逆流防止ダイオード６−１のアノードに接続される。図４に示した回路は、基準電圧Ｖｒｅｆで規定される一定電流以上の電流が抵抗５０に流れた場合に、コンパレータ５５の信号出力端子５８から信号を出力するものである。電圧／電流計測回路５−２の構成も電圧／電流計測回路５−１と同様である。電圧／電流計測回路５−１，５−２でバッテリ２−１，２−２の電圧（定電圧降下回路３−１，３−２の出力端子の電圧）を計測する構成は周知の技術で実現できるので、詳細な説明は省略する。
【００２５】
図５（Ａ）、図５（Ｂ）は本実施の形態の電源回路の動作を説明する図である。図５（Ａ）は電源回路の各部の電圧を示し、図５（Ｂ）は負荷回路７を流れる電流を示している。ここでは、運用系のバッテリ２−１の容量が減り始め、待機系のバッテリ２−２の容量が十分に残っている場合を示している。図５（Ａ）において、Ｖ１はバッテリ回路１−１の出力電圧（逆流防止ダイオード６−１のアノード電圧）、Ｖ２はバッテリ回路１−２の出力電圧（逆流防止ダイオード６−２のアノード電圧）、Ｖ３はバッテリ２−２の電圧、Ｖ４は負荷回路７に供給される電圧（逆流防止ダイオード６−１，６−２のカソード電圧）、ＶＬは負荷回路７の最低動作電圧である。
【００２６】
待機系の定電圧降下回路３−２の電圧降下量は、待機系のバッテリ回路１−２の出力電圧Ｖ２が、運用系のバッテリ回路１−１の出力電圧Ｖ１を下回り、かつバッテリ回路１−２から負荷回路７に電力を供給する場合でも、負荷回路７に供給される電圧Ｖ４が負荷回路７の最低動作電圧ＶＬを下回ることがないように、予め設定されている。したがって、通常の状態では、待機系のバッテリ回路１−２の出力電圧Ｖ２よりも運用系のバッテリ回路１−１の出力電圧Ｖ１の方が高いので、運用系のバッテリ回路１−１から負荷回路７へ電力が供給される。
【００２７】
図５（Ａ）、図５（Ｂ）の時刻ｔ１のように負荷回路７に電流が流れ、バッテリ２−１の電圧降下により運用系のバッテリ回路１−１の出力電圧Ｖ１が低下しても、この電圧Ｖ１が待機系のバッテリ回路１−２の出力電圧Ｖ２よりも高ければ、運用系のバッテリ回路１−１から電力を供給する状態が継続される。
【００２８】
一方、運用系のバッテリ２−１の容量が減り始めた状態で、時刻ｔ２のように負荷回路７に大きな電流が流れ、運用系のバッテリ回路１−１の出力電圧Ｖ１が待機系のバッテリ回路１−２の出力電圧Ｖ２を下回った場合には、待機系のバッテリ回路１−２から負荷回路７へ電力が供給される。また、バッテリ２−１が寿命に達して、運用系のバッテリ回路１−１の出力電圧Ｖ１が待機系のバッテリ回路１−２の出力電圧Ｖ２を継続的に下回るようになった場合にも、待機系のバッテリ回路１−２から負荷回路７へ電力が供給される。
【００２９】
以上のように、本実施の形態では、逆流防止ダイオード６−１，６−２を介して２つのバッテリ回路１−１，１−２を負荷回路７に対して並列に接続し、運用系のバッテリ回路１−１のバイパス回路４−１をＯＮ設定（定電圧降下回路３−１を無効にする）、待機系のバッテリ回路１−２のバイパス回路４−２をＯＦＦ設定（定電圧降下回路３−２を有効にする）にしておくことにより、通常の状態では運用系のバッテリ回路１−１から負荷回路７へ電力を供給し、運用系のバッテリ回路１−１の電圧が不足した場合には、待機系のバッテリ回路１−２から負荷回路７へ電力を供給するようにしたので、負荷回路７を長期間動作させることができる。
【００３０】
したがって、本実施の形態によれば、運用系のバッテリ２−１が本来の想定よりも短期間で寿命となってしまった場合でも、待機系のバッテリ２−２により更に電力を供給し続けることができるので、従来よりもバッテリの交換周期を長くすることができる。また、本実施の形態では、バッテリと負荷回路７との間にコンデンサを設けないので、本実施の形態の電源回路を搭載する機器を、本質安全防爆対応にすることができる。また、本実施の形態では、最低２つのバッテリとその付属回路を機器に搭載すればよいので、多数のバッテリを搭載する場合や発電機を搭載する場合と比べて、コストと機器の体積の増大を抑制することができる。
【００３１】
また、本実施の形態では、運用系のバッテリ回路１−１の電圧／電流計測回路５−１が運用系のバッテリ２−１の電圧（定電圧降下回路３−１の出力端子の電圧）を計測し、待機系のバッテリ回路１−２の電圧／電流計測回路５−１が待機系のバッテリ２−２を流れる電流を計測することで、運用系のバッテリ２−１の状態（寿命）を監視することができ、バッテリ２−１の交換時期を適切に把握することができる。
【００３２】
例えば運用系のバッテリ２−１の電圧が所定の電圧閾値を一定時間以上連続的に下回った場合に、バッテリ２−１が寿命に達したと判定してもよいし、待機系のバッテリ２−２を流れる電流が所定の電流閾値を一定時間以上連続的に上回った場合に、バッテリ２−１が寿命に達したと判定してもよい。このような判定は、負荷回路７に搭載された図示しない判定手段によって行ってもよいし、負荷回路７に搭載された図示しない送信手段によって電圧／電流計測回路５−１，５−２の計測結果を無線送信し、この計測結果に基づいて外部の判定手段で判定を行うようにしてもよい。また、負荷回路７で判定を行う場合には、バッテリ２−１が寿命に達したことを、例えば表示手段による表示や、ＬＥＤの点滅や点灯などで知らせるようにしてもよい。
【００３３】
なお、電圧／電流計測回路５−１，５−２は、本発明の必須の構成要素ではなく、電圧／電流計測回路５−１，５−２を省略し、定電圧降下回路３−１の出力端子と逆流防止ダイオード６−１のアノードとを直結し、定電圧降下回路３−２の出力端子と逆流防止ダイオード６−２のアノードとを直結するようにしてもよい。
また、本実施の形態では、２つのバッテリ回路１−１，１−２を並列に接続しているが、これに限るものではなく、３つ以上のバッテリ回路を負荷回路７に対して並列に接続してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明は、バッテリから負荷に電力を供給する電源回路に適用することができる。
【符号の説明】
【００３５】
１−１，１−２…バッテリ回路、２−１，２−２…バッテリ、３−１，３−２…定電圧降下回路、４−１，４−２…バイパス回路、５−１，５−２…電圧／電流計測回路、６−１，６−２…逆流防止ダイオード、７…負荷回路、３０…ダイオード、４０…スイッチ、５０〜５３…抵抗、５４…オペアンプ、５５…コンパレータ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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