(57)【要約】【課題】電池交換の際に負荷への電源断が起きないようにするとともに、出力電圧が低下した電池は、現用電池の出力電圧が低下して交換するまでの間の任意の時点で交換電池電源装置を実現すること。【解決手段】電池駆動の負荷に電源を供給する電池電源装置において、  スイッチと電池が直列接続され、前記負荷と並列に接続された少なくとも２個の電源系統と、これら電源系統と並列に接続され、前記負荷の端子間電圧が所定の設定値まで低下したことを検出して電圧低下検出信号を出力する電圧検出部と、この電圧検出部から出力される電圧低下検出信号に基づき、出力電圧が低下した電源系統のスイッチがオンの状態で他の電源系統のスイッチもオンにして前記負荷に印加される電源電圧が切断されないようにオンオフ制御するスイッチ制御部を設けたことを特徴とするもの。【選択図】                    図１
2012152050.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電池駆動の負荷に電源を供給する電池電源装置において、
スイッチと電池が直列接続され、前記負荷と並列に接続された少なくとも２個の電源系統と、
これら電源系統と並列に接続され、前記負荷の端子間電圧が所定の設定値まで低下したことを検出して電圧低下検出信号を出力する電圧検出部と、
この電圧検出部から出力される電圧低下検出信号に基づき、出力電圧が低下した電源系統のスイッチがオンの状態で他の電源系統のスイッチもオンにして前記負荷に印加される電源電圧が切断されないようにオンオフ制御するスイッチ制御部、
を設けたことを特徴とする電池電源装置。
【請求項２】
前記負荷はプロセス制御システムを構築するフィールド機器であることを特徴とする請求項１記載の電池電源装置。
【請求項３】
前記フィールド機器は無線通信部を備えていることを特徴とする請求項１記載の電池電源装置。
【請求項４】
前記電池はリチウム電池であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の電池電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電池電源装置に関し、詳しくは、電池交換時における電源供給制御に関するものである。
【０００２】
プロセス制御システムを構築するフィールド機器の一種に、電池で駆動するように構成されたものがある。図３は、このようなフィールド機器における電源供給系統の一例を示すブロック図である。
【０００３】
図３において、フィールド機器１は電池２により駆動されるものであり、温度や圧力などの物理量を測定するセンサ機能や、バルブの開閉制御などのアクチュエータ機能を有しているが、これらの機能は図示しない。また、フィールド機器１には、図示しない外部の上位システムなどと無線通信を行うための無線通信部１ａが設けられている。
【０００４】
電圧検出部３は、電池２の出力電圧を測定して電圧の低下を検出し、電池２の出力電圧があらかじめ設定されている所定の設定値よりも低下したことを外部に明示するものであり、フィールド機器１および電池２と並列に接続されている。なお、設定値は、フィールド機器１が安定に動作できる駆動電圧の下限値よりもやや高めに設定されている。
【０００５】
このような構成において、電圧検出部３の電圧低下検出結果は、必要に応じて、たとえばアラーム情報として無線通信部１ａを介して外部の上位システムに通知される。
【０００６】
そして、電池２の出力電圧があらかじめ設定されている所定の設定値よりも低下した場合には、作業者が電池２からフィールド機器１への電源供給を一旦停止させた状態にし、電池２の交換を行う。
【０００７】
ところで、プロセス制御システムにおける温度伝送器や圧力伝送器などのフィールド機器の設置場所は、砂漠や海上などの僻地における石油やガスなどの井戸元であったり、プラントの煙突などの高所や、高温、揮発ガスが充満する危険場所であったりすることがある。
【０００８】
これらの場所に設置されたフィールド機器１を駆動するための電池２の交換を、電圧検出部３が出力電圧の低下を検出した時点で直ちに行うことは困難である。
【０００９】
また、これらのプラントは、長期に渡って連続稼動することが大前提であり、定期的なメンテナンスのためにプラントを停止させる場合以外の任意の時点で電池の交換を行うことは好ましくない。
【００１０】
以上のように、フィールド機器の設置環境の性質、プラントの稼動要件などにより、フィールド機器への電源供給停止から電池を交換してフィールド機器への電源供給再開までの稼動停止時間が比較的長くなってしまう恐れもある。
【００１１】
また、一次電池として使われることが一般的なリチウム電池の場合、出力電圧は放電限界近くまで低下しないものの、出力電圧低下を検出してから機器の動作限界に達するまでの時間がたとえば１時間程度と比較的短い。そこで、リチウム電池バックアップ用の電池やスーパーキャパシタを装備し、リチウム電池からの電源供給が停止してもしばらくの間は電源供給を可能にすることも行われているが、一般的にこれら電源は小容量であり、機器への電源供給可能な時間は限られる。
【００１２】
そこで、たとえば図４に示すように、電池４１〜４ｎとダイオード５０とスイッチ７１〜７ｎがそれぞれ直列接続された複数ｎの電源供給系統と、電池４１〜４ｎの残量が所定レベルまで低下したことを検出して検出信号を出力する複数ｎ個の電池残量検出回路５１〜５ｎと、これら電池残量検出回路５１〜５ｎの検出信号に基づいて最適な電池の出力を機器本体６０に供給するようにスイッチ７１〜７ｎを選択的にオン・オフ駆動する信号を出力する電池選択回路５０とで構成され、電池交換の際にも電源断が起きないようにした電池電源の自動切替え装置が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
特許文献１には、電池交換の際にも電源断が起きないように構成された図４に示す電池電源の自動切替え装置の技術が記載されている。
【００１４】
【特許文献１】特開平７−１９４０１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかし、図４に示す従来の構成によれば、電池交換の際に電源断が起きないようにできるものの、複数ｎの電源供給系統のそれぞれに電池４１〜４ｎの残量が所定レベルまで低下したことを検出して検出信号を出力する複数ｎ個の電池残量検出回路５１〜５ｎを設けていることから、装置の回路構成が複雑になるとともに部品点数も多くなり、装置の小型化が難しいという問題がある。
【００１６】
本発明は、このような課題を解決するものであり、その目的は、比較的簡単な構成で、電池交換の際に電源断が起きないようにできる電池電源装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
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、
電池駆動の負荷に電源を供給する電池電源装置において、
スイッチと電池が直列接続され、前記負荷と並列に接続された少なくとも２個の電源系統と、
これら電源系統と並列に接続され、前記負荷の端子間電圧が所定の設定値まで低下したことを検出して電圧低下検出信号を出力する電圧検出部と、
この電圧検出部から出力される電圧低下検出信号に基づき、出力電圧が低下した電源系統のスイッチがオンの状態で他の電源系統のスイッチもオンにして前記負荷に印加される電源電圧が切断されないようにオンオフ制御するスイッチ制御部、
を設けたことを特徴とする。
【００１８】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の電池電源装置において、
前記負荷はプロセス制御システムを構築するフィールド機器であることを特徴とする。
【００１９】
請求項３記載の発明は、請求項２記載の電池電源装置において、
前記フィールド機器は無線通信部を備えていることを特徴とする。
【００２０】
請求項４記載の発明は、請求項１から請求項３のいずれかに記載の電池電源装置において、
前記電池はリチウム電池であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
これらにより、電池交換の際に負荷への電源断が起きないようにして負荷を連続駆動することができる。
【００２２】
そして、出力電圧が低下した電池は、現用電池の出力電圧が低下して交換するまでの間の任意の時点で交換できる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の一実施例を示すブロック図である。
【図２】図１の動作を説明するタイミングチャートである。
【図３】従来のフィールド機器における電源供給系統の一例を示すブロック図である。
【図４】従来の電池電源の自動切替え装置の一例を示すブロック図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明について、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３と共通する部分には同一の符号を付けている。図１において、電池２１および２２は同一のものであり、それぞれ直列接続されたスイッチＳＷ１およびＳＷ２を介してフィールド機器１に電源を供給するように接続されている。また、電圧検出部３およびスイッチ制御部９も、フィールド機器１と並列に接続されている。
【００２５】
これら電池２１および２２は、内部的に複数の電池が直列あるいは並列に接続された電池パックでもよい。また、図３の電池２との比較において、出力電圧と出力電流は同等以上であり、出力容量は少なくとも１／２以上を有するものとする。
【００２６】
スイッチＳＷ１およびＳＷ２は自己保持機能を有するものであり、保持電力を供給しなくても、あるいは微小な保持電力供給により、オン・オフ状態を保持できる。
【００２７】
電圧検出部３は、電池２１および２２の出力電圧低下を検出する。この電圧低下検出結果は、スイッチ制御部９に出力されるとともに、必要に応じて、たとえばアラーム情報として無線通信部１ａを介して外部の上位システムに通知される。
【００２８】
スイッチ制御部９は、スイッチＳＷ１およびＳＷ２のオンオフを制御するものであり、たとえば、デジタル回路によるシーケンサやマイクロコンピュータで動作するソフトウェアプログラムにより構成される。
【００２９】
図１の動作を説明する。
はじめに、スイッチ制御部９は、スイッチＳＷ１がオンでＳＷ２はオフになるように駆動する。これにより、フィールド機器１は、電池２１の出力電圧Ｖ２１で駆動される（ステップＳ１）。
【００３０】
電圧検出部３は、フィールド機器１を駆動する電池２１の出力電圧Ｖ２１の低下を検出する。そして、電池２１の出力電圧Ｖ２１があらかじめ設定されている所定の設定値よりも低下したことを検出すると、電圧低下検出信号をスイッチ制御部９に出力するとともに、アラーム情報として無線通信部１ａを介して外部の上位システムに通知する（ステップＳ２）。ここで、設定値は、フィールド機器１が安定に動作できる駆動電圧の下限値よりもやや高めに設定されている。
【００３１】
スイッチ制御部９は、スイッチＳＷ１をオンに保持するとともに、未使用の電池２２に接続されているスイッチＳＷ２もオンにする。これにより、フィールド機器１は、電池２１の出力電圧Ｖ２１および電池２２の出力電圧Ｖ２２で駆動される（ステップＳ３）。
【００３２】
続いて、スイッチ制御部９は、スイッチＳＷ２をオンに保持しながら、出力電圧Ｖ２１が低下した電池２１に接続されているスイッチＳＷ１をオフにする。これにより、フィールド機器１は、電池２２の出力電圧Ｖ２２で駆動される（ステップＳ４）。
【００３３】
その後、作業者は、無線通信部１ａを介して外部の上位システムに通知されたアラーム情報に基づいて、出力電圧Ｖ２１が低下した電池２１を未使用のものと交換する（ステップＳ５）。
【００３４】
なお、この時点でフィールド機器１は新しい電池２２の出力電圧Ｖ２２で連続駆動されているので、電池２１の交換は急いで行う必要はなく、電池２２の出力電圧Ｖ２２が所定の設定値まで低下するまでの期間内に行えばよい。使用環境や自己放電などにより電池寿命は短くなることもあるが、比較的長期間である。
【００３５】
さらに、電圧検出部３は、フィールド機器１を駆動する電池２２の出力電圧Ｖ２２の低下を検出する。そして、電池２２の出力電圧Ｖ２２があらかじめ設定されている所定の設定値よりも低下したことを検出すると、電圧低下検出結果をスイッチ制御部９に出力するとともに、アラーム情報として無線通信部１ａを介して外部の上位システムに通知する（ステップＳ６）。
【００３６】
スイッチ制御部９は、スイッチＳＷ２をオンに保持するとともに、交換された未使用の電池２１に接続されているスイッチＳＷ１もオンにする。これにより、フィールド機器１は、電池２１の出力電圧Ｖ２１および電池２２の出力電圧Ｖ２２で駆動される（ステップＳ７）。
【００３７】
続いて、スイッチ制御部９は、スイッチＳＷ１をオンに保持しながら、出力電圧Ｖ２２が低下した電池２２に接続されているスイッチＳＷ２をオフにする。これにより、フィールド機器１は、電池２１の出力電圧Ｖ２１で駆動される（ステップＳ８）。
【００３８】
その後、作業者は、無線通信部１ａを介して外部の上位システムに通知されたアラーム情報に基づいて、出力電圧Ｖ２２が低下した電池２２を未使用のものと交換する（ステップＳ９）。
【００３９】
以降、ステップＳ２からＳ９までのシーケンスを繰り返す。
【００４０】
これにより、出力電圧Ｖ２１またはＶ２２が低下した電池を未使用のものと交換するのにあたり、従来のようにフィールド機器の駆動電源が一時的に切断されることはなく、長期に渡って連続稼動することが大前提のプラントを停止させることなく電池の交換を行うことができる。
【００４１】
また、電圧検出部３で電池の出力電圧Ｖ２１またはＶ２２の低下が検出されても、急いで電池交換を行わなくてもよいので、電池交換の計画が立てやすくなる。
【００４２】
また、本発明では、出力容量がほぼ１／２の電池を使うことにより、従来と比べておよそ半分の期間で実際の動作環境における実際の寿命データを早めに得ることができ、電池交換計画の精度をより高めることもできる。
【００４３】
図２は図１の動作を説明するタイミングチャートであり、（ａ）は電圧検出部３の電圧低下検出信号を示し、（ｂ）は電池２１に直列接続されているスイッチＳＷ１のオン・オフを示し、（ｃ）は電池２２に直列接続されているスイッチＳＷ２のオン・オフを示し、（ｄ）はフィールド機器１に駆動電圧として印加される電池２１の出力電圧Ｖ２１および電池２２の出力電圧Ｖ２２を示している。
【００４４】
時刻ｔ１において、スイッチＳＷ１はオンでスイッチＳＷ２はオフであって、フィールド機器１には駆動電圧として電池２１の出力電圧Ｖ２１が印加されている（ステップＳ１）。
【００４５】
時刻ｔ２において、電池２１の出力電圧Ｖ２１が低下すると電圧検出部３からスイッチ制御部９に電圧低下検出信号が出力される（ステップＳ２）。
【００４６】
スイッチ制御部９は、電圧検出部３から入力される電圧低下検出信号に基づき、スイッチＳＷ１をオンに保持するとともに、未使用の電池２２に接続されているスイッチＳＷ２もオンにする。これにより、フィールド機器１には、駆動電圧として電池２１の出力電圧Ｖ２１および電池２２の出力電圧Ｖ２２が印加される（ステップＳ３）。
【００４７】
時刻ｔ３において、スイッチ制御部９は、スイッチＳＷ２をオンに保持しながら、スイッチＳＷ１をオフにする。これにより、フィールド機器１には、駆動電圧として電池２２の出力電圧Ｖ２２が印加される（ステップＳ４）。
【００４８】
時刻ｔ４において、電池２２の出力電圧Ｖ２２が低下すると電圧検出部３からスイッチ制御部９に電圧低下検出信号が出力される（ステップＳ６）。なお、出力電圧Ｖ２１が低下した電池２１は、出力電圧Ｖ２１の低下が検出される時刻ｔ３から電池２２の出力電圧Ｖ２２の低下が検出される時刻ｔ４までの間に未使用の電池と交換される。
【００４９】
スイッチ制御部９は、電圧検出部３から入力される電圧低下検出信号に基づき、スイッチＳＷ２をオンに保持するとともに、交換された未使用の電池２１に接続されているスイッチＳＷ１もオンにする。これにより、フィールド機器１には、駆動電圧として電池２１の出力電圧Ｖ２１および電池２２の出力電圧Ｖ２２が印加される（ステップＳ７）。
【００５０】
時刻ｔ５において、スイッチ制御部９は、スイッチＳＷ１をオンに保持しながら、スイッチＳＷ２をオフにする。これにより、フィールド機器１には、駆動電圧として電池２１の出力電圧Ｖ２１が印加される（ステップＳ８）。なお、出力電圧Ｖ２２が低下した電池２２は、出力電圧Ｖ２２の低下が検出される時刻ｔ５から電池２１の出力電圧Ｖ２１の低下が検出されるまでの間に未使用の電池と交換される。
【００５１】
なお、上記実施例ではフィールド機器を駆動するための電池電源装置の例について説明したが、負荷はフィールド機器に限るものではなく、電池を駆動電源とする各種の装置の電池電源装置としても有益である。
【００５２】
また、寿命予測に必要なデータが蓄積できたと判断した後は、スイッチＳＷ１とＳＷ２を両方ともオンにして電池を並列接続にし、従来の電池を使用するのと同様な運用形態にしてもよい。
【００５３】
以上説明したように、本発明の電池電源装置によれば、比較的簡単な構成で、電池交換の際における電源断の発生を防止できるとともに、出力電圧が低下した電池を現用電池の出力電圧が低下して交換するまでの間の任意の時点で交換でき、プロセス制御システムを構築するフィールド機器などの長期に渡る連続稼動が要求される負荷の電池電源装置として好適である。
【符号の説明】
【００５４】
１  フィールド機器（負荷）
１ａ  無線通信部
２１、２２  電池
３  電圧検出部
９  スイッチ制御部
ＳＷ１、ＳＷ２  スイッチ
【図１】
2012152050.tif 000003
【図２】
2012152050.tif 000004
【図３】
2012152050.tif 000005
【図４】
2012152050.tif 000006