コネクテッドホームにおける蓄電池からの給電依存度低減

トレンド

長寿命かつ低コスト

ワイヤレス給電の新しいアイディアで、コネクテッドホーム用機器の蓄電池使用依存度を低減できます。著者: Ronald M. Weber、グローバル インダストリー マネージャ、ビルディング オートメーション

電力。 電力がなければ、日常使用しているあらゆる革新的な電子機器は、ただのシリコン・プラスチック・金属でできた役に立たないかたまりにすぎません。モノのインターネット (IoT) に関わる最近の革新的製品も例外ではありません。手首に巻くフィットネス モニタでも、ネットワークに接続された電子ドア ロックでも、産業機械に組み込まれた超音波センサでも、ネットワーク接続されたあらゆるデバイスは電力を使用して動作し、そして外部に接続されています。IoT が生活に浸透するにつれ、電源管理と配電がますます大きな課題になってきています。エネルギーを大量消費しないマイクロプロセッサや、電力をマイクロワット単位でしか消費しない電子部品の開発に大きな進歩があったとはいえ、それでも電力は必要です。IoT 対応デバイスは定期的にスリープ モードになって電源が切れますので、かろうじて計測できる程度の少しの電力しか消費しませんが、それでも電力は必要です。 

ネットワークに接続されたあらゆるデバイスは、電力を使用して動作し、外部ネットワークに接続されています。

最近の技術の進歩をすべて考慮したとしても、永久に使える電源を開発した人はまだいません。したがって、電力供給は設計者にとって最も大きな課題といえます。 便利な外部電源がすぐに利用できる場合、たとえば、産業機械や処理装置や、最新の住宅用煙探知機でさえ、一般的なオス/メス分離式のコネクタ や速結端子を使用して、電源とデバイスを接続すればよいだけです。電源が利用できない場合、設計者は、バッテリーから電力をとるか、環境発電デバイス (太陽光電池や小型発電機など) を使用せざるを得ません。 

今日の住宅は複数のデバイスで構成されたネットワークです。
今日の住宅は複数のデバイスで構成されたネットワークです。

ワイヤレス電子デバイスにおいて、バッテリーは、今日現在でも、事実上の標準電力です。 バッテリー給電されるこれらのデバイスは生活の中に広がっており、私たちの日常生活の中にネットワーク機器が増えていくにつれてさらに浸透するでしょう。これらを設計する製品設計者が直面する課題も、同様に大きくなるでしょう。設計者は、必要な電力を供給するバッテリーのサイズと予想される寿命とのバランスを考える必要があります。これは容易なことでも些末なことでもありませんが、 IoT の設計者に標準的な形状且つ安定した電源と、その多様なサイズと組み込み手段を与えます。小型の LR1154 コイン セルや単三電池など、世界中で入手可能でサイズが標準化されているものは、あらゆる消費者が使うことにも交換することにも慣れています。どのバッテリーを選んだとしても、設計者は、組立て、試験、およびバッテリー交換を簡単にするのに役立つ様々なコネクタ を選択することができます。

新しい電力供給方法が開発され、それが広く採用されない限り、ホーム オートメーション 機器の拡がりとともにスマートホーム に必要なバッテリーの数はどんどん増加することになるでしょう。

一般的な家庭内で使われているデバイスを見れば、バッテリー給電がどれほど普及しているかがお分かりになるでしょう。 携帯電話などの用途では、私たちは、1 日の終わりに充電池を満タンまで充電しておくという作業に慣れてしまっています。通常2本の単三電池から給電されているリモコンが、付属されていないテレビなんて想像もできません。懐中電灯からゲーム コントローラに至るまで、あらゆる装置でバッテリーが必要なのです。家庭の安全を保つ煙探知機のようにバッテリーの寿命が重要なデバイスは、バッテリーの寿命間際になると、耳障りな警告音を立ててバッテリーの交換を促してきます。従って、どの家庭でもこれらのデバイス用に交換用バッテリーの買い置きがあるはずですが、本当に必要なときにどうしても見つからないことがよくあります。新しい電力供給方法が開発され、それが広く採用されない限り、ホーム オートメーション 機器の拡がりとともにスマートホーム に必要なバッテリーの数はどんどん増加することになるでしょう。

コネクテッドホームにおいては、バッテリー給電式の機器が一般的です。

コネクテッドホームにおいては、バッテリー給電式の機器が一般的です。

新しいデバイスのほとんどはワイヤレスです。  壁付けの小型センサから、ワイヤレス スイッチ、電子ドア ロックの非接触キーに至るまで、ワイヤレスが広まっています。スイッチや非接触キーなどの用途では電池寿命は非常に長く、リチウム コイン セル バッテリーで 5 年以上もつことがあります。電子錠や遠隔操作弁などの高電流機器用途では、電池の寿命は実際、年単位ではなく月単位になります。現実性と美的な観点から考えると、後者の用途に利用できるバッテリーの種類と量は限られたものになります。電子錠の場合、5 年程度の長寿命ではあるものの、単一電池を必要とする電子錠を誰も喜んで買おうとはしないでしょう。したがって、設計者は、現実的なデザインの観点と満足のいく電池寿命とのバランスを考える必要があります。その結果、通常は、最長でも1年程度の寿命の、単三電池を4~8本使用することになるでしょう。 年に一度であれば、電子錠のバッテリーを交換することにあまり不満はないでしょう。たとえ、バッテリーを取り出すために電子錠をある程度分解しなければならないとしてもです。ユーザーは煙探知機のバッテリーを毎年交換するのに慣れていますので、それに加えて電子錠の電池を交換することぐらい、あまり苦にはならないでしょう。ただし、話はこれで終わりではありません。個人の所有する住宅ではなくて、何百もの棟がある高層アパートの管理人や、何千もの寮の部屋に電子錠を備えた大学の設備管理人の場合はどうでしょうか。この場合は、電子錠のバッテリーを交換するという簡単な作業が、急にコストと手間のかかる非常に大変なものになります。

電子錠に話を戻すと、バッテリーを完全になくす、もしくはバッテリーサイズを最小限に抑えることで、その用途が大きく広がる可能性があります。 電動サムターン本体に大きな電池ケースを収容する必要なくなるので、電子錠のサイズを大幅に小型化できます。それによって、デザインに柔軟性が生まれるでしょう。各戸に電子錠を備えた 1000 戸の共同住宅で 1 年ごとに電池を交換するとすると、これらの電子錠を10 年間維持するための費用は 50,000 ドルにもなります。したがって、これらの電子錠のバッテリー交換の問題を解決することにより大幅なコスト削減につながります。 課題は電子錠の基本設計コンセプトにあります。電子回路は一般家庭の電子キーやセンサと同様に小さな消費電力で駆動するものを作ることができます。電子錠を動かすために使用される小型モータやソレノイドが大電流を必要とするため、これがバッテリーを消費する最大の要因となっています。

バッテリーの代わりに他の電力供給源を使用することで、長期的に見てかなりのコスト削減が実現できます。
バッテリーの代わりに他の電力供給源を使用することで、長期的に見てかなりのコスト削減が実現できます。

これらの電子錠は、起動時とドアが閉じている間にだけ、比較的高い電力を消費します。 このことは、バッテリーを完全に不要にすることができる新技術を利用するチャンスになります。その技術とは、近傍電力伝送です。この技術は、携帯電話やウェアラブル デバイスの充電に使用されているソリューションなど、現在市場に出ている家電製品で使用されています。それの産業機器版が TE の ARISO非接触伝送プラットホームです。これは、産業機械用途や厳しい環境での無線電力伝送を可能にしています。この無線電力伝送技術は、実装方法を少し変更すればすぐに電子錠に応用できます。電子錠に実装する際には、ドア枠に小型電力送信機を埋め込み、それを低圧 DC 電源 (ドアベル変圧器などの電源) に配線します。同様に、電力受信機と調整回路もドアの縁に埋め込みます。それによって、ドアが閉まったときに送信機と受信機がドア枠の隙間を隔てて並び、最大 5W の電力がワイヤレスで送信されます。この電力量はほとんどのドアでそのニーズに十分に応えられる電力であり、電子錠の小型バックアップ バッテリーを停電時のために満タンにしておくこともできます。

設計者は、使用可能なあらゆる給電手段を考慮して コネクテッドホームの自動化を進めていく必要があります。
設計者は、使用可能なあらゆる給電手段を考慮して コネクテッドホームの自動化を進めていく必要があります。

ワイヤレス給電技術を用いて電子錠に電力供給することは、ライフ サイクル コストの観点からだけでなく、おそらくより重要な環境側面から見ても意義のあることです。 設置済みの世界中の電子錠と今後 10 年間で予想されるその増加についての業界統計から予測すると、驚くべき数字が明らかになります。それぞれの電子錠で 4 個のバッテリーを毎年交換するとすると、これからの 10 年間で、50 万トン (11 億ポンド) 以上の単 3 電池が埋め立て地に捨てられることになるのです。これは、ニミッツ級空母 5 隻分、もしくは標準サイズの自動車 287,500 台分に相当します。これが驚異的な量であることに異論はないでしょう。また、これらのバッテリーを製造することによる環境面への影響も考えれば、重大な懸念になります。。 電子錠にワイヤレス給電を取り付けることで、使い捨てバッテリーを使用する必要はなくなり、経済的および環境的にも大きな利点を生み出すことができます。 ホームオートメーションやビルディングオートメーションを推進する中で、家庭用のネットワーク機器の設計者は、電力に使用できるあらゆるオプションを考慮する必要があります。それは必ずしも設計上最も有利なものではないかもしれません。設計者は、安易にバッテリー給電を使用する前に、設計段階の初期のうちに代替給電手段を慎重に考慮する必要があります。その結果、保守が簡単かつ安価で、長寿命で、且つ簡便な、より良い製品になるでしょう。結局のところ、誰も貨物船 1 杯の電池を自分の裏庭には捨てられたくはありません。