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エナジーハーベスティングのデザイン手法セミナーテキスト

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電気通信大学にて2017年5月9日発表原稿

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エナジーハーベスティングのデザイン手法セミナーテキスト

  1. 1. 1. 環境発電(エナジーハーベスト)について 2. 光起電力(太陽電池)の場合のアプリケーション回路シミュレーション 3. 振動(ピエゾ素子)の場合のアプリケーション回路シミュレーション 4. 熱(ペルチェ素子)の場合のアプリケーション回路シミュレーション 5.蓄電デバイスのシミュレーション 5.1 リチウムイオン電池のシミュレーション 5.2 リチウムイオンキャパシタのシミュレーション 5.3 電気二重層キャパシタのシミュレーション 6. 電池のハイブリッドシミュレーション 7. RFハーベスティング エナジーハーベスティングのデザイン手法 2017年5月9日 マルツエレック株式会社 1Copyright(C) MARUTSU ELEC 2017
  2. 2. Copyright(C) MARUTSU ELEC 2017 2 1. 環境発電(エナジーハーベスト)について 光起電力発電 太陽電池 振動発電 ピエゾ素子 温度差発電 ペルチェ素子 ハーベストIC LTC3108 ハーベストIC LTC3588-1 ハーベストIC LTC3105 アプリケーション 回路 蓄電回路 センシング回路 無線回路 環境発電は、系統電源から切り離された省電力デバイスを長期間保守なしに 使用可能な高付加価値のエネルギー源を供給します。
  3. 3. Case1.標準回路(太陽電池が電圧源の場合) Case2.太陽電池モデルを使用(快晴) Case3.太陽電池モデルを使用(曇り) Case4.太陽電池モデルを使用(雨) 3Copyright(C) MARUTSU ELEC 2017 2. 光起電力(太陽電池)の場合のアプリケーション回路シミュレーション
  4. 4. LTC3105は、225mVの低い入力電圧で動作可能な高効率の昇圧DC/DCコンバータ です。250mVでの起動が可能で、最大電力点コントローラ (MPPC)を搭載している ので、光起電力電池、TEG (熱電発電機)、燃料電池といった低電圧で 高インピーダンスの代替電力源で直接動作可能です。 MPPCの設定値をユーザーがプログラム可能なので、あらゆる電力源から最大限 のエネルギーを抽出できます。 Output Voltage≈ 4.1V RLOAD= 500Ω *Analysis directives: • .tran 0 5m 0 startup Input Voltage= 0.5V Vmppc= 0.4V 4Copyright(C) MARUTSU ELEC 2017 2. 光起電力(太陽電池)の場合のアプリケーション回路シミュレーション
  5. 5. Case1: Voltage Source(v1) with LTC3105  Simulation Result • Total elapsed time: 410.938sec. ≈ 7min. Input Voltage Output Voltage VMPPC=0.4V Input Current 5Copyright(C) MARUTSU ELEC 2017 2. 光起電力(太陽電池)の場合のアプリケーション回路シミュレーション
  6. 6. Solar Cell Specification • The information refer to a part number 19_12_93 of CONRAD ELECTRONIC. PARAMETER VALUE Pmax (W) 0.400 Vmp (V) 0.500 Imp (A) 0.800 Isc (A) 0.872 Voc (V) 0.580 6Copyright(C) MARUTSU ELEC 2017 2. 光起電力(太陽電池)の場合のアプリケーション回路シミュレーション
  7. 7. Copyright(C) MARUTSU ELEC 2017 7 Rs Rsh 電流源 IDC ダイオード 抵抗 抵抗 I1 電流源 IPWL 2. 光起電力(太陽電池)の場合のアプリケーション回路シミュレーション
  8. 8. Copyright(C) MARUTSU ELEC 2017 8 Case2: MPPC Response to Input Source (SOL=100%)  Simulation Circuit and Setting Output Voltage≈ 4.1V IOUT≈ 8.2mA *Analysis directives: • .tran 0 5m 0 startup • .lib 19_12_93.lib Pmax= 400mW Voc= 0.58V Isc= 0.872A Vmppc= Vmp= 0.5V [SOL=100%] 2. 光起電力(太陽電池)の場合のアプリケーション回路シミュレーション
  9. 9. Copyright(C) MARUTSU ELEC 2017 9 Case2: MPPC Response to Input Source (SOL=100%)  Simulation Result • Total elapsed time: 786.766sec. ≈ 13min. Input Voltage Output Voltage VMPPC=0.5V Input Current 2. 光起電力(太陽電池)の場合のアプリケーション回路シミュレーション
  10. 10. Copyright(C) MARUTSU ELEC 2017 10 Case3: MPPC Response to Input Source (SOL=50%)  Simulation Circuit and Setting Output Voltage≈ 4.1V IOUT≈ 8.2mA *Analysis directives: • .tran 0 5m 0 startup • .lib 19_12_93.lib Pmax= 400mW Voc= 0.58V Isc= 0.872A Vmppc= Vmp= 0.5V [SOL=50%] 2. 光起電力(太陽電池)の場合のアプリケーション回路シミュレーション
  11. 11. Copyright(C) MARUTSU ELEC 2017 11 Case3: MPPC Response to Input Source (SOL=50%)  Simulation Result • Total elapsed time: 387.219sec. ≈ 7min. Input Voltage Output Voltage VMPPC=0.5V Input Current 2. 光起電力(太陽電池)の場合のアプリケーション回路シミュレーション
  12. 12. Copyright(C) MARUTSU ELEC 2017 12 Case4: Maximum power point tracking (SOL=30%)  Simulation Circuit and Setting Output Voltage≈ 4.1V IOUT≈ 8.2mA *Analysis directives: • .tran 0 10m 0 startup • .lib 19_12_93.lib Pmax= 400mW Voc= 0.58V Isc= 0.872A Vmppc= 0.5V, 0.475V (Ref.2) [SOL=30%] • Parametric Sweep Rmppc: 50kΩ(0.5V), 47.5kΩ(0.475V) • Rmppc= Vm/10uA 2. 光起電力(太陽電池)の場合のアプリケーション回路シミュレーション
  13. 13. Copyright(C) MARUTSU ELEC 2017 13 Case4: Maximum power point tracking (SOL=30%)  Simulation Result • Total elapsed time: 2082.5sec. ≈ 35min. Input Voltage VMPPC =0.500V --- VMPPC =0.475V --- Output Voltage Input Current 2. 光起電力(太陽電池)の場合のアプリケーション回路シミュレーション
  14. 14. Copyright(C) MARUTSU ELEC 2017 14 3. 振動(ピエゾ素子)の場合のアプリケーション回路シミュレーション ピエゾ素子の用途 ピエゾ素子とは、圧電素子とも 言われ、強誘電体の一種であり、 振動及び圧力が印加されると 電圧が発生する素子です。 この場合、発電デバイスの役割 をします。また、その一方で、 ピエゾ素子に電圧を印加すると 伸縮変化するため、 アクチュエータ、センサー として活躍している素子です。 発振回路、フィルタ回路にも活用 されます。身近な機器の用途では、 微妙な伸縮変化を利用し、 インクジェットの射出機構部分 にも採用されています。
  15. 15. Copyright(C) MARUTSU ELEC 2017 15 3. 振動(ピエゾ素子)の場合のアプリケーション回路シミュレーション
  16. 16. Copyright(C) MARUTSU ELEC 2017 16 3. 振動(ピエゾ素子)の場合のアプリケーション回路シミュレーション ピエゾ素子相当 ピエゾ素子の発電電圧
  17. 17. Copyright(C) MARUTSU ELEC 2017 17 3. 振動(ピエゾ素子)の場合のアプリケーション回路シミュレーション
  18. 18. Copyright(C) MARUTSU ELEC 2017 18 3. 振動(ピエゾ素子)の場合のアプリケーション回路シミュレーション LTC3588-1 データシートより抜粋
  19. 19. Copyright(C) MARUTSU ELEC 2017 19 3. 振動(ピエゾ素子)の場合のアプリケーション回路シミュレーション
  20. 20. Copyright(C) MARUTSU ELEC 2017 20 3. 振動(ピエゾ素子)の場合のアプリケーション回路シミュレーション ピエゾ素子 負荷回路相当 振動表現 評価回路図
  21. 21. Copyright(C) MARUTSU ELEC 2017 21 3. 振動(ピエゾ素子)の場合のアプリケーション回路シミュレーション ピエゾ素子の発電電圧波形 入力信号=振動状況 出力波形=発電電圧
  22. 22. Copyright(C) MARUTSU ELEC 2017 22 3. 振動(ピエゾ素子)の場合のアプリケーション回路シミュレーション LTC3588-1+ピエゾ素子
  23. 23. Copyright(C) MARUTSU ELEC 2017 23 3. 振動(ピエゾ素子)の場合のアプリケーション回路シミュレーション LTC3588-1+ピエゾ素子のシミュレーション結果 ピエゾ素子に与えた振動の様子 力[N]を表現している ピエゾ素子の発電電圧 出力電圧
  24. 24. Copyright(C) MARUTSU ELEC 2017 24 3. 振動(ピエゾ素子)の場合のアプリケーション回路シミュレーション 振動を発生させる間隔 オフセット電圧 1回分の振動 1回分の振動で発生する発電電圧 出力電圧
  25. 25. Copyright(C) MARUTSU ELEC 2017 25 3. 振動(ピエゾ素子)の場合のアプリケーション回路シミュレーション 音発電(音でも発電できる)のアプリケーション回路は、振動素子と同様です。 https://www.youtube.com/watch?v=wx8RlkUI-2c
  26. 26. Copyright(C) MARUTSU ELEC 2017 26 4. 熱(ペルチェ素子)の場合のアプリケーション回路シミュレーション 2種類の金属の接合部に電流を流すと、片方の金属からもう片方へ熱が移動し、 ペルチェ効果を利用した板状のデバイスです。直流電流を流すと、一方の面が吸 熱し、反対面に発熱が起こります。電流の極性を逆転させると、その関係が反転 します。温度差を与えることで電圧を生じさせるゼーベック効果もあり、温度差発 電デバイスとしての活用もできます。
  27. 27. Copyright(C) MARUTSU ELEC 2017 27 4. 熱(ペルチェ素子)の場合のアプリケーション回路シミュレーション ペルチェ素子 昇圧トランス
  28. 28. Copyright(C) MARUTSU ELEC 2017 28 4. 熱(ペルチェ素子)の場合のアプリケーション回路シミュレーション LTC3108 データシート抜粋
  29. 29. Copyright(C) MARUTSU ELEC 2017 29 4. 熱(ペルチェ素子)の場合のアプリケーション回路シミュレーション データシート抜粋
  30. 30. Copyright(C) MARUTSU ELEC 2017 30 4. 熱(ペルチェ素子)の場合のアプリケーション回路シミュレーション ペルチェ素子の発電 昇圧トランスの二次側電圧 出力電圧
  31. 31. Copyright(C) MARUTSU ELEC 2017 31 4. 熱(ペルチェ素子)の場合のアプリケーション回路シミュレーション ペルチェ素子の発電 昇圧トランスの二次側電圧 出力電圧
  32. 32. Copyright(C) MARUTSU ELEC 2017 32 4. 熱(ペルチェ素子)の場合のアプリケーション回路シミュレーション ペルチェ素子のデバイスの実験データ(CSVファイル)をLTspiceに取り込む 時間 起電力 CSV File
  33. 33. Parameter Settings C is the amp-hour battery capacity [Ah] – e.g. C = 0.3, 1.4, or 2.8 [Ah] NS is the number of cells in series – e.g. NS=1 for 1 cell battery, NS=2 for 2 cells battery (battery voltage is double from 1 cell) SOC is the initial state of charge in percent – e.g. SOC=0 for a empty battery (0%), SOC=1 for a full charged battery (100%) TSCALE turns TSCALE seconds into a second – e.g. TSCALE=60 turns 60s or 1min into a second, TSCALE=3600 turns 3600s or 1h into a second, • From the Li-Ion Battery specification, the model is characterized by setting parameters C, NS, SOC and TSCALE. Copyright(C) MARUTSU ELEC 2017 33 Model Parameters: + - U1 LI-ION_BATTERY SOC = 1 NS = 1 TSCALE = 1 C = 1.4 (Default values) 5.1 リチウムイオン電池のシミュレーション
  34. 34. • The battery information refer to a battery part number LIR18500 of EEMB BATTERY. Copyright(C) MARUTSU ELEC 2017 34 + - U1 LI-ION_BATTERY SOC = 1 NS = 1 TSCALE = 60 C = 1.4 Battery capacity is input as a model parameter Nominal Voltage 3.7V Nominal Capacity Typical 1400mAh (0.2C discharge) Charging Voltage 4.20V±0.05V Charging Std. Current 700mA Max Current Charge 1400mA Discharge 2800mA Discharge cut-off voltage 2.75V 5.1 リチウムイオン電池のシミュレーション
  35. 35. Time 0s 50s 100s 150s 200s 1 V(HI) 2 I(IBATT) 3.0V 3.2V 3.4V 3.6V 3.8V 4.0V 4.2V 4.4V 1 0A 0.4A 0.6A 0.8A 1.0A 1.2A 1.4A 2 SEL>>SEL>> V(X_U1.SOC) 0V 0.2V 0.4V 0.6V 0.8V 1.0V + - U1 LI-ION_BATTERY SOC = 0 NS = 1 TSCALE = 60 C = 1.4 Copyright(C) MARUTSU ELEC 2017 35 • Charging Voltage: 4.20V±0.05V • Charging Current: 700mA (0.5 Charge) Current=700mA Voltage=4.20V Capacity=100% (minute) Measurement Simulation SOC=0 means battery start from 0% of capacity (empty) 5.1 リチウムイオン電池のシミュレーション
  36. 36. PARAMETERS: rate = 0.5 CAh = 1.4 N = 1 0 Vin 5V IBATT + - U1 LI-ION_BATTERY SOC = 0 NS = {N} TSCALE = 60 C = 1.4 0 C1 10n HI IN- OUT+ OUT- IN+ G1 Limit(V(%IN+, %IN-)/0.1m, 0, rate*CAh ) 0 Voch {(4.20*N)-8.2m} DMOD D1 0 • *Analysis directives: • .TRAN 0 200 0 0.5 • .PROBE V(*) I(*) W(*) D(*) NOISE(*) Copyright(C) MARUTSU ELEC 2017 36 1 minute in seconds Over-Voltage Protector: (Charging Voltage*1) - VF of D1 Input Voltage 5.1 リチウムイオン電池のシミュレーション
  37. 37. Time 0s 100s 200s 300s 400s V(HI) 2.6V 2.8V 3.0V 3.2V 3.4V 3.6V 3.8V 4.0V 4.2V 4.4V 0 + - U1 LI-ION_BATTERY SOC = 1 NS = 1 TSCALE = 60 C = 1.4 HI 0 0 IN- OUT+ OUT- IN+ G1 limit(V(%IN+, %IN-)/0.1m, 0, rate*CAh ) PARAMETERS: rate = 1 CAh = 1.4 C1 10n sense *Analysis directives: .TRAN 0 300 0 0.5 .STEP PARAM rate LIST 0.2,0.5,1 .PROBE V(*) I(*) W(*) D(*) NOISE(*) Copyright(C) MARUTSU ELEC 2017 37 0.2C 0.5C 1C (minute) TSCALE turns 1 minute in seconds, battery starts from 100% of capacity (fully charged) • Battery voltage vs. time are simulated at 0.2C, 0.5C, and 1C discharge rates. 5.1 リチウムイオン電池のシミュレーション
  38. 38. Copyright(C) MARUTSU ELEC 2017 38 5.2 リチウムイオンキャパシタのシミュレーション リチウムイオンキャパシタの特徴 リチウムイオンキャパシタは、リチウムイオン電池と電気二重層キャパシタ の利点を合わせ持ったデバイスです。また、エネルギー密度が優れています。 【リチウムイオン電池の利点】 高電圧性 高容量性 自己放電が比較的少ない 【電気二重層キャパシタの利点】 高出力 充放電サイクルの寿命が長い 安全性
  39. 39. Copyright(C) MARUTSU ELEC 2017 39 5.2 リチウムイオンキャパシタのシミュレーション リチウムイオンキャパシタの充電回路
  40. 40. Copyright(C) MARUTSU ELEC 2017 40 5.2 リチウムイオンキャパシタのシミュレーション リチウムイオンキャパシタの充電回路シミュレーション
  41. 41. Copyright(C) MARUTSU ELEC 2017 41 5.2 リチウムイオンキャパシタのシミュレーション リチウムイオンキャパシタの放電回路
  42. 42. Copyright(C) MARUTSU ELEC 2017 42 5.2 リチウムイオンキャパシタのシミュレーション リチウムイオンキャパシタの放電回路シミュレーション
  43. 43. Copyright(C) MARUTSU ELEC 2017 43 5.3 電気二重層キャパシタのシミュレーション 電気二重層キャパシタの特徴 (1)数秒間で充電が可能 (2)充電制御回路が不要 (3)繰り返し充放電サイクルが多い(3[V]で100万回の充放電サイクルが可能) (4)SOC(State of Charge:充電状態)の認識が比較的容易 (5)内部抵抗が大きい
  44. 44. Copyright(C) MARUTSU ELEC 2017 44 5.3 電気二重層キャパシタのシミュレーション 等価回路モデル インピーダンス成分 定格電圧 リーク成分
  45. 45. Copyright(C) MARUTSU ELEC 2017 45 5.3 電気二重層キャパシタのシミュレーション 等価回路モデル 容量 リーク特性 過渡応答性
  46. 46. Copyright(C) MARUTSU ELEC 2017 46 5.3 電気二重層キャパシタのシミュレーション 充電特性評価回路
  47. 47. Copyright(C) MARUTSU ELEC 2017 47 5.3 電気二重層キャパシタのシミュレーション 充電特性評価回路シミュレーション
  48. 48. Copyright(C) MARUTSU ELEC 2017 48 5.3 電気二重層キャパシタのシミュレーション 充電特性評価回路シミュレーション(実測とシミュレーションの比較)
  49. 49. Copyright(C) MARUTSU ELEC 2017 49 5.3 電気二重層キャパシタのシミュレーション 放電特性評価回路
  50. 50. Copyright(C) MARUTSU ELEC 2017 50 5.3 電気二重層キャパシタのシミュレーション 放電特性評価回路シミュレーション
  51. 51. Copyright(C) MARUTSU ELEC 2017 51 5.3 電気二重層キャパシタのシミュレーション 放電特性評価回路シミュレーション(実測とシミュレーションの比較)
  52. 52. Copyright(C) MARUTSU ELEC 2017 52 6 電池のハイブリッドシミュレーション
  53. 53. Copyright(C) MARUTSU ELEC 2017 53 6 電池のハイブリッドシミュレーション
  54. 54. Copyright(C) MARUTSU ELEC 2017 54 6 電池のハイブリッドシミュレーション
  55. 55. Copyright(C) MARUTSU ELEC 2017 55 6 電池のハイブリッドシミュレーション
  56. 56. Copyright(C) MARUTSU ELEC 2017 56 6 電池のハイブリッドシミュレーション
  57. 57. Copyright(C) MARUTSU ELEC 2017 57 6 電池のハイブリッドシミュレーション
  58. 58. Copyright(C) MARUTSU ELEC 2017 58 6 電池のハイブリッドシミュレーション
  59. 59. Copyright(C) MARUTSU ELEC 2017 59 7 RFハーベスティング 非公開 当日のみ公開
  60. 60. Copyright(C) MARUTSU ELEC 2017 60 7 RFハーベスティング 非公開 当日のみ公開
  61. 61. Copyright(C) MARUTSU ELEC 2017 61 7 RFハーベスティング 動画1 電波が弱い場合 動画2 電波が強い場合 非公開 当日のみ公開
  62. 62. Copyright(C) MARUTSU ELEC 2017 62 質疑・応答

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