IoT関連エンジニアリング・サービスのご紹介

マルツエレック株式会社
IoT関連エンジニアリング・サービスのご紹介
UECアライアンスセンターワークショップ
６月２８日（水）１６時〜
100周年記念ホール
Copyright(C) MARUTSU ELEC 2017 1

自己紹介
報告者：今江崇
– 2000年4月電気通信大学電子情報学科特別編入学
– 大学院人間コミュニケーション学専攻修了（H専攻）博士（学術）
– 専門分野はメディア情報学、社会情報学
• 現在
– マルツエレック株式会社マーケティング・プロフェッショナル
– 日本体育大学情報学研究室非常勤講師
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マルツエレック株式会社概要
• Webサイトマルツオンライン https://www.marutsu.co.jp/
– BOM一括検索＆見積り機能
• 全国の店舗＆大学生協との取り組み
• 部品部材供給からエンジニアリング・サービスまで、試作の完全代行
が可能（回路設計、基板製造・部品実装、ケース加工）
– 研究開発支援型エンジニアリング・サービス
• 回路設計
• 試作基板〜製品等受託生産
• アイディアを「具現化」する工程をマルツが代行
• 試作開発に関わるコスト削減・スピードアップ
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IoT分野のエンジニアリング・サービス
• マルツエレックではIoT分野でも、回路設
計からの高度なエンジニアリングサービ
スをご提供致します。

マルツエレック回路設計担当者のご紹介
• 堀米毅（マルツエレックテクニカル・マネー
ジャー）
– 著書『定番回路シミュレータLTspice 部品モデル作成術』
2013,CQ出版社
– 訳書（共訳）『電源回路設計実例集: 制御ICのパフォーマ
ンスを引き出すテクニック』2013,CQ出版社
– 他、「トランジスタ技術」誌での解説記事多数

IoTデバイス開発の課題を解決する
エンジニアリング・サービス
6Copyright(C) MARUTSU ELEC 2017
• センサー、MCU、無線を組み合わせた、IoTデバイス全体
の設計に対応
• IoT化の一番の課題は、IoTシステムの電源

IoTの電源
AC電源が確保できるならば問題ありませんが、IoTでは環境に
よって、一次電池、二次電池、エナジーハーベスティングを採用、
組わせる必要があり、特に環境発電の電源の最適化は難易度
が高くなります。
マルツエレックのエンジニアリング・サービスでは回路シミュ
レーションを駆使し、最適な回路を設計します。
・回路シミュレーションのみのご提供も可能
・試作基板の製造からケースの製造も可能

マルツエレック
IoT関連エンジニアリング・サービス事例
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.蓄電デバイスのシミュレーション
4.1 リチウムイオン電池のシミュレーション
4.2 リチウムイオンキャパシタのシミュレーション
4.3 電気二重層キャパシタのシミュレーション
5. 電池のハイブリッドシミュレーション

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。
IoTの電源の最適化が大きなテーマです。

Case1: 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

 Simulation Result
• Total elapsed time: 786.766sec. ≈ 13min.
Input Voltage
Output Voltage
VMPPC=0.5V
Input Current
太陽電池の出力が１００％の場合、LTC3105への入力電圧、入力電流に応じた出力をシミュレーション

Case2: MPPC Response to Input Source (SOL=50%)：太陽電池の出力が５０％の場合
IOUT≈ 8.2mA
• .lib 19_12_93.lib
Pmax= 400mW
Voc= 0.58V
Isc= 0.872A
Vmppc= Vmp= 0.5V
[SOL=50%]

 Simulation Result • Total elapsed time: 387.219sec. ≈ 7min.
Input Voltage
Output Voltage
VMPPC=0.5V
Input Current
太陽電池の出力が５０％の場合、LTC3105への入力電圧、入力電流に応じた出力をシミュレーション

Case3: Maximum power point tracking (SOL=30%) ：太陽電池の出力が３０％の場合
IOUT≈ 8.2mA
• .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

Case3: 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
太陽電池の出力が３０％の場合、LTC3105への入力電圧、入力電流に応じた出力をシミュレーション
多様な環境条件の下で、IoTデバイスの電源が動作するかどうか？
試作前のシミュレーションが有効です

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。

ピエゾ素子に圧力を加えると電圧を生じる

ピエゾ素子
負荷回路相当
振動表現
（ピエゾ素子に加わる力をモデル化）
評価回路図

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

LTC3588-1+ピエゾ素子

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

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

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.
Model Parameters:
+ -
U1
LI-ION_BATTERY
SOC = 1
NS = 1
TSCALE = 1
C = 1.4
(Default values)
リチウムイオン電池デバイス・モデルのパラメータ

• The battery information refer to a battery part number LIR18500 of EEMB BATTERY.
+ -
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
パラメータ：Battery Capacityを設定

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
• 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)
充電の様子（実測値とシミュレーション）

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
.TRAN 0 300 0 0.5
.STEP PARAM rate LIST 0.2,0.5,1
.PROBE V(*) I(*) W(*) D(*) NOISE(*)
0.2C
0.5C
1C
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.
0.2C 0.5C 1.0Cとは

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

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

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

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

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)

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)

5 電池のハイブリッドシミュレーション
リチウムイオン・キャパシタと、
リチウムイオン電池のハイブリッド

緑色の出力波形は電池のみのもの？それともキ

リチウムイオン電池とリチウムイオンキャパシタを組み合わせて、I(load）を得る。

質疑・応答

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