太陽光シミュレーションセミナーの資料

1.太陽電池のSPICEモデル解説
2.影の影響のシミュレーション
3.太陽光システム全体シミュレーション
3.1 二次電池のSPICEモデル
3.2 パワーコンディショナーのSPICEモデル
3.3 太陽光発電システム全体シミュレーション
4.開発中の燃料電池のSPICEモデルのご紹介
5.質疑応答
太陽光シミュレーションセミナー
2013年12月13日
1Copyright (C) Bee Technologies 2013

マルツエレックのサービス
様々なシチュエーションでお客様の【ものづくり】をサポート致します
回路設計の技術サポート
回路シミュレーションのアプローチで御社の回路設計をサポートいたします。
部品調達
大量調達、中止品調達お任せ下さい！
WebShopと１２店舗のネットワークで、部品調達を徹底サポート致します。
基板設計・製造・実装
試作から量産まで承ります。
実装だけでなく調達もお任せ下さい。
ケース、ハーネス加工
穴あけ、切削、シルク印刷など指示書一枚で様々な加工が可能です。

Rs
Rsh
電流源 IDC ダイオード抵抗
抵抗

太陽電池モデルのシミュレーション結果
V_V1
0V 5V 10V 15V 20V 25V 30V
I(Isence)* V(V1:+)
0W
50W
100W
150W
200W
(16.900,109.848)
I(Isence)
0A
2A
4A
6A
8A
10A
SEL>>
(16.900,6.4999)
(21.596,0.000)
0.000,7.3196)

太陽電池モデルの出力特性の解析精度
+
Symbol
Measureme
nt
Simulation %Error
Isc 7.4000 7.3196 -1.086
Voc 21.6000 21.5950 -0.023
Ipm 6.5000 6.4999 -0.002
Vpm 16.9000 16.9000 0.000
Pmax(Ipm*Vpm) 109.8500 109.8480 -0.002
V_V1
I(Isence)* V(V1:+)
SEL>>
I(Isence)
Vpm Voc
Pmax
IpmIsc

日射データの過渡的なデータがある場合
日射量
時間
電流値
換算
気象条件
NEDOのMONSOLA05(801)データ

日射データの過渡的なデータがある場合
Rs
Rsh
電流源 IDC ダイオード抵抗
抵抗
I1
電流源
IPWL

太陽電池の逆特性のSPICEモデルについて
モデルパラメータで表現する方法 ① 関数で表現する方法 ②
【メリット】
収束性が良い
逆特性のモデリングが容易
【デメリット】
逆特性の変極点が鋭角
【デバイスモデリング手法】
順方向特性と逆方向特性には独立性がある
(1)順方向特性
(2)逆方向特性
【メリット】
再現性が高い
【デメリット】
収束性が懸念(ABMを使用するため)
【デバイスモデリング手法】
逆特性の関数を変更した場合、再度
順方向の再モデリングが必要
(1)順方向特性
(2)逆方向特性
(3)順方向特性の再デバイスモデリング

.SUBCKT VBMS240AJ01_25C_60Cells Plus Minus
R_RS1 N00A Plus 11.835u
R_Rsh1 Minus N00A 1.2177
D_D1 N00A Minus DIODE_VBMS240AJ01
I_I1 Minus N00A DC 8.794832
.Model DIODE_VBMS240AJ01 D
+ IS=28.17900011p
+ N=830.019001201m
+ RS=5.5289712m
+ IKF=0
+ BV=4.001
+ IBV=20.002
+ NBV=1.0623m
.ENDS
モデルパラメータで表現する方法 ①

SOLの追加
*$
*PART NUMBER: VBMS240AJ01
*MANUFACTURER: Panasonic
*REMARK:TC=25C_60Cells
*All Rights Reserved Copyright (c) Bee Technologies Inc.
2013
.SUBCKT VBMS240AJ01_25C_60Cells Plus Minus
+ PARAMS: sol=1
R_RS1 N00A Plus 11.80305u
D_D1 N00A Minus DIODE_VBMS240AJ01
I_I1 Minus N00A DC {sol*8.75132}
.Model DIODE_VBMS240AJ01 D
+ IS=28.183971p
+ N=830.0192981m
+ RS=5.5280132m
+ IKF=0
+ BV=5
+ IBV=1.0001
+ NBV=10.000982m
.ENDS
*$
モデルパラメータで表現する方法 ①

V1
0Vdc
0
R1
100
I1
8.75Adc
RS
11.835u
Rsh
1.2177
D1
D_SOLAR
OUT+
OUT-
EXP1 = 1+(2E-3)*pwr(1-(V(sen)+I(sen)*11.835u)/(-15),-3)
sen
0Vdc
sen
1+(2E-3)*pwr(1-(V(sen)+I(sen)*11.835u)/(-15),-3)
関数で表現する方法 ②
等価回路図

太陽電池の逆特性シミュレーション
関数で表現する方法 ②
1+(2E-3)*pwr(1-(V(sen)+I(sen)*11.835u)/(-15),-3)

V1
0Vdc
Isence
0Vdc
R1
100
0
BP3110_1
+
U1
BP3110_1
BP3110_2
+
U2
BP3110_2
BP3110_3
+
U3
BP3110_3
等価回路内のI_I1で表現する。
.SUBCKT BP3110 Plus Minus
R_RS1 N00A Plus 0.3623
D_D1 N00A Minus DIODE_BP3110
.Model DIODE_BP3110 D
+ IS=2.25E-12
+ N=28.9993
+ RS=0.0071
+ IKF=0
.ENDS

任意のパネルの出力を低下させたい場合
BP3110_1
.SUBCKT BP3110_1 Plus Minus
+ IS=2.25E-12
+ N=28.9993
+ RS=0.0071
+ IKF=0
.ENDS
BP3110_2
+ IS=2.25E-12
+ N=28.9993
+ RS=0.0071
+ IKF=0
.ENDS
BP3110_3
+ IS=2.25E-12
+ N=28.9993
+ RS=0.0071
+ IKF=0
.ENDS
Name 効率 I_I1(A)
BP3110_1 75% 5.55
BP3110_2 50% 3.70
BP3110_3 25% 1.85
上記のネットリスト記述はコメント文は省略しています。

V1
0Vdc
Isence
0Vdc
R1
100
0
BP3110_1
+
U1
BP3110_1
BP3110_2
+
U2
BP3110_2
BP3110_3
+
U3
BP3110_3
等価回路内のR_Rsh1で表現する。
.SUBCKT BP3110 Plus Minus
+ IS=2.25E-12
+ N=28.9993
+ RS=0.0071
+ IKF=0
.ENDS
リーク
発生
リーク電流が増加⇒R_Rshの値が小さくなる
リーク電流が減少⇒R_Rshの値が大きくなる
今回のケース・スタディでは、2番目の太陽電池パネルでリークが発生したとします。
BP3110_2のR_Rsh=0.01に設定します。R_Rshの値をパラメトリック解析をすれば、
その影響度合いをシミュレーション出来ます。

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) Bee Technologies 2013 20
Model Parameters:
+ -
U1
LI-ION_BATTERY
SOC = 1
NS = 1
TSCALE = 1
C = 1.4
(Default values)

• 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

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)

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(*)
1 minute in seconds
Over-Voltage Protector:
(Charging Voltage*1) - VF of D1
Input Voltage

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(*)
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.

【シンプルモデルのご提供】
パラメータベースのユーザーが定義できるSPICEモデルであり、充電特性及び放電特性
に再現性があります。
リチウムイオン電池
ニッケル水素電池
鉛蓄電池
【デバイスモデリングサービス】
充電特性図及び放電特性図をご提供して頂き、デバイスモデリングを行います。
温度特性、劣化特性も付加できます。

Parameter Settings (Example)
PVCO  PV cutoff voltage
• Vbatt_chg < PVCO < 98% of Voc
• Value = 27.5V
LDCO  LOAD cutoff voltage
• Vbatt_dis@25% of SOC< LDCO < Vbatt_dis
• Value = 23.9V
VO_AC  AC Output Voltage, rms value
• e.g. 100V, 220V
• Value = 100V
AC_FREQ  AC Output Frequency
• e.g. 50Hz, 60Hz
• Value = 50Hz
VO_DC  DC Output Voltage
• e.g. 10V, 20V
• Value = 10V
• From the power condition specification, the model is characterized by setting
parameters PVCO, LDCO, VO_AC, AC_FREQ, and VO_DC.
U1
PCON_SMPMOD
LDCO = 23.9
PVCO = 27.5
VO_AC = 100
AC_FREQ = 50
VO_DC = 10
IN
BATT
U
V
W
N
DC+
DC-GND
3.2 パワー・コンディショナーのSPICEモデル

V_V1
0V 5V 10V 15V 20V 25V 30V
I(PV)*V_V1
0W
100W
200W
300W
SEL>>
I(PV)
0A
5A
10A
15A
Parameter Settings (Example)
PV
Voc= 28.083V
Vmp= 23.61V
Time
0s 2s 4s 6s 8s 10s 12s
V(C1:1)
0V
10V
20V
30V
SEL>>
V(X_U1.1)
0V
0.5V
BATT
Vbatt= 24.471V

Time
0s 1s 2s 3s 4s 5s 6s 7s 8s 9s 10s
1 V(U1:BATT) 2 V(X_U5.1)
23V
24V
25V
26V
27V
1
0V
0.50V
0.75V
1.00V
2
>>
I(X_U1.V_PV) I(X_U1.V_BATT) I(X_U1.V_LOAD)
0A
2A
4A
6A
8A
10A
V(U1:DC+,0)
0V
5V
10V
15V
20V
V(U,0) V(V,0) V(W,0)
-200V
0V
200V
SEL>>
PV-BATT-LOAD Characteristics
PV Current
LOAD Current
BATT Current
BATT Voltage
SOC
Hour
DC Voltage
3-Phase AC Output Voltage

Simulation Circuit
+ U2
ND-S0L7H_50
+ U3
ND-S0L7H_50
+ U4
ND-S0L7H_50
U5
MSE-50-12
NS = 2
TSCALE = 3600
SOC1 = 0.25
PLUS
MINUS
U1
PCON_SMPMOD
LDCO = 23.9
PVCO = 27.5
VO_AC = 100
AC_FREQ = 50
VO_DC = 10
IN
BATT
U
V
W
N
DC+
DC-GND
U
W
V
RU
{RLOAD}
0
RVRW
PARAMETERS:
RLOAD = 400
RL
10
0
TSCALE = 3600
1SSIM = 3600Sreal world
= 1Hr

Time
0s 1s 2s 3s 4s 5s 6s 7s 8s 9s 10s
1 V(U1:BATT) 2 V(X_U5.1)
23V
24V
25V
26V
27V
1
0V
0.50V
0.75V
1.00V
2
>>
0A
2A
4A
6A
8A
10A
V(RL:1,0)
0V
5V
10V
15V
20V
V(U,0) V(V,0) V(W,0)
-200V
0V
200V
SEL>>
PV-BATT Characteristics
BATT Voltage
SOC
Hour
DC Voltage
PV Current
LOAD Current
BATT Current

Simulation Circuit
+ U2
ND-S0L7H_50
+ U3
ND-S0L7H_50
+ U4
ND-S0L7H_50
U5
MSE-50-12
NS = 2
TSCALE = 3600
SOC1 = 0.25
PLUS
MINUS
V
U
W
RU
{RLOAD}
0
RVRW
PARAMETERS:
RLOAD = 100k
RL
100k
0
U1
PCON_SMPMOD
LDCO = 23.9
PVCO = 27.5
VO_AC = 100
AC_FREQ = 50
VO_DC = 10
IN
BATT
U
V
W
N
DC+
DC-GND

Time
0s 1s 2s 3s 4s 5s 6s 7s 8s 9s 10s
1 V(U1:BATT) 2 V(X_U5.1)
23V
24V
25V
26V
27V
1
0V
0.50V
0.75V
1.00V
2
>>
-4.0A
-2.0A
0A
2.0A
4.0A
V(RL:1,0)
0V
10V
15V
20V
SEL>>
V(U,0) V(V,0) V(W,0)
-200V
0V
200V
BATT-LOAD Characteristics
BATT Voltage
SOC
Hour
DC Voltage
PV Current
LOAD Current
BATT Current

Concept of Simulation PV Li-Ion Battery System in 24hr.
Lithium-Ion
Batteries Pack
Photovoltaic
Module
Over Voltage Protection
Circuit
16.8V Clamp Circuit
PBT-BAT-0001 (BAYSUN)
DC12.8～16.4V (4 cells)
4400mAh
SX 330 (BP Solar)
Vmp=16.8V
Pmax=30W
DC/DC
Converter
Vopen= (V)
Vclose= (V)
The model contains 24hr.
solar power data (example).
DC Load
VIN=10~18V
VOUT=5V
VIN = 5V
IIN = 1.5A
Low-Voltage
Shutdown
Circuit

Short-circuit current vs. time characteristics of photovoltaic module SX330 for
24hours as the solar power profile (example) is included to the model.
Time
0s 4s 8s 12s 16s 20s 24s
I(X_U1.I_I1)
0A
0.4A
0.8A
1.2A
1.6A
2.0A
SX330
+
U2
SX330_24H_TS3600
The model contains
24hr. solar power data
(example).

PV-Battery System Simulation Circuit
Ronof f 1
100dchth
Low-Voltage Shutdown Circuit
DC/DC Converter
DMOD
D1
Voch
16.8Vdc
0
0
batt
0
C1
100n
IC = 16.4
0
pv
+ -
U1
PBT-BAT-0001
TSCALE = 3600
SOC1 = 70
SX330
+
U2
SX330_24H_TS3600
batt1
C3
10n
+
-
+
-
S2
S
VON = 0.7
VOFF = 0.3
ROFF = 10MEG
RON = 0.01
0
0
IN+
IN-
OUT+
OUT-
ecal_Iomax
n*V(%IN+, %IN-)*I(IN)/5
EVALUE
Iomax
0
IN+
IN-
OUT+
OUT-
E2
IF( V(lctrl) > 0.25 ,Lopen ,Lclose)
EVALUE
0
PARAMETERS:
Lopen = 14
Lclose = 15.2
IN+
IN-
OUT+
OUT-
E1
IF(V(batt1)>V(dchth),5,0)
EVALUERonof f
100
Conof f
1n
IC = 5
Lctrl
PARAMETERS:
n = 1
I1
1.5Adc
0
OUT
IN+
IN-
OUT+
OUT-
E3
IF( I(OUT)-V(Iomax) > 0 ,n*V(%IN+, %IN-)*I(IN)/(I(OUT)+1u), 5 )
EVALUE
out_dc
DMOD
D2
Conof f 1
100n
IN-
OUT+
OUT-
IN+
G1
Limit( V(%IN+, %IN-)/0.1, 1m, 5*I(out)/(n*limit(V(%IN+, %IN-),10,25)) )
GVALUE
IN
Solar cell model with
24hr. solar power
data.
Lopen value is load
shutdown voltage.
Lclose value is load
reconnect voltage
Set initial battery
voltage, IC=16.4, for
convergence aid.
SOC1 value is initial
State Of Charge of the
battery, is set as 70%
of full voltage.
7.5W Load
(5Vx1.5A).
 Simulation at 15W load, change I1 from 1.5A to 3A

Time
0s 4s 8s 12s 16s 20s 24s
1 V(out_dc) 2 I(IN)
0V
2.5V
5.0V
7.5V
1
400mA
500mA
600mA
2
SEL>>SEL>>
V(X_U1.SOC)
0V
25V
50V
75V
100V
1 V(batt) 2 I(U1:PLUS)
12.5V
15.0V
17.5V
1
>>
-2.0A
0A
2.0A
2
I(pv)
0A
1.0A
Simulation Result (SOC1=100)
C1: IC=16.4
Run to time: 24s (24hours in real world)
Step size: 0.01s
PV generated current
Battery current
Battery voltage
Battery SOC
DC/DC input current
DC output voltage
• .Options ITL4=1000
SOC1=100 Fully charged, stop
charging
Battery supplies current when solar
power drops.
PV module charge the battery
Charging time

Time
0s 4s 8s 12s 16s 20s 24s
1 V(out_dc) 2 I(IN)
0V
2.5V
5.0V
7.5V
1
0A
0.5A
1.0A
2
>>
V(X_U1.SOC)
0V
25V
50V
75V
100V
10.152m,69.889)
12.5V
15.0V
17.5V
1
-2.0A
0A
2.0A
2
SEL>>SEL>>
(7.6750,15.199)
(5.1850,14.000)
I(pv)
0A
1.0A
C1: IC=16.4
Step size: 0.01s
SKIPBP
Battery current
Battery voltage
Battery SOC
DC/DC input current
DC output voltage
SOC1=70
V=Lopen
V=Lclose
Shutdown
Reconnect
Fully charged, stop
charging
power drops.
Charging time

Time
0s 4s 8s 12s 16s 20s 24s
1 V(out_dc) 2 I(IN)
0V
2.5V
5.0V
7.5V
1
0A
0.5A
1.0A
2
>>
V(X_U1.SOC)
0V
100V
SEL>>
(12.800m,29.854)
12.5V
15.0V
17.5V
1
-2.0A
0A
2.0A
2
>> (1.6328,14.004)
(7.6150,15.193)
I(pv)
0A
1.0A
C1: IC=15
Step size: 0.01s
Total job time = 2s
Battery current
Battery voltage
Battery SOC
DC/DC input current
DC output voltage
SOC1=30
V=Lopen
V=Lclose
Shutdown
Reconnect
Fully charged, stop
charging
power drops.
Charging time

Time
0s 4s 8s 12s 16s 20s 24s
1 V(out_dc) 2 I(IN)
0V
2.5V
5.0V
7.5V
1
0A
0.5A
1.0A
2
>>
V(X_U1.SOC)
0V
100V
12.5V
15.0V
17.5V
1
-2.0A
0A
2.0A
2
SEL>>SEL>>
(7.6163,15.200)
I(pv)
0A
1.0A
C1: IC=14.4
Step size: 0.01s
SKIPBP
Battery current
Battery voltage
Battery SOC
DC/DC input current
DC output voltage
• .Options RELTOL=0.01
SOC1=10
V=Lclose
Shutdown
Reconnect
Fully charged, stop
charging
power drops.
Charging time

燃料電池のSPICEモデル
温度(ケルビン)
圧力(アノード側、カソード側)
スタック電圧
セルのインピーダンス
モルの流れ
2013年11月14日(木曜日)
ビー・テクノロジー
http://www.beetech.info/
4. 燃料電池のSPICEモデル

圧力
アノード電極側
カソード電極側
温度(ケルビン)
圧力(アノード側、カソード側)
スタック電圧
セルのインピーダンス
モルの流れ

スタック電圧
流れ

基本的動作
Eo
インピーダンス

水素及び酸素の供給

水素、酸素及び水の状態

Vo50Vdc
+
-
G1
G
0V1
5Vdc
0.408E-5
0
R1_RH2
546.448
C1
5.106E-6
V_PSH
101000Vdc
VH2/RTH2
F1
F
0
0
1.2105
0
0
+
-
G2
G
0
0.5748E-4
R1_RO2
333.333
C2
7.66E-6
VO2/RTO2 V_PSH1
101000Vdc
F2
F
0
0
F3
F
IN1
OUTIN2
IN1
IN2
IN3
OUT
( V(%IN1)
*V(%IN2)
/V(%IN3) )
R4
0.1734
Vout
5.7803
V_R
8.314Vdc
V_T_K
353Vdc
C3
3.355E-4
R5
0.0231
R1
1000k
V_2F
192980Vdc
1
+
-
G3
G
IN1
IN2OUT
0
IN1
OUT IN2
C6
0.99833333333
+
-
H1
H
0
F4
F
F5
F
0
0
INOUT
LOG F8
F
C4
5.719E-4
R2
10000k
+
-
G4
G
IN1
OUT IN2
IN1
IN2OUT
+
-
H2
H
F6
F
INOUT
LOG
0
0
I1
0Adc
IN1
OUT IN2
IN OUT
LOG
IN OUT
-1.0
PWRS
IN OUT
SQRT
0
IN1
IN2 OUT
R6
1
-0.01
IN1
IN2 OUT
C5
5.719E-4
R3
1000k
+
-
G5
G
IN1
IN2OUT
IN1
OUT IN2 +
-
H3
H
F7
F
0
-2
1
IN1
IN2 OUT
IN1
IN2 OUT
IN1
IN2 OUT
IN1
OUTIN2 IN1
OUTIN2
25
60
V_DC
1Vdc
負荷電流
水素の供給
酸素の供給
アノード電極の水素の状態
カソード電極の酸素の状態
カソード電極の水の状態
基本動作の等価回路

質疑応答

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