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. 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

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。

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)

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

Case1: Voltage Source(v1) with LTC3105
 Simulation Result • Total elapsed time: 410.938sec. ≈ 7min.
Input Voltage
Output Voltage
VMPPC=0.4V
Input Current

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

Rs
Rsh
電流源 IDC ダイオード抵抗
抵抗
I1
電流源
IPWL

Case2: MPPC Response to Input Source (SOL=100%)
 Simulation Circuit and Setting
IOUT≈ 8.2mA
• .lib 19_12_93.lib
Pmax= 400mW
Voc= 0.58V
Isc= 0.872A
Vmppc= Vmp= 0.5V
[SOL=100%]

 Simulation Result
• Total elapsed time: 786.766sec. ≈ 13min.
Input Voltage
Output Voltage
VMPPC=0.5V
Input Current

IOUT≈ 8.2mA
• .lib 19_12_93.lib
Pmax= 400mW
Voc= 0.58V
Isc= 0.872A
Vmppc= Vmp= 0.5V
[SOL=50%]

Input Voltage
Output Voltage
VMPPC=0.5V
Input Current

Case4: Maximum power point tracking (SOL=30%)
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

Case4: Maximum power point tracking (SOL=30%)
Input Voltage
VMPPC =0.500V ---
VMPPC =0.475V ---
Output Voltage
Input Current

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。

ピエゾ素子相当
ピエゾ素子の発電電圧

LTC3588-1
データシートより抜粋

ピエゾ素子
負荷回路相当
振動表現
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

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

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。

ペルチェ素子昇圧トランス

LTC3108
データシート抜粋

データシート抜粋

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

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

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)

• 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
.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.

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

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

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

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

等価回路モデル
容量
リーク特性
過渡応答性

充電特性評価回路

充電特性評価回路シミュレーション

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)

放電特性評価回路

放電特性評価回路シミュレーション

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)

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
非公開
当日のみ公開

非公開
当日のみ公開

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

質疑・応答

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