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2014-08-05 1000円+で作る 100W 級 MPPT 充電器 (前編)

1000円+で作る 100W 級 MPPT 充電器 (前編)

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 モバイルルーターと若松ネットガイガー(J209×2 仕様)を車載して、駐車中も 24h 運用(1分おきに測定値を送信)していることは以前から何度か書いてました。

 バッテリー上がりが怖いので、そのシステム一式の電源には車のバッテリーを使わず、別に積んだサブバッテリーを使って運用していますが、そのサブバッテリーへの充電はルーフレールに載せた太陽光パネルで概ね賄っておりました。


 このシステムには、mbed を用いた自作の(記事にはしてなくて未公表の) MPPT 充電器 を使用してきましたが、MPPT 充電の制御ごときに 5000円 もする mbed を投入するのは異常だということに最近になって気がつきました(笑)


 MPPT の細かい原理は こっち を読んで頂くとして、要するに、太陽光発電っていうのは「ちょっと電気を使いすぎると電圧が大きく下がるヘタれ電源」なので、ちょうどいい加減の消費量を維持するのが最も効率がよいのですけど、その「ちょうどいい加減」を見つけるために、みんな「山登り法」とかを用いて消費量を実際に増減させてみて、電圧×電流の計算結果の最大地点を探すわけなんですが、デバッグがてら2年にわたり垂れ流し続けた microSD のログを見て分かったことは、


  • 山登り法で算出した最適点のパネル電圧は開放電圧の 75〜80%の範囲内がほとんどである
  • 75〜80%の範囲であれば、わずかにズレても効率の違いは誤差レベルで気にしなければ気にならない
  • 雲の動きや気温や大気の具合で最適条件は刻一刻と変わっているんだから割り切りが必要

 要はですね

徹底的に1番を追い求めるに越したことはないが苦労しても得られるものは少ない

 民主党政権の時代に某大臣さんが税金の無駄遣いを探している最中に「一番じゃなきゃダメなのか」と公言して問題になったことがありますが、あれ的に言えば「一番なんかどうでもいいです(キリッ」って感じか。


 私がルーフレールに載せてるパネルの仕様は

公称最大出力電圧17.6V
公称最大出力電流2.85A
公称開放電圧21.8V
公称短絡電流3.28A

というもの。(本音では、もう少し電圧が高いのを選ぶべきだった・・・)


 これは決められた照度条件で測定した結果の一例ですけど、この条件時で単純計算してみると 17.6V÷21.8V=80.7%

 発電時に作用する逆流防止ダイオードの電圧降下は無視できないので、考慮すると(17.6V-0.6V)÷21.8V=78.0%


 経験則で「最大点は開放電圧の75〜80%」かなと感じていたんですけど、なぁ〜んだ、パネルの仕様値のままじゃん!

 というわけで、常に開放電圧の77〜78%付近を狙う簡易型の MPPT 充電器とやらを作ってみようと思います。

 マイコン使った回路は巷に氾濫してると思うので、あえてマイコンレスで。(すべて秋月で揃う部品のみです)


http://dl.ftrans.etr.jp/?646dff1282154514b2e6fe8834baad4a2c2b1148.png

(クリックすると大きく見えます)

 

 今回の回路は緑線でブロック分けしてみました。

 順に解説していこうと思いますが、回路図を見ながら読まないと意味不明な文章が続くので、もうひとつブラウザを起動していただき、横に並べてご覧ください。


DCDC


 負荷にバッテリーを加えて「充電量を多くするか少なくするか」で消費電力をコントロールし、最もパネルが効率よく発電するポイントを狙って発電させる、というのが MPPT なので、その細かい制御で無駄がないよう DCDC します。


 上の回路例では 7.5A大電力DCDCコンバータ制御IC NJM2811 を使ってみましたけど、電圧を外部から指定できて、NJM2811 で言うところの 5番 STBY ピンみたいな「動作一時停止」の機能があれば、どんな DCDC でも大丈夫です。


 インダクタや放熱板がセットになってて @300円 と格安な DC−DCコンバータ 12V8A HRD12008 も、ケースを外して少々改造が必要ではありますが、MPPT 充電器として、ばっちり使えます。

(HRD12008を使う場合の改造方法は 後編で書きました


 肝は先ほどの書いたとおり、NJM2811 で言うところの 5番 STBY ピンみたいな「動作一時停止」の機能。

 NJM2811 のデータシート に内部のブロック図が書いてありますが、エラーアンプの評価結果を外に出しているピンでして、GND に落とすと動作を停止してくれます。

 普段はオープンにしつつ、小刻みに GND に落としてやると電圧が下がるので、こいつを弄って後述の充電電流の制御やMPPT制御を行います。


 NJM2811 と HRD12008 は手持ち品を使ってテスト&成功してますが、似たような性格の 可変1〜15V8A DC−DCコンバータ制御IC SI−8010Y は持っていないので試せていません。

 5番 COMP という NJM2811 と同じ香りが漂ってるピンがあるので、たぶんこいつを使って使えると思いますが。



 DCDCの出力として指定する電圧は、バッテリーに対する最大充電電圧です。

 上の回路図のように、18kΩ+10kΩ の分圧中点から FB に戻すと、概ね 13.8V くらいの電圧に、10kΩ側に 91kΩ を並列でつなげてやると、概ね 14.8V くらいの電圧になります。


 太陽光パネルの充電に特化するときは、昼間に充電して夜間に放電するいうサイクルユースになると思うので、14.8V で設定したらいいのですが、AC アダプタなどで充電放置する場合だと昼夜 14.8V かけっぱなしはバッテリーの寿命を縮めるので 13.8V にしたほうがいいでしょう。


 適当なACアダプタをDCDCの入力につないで、無負荷時に希望する電圧が出力されているかテスターで確認しておきます。


 あと、回路図の DCDC の上に 1N4148 が出力→入力の方向で挿入してありますが、これがバッテリーからの逆流保護を兼ねてますので、くれぐれも省略しないようにして下さい。

(ダイオードなら何でもいいです)



充電制御


 バッテリーへの充電電流がバッテリーの仕様値を超えないよう制御するための回路です。(リミッターです)

 少し前に秋月電子に新登場した ハイサイド電流センサ を使ってみました。

 10mΩのシャント抵抗 も秋月で揃います。


 LT6106 は IN- と IN+ との間に置いたシャント抵抗の両端のわずかな電圧差を数十倍に増幅してくれるものです。

 回路図の LT6106 周辺に 200Ω と 10kΩ が書いてありますが、この定数は 10kΩ÷200Ω=ゲイン50倍 という意味で、シャント抵抗の両端の電圧差を50倍に増幅して出力する、という風になります。


 たとえば 10mΩ のシャント抵抗に 5A が流れたとき、両端の電圧差は 5A×0.01Ω=0.05V となりますが、ゲイン50倍のとき、0.05V×50倍=2.5V が LT6106 から出力されます。


 シャント抵抗を通過する電流値を LT6106 を使って電圧値に変換し、コンパレータ NJM2303D の入力−側へ繋ぎます。

 コンパレータの入力+へは、0〜5V の範囲で希望する電圧を指定しますが、この電圧とはつまり、最大充電電流のこと。


 コンパレータへの入力電圧が、入力+<入力− になるとコンパレータの出力が GND になって DCDC の動作を停止させます。

 動作を停止させることで電圧降下が始まりますが、I=V÷R の 電圧V が低下していくにつれ 電流I も下がっていき、入力+>入力− になった時点で出力が GND からオープンに戻り、DCDCの動作が再開される、という案配です。

(上記の動作が非常に短時間の間に連続して起きて、「滑らか」な変化に見えます)


 先ほど「シャント抵抗に 5A が流れたとき〜」って例えを出しましたが、最大充電電流を 5A にしたいときは 2.5V を指定します。

希望する最大充電電流コンパレータの入力+に印可する電圧
(可変抵抗を弄って下記電圧に調整する)
1A0.5V
2A1.0V
3A1.5V
4A2.0V
5A2.5V
6A3.0V
7A3.5V
8A4.0V

 バッテリーの容量が変わって最大充電電流も変わったとき、調整しやすいように可変抵抗にしましたが、変更する予定がなければ固定抵抗で分圧するようにして構いません。


 ちょっと余談になりますが、DCDC と 充電制御回路 で、一般的な充電器ができあがります。

 以前に作った セリアDCDCを改造したなんちゃって鉛蓄電池充電器 と違って今回のものは出力側の充電電流を監視しているので、MPPT 制御なしの単純な充電器としてもお使い頂けると思います。。


(簡易)MPPT制御


 「太陽光パネルの電気を使うにあたり、パネル電圧が開放電圧の75〜80%の範囲を維持するように心がけるのが効率がいい」という経験則を、そのまま回路に起こしたものです。


 まず左端 47kΩ+2.7kΩ+9.1kΩ で分圧している部分。

 47kΩ の説明はあとにするとして、2.7kΩ と 9.1kΩ のほうから。

 見た瞬間に分かる方もおられるかもしれませんけど、2.7kΩ の上(47kΩと2.7kΩの中点)を 100 としたとき、2.7kΩの下(2.7kΩ と 9.1kΩ の中点)は 9.1kΩ÷(2.7kΩ+9.1kΩ)×100=77.1 になります。


 この 77.1 のポイントからの線がリレーに向かって、このリレーは普段「断」の状態ですが、「接」になると 47μF のコンデンサに繋がります。

 コンデンサへ充電されることになりますが、この線は コンパレータ NJM2303D の入力−にも繋がっています。

 2.7kΩ の上(100の地点)は、そのままダイレクトにコンパレータ NJM2303D の入力+へ。


 リレーの話も後にして、「100の地点」と「77.1の地点」とをコンパレータで比較させていることになりますが、入力+<入力− になるとコンパレータの出力は GND に変化します。

 つまり、コンパレータの出力がGND になるのは 「100の地点」<「77.1の地点」 のとき。


 100<77.1 はありえないだろ!、と叱られてしまいますが、引き続き LMC662 付近をご覧下さい。

 左の LMC662 が 1MΩ+100μF の定数にて 1/400Hz(f=400秒) 程度の超長周期で振幅幅が電源電圧の 1/3(33.3%)〜2/3(66.6%) な疑似三角波を淡々と作ってます。


 右の LMC662 はその振幅幅のうち 1/3〜1/3+α(αは微少)の僅かな部分を切り取る役目を負ってます。

 100kΩ+51kΩ で得られる分圧比は 51kΩ÷(100kΩ+51kΩ)=33.8% ですので、抵抗の誤差を考えない計算上で、33.3%→33.8% の 0.5% 上昇(下降)する期間だけ、オペアンプの出力を ON にします。

 たった 0.5%×往復 分ですが、f=400秒 ほどの超長周期なので、実際の時間に換算すると(実測で)1秒前後です。

※カーボン被膜1MΩと電解コンデンサ100μFの組み合わせのとき、計算値と実測とはかなり乖離した周期になりますが。


 右側 LMC662 の出力下には、Nch な MOSFET とリレーとが並列でオペアンプの ON を待ち構えています。

 ところで、オペアンプ出力にある 200Ω は、コイル抵抗500Ωで10mA仕様の5Vリードリレー を 9V から使うにあたり、LED による VF も含めて一石三丁くらいを狙った結果でして、他のリレーに置き換えるときはオペアンプの出力が足りるかなども含めて再検討が必要です。


 オペアンプが ON になり MOSFET が「接」になると STBY ピンが GND に落ちるので、DCDC はその動作を中止し、太陽光パネルの電気を消費するのを止めます。

 ほぼ同時に(リレーの作動時間分だけ遅れて)、前述「77.1の地点」をコンデンサに繋ぎますので、コンデンサは「77.1の地点」の電圧まで充電されることになります。


 オペアンプの ON は1秒くらい続き、オペアンプが OFF になるとリレーはコンデンサを切り離し MOSFET は「断」になることで STBY をオープンにし、DCDC は動作を再開します。


 リレーによって「77.1の地点」から切り離されたコンデンサですが、そこへ蓄えられた電圧は太陽光パネルが開放中(DCDC が動作を停止していた間)の「77.1」です。

 コンデンサに蓄えられた電荷は微量ではありますが、次段のコンパレータ NJM2303D の入力にとっては十分な量であり、コンパレータから極めて僅かに漏れ出てくるバイアス電流のサポートとも相まって、次回の充電サイクルが訪れるまで「開放電圧の77.1」に近い電圧を維持します。


 f=400秒のうちの1秒を除いた区間では、コンパレータは「開放電圧の77.1」と「消費中の100」とを比較しながら、DCDC に停止/起動を指令することになるので、結果的にパネル電圧は「開放電圧の77.1」に収束することになります。


 ここで最も重要なのは、MOSFET とリレーともに「接」になってコンデンサに開放電圧を覚え込ませるための充電時間です。

 短すぎると充電しきれませんし、長すぎるとその間は発電しないので太陽光が無駄になります。


 上で実測1秒と書きましたが、いかんせん、f=400秒のうちから正確に1秒前後を切り出すのは、抵抗誤差の与える影響が大きすぎて机上計算どおりにいかないと思うので、上の回路のとおり発光ダイオードを挿入して、「コンデンサに開放電圧を覚え込ませている期間」を視認できるようにしました。

 実際に LED が点灯してる時間を実測して、あまりに短いと思ったら 51kΩに対して 500Ω〜1kΩ 程度を直列追加します。

(いったん設定したら再調整する機会はないとは思いますが財力があれば可変抵抗を直列追加でも構いません)


 「開放電圧の77.1」を 47μF のコンデンサに0から覚え込ませるのに1秒はあまりに短すぎますが、初回の1発目だけは10秒近くかけて「正確に覚え込ませる」仕様になってます。

 普段の「コンデンサに開放電圧を覚え込ませている期間」は疑似三角波が 33.3〜33.8 の期間だけなのですが、100μFのコンデンサが空っぽの通電直後の最初だけは、0〜33.8 の期間になり、実測すると10〜15秒ほどになります。


 「f=400秒から1秒を切り出す」も立派な PWM 制御なのですが、実のところ最初は、555 を使って超長周期の PWM を作ろうとしたんですね

 ON:OFF=1:399(この程度、という意味であって正確でなくても良い)というデューティ比を作ろうとしたんですが、555 ではデューティ比 50%以下は作れないことになっているので、反転させて使うことを前提にした ON:OFF=399:1 というデューティ比 99.75% を作ろうとしたんですよね。

 ブレッドボード上でこの試みは成功し、無事に400秒から1秒を切り出すことが出来たのですが、555 は ON から始まるみたいなんですよ。

 1秒OFF→399秒ON→1秒OFF・・・を期待してたのですが、399秒ON→1秒OFF→399秒ON・・・ということで、起動してから1周期待たないと「覚え込ませる」の番が来ないという。。


 なにか回避する方法があるのかもしれませんが、オペアンプで三角波を作れば切り取る範囲を自由に選べるし、結果的な副産物として「初回だけ10秒ちょっとかけて・・・」も実現することが出来ました。



 疑似三角波の長周期を 1MΩ と共に作り出している 100μF のコンデンサの電荷を抜いてやると初回に戻れるので、強制的に電荷を抜くリセットボタンも搭載してみました。

 400秒おきに開放電圧の再測定をしますが、リセットボタンを押すことで、今すぐ再測定、してくれます。


 最後に「47kΩ の説明はあとにするとして」の件ですが、「100の地点」をコンパレータに突っ込むにあたり、コンパレータの電源電圧以下にするため、テキトーに挿入した抵抗です。

 上記の回路定数のとき、「100の地点」は本当のパネル電圧の 1/5 くらいになるので、仮にパネル電圧が 40V のときでも 40V×0.2=8V となり、コンパレータの電源(9V)以下になるので、コンパレータが壊れずに済む、という風になります。

 これだけの目的ですので、100kΩとかでも構いません。


 私とは違うパネルを使ってて、逆流防止のダイオードも加味した公称仕様値で試算してみて、「開放電圧の77.1%ではなく80%くらいのほうが効率が良さそうだ」って判断でしたら、ここら辺の抵抗の分圧比を弄って下さい。

 そのときは、47kΩの目的も理解していただき、オペアンプの電源電圧を超えない抵抗を選択しましょう。


 後編に続く予定


(追記)2014/09/02

 1ヶ月ほど運用した結果を踏まえて、上の回路図と文章を一部差し替えさせて頂きました。

変更箇所

  • オペアンプ類の電源をバッテリー直でなく 7809 経由とした
  • LMC662 の出力電圧が 9V になったことで LED の下の抵抗を 510Ω→200Ω
  • 充電制御の電流指定に用いる基準電源を 9V から分圧

 変更前の回路図は こちら です。


(追記)2014/09/08

 インダクタや放熱板がセットになってて @300円 と格安な DC−DCコンバータ 12V8A HRD12008 を使った作例を後編として書きました。

 こちらからどうぞ


(追記)2015/03/31

 24Vバッテリーを対象にした昇圧版の簡易 MPPT 充電器を作りました。

 動作原理は本稿と同じため割愛してます。

 回路図くらいしか上げてませんが、参考にどうぞ。

昇圧型 (簡易) MPPT 充電器

MatsumotoMatsumoto 2015/10/14 00:08 初めまして、こばさん様

私は工業高等専門学校に通っている学生の松本と申します。

私は太陽光を利用した研究を行っているのですが、こばさんが開発しましたこちらのMPPT制御の資料を是非研究の方へ応用したいと思うのですが、参考にさせて頂いてもよろしいでしょうか。

何卒よろしくお願い致します。

こばさんこばさん 2015/10/14 16:48 こんにちは。
研究に応用?、はい、喜んで!!
卒論か何かで使われるなら、参考文献ならぬ参考サイトの項に一行加えて下さるようだと私の工作モチベーションも上がるかな(笑)


昇圧バージョン(http://d.hatena.ne.jp/wakwak_koba/20150329)で、少しだけ回路の見直しやってますので、併せて参考にしてもらえたらと思います。

「開放電圧の77.1」を得るための分圧抵抗 2.7kΩ と 9.1kΩ 付近はパネルによっても最適点が変わり要チューニング箇所なので、可変抵抗を組み合わせて分圧比を可変できるようにしたほうがいいですね。

実際にソーラー発電で使う場合(かつACアダプタでの補充電を行わない場合)、充電制御をしないで済む十分な容量あるバッテリーを選択したほうがいいです。

たとえば最大で5A(@12VへDCDC後)の発電力があるパネルを使うときは、鉛蓄電池の充電電流は 0.3C くらいが限界なので、5A÷0.3C=16.66AH で端数切り上げて 12V20AH くらいのバッテリーを選択すれば、充電電流を制限する必要ないです。(充電制限の回路が不要になります)

あと私、本職じゃないもんですから、何か不備ある可能性があります。
松本さんの研究過程で当回路のバグを見つけられたりしたらコメント頂けたら幸いです。
私にとっても勉強になりますので是非!

MatsumtoMatsumto 2015/10/15 18:03 こばさん様

ご返信ありがとうございます。

色々アドバイスを頂き大変恐縮です。

私の太陽光パネルは京セラさんの多結晶パネルを使用しているのですが、逆流防止ダイオードの電圧降下を考慮しても開放電圧の78.8%が限度のようです。とりあえず9.1kΩの部分は10KΩ以上の可変抵抗で開放電圧の選定を調整しようと思います。(単結晶より発電の安定性は劣るので少々不安ですけど(笑))

余裕がある場合にはリミッター回路の方も組みたいと考えております。

大変恐縮ですが気になった点を質問させていただきます。
 上記の回路の太陽光パネルや鉛蓄電池の片側の端子(マイナス端子)はグランドに落としているという解釈でよろしいでしょうか?初歩的な質問ですみません…
 それから「DCDC の上に 1N4148 が出力→入力の方向で挿入してあり、バッテリーからの逆流保護」、とあるのですがシャント抵抗→ヒューズ→バッテリー(プラス側)から見た場合のダイオードの向きを考えると、これでは電流が流れてしまい逆のような気がするのですがいかがでしょうか…(回路を上から見て右側がカソード、左側がアノード?)
NJM2811のデータシートをみるとショットキーダイオードが同じ方向で挿入されているのでどちらが正しいのか分からなくなってしまって…
こちらの勉強不足でしたら申し訳ありません。


当然のことながら、論文を書く際にはこちらの資料を参考文献へ記載させていただきます。

本職ではないんですか(汗)
こんな回路を独自で考えられるなんて本当に素晴らしいです。
これからは何かあればメールで質問させていただいてもよろしいですか?

こばさんこばさん 2015/10/15 21:12  こんばんは。わざわざ御丁寧にありがとうございます。

■マイナス(GND)の件
 すべてハイサイド側で動作してるので、バッテリー・パネル・負荷、すべて共通で結構です。
(というか共通GNDにしてください。)

■左向き1N4148
 NJM2811のデータシートにチップの中身(等価回路)が載ってるのでそれを見て貰わないといけないのですが、最終段がNPNトランジスタなのですよ。
 NJM2811の入力側〜コレクタ〜エミッタ〜出力 という風で発電してるうちはいいのですが、発電が終わると入力電圧が限りなくゼロに近づきます。
 エミッタにはバッテリーの電圧がかかってますから逆電圧となり、トランジスタを破壊します。(-5Vくらいが限界)
 逆電圧(入力側<出力側)がかからないよう、あの向きでダイオード入れてあります。(逆電圧は最大で-0.7Vで納まる)
 NJM2811 でなくて SI-8010Y だったら最終段が NchMOSFET で、きっとS→Dの向きに寄生ダイオードも入っていると思うので省略できると思います。

 漏れ電流に関しては御推察のとおりで、数十kΩを介して常に漏れ続けます。
 これを防ぐには、NJM2811 の出力部とバッテリーとの間にショットキーダイオードを入れたらいいのですが、発電中は常に VF=0.5V くらいロスってしまうようになってしまいます。

 漏れは多分 1mA 未満なので、VF=0.5V のロス食らうよりはマシだろ、って判断であーなってます。


 充電を昇圧型(パネルの電圧<バッテリー電圧)にすると、非同期チョッパのダイオードが逆流防止を兼ねてくれ、漏れもロスもない理想的な状態になるので、昇圧版のページも見てみて下さいね。
 あと、5V な小型パソコン向け高効率 UPS の製作(http://d.hatena.ne.jp/wakwak_koba/20150201)の中でも昇圧式の充電回路を載せてます。

■本職ではないんですか
 いちお動いた実績ある回路ですけど、想定が足りていない可能性が大です(そこが本職との違いですな)
 素敵というほどでもないですけど、お世辞でも嬉しいです。
 質問はメールでも結構ですけど、このサイトに訪れて下さる方々にも情報提供したい面もありますので、なるべくコメント欄を使って下さると嬉しいです。

 コメント部が縦が伸びる分には一向に構いませんし、伸びても見にくくならないようハテナのスタイルシートをちょっと弄っておきました。

IPninjyaIPninjya 2017/01/06 13:18 こばさん
初めまして。ベランダーソーラーを始めて三ヶ月のIPninjyaです。
最初は、秋月の30Wと一番安いソーラーコントローラーからスタートですっかり
太陽電池の奥深さにはまっています。

MPPTに興味を持って、「簡易MPPT」でGoogle検索するとこのサイトが一番に出ます。

解説、その他で基本原理とか回路を御サイトで二ヶ月しっかりと学ばせていただいています。
解放電圧の75〜80%程度という割り切りに共感しています。
停電時の非常電源がメインで日常はスマホの充電と簡易照明に活用しています。
古くなった自動車バッテリー(28Ah)に常時250mA〜500mA程度の負荷で
サイクル利用しています。

さて、相談なのですが、、、12V2Wという小型パネルが6枚も転がっていて、活用を考えてます。
ベランダ運用という限られた日差しですので、2枚直列で24V運用の方が限られた太陽を有効に
使えるかもというのが出発点。
HRD12008はすでに入手出来ず、NJM2811で。そのとき絶対定格の40Vがネックになっております。

今回のパネルが解放電圧が21.4V。二枚で42.8V。
MPPT測定時に短時間でも解放電圧かかりますよね。

そこで、NJM2811前段に Vf=1.2V程度のダイオード4本直列のアレイとして4.8V程度電圧降下を起こして
NJM2811には、解放電圧42V時に38V程度印可されるようにする。
常時接続ですとダイオードアレイ分が損失となるので充電動作時には入力電圧38V以下であれば、
ダイオードアレイに並列にFETスイッチ接続して、バイパスして給電するというアイデアを考えました。

測定をダイオードの前段で判断すれば、解放電圧の測定は正確にできるのでは。
充電が始まるとすぐに36V前後の最大充電電圧に安定するハズでは。などなど

ダイオードアレイをバイパスするFETスイッチの切替タイミングをMPPTのタイマーからの信号で良いのか
多少のディレイを持たせたら良いかあたりです。

実験すれば良い話なんですけれど、限られた脳みそで思考が追いつかず書き込みした次第です。

よろしくお願いします。

こばさんこばさん 2017/01/06 15:06 明けましておめでとうございます!
(年末から更新サボってます、汗)

2W×2でしたら、NJM2811 に拘るのはやめたほうがいいですよ。
数Aならともかく、数百mAでしたら効率最悪になりますから。
(大電流対応のDCDCは消費電力も大きい)

秋月の中で探すのだったら
http://akizukidenshi.com/catalog/g/gI-02788/
この辺あたりが最適かと。(耐圧も60Vですし)

昇圧型(http://d.hatena.ne.jp/wakwak_koba/20150329)のほうで紹介してる FB を誤魔化す手段に出れば、DCDCの選択肢は更に広がります。

ダイソーの2.1AなUSB充電器(http://d.hatena.ne.jp/wakwak_koba/20160220)も、ことのほか高効率なので、FB を誤魔化す前提で投入するのもアリでしょう。
(耐圧30Vなので、パネル1枚ずつ、または並列つなぎでないと駄目ですが)

IPninjyaIPninjya 2017/01/06 22:32 こばさん

明けましておめでとうございます。ですね。

早速の返事ありがとうございます。
効率が悪くなるところをあまり考えていませんでした。
LT1776CN8 ありがとうございます。60V耐圧なのですね。DIPありがたいです。
SOPは、年齢と共に半田付けが厳しくなってきたので(笑)
VCピンあるので同じですね。これで創ってみます。

ダイソーの記事も参考にさせていただきます。

まっちゃんまっちゃん 2017/06/25 07:36 こばさん

コメント失礼します。こちら、松村ともうします。
逆流防止ダイオードとチャージコントローラを最適化する方法を探していたら、この記事を見つけて感動しました。

ぜひ作ってみたいと思ったのですが、制作後からこれまで、機能不足を感じたり、不具合があったりしたことはなかったでしょうか?(>想定が足りていない可能性が大です)

また、別件なのですが、アマゾンで以下の回路を見つけました。
https://amazon.jp/dp/B01I0ALWVC
これは、こばさんの回路に似ているのではないかと勝手に推測しているのですが、どう思われますでしょうか?(構造を観察すると勉強になるのではないかと?)
もしくは、値段も安いし、大した回路ではないですかね?

こばさんこばさん 2017/06/25 13:14  こんにちは。

 自宅の48V系では市販品を使っていて、車載してるシステムのほうが自作なのですが、本稿・降圧版ではなく、昇圧版(http://d.hatena.ne.jp/wakwak_koba/20150329)のほうを使ってます。

 バッテリー電圧に対して2倍くらいの電圧の出るパネルだったら降圧版でもいいと思いますが、公称最大出力が 17〜18V のパネルだったら降圧版はイマイチです。
 ピーカン時(最大出力を発揮する条件)は理想的な働きをしてくれるんですが、条件の悪いときは全くと言って発電できないんですよ。
 DCDCが必要とする最低電圧>MPPTとしての理想電圧 になると発電が停止しますから。

 そんな悪条件下であっても昇圧版だったら細々ながらもパネルの電気を取り出せますから、これから構築なさるのであれば昇圧版(パネル電圧<バッテリー電圧 な構成)をお薦めします。
 
 私の回路例は、数分おきに開放電圧を測定しなおして最大点を簡易的に算出(開放電圧×〇%)して、その電圧でしばらく固定する方式ですが、アマゾンのは最大点を決め打ちして固定運用する方式のようです。
 特定の条件下では問題ないですが、日照条件の変化には追随しないので、アマゾンのはそこを割り切る前提ですね。
(降圧式だと追随には限界があるので、それはそれで割り切りは正しい判断とも思う)

BasicBasic 2017/11/01 17:41 こんにちは、コメント失礼致します
大学の方で太陽光のMPPT制御について勉強している学生です。

回路図とわかりやすい解説が書いてくれているサイトはほとんどないので、非常にこちらのサイトを重宝させていただいてます。

すいません、非常に無知なものでちょっと教えていただきたいのですが、
DCDC回路とMPPT制御回路の入力側は、ソーラーパネルの+端子から並列で繋がっているという認識で大丈夫でしょうか??

こばさんこばさん 2017/11/01 22:58 こんばんは。

>DCDC回路とMPPT制御回路の入力側は、ソーラーパネルの+端子から並列で

はい、そのとおりです。

DCDCの出力電圧としては最大の充電電圧を指定しつつ、もし電気を使いすぎたら(電気を使いすぎるとパネルの電圧が下がるので、それで検知する)、充電電圧が下がる方向にMPPTが仕向けます。

個人的には日照条件が悪いときでも僅かながらも電力を取り出せる昇圧バージョンをお勧めします。

BasicBasic 2017/11/02 20:14 >こばさん

お返事ありがとうございます。
なるほどそういう動作なんですね、理解できました

ちなみにDCDC回路に使われているコンデンサが

50V,4700μF
16V, 8200μF  と比較的大きい容量を選ばれている理由は何かあるのでしょうか?

こばさんこばさん 2017/11/03 11:59 入力側は 4700μF じゃなくて 470μF にしてた気がしますが、出力側は NJM2811 の姉妹機(5A版)の NJM2367 のアプリケーションノートが 4700μF でしたので、数千μFクラスの巨大コンデンサを取り付けて良い DCDC なんだな、ってことで、手持ちの 8200μF をあてがった次第です。

時定数を司る部分の定数は大事ですが、この辺はどちらかと言えばブラシーボ効果が最大限に発揮される部分でもありますので、趣味の品であることも踏まえて、「出力段には日本製の巨大コンデンサを配置し・・・」って風なピュアオーディオ系の売り文句の気分で選定してよろしいかと。

BasicBasic 2017/11/21 02:34 こんばんは
コメント頂いてるのにお返事が遅くなってしまい大変申し訳ありません…
少し神経質になりすぎてました笑
もうちょっとリラックスして、アレンジを加えつつ参考にさせて頂きます

まぐろまぐろ 2018/01/17 04:34 こんばんは
趣味程度ですが,太陽電池を使って電気工作を始めようと思ってます。MPPT回路を実装したこちらのサイトを参照させていただいてます。

ですがデータシートも必死に見たのですが,素人故に力及ばず回路が理解できませんでした。(泣)

 >左の LMC662 が 1MΩ+100μF の定数にて 1/400Hz(f=400秒) 程度の超長周期
こちらの部分ですが,周波数1/400 Hzはどのように算出されたのでしょうか? 時定数というやつですか?

また,
>振幅幅が電源電圧の 1/3(33.3%)〜2/3(66.6%) な疑似三角波を淡々と作ってます。
こちらの電源電圧は,三端子レギュレータから供給された9Vのことで大丈夫でしょうか?

こばさんこばさん 2018/01/17 11:14 おはようございます。

>>左の LMC662 が 1MΩ+100μF の定数にて 1/400Hz(f=400秒) 程度の超長周期
>こちらの部分ですが,周波数1/400 Hzはどのように算出されたのでしょうか?

これを書いた3年前の当時の記憶が全くないですが、なんで400秒と書いたのでしょう。
なんか T=2CR で、正しくは200秒な気がしますねー

MPPTし直す周期を司る部分で、200秒だろうが400秒だろうが100秒だろうが、どうだって動作する部分ということもあって、きちんと推敲してなかった可能性が大です(笑)


>振幅幅が電源電圧の 1/3(33.3%)〜2/3(66.6%) な疑似三角波を淡々と作ってます。
>こちらの電源電圧は,三端子レギュレータから供給された9Vのことで大丈夫でしょうか

そうですね。
ここは間違いないです(笑)
いわゆる、オペアンプを使った非安定マルチバイブレータってやつです。

まぐろまぐろ 2018/01/18 07:39 そういうことでしたか(笑)
ご回答ありがとうございます(笑)

すいません、ついでにもう一個教えていただきたいのですが、
右側のオペアンプの回路は、負入力のコンパレータ回路ですか?

右側のオペアンプの−側に、三角波を入力して、+側に三端子レギュレータで発生した電圧を分圧して入力するという流れになるのでしょうか?

wakwak_kobawakwak_koba 2018/01/18 14:19 三角波の切り取る部分(範囲)を抵抗の分圧比で定義してる、って感じですね

今は、ON が僅かで、OFF が大部分、というデューティ比が限りなく低い風になってますが、オペアンプの+/− のところを入れ替えると、これが反対になって、OFFが僅かでONが大部分、という風な挙動になります。

100kΩ:50kΩ じゃなくて 100kΩ:51kΩ なので、電源電圧に対して 1/3〜2/3 の幅で動く三角波に対して 1/3+僅か のところを閾値として、オペアンプの ON/OFF が切り替わる風です。

秋月のオシロでもいいので、1台あると視覚的に理解が進むと思いますよ〜
百聞一見にしかず、です。

私が扱ってる工作ネタのレベルなら、秋月オシロで十分です。
→2〜3台あると更に便利

まぐろまぐろ 2018/02/06 01:23 お久しぶりです。
秋月のオシロスコープ、購入しました。
三角波を計測したところノイズはけっこう入っていましたが
確認できました。

少し気になったのですが、MOSFETとNJM2903の1番ピン、7番ピンの出力の3点が、ON、OFFが競合することはないのでしょうか?

あと、すいません、いまいち100の地点<77.1の地点になる原理が掴めておらず
出来ればちょっと解説していただけませんか?

こばさんこばさん 2018/02/06 10:07 おはようございます。
日本語が変で申し訳ないです。。

>MOSFETとNJM2903の1番ピン、7番ピンの出力の3点が、
>ON、OFFが競合することはないのでしょうか?

 NJM2903はオペアンプ(最終段がPushPull回路)でなくて、コンパレータ(エミッタ接地)なので、「ふだんはオープン(無視)で、条件に合致したら LOW に引っ張る」という挙動です。
→MOSFETもNJM2903も、プルアップされた状態を LOW に落とす能力はあるが、能動的に HIGH にすることはできない、つまり引っ張ることしかできない部品です。

 DCDC にも依るのですが例に挙げてる NJM2811 の場合、その内部で VCOMP がプルアップされているのですが、そこを LOW にすると DCDC 動作を停止します。
 いくつかの MOSFET/NJM2903 が繋がってますが、いずれかが作動すれば LOW に引っ張られて動作を停止します。

■MOSFETが作動するのは
・パネルの開放電圧を測定したいとき
・パネルの電気を使いすぎて適正電圧(MPTT点)よりも電圧が下がりすぎたとき
■NJM2903が作動するのは
・バッテリーへの充電電流が大きすぎるとき


>いまいち100の地点<77.1の地点になる原理が掴めておらず

 これまた日本語が適正じゃないです。。。

 「77.1の地点」と呼んでいるのは、開放電圧の77%付近という意味です。
 開放電圧とはパネルから負荷を切り離して無負荷にしたとき(DCDCの作動を停止したとき)の電圧なのですが、例えばこれが 20V だったとしましょう。
 この 20V×77%=15.4V がパネルが最も効率よく作動する電圧だろうと推測したうえで(負荷を可変させた上で実測せずに、テキトーに開放電圧の77%と推測してる点が簡易MPPTの所以)、リレーを接続して、その電圧をコンデンサに充電して蓄えます。
 充電が終わったくらいのタイミングでリレーを OFF にし、DCDC の動作を再開しますが、そうするとパネルの出力電圧は 20V よりも下がります。
 リレーで切り離されたコンデンサは暫くは 15.4V を維持します。

 電気を使いすぎると電圧がどんどん下がっていくのが太陽光パネルの特性なのですが、実測値と 15.4V とを比較して、実測値が 15.4V を下回ったら「電気の使いすぎ」と判断して、DCDCの動作を停止させます。
 DCDCが止まるとパネル電圧が上がり始めますが、今度は 15.4V を上回ったら「もっと電気を使っていい」という判断で DCDC を再始動・・・ということが短時間に連続しておきて、結果的にパネル電圧 15.4V 付近で均衡するという動きになります。

 とりあえずオペアンプ LMC662 の7番ピンが HIGH=数秒、LOW=300秒 の周期で繰り返されるという前提でイメージして、そこから先の動きを推測していただくと理解が早いんじゃないかなと思います。

まぐろまぐろ 2018/02/07 05:22 朝早くから失礼致します

>日本語が変で申し訳ないです。。
そんなことはありませんよ、私がズブの素人故になかなか理解が出来ず質問攻めにしてしまっているところです、、こちらこそ申し訳ない、、

丁寧なご回答本当にありがとうございます、かなり理解が深まりました。

>負荷を可変させた上で実測せずに、テキトーに開放電圧の77%と推測してる点が簡易MPPTの所以
実際に稼働された際、負荷側には何を繋がれたのでしょうか?

こばさんこばさん 2018/02/07 10:56 もっぱら空っぽのバッテリーですね。
どの程度の出力のパネルを使うかによりますが、パネルかせ50W前後だったら、自動車用のハロゲンバルブも実験にはちょうどいいです。