Spiceを活用した二次電池アプリケーション回路シミュレーションセミナー資料...

1. リチウムイオン電池のシンプルモデル2. ニッケル水素電池のシンプルモデル3. 鉛蓄電池のシンプルモデル4. 太陽電池の SPICE モデル解説5. 太陽光発電システム全体シミュレーション6. 環境発電のシミュレーション7. 社会インフラ系シミュレーションに関連するデバイスモデリングサービスのご紹介7.1 電気二重層キャパシタシミュレーション7.2 リチウムイオンキャパシタシミュレーション8. 質疑応答

SPICE を活用した二次電池アプリケーション回路シミュレーションセミナー

2015 年 2 月 27 日

1Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015

2014 年 9 月 25 日 ( 木曜日 )


Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015 4

半導体メーカー及び電子部品メーカー ( サプライヤ企業 )

電子機器メーカー

自動車メーカー

社会インフラメーカー

(1) お客様への自社製品の SPICE モデルの提供(2) 自社製品のアプリケーション回路開発

(1) 研究開発及び設計(2) 故障解析キーワード：電源回路、インバータ回路、モーター駆動回路、 LED 照明回路及び電池回路

(1) 研究開発及び設計キーワード： AC モーター駆動回路、インバータ回路、 LED 照明回路 HEV 、 EV 、　　　　　　　二次電池、燃料電池及び回生回路

(1) 全体システム回路設計(2) 故障解析キーワード：太陽電池システム、スマートグリッドシステム、二次電池

対象の市場


【環境発電 ( エナジーハーベスト ) 分野】発電デバイス + ハーベスト IC+ アプリケーション回路

【生体信号分野】⇒ 人体の SPICE モデル＋電子回路シミュレーション(1) 心臓(2) 脳＋神経(3) 血液

【教育分野】(1) 実務向けオンサイトセミナー⇒ 企業向け教育プログラムの提供及び実施(2) 教育用プログラム⇒LTspice で回路学習 + キットで実機学習

光起電力 ( 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 ＋アプリケーション回路

対象の市場


回路解析シミュレータの用途は、多様化しています。

(1) 研究開発　　①次世代半導体のデバイスモデリング及びアプリケーション開発　　②システム開発及び回路開発の回路動作現象(2) 回路設計　　①アプリケーション開発　　②トポロジーの開発及び選定　　③回路設計及び回路動作検証　　④損失計算　　⑤ノイズ検証　　⑥熱解析(3) クレーム解析　　①故障解析　　②オープン・ショート　　③想定外使用　　④サージ解析

回路解析シミュレータの用途の多様化


回路シミュレーションのポイント

【ポイント 1】回路解析シミュレーションの解析精度 =スパイスモデルの解析精度である。　有償 SPICE でも無償 SPICE でも採用する SPICE モデルで解析精度が決定される。　 1 個でも変な動作をするスパイスモデルがあると NG

【ポイント 2】シミュレーションの用途に応じた SPICEモデルを採用する。　波形動作確認であれば、簡易 SPICE モデルでも問題ない。　損失計算を行う場合、過渡現象において再現性のある SPICE モデルを採用する。　温度シミュレーションをしたい場合には、温度対応 SPICE モデルを採用する。　ノイズシミュレーションをしたい場合には、ノイズ対応 SPICE モデルを採用する。

【ポイント 3】回路シミュレーションをする回路は正確に入力する。　回路シミュレーションをする場合、回路知識が必要です。　回路解析結果の正誤を判断する必要があります。


回路設計のワークフロー

仕様

回路方式選択( トポロジーの選定 )

詳細回路設計回路図作成材料表作成

基板設計

回路設計

ビー・テクノロジー製品及びサービス

コンセプトキット製品

デザインキット製品シンプルモデル

デバイスモデリング教材スパイス・パーク

デバイスモデリングサービス

カスタムデザインキットサービス

ビー・テクノロジー製品及びサービス


シミュレーション上の課題について

第一の壁

第二の壁

第三の壁

第一の壁： SPICE の習得第二の壁： SPICE モデルの入手第三の壁：シミュレーション技術


シミュレーション解析時間

10％90％

実際のシミュレーション解析時間

実際の解析時間は 10％程度です。 90％の時間を SPICE モデルの入手に費やしています。

SPICE モデルの入手に費やしています。

サプライヤ企業から入手するスパイス・パークからダウンロードするデバイスモデリングサービスを活用する自分で SPICE モデルを作成する



ダイオードの SPCIE モデルを作成する場合の事例(ダイオードの SPICE モデルは 3種類ある )

デバイスモデリングの難易度

高い

低い

電流減少率モデル⇒等価回路で -didt を再現している

IFIR法モデル⇒等価回路で Trr(trj +trb) を再現している

パラメータモデル⇒ パラメータだけで作成できる簡易型モデル



① 再現性問題　　実機波形とシミュレーション波形が合わない【解決方法】目的に合った SPICE モデルを採用する目に見えない寄生素子も考慮し、回路図に反映させる【ご提供するサービス】SPICE モデルをご提供する「デバイスモデリングサービス」シミュレーションデータをご提供する「デザインキットサービス」

② 解析時間問題　　早くシミュレーション結果を知りたいのにシミュレーションに多くの時間を有する【解決方法】目的に合った SPICE モデルを採用するタイムスケール機能を採用する【ご提供するサービス】SPICE モデルをご提供する「デバイスモデリングサービス」シミュレーションデータをご提供する「デザインキットサービス」

③収束エラー問題　　最後までシミュレーションが実行出来ず、途中で計算が止まってしまう。【解決方法】SPICE の .OPTIONS のパラメータを最適化する。スナバ回路等を挿入して急変する過渡応答性、過渡現象を緩和する。回路動作に影響しないように微小抵抗を適宜挿入する。【ご提供するサービス】収束エラー解決サービス




1. リチウムイオン電池のシンプルモデル

PSpice VersionLTspice Version

15

Parameter SettingsC 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 2015

Model Parameters:

+ -

U 1

L I -I O N _ B A TTE R Y

S O C = 1N S = 1

TS C A L E = 1C = 1 . 4

(Default values)


16

• The battery information refer to a battery part number LIR18500 of EEMB BATTERY.


+ -

U 1


S O C = 1

N S = 1

TS C A L E = 6 0

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


17

Time

0s 50s 100s 150s 200s1 V(HI) 2 I(IBATT)

3.0V

3.2V

3.4V

3.6V

3.8V

4.0V

4.2V

4.4V1

0A

0.4A

0.6A

0.8A

1.0A

1.2A

1.4A2

SEL>>SEL>>

V(X_U1.SOC)0V

0.2V

0.4V

0.6V

0.8V

1.0V

+ -

U 1


S O C = 0N S = 1

TS C A L E = 6 0C = 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)


18

PARAMETERS:

ra t e = 0 . 5C A h = 1 . 4N = 1

0

V in5 V

I B A TT

+ -

U 1


S O C = 0N S = N

TS C A L E = 6 0C = 1 . 4

0

C 11 0 n

H I

IN-

OUT+

OUT-

IN+

G 1L im it (V (% I N +, % I N -)/ 0 . 1 m , 0 , ra t e * C A h )

0

V o c h(4 . 2 0 * N )-8 . 2 m

D M O DD 1

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


19

Time

0s 100s 200s 300s 400sV(HI)

2.6V

2.8V

3.0V

3.2V

3.4V

3.6V

3.8V

4.0V

4.2V

4.4V

0

+ -

U 1


S O C = 1N S = 1

TS C A L E = 6 0C = 1 . 4

H I

0

0

IN-

OUT+

OUT-

IN+

G 1lim it (V (% I N +, % I N -)/ 0 . 1 m , 0 , ra t e * C A h )

PARAMETERS:ra t e = 1C A h = 1 . 4

C 11 0 n

s e n s e

*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.


20

0

+ -

U 1


S O C = 1N S = 1

TS C A L E = 6 0C = 1 . 4

H I

0

0IN-

OUT+

OUT-

IN+

G 1lim it (V (% I N + , % I N -)/ 0 . 1 m , 0 , ra t e * C A h )

PARAMETERS:ra t e = 0 . 2C A h = 1 . 4

C 11 0 n

s e n s e


*Analysis directives: .TRAN 0 296.82 0 0.5 .PROBE V(*) I(*) W(*) D(*) NOISE(*)

1 minute in seconds


21

+ -

U 1


S O C = 1

N S = 4

TS C A L E = 6 0

C = 4 . 4

• The battery information refer to a battery part number PBT-BAT-0001 of BAYSUN Co., Ltd.


The number of cells in series is input as a model parameter

Output Voltage DC 12.8~16.4V

Capacity of Approximately 4400mAh

Input Voltage DC 20.5V

Charging Time About 5 hours

Basic Specification

Li-ion needs 4 cells to reach this voltage level


22

Time

0s 1s 2s 3s 4s 5s 6s 7s 8s 9s 10s1 V(HI) 2 I(IBATT)

12V

13V

14V

15V

16V

17V

18V1

0A

0.8A

1.2A

1.6A

2.0A

2.4A2

>>

V(X_U1.SOC)0V

0.2V

0.4V

0.6V

0.8V

1.0V

SEL>>


• Input Voltage: 20.5V•Charging Voltage: 16.8V•Charging Current: 880mA (0.2 Charge)

Current=880mA

Voltage=16.8V

Capacity=100%

(hour)

The battery needs 5 hours to be fully charged


23

PARAMETERS:

ra t e = 0 . 2C A h = 4 . 4N = 4

0

V in2 0 . 5 V

I B A TT

+ -

U 1


S O C = 0N S = N

TS C A L E = 3 6 0 0C = 4 . 4

0

C 11 0 n

H I

IN-

OUT+

OUT-

IN+

G 1L im it (V (% I N +, % I N -)/ 0 . 1 m , 0 , ra t e * C A h )

0

V o c h(4 . 2 * N )-8 . 2 m

D M O DD 1

0

*Analysis directives: .TRAN 0 10 0 0.05 .PROBE V(*) I(*) W(*) D(*) NOISE(*)


1 Hour in seconds

Input Voltage

Over-Voltage Protector: (Charging Voltage*4) - VF of

D1


24

Time

0s 0.4s 0.8s 1.2s 1.6s 2.0sV(HI)

10V

11V

12V

13V

14V

15V

16V

17V

18V


•Charging Voltage: 16.8V•Charging Current: 880mA (0.2 Charge)

(hour)

0.5C

1C

16.4V

12.8V

Output voltage range


25

0

+ -

U 1


S O C = 1N S = 4

TS C A L E = 3 6 0 0C = 4 . 4

H I

0

0IN-

OUT+

OUT-

IN+

G 1lim it (V (% I N + , % I N -)/ 0 . 1 m , 0 , ra t e * C A h )

PARAMETERS:ra t e = 1C A h = 4 . 4

C 11 0 n

s e n s e

*Analysis directives: .TRAN 0 3 0 0.05 .STEP PARAM rate LIST 0.5,1 .PROBE V(*) I(*) W(*) D(*) NOISE(*)


1 Hour in seconds

Parametric sweep “rate”



2. ニッケル水素電池のシンプルモデル


27

-+

U 1

N I -M H _ B A TTE R Y

C = 1 3 5 0 MTS C A L E = 1

N S = 1S O C = 1

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(in the real world) into a second(in simulation)

– e.g. TSCALE=60 turns 60s or 1min (in the real world) into a second(in simulation), TSCALE=3600 turns 3600s or 1h into a second.

• From the Ni-Mh Battery specification, the model is characterized by setting parameters C, NS, SOC and TSCALE.


Model Parameters:

(Default values)


28

-+

U 1


C = 1 3 5 0 M

TS C A L E = 1

N S = 1

S O C = 1

• The battery information refer to a battery part number HF-A1U of SANYO.


Battery capacity [Typ.] is input as a model parameter

Nominal Voltage 1.2V

Capacity

Typical 1350mAh

Minimum 1250mAh

Charging Current Time 1350mA about 1.1h

Discharge cut-off voltage 1.0V


29

Time

0s 10s 20s 30s 40s 50s 60s 70s 80sV(HI)

1.0V

1.1V

1.2V

1.3V

1.4V

1.5V

1.6V

1.7V

1.8V


•Charging Current: 1350mA about 1.1h

(min.)



-+

U 1


C = 1 3 5 0 MTS C A L E = 6 0

N S = 1S O C = 0

Charge: 1350mA


30

-+

U 1


C = 1 3 5 0 MTS C A L E = 6 0

N S = 1S O C = 1

0.9

1.0

1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

1.6

0 250 500 750 1000 1250 1500

Cel

l Vo

ltag

e [V

]

Discharge Capacity [mAh]

0.2C (270mA)1.0C (1350mA)2.0C (2700mA)

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

0 1 2 3 4 5

Act

ual C

apac

ity(%

of R

ated

Cap

acity

)

Discharge Rate (Multiples of C)

Mesurement

Simulation


•Nominal Voltage: 1.2V•Capacity: 1350mAh•Discharge cut-off voltage: 1.0V

2700mA


Simulation

1350mA270mA



3. 鉛蓄電池のシンプルモデル


C is the amp-hour battery capacity [Ah]– e.g. C = 1, 50, or 100 [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(in the real world) into a second(in simulation)

– e.g. TSCALE=60 turns 60s or 1min (in the real world) into a second(in simulation), TSCALE=3600 turns 3600s or 1h into a second.

• From the Lead-Acid Battery specification, the model is characterized by setting parameters C, NS, SOC and TSCALE.


Model Parameters:

(Default values)


• The battery information refer to a battery part number MSE Series of GS YUASA.


Battery capacity [Typ.] is input as a model parameter

Nominal Voltage 2.0 [Vdc] /Cell

Capacity 50Ah

Rated Charge 0.1C10A

Voltage Set 2.23 [Vdc] /Cell

Charging Time 24 [hours] @ 0.1C10A



•Charging Time: 24 [hours] @ 0.1C10A

(hour)



Current: 5A (0.1C10A)

Voltage: 2.23V



(hour)


SOC=1 means battery start from 100% of

capacity

0.1C10A

0.23C10A

0.65C10A

1.0C10A



R s

R s h

電流源 IDC ダイオード抵抗抵抗

4. 太陽電池の SPICE モデル解説


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 30VI(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 Measurement Simulation %Error

Isc 7.4000 7.3196 -1.086Voc 21.6000 21.5950 -0.023Ipm 6.5000 6.4999 -0.002Vpm 16.9000 16.9000 0.000

Pmax(Ipm*Vpm) 109.8500 109.8480 -0.002

V_V1I(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

R s

R s h

電流源 IDC ダイオード抵抗抵抗

I 1

電流源 IPWL


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=16.8VPmax=30W

DC/DC Converter

Vopen= (V)Vclose= (V)

The model contains 24hr. solar power data (example).

DC Load

VIN=10~18VVOUT=5V

VIN = 5VIIN = 1.5A

Low-Voltage Shutdown Circuit

5. 太陽光発電システム全体シミュレーション

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 24sI(X_U1.I_I1)

0A

0.4A

0.8A

1.2A

1.6A

2.0A

S X 3 3 0

+

U 2S X3 3 0 _ 2 4 H _ TS 3 6 0 0

The model contains 24hr. solar power data

(example).


PV-Battery System Simulation Circuit


R o n o f f 1

1 0 0d c h t h

Low-Voltage Shutdown Circuit

DC/DC Converter

D M O D

D 1

V o c h1 6 . 8 V d c

0

0

b a t t

0

C 11 0 0 nI C = 1 6 . 4

0

p v

+ -U 1P B T-B A T-0 0 0 1

TS C A L E = 3 6 0 0S O C 1 = 7 0

S X 3 3 0

+

U 2S X3 3 0 _ 2 4 H _ TS 3 6 0 0

b a t t 1C 31 0 n

+

-

+

-

S 2S

V O N = 0 . 7V O F F = 0 . 3

R O F F = 1 0 M E GR O N = 0 . 0 1

0

0

IN+IN-

OUT+OUT-

e c a l_ I o m a x

n * V (% I N +, % I N -)* I ( I N )/ 5E V A L U E

I o m a x

0

IN+IN-

OUT+OUT-

E 2

I F ( V (lc t r l) > 0 . 2 5 , L o p e n , L c lo s e ) E V A L U E

0

PARAMETERS:L o p e n = 1 4

L c lo s e = 1 5 . 2

IN+IN-

OUT+OUT-

E 1

I F (V (b a t t 1 )>V (d c h t h ), 5 , 0 )E V A L U ER o n o f f

1 0 0

C o n o f f1 nI C = 5

L c t r l

PARAMETERS:n = 1

I 11 . 5 A d c

0

O U T

IN+IN-

OUT+OUT-

E 3

I F ( I (O U T)-V (I o m a x ) > 0 , n * V (% I N + , % I N -)* I ( I N )/ ( I (O U T)+1 u ), 5 )E V A L U E

o u t _ d c

D M O D

D 2

C o n o f f 11 0 0 n

IN-

OUT+

OUT-

IN+

G 1

L im it ( V (% I N + , % I N -)/ 0 . 1 , 1 m , 5 * I (o u t ) / (n * lim it (V (% I N + , % I N -), 1 0 , 2 5 )) )

G V A L U E

I N

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 24s1 V(out_dc) 2 I(IN)

0V

2.5V

5.0V

7.5V1

400mA

500mA

600mA2

SEL>>SEL>>

V(X_U1.SOC)0V25V50V75V100V

1 V(batt) 2 I(U1:PLUS)12.5V

15.0V

17.5V1

>>-2.0A

0A

2.0A2

I(pv)0A

1.0A

Simulation Result (SOC1=100)

C1: IC=16.4Run 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


0V

2.5V

5.0V

7.5V1

0A

0.5A

1.0A2

>>


10.152m,69.889)


15.0V

17.5V1

-2.0A

0A

2.0A2

SEL>>SEL>>

(7.6750,15.199)

(5.1850,14.000)

I(pv)0A

1.0A

C1: IC=16.4Run to time: 24s (24hours in real world)Step size: 0.01sSKIPBP



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



Charging time



Time


0V

2.5V

5.0V

7.5V1

0A

0.5A

1.0A2

>>

V(X_U1.SOC)0V

100V

SEL>>

(12.800m,29.854)


15.0V

17.5V1

-2.0A

0A

2.0A2

>> (1.6328,14.004)

(7.6150,15.193)

I(pv)0A

1.0A


C1: IC=15Run to time: 24s (24hours in real world)Step size: 0.01sTotal job time = 2s



Battery current

Battery voltage

Battery SOC

DC/DC input current

DC output voltage


SOC1=30

V=Lopen

V=Lclose

Shutdown

Reconnect




Charging time


Time


0V

2.5V

5.0V

7.5V1

0A

0.5A

1.0A2

>>

V(X_U1.SOC)0V

100V1 V(batt) 2 I(U1:PLUS)

12.5V

15.0V

17.5V1

-2.0A

0A

2.0A2

SEL>>SEL>>

(7.6163,15.200)

I(pv)0A

1.0A


C1: IC=14.4Run to time: 24s (24hours in real world)Step size: 0.01sSKIPBP



Battery current

Battery voltage

Battery SOC

DC/DC input current

DC output voltage

• .Options RELTOL=0.01• .Options ITL4=1000

SOC1=10

V=Lclose

Shutdown

Reconnect




Charging time


Time


0V

2.5V

5.0V

7.5V1

0A

1.0A

2.0A2

>>



15.0V

17.5V1

-2.0A

0A

2.0A2

SEL>>SEL>>

(20.473,14.003)(7.6086,15.200)

(3.8973,14.000)

I(pv)0A

1.0A

Simulation Result (SOC1=100, IL=3A or 15W load)

C1: IC=16.4Run to time: 24s (24hours in real world)Step size: 0.001s



Battery current

Battery voltage

Battery SOC

DC/DC input current

DC output voltage


SOC1=100 Fully charged, stop charging



Charging time

V=Lopen

Shutdown

V=Lopen

Shutdown


6. 環境発電のシミュレーション

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≈ 4.1VRLOAD= 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

66mm

96m

m




Case2: MPPC Response to Input Source (SOL=100%) Simulation Circuit and Setting

Output Voltage≈ 4.1VIOUT≈ 8.2mA

*Analysis directives:• .tran 0 5m 0 startup• .lib 19_12_93.lib

Pmax= 400mWVoc= 0.58VIsc= 0.872A

Vmppc= Vmp= 0.5V

[SOL=100%]



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



Case3: MPPC Response to Input Source (SOL=50%) Simulation Circuit and Setting




Vmppc= Vmp= 0.5V

[SOL=50%]



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



Case4: Maximum power point tracking (SOL=30%) Simulation Circuit and Setting




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%) Simulation Result • Total elapsed time: 2082.5sec. ≈ 35min.

Input Voltage

VMPPC =0.500V ---VMPPC =0.475V ---

Output Voltage

Input Current



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

7.1 電気二重層キャパシタ


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 )



電気二重層キャパシタのデバイスモデリングの記事は、トランジスタ技術： 2013 年 10 月号の 82から 87 ページに掲載しております。ご参考にして下さい。



7.2 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


リチウムイオンキャパシタの充放電特性

7.2 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



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



リチウムイオンキャパシタのデバイスモデリングの記事は、トランジスタ技術： 2014 年 6 月号の 208から 214 ページに掲載しております。ご参考にして下さい。



質疑応答

Spiceを活用した二次電池アプリケーション回路シミュレーションセミナー資料...

Engineering

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