災害時でも使えるバッテリーに優しいチャージコントローラとUSB充電装置。消費電流85uAのチャージコントローラと、消費電流165uAのUSB充電器で、悪天候が続いてもバッテリーを傷めない、太陽光発電や風力発電を用いたUSB充電生活はいかがですか?

プロジェクト本文


<サマリー>

 今回ご紹介するのは、蓄電池を傷めにくい、蓄電池に優しいチャージコントローラーです。なんと、自己消費電力が従来品の12分の1の85uA(マイクロアンペア)です。

 従来品だと、太陽光発電向けで自己消費電流が1mA、風力発電向けで15mAくらいありました。でも、本品では、自己消費電流が少ないので、天候に恵まれない状態が長期間続いてもバッテリーを傷めません。

 また、同じく自己消費電流が165uAと小さいUSB充電向け枕元ステーションも用いると、効率よくUSB(type-A)の充電ができます。また、バッテリーに使える電力がないと判断されてもピーピー音を立てず静かに商用電源に切り替えます


<背景>

 はじめまして、Chariot Lab.です。当方は、自然エネルギーの発電システム向けの技術を開発しています。

 みなさん、太陽光発電は、一戸建て住宅がないとできないとお考えではないでしょうか?いいえ、ベランダでもできます。一戸建て住宅で行う、商用電源と電力を売買するシステムは、系統連系システムと呼ばれています。系統連系システムは、電力の発電量より消費量が多い場合、商用電源から電力を購入し、電力の発電量より消費量が少ない場合、商用電源に電力を売却します。


 一方、小規模な発電システムでは、バッテリーを用いるシステムが用いられ、このシステムは独立電源システムと呼ばれています。電力の発電量より消費量が多い場合、バッテリーに蓄電されている電力を消費し、電力の発電量より消費量が少ない場合、将来の使用のためバッテリーに電力を蓄えます。

 ここで、バッテリーには、充電しすぎると爆発する恐れのある過充電という現象、放電しすぎるとバッテリーが使えなくなる恐れのある過放電という現象が知られています。そのため、過充電、過放電を防ぐための過充電防止回路、過放電防止回路を備えたチャージコントローラという装置が用いられます。


 しかし、チャージコントローラは、自己消費電流が最も小さいものでも、太陽光発電向けのもので1mA、風力発電に対応したものでは15mAあります。そのため、小規模な独立電源システムでは、発電量よりチャージコントローラの自己消費電流の方が大きい赤字となってしまうことがあります。

 赤字とまではいかなくても、チャージコントローラの自己消費電流が大きいと、バッテリーが上がりやすく、バッテリーを傷めてしまい、寿命が短くなってしまいます。チャージコントローラの自己消費電流は無視できません。


 チャージコントローラはもっと低消費電流になれる、Chariot Lab.はそう考えます。開発したチャージコントローラは、消費電流が現在市販品の12分の1程度の85uAと、非常に低消費電流です。12Vを5Vに変換する部分も込みでも250uAと低消費電流です。

 下の図は、太陽光発電ではなく風力発電の場合で過充電防止回路のみ搭載した場合の実験結果ですが、市販チャージコントローラの場合と異なり、60日経過後も満充電を維持していることがわかります。本技術は、太陽光発電風力発電に対し用いることができ、おそらく水力発電にも用いることができるはずです。 



<今回の開発内容>

 Chariot Lab.が今回開発したのは、チャージコントローラCCC-03-03と枕元ステーションCPS-01-04です。

 CCC-03-03は、特許技術を用いた、自己消費電流85uA、最大充放電電流10Aのチャージコントローラです。太陽光発電に加え、風力発電にも対応しています。過充電防止機能、過放電防止機能を持ちます。プラスの端子台、マイナスの端子台をそれぞれ5つ持ち、鉛蓄電池1つと太陽光パネル4つまたは、鉛蓄電池1つと太陽光パネル3つと風力発電機1つを接続できます。

 負荷として12V機器を接続することも可能です。12V機器を使用される場合は、枕元ステーションCPS-01-04がなくても動作します。また、AC100V機器を持つ場合は、100V正弦波インバータをご用意いただけば、CPS-01-04がなくても動作します。

 プリント基板の銅箔厚は70umで、低抵抗でロスが非常に小さくなっています。チャージコントローラCCC-03-03がある場所に排熱するため、夏場はご注意ください。24V系の発電装置、負荷には対応しておりません、12V専用です。

 CPS-01-04は、自己消費電流165uAのUSB充電器で、12V→5Vに変換する機能を持ちます。チャージコントローラCCC-03-03から放電可能な信号を受けとっている場合、12Vを5Vに変換し、USB機器に5V給電します。

 過放電防止機能が作動し、チャージコントローラCCC-03-03から放電不可能な信号を受けとっている場合、USB機器に充電しません。ただし、ディップスイッチを設定すれば、過放電防止機能が作動し、チャージコントローラCCC-03-03から放電不可能な信号を受けとっている場合、ACアダプタから電力を受けとり、USB機器に5V給電します。

 チャージコントローラCCC-03-03と枕元ステーションCPS-01-04間は、12Vで送電するので、送電ロスが非常にに小さいです。5Vに変換された電力を0.5A消費する場合で、チャージコントローラCCC-03-03と枕元ステーションCPS-01-04間を5mの配線とした場合に、送電ロス込みの電圧の変換効率は約90%が得られています。

 4基のtype-Aと1基のtype-Cポートを持ち、type-Aは1.5Aまで、type-Cは0.5Aまで充電できます。ただし、type-Aのうち2基は、合計で2Aまで、残りのtype-A2基とtype-Cは、合計で2Aまでという制限があります。


<特長>

チャージコントローラCCC-03-03 

 自己消費電流がわずか85uAで低消費電流です。消費電流が60mAのチャージコントローラに比べ、年間電気代が200円程度安くなります。ですが、一番のメリットはそこではありません。悪天候が続いても、バッテリーが上がりにくくなり、バッテリーが長寿命になります。当方が実験に使っているバッテリーは、約10年前に購入したものですが、今でも現役です。

枕元ステーションCPS-01-04

 自己消費電流がわずか165uAで低消費電流です。通常商用電源切り替え回路は、直流負荷を用いる場合でも、一度100V交流(AC)に変換し、100V交流で商用電源と切り替えをし、その後再び直流に切り替えます。そのため、ロスが大きくなります。当方の枕元ステーションは、直流のまま、12Vから5Vに1回変換するのみで、効率的です。しかも12Vで送電するので、送電ロスが少ないです。

 また、チャージコントローラCCC-03-03が過放電と判定した場合でも、ピーピー音を立てず、静かに商用電源に切り替えてUSB充電を行います。

<前回プロジェクトとの違い>

 前回のクラウドファンディングの内容を覚えていらっしゃる方向けに、前回のクラウドファンディングの基板と今回のクラウドファンディングの基板の違いをまとめました。

1. 過充電防止回路のファン停止対策

・大容量電解コンデンサによるファン動作安定

・最大3基の3端子レギュレータ搭載可能により、ファンへの供給電流増強

・青色LEDによりFETのゲートに与える電圧を、ファンに与える電圧を与える基準より低く。

2. DCDCコンバータとUSB充電強化

・DCDCコンバータを2基搭載

・type-c1基と従来USB4基搭載

3. チャージコントローラと枕元ステーションの分離

・大きなチャージコントローラと、枕元に置ける小型のDCDCコンバータを分離

・チャージコントローラと枕元ステーション間は12Vで送電し、USBケーブルで送電する場合に比べ、送電ロスを6分の1に。 

・USBケーブルによる5V送電区間を短くし、USB機器へ高速充電。

4.カバー装備

・チャージコントローラの背面にプリント配線板のカバーを用意

・枕元ステーションの背面にプリント配線板のカバーを用意

・枕元ステーションの表面にポリカーボネート製カバーを用意 

前回プロジェクトに関しては、以下をご参照ください。

https://camp-fire.jp/mypage/projects/62728


<チャージコントローラCCC03-03の基本原理>


 今回は、開発した技術の最も基本となる回路の動作原理を説明します。電子書籍で書こうと思っている内容の一部です。

 過充電防止回路、過放電防止回路の基本判定回路は、図のようなものです。直列接続された複数のLEDは、両端の電圧に対し、電流I1が指数関数的に増加します。その電流を、バイポーラトランジスタで増幅コピーしI2になり、それを抵抗器で受け、電圧V1に変換します。こうすることにより、過充電防止回路の自己消費電流5uAを達成しました。

 LEDの両端の電圧に対し指数関数的に電流が増加する特性を用いていること、非常に小さい電流I1が流れるかどうかを、判定基準に設定できることが、自己消費電流を小さくできる本質的理由です。

 この回路が、過充電防止回路中に1つ、過放電防止回路中に2つ入っています。

 過充電防止回路では、この回路からの出力をさらに増幅し、その結果を、FET(電界効果トランジスタ)に入力させています。FETは、この信号を受け、バッテリーの両端を短絡します。この制御はフィードバック制御となるため、短絡するといっても、バッテリーの電圧が0Vになるまで放電はしません。過充電防止回路により、バッテリーの電圧が14.5V程度の電圧以下に保たれます。充電経路上にスイッチング素子としてのFET等は入らないため、ここでもロスが非常に少なくなります。

 過放電防止回路では、さらに、フリップフロップとして働く回路があり、過放電判定にヒステリシスを持たせています。例えば、バッテリーの電圧が上昇する局面では12.5Vで過放電判定を解除し、バッテリーの電圧が降下する局面では11.5Vで過放電判定をするといった具合です。


<なぜこのプロジェクトをやろうと思ったか>

 私が初めて購入した市販のチャージコントローラは、消費電流が60mAもあり、10Wの太陽電池を用いた場合、電力的に赤字になってしまいました。そこで、ダイオードに流れる電流は、両端の電圧に対し指数関数的に増大することを利用できないかと考え、超低消費電流のチャージコントローラ開発に至りました。当方の開発したチャージコントローラなら低消費電流でこのような場合でも問題なく使えます。

 

<これまでの活動>

2010年 太陽電池向け過充電防止回路を研究開始

2014年 1件目の特許、過充電防止回路、過放電防止回路の特許を取得(特許第5495217号 )

2016年 2件目の特許、風力発電向け過充電防止回路の特許を取得(特許第6114898号)

2018年3月 最初のクラウドファンディングを実施、リターンに完成品が無かったにもかかわらず、66,000円を集め成功する。 

2018年11月 「Chariot Lab.」の商標を取得。

2018年12月 GUGENコンテストに出場し、トランジスタ技術賞を受賞する。


<GUGENコンテストに関して>

 2018年12月に、GUGENコンテストに出場し、トランジスタ技術賞を受賞しました。トランジスタ技術賞とは、電子工作の分野では知らない方のいないくらい有名な技術雑誌、トランジスタ技術のスタッフが選ぶ賞です。GUGENコンテスト受賞に関する詳細は、以下をご参照ください。

https://gugen.jp/2018contest-result


<資金の使い道>

 さらなる技術開発、チャージコントローラの製品化、広報活動、特許侵害対策に使わせていただきます。


<リターンについて>

1.チャージコントローラ本体CCC-03-03

 保証なし同人商品です。

 過充電防止機能、過放電防止機能を持つ、チャージコントローラ。 消費電流は85uA。最大で10Aまでの充放電が可能です。

 12V機器を使う場合、枕元ステーションなしでも使えます。 また、AC100V機器を使う場合、正弦波インバータを別途用意すれば、枕元ステーションなしで使えます。

 チャージコントローラ本体CCC-03-03がある場所に放熱するため、夏場はご注意ください。

 CPU用ファン付きです。

 太陽電池パネルや鉛蓄電池は別途用意する必要があります。


2.枕元ステーションCPS-01-04

 保証なし同人商品です。

 12V→5V変換用DCDCコンバータ機能を持つUSB充電器。 type-A4基、type-c1基を持ちます。

 type-Aは各1.5Aまで、type-cは0.5Aまで出力可能。また、type-Aのうち2基は合計2Aまで、type-Aの残り2基とtype-cは合わせて2Aまでという制限があります。

 市販のチャージコントローラと組み合わせて使えます。

 過放電防止機能が作動し、鉛蓄電池から電力が供給されない時用のACアダプタ付きです。

 DCDCコンバータ特有の小さく高い音が聞こえる場合がございます。

 充電用USBケーブルは別途用意する必要があります。


3.フルセット

 1(CCC-03-03)および2(CPS-01-04)に加え、1と2を接続するための、3色の配線(5m)をお付けいたします。

4. チャージコントローラ本体CCC-03-03組み立てセット

・チャージコントローラ本体CCC-03-03メインプリント配線板(25cm x 18cm) x3

・実装部品のうち秋月電子通商で購入できないもの x3セット

・底面基板 x1

※ご自身で、はんだごてを用いて実装し、ドライバーで組み立てる必要があります。

※太陽電池、鉛蓄電池、秋月電子通商で購入できる実装部品、CPU用ファン、ねじ類、4(CCC-03-03)と5(CPS-01-04)を接続する配線はご自身で調達する必要があります。

※メインプリント配線板は、壊した場合を想定し3枚送ります。ばら売りの転売はしないでください。


5.枕元ステーションCPS-01-04組み立てセット

・枕元ステーションCPS-01-04メインプリント基板(9.144cm x 9.652cm) x3

・実装部品のうち秋月電子通商で購入できないもの x3セットぬ

・底面基板x1

・カバープラスチック版(ポリカーボネート製)x1

※ご自身で、はんだごてを用いて実装し、ドライバーで組み立てる必要があります。

※USB充電ケーブル、秋月電子通商で購入できる実装部品、ACアダプタ、ねじ類、4(CCC-03-03)と5(CPS-01-04)を接続する配線はご自身で調達する必要があります。

※メインプリント配線板は、壊した場合を想定し3枚送ります。ばら売りの転売はしないでください。

6.  技術解説電子書籍原稿

 30ページ以上、15,000文字以上。

 高校までの数学と物理のみを前提とし、技術と実験結果をわかりやすく解説します。

 リターンの発送日より3か月後から、一般販売をします。一般販売価格は2,000円を予定しています。

 前回プロジェクトで技術解説電子書籍原稿コースを支援された方は、無料で新しい電子書籍原稿をお送りすることになっており、今回も技術解説電子書籍原稿コースをご支援するメリットはありませんのでご注意ください。

7. 懇親会

 東京都の新宿付近にて、会議兼宴会形式の懇親会を行います。東京近郊にお住まいの方限定とさせていただきます。

 料理の種類は、希望を伺いますが、必ずしも希望通りにはならないことをご承知おきください。

 お料理、お酒、会場代は、支援額に含まれるため、別途請求はしませんが、ご自分の費用で会場までお越しください。

 2020年1月頃の土曜日を予定しております。日程が合わなかった場合、電話での説明・相談20分に換えさせていただきます。


<注意事項>

1)同人商品またはキットのプリント配線板に関する特許の使用権は、リターンとして送付する分を超えては認められません。したがって本プリント配線板を真似て、本プリント配線板の技術を用いた商品を造ることは認められません。特許の詳細は、特許情報プラットフォーム等で「特許第5495217」「特許第6114898」を検索しご参照ください。

2)組み立て品のリターンは、保証なし同人商品です。

3)自作キットのリターンは、電子工学の知識があり、はんだごてを扱える方向けです。そのことを支援申し込み時に確認しませんので、ご注意ください。

4)発電装置の発電規模によっては冷却不足により火災になる恐れもあるため、お気を付けください。また、本システムは、プリント基板設置場所に放熱するため、夏場はご注意ください。

5)自作キットのバラ売りによる転売はしないでください。

6)十分なサポートが行えない場合があります。

7)リターンの品を使った結果に関しては、いかなる場合も責任を負いませんのでご注意ください。

8)明らかに当方が悪い場合を除き、返品・交換はしませんので、ご承知おきください。

9)電子書籍の著作権は放棄しません。また電子書籍原稿は不特定多数が見る場所にアップロードしないでください。


<最後に>

 集まったお金は大切に使わせていただきます。

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