スキータイム計測機 開発日誌

とある大学生の競技スキー用タイム計測機の開発日誌です。とかいいつつ関係ないことも書きます。

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MPPT充電器に用いるPWM定電圧制御について

昨日今日と先日作ったMPPTリチウムイオン電池充電器を自転車のフロントにくっつけて昨日今日と試験走行してみました。
途中ワイヤレスサイクルコンピュータと干渉するという予想外の事態もありましたが有線のものに変えて解決。
また、自転車旅に出るこの季節は太陽の南中高度が低い(45°程度)なので、ソーラーパネルを傾けることにしました。これだけでも充電効率がかなり上がるはず。


今回はそのMPPTリチウムイオンソーラー充電器(以下MPPT充電器)の制御に用いた「PWM定電圧制御(仮)」について書きます。


MPPTそのものについてやリチウムイオン電池の充電特性などについては割愛します。
MPPTについてはトランジスタ技術2005年9月号がよくわかります。
リチウムイオン電池の充電特性についてはリニアテクノロジーの充電ICのページが参考になるかと思います。


今回PWMによる定電圧制御を取り入れるに至った理由は以下のとおりです。
・一号機ではバッテリーが一定電圧に達したら充電を終了していたが、充電電流が大きいとそんなに充電されていないのに電圧が高く計測されるため、頑張っても6,70%程度しかたまらない

今回この問題を解決するために実際のリチウムイオン電池の充電ICの充電方法(上のリニアテクノロジー社のページを参考にしてください)をPWMで再現することにしました。


実際の充電ICがどのように充電しているかというと、
1.定電流制御で一定電圧まで充電
2.定電圧制御で一定電流に下がるまで充電


という2段階を踏んでいます。1号機ではその1段階目までしか再現していなかったわけです。
では、その第2段階をPWMのみで再現するにはどうすればいいか。
方法はそれほど難しくはなく、PWMのデューティを徐々に下げていけばいいのです。


MPPTを用いた太陽電池の特性として、「デューティ大→充電電流大」「デューティ小→充電電流小」という簡単な関係があります。
そして、リチウムイオン電池の特性として、「充電されてくると少ない電流でも電圧が上がってしまう(あまり電流が流れなくなってくる)」というものがあります。
つまり、充電ICが行なっているように、リチウムイオン電池を定電圧(通常4.1-4.2V、今回4.1Vとした)に保ちながら少しずつデューティを落としていけばいいわけです。
充電されてくればデューティが低くても4.1Vを保つことができます。

問題は充電ICは充電電流がフル充電中に流れる電流の1/10になったときに充電を終了させているところで、今回作った回路では充電電流を計測するようにはしていません。精度的にも難しいと思います。
そこで、上に示した「デューティ大→充電電流大」「デューティ小→充電電流小」を利用して、デューティの大きさが充電電流の大きさと比例していると仮定します。というわけで、充電電流を計測するには間接的にデューティを見ればいいわけです。


段々長くなってきたので、結論をまとめると、

PICのPWMでMPPTの定電圧制御を行うには、
1.MPPTによるソーラーパネル最大出力でバッテリーが4.1Vに上がるまで充電する
2.バッテリーが4.1Vに達したら定電圧モードに移行する
3.バッテリーが4.1Vを保つようにデューティを調整(バッテリ電圧>4.1V→デューティを小さくする、バッテリ電圧<4.1V→デューティを大きくする)する
4.充電されるにつれ徐々に充電電流小→デューティが小さくなってくるので、デューティが一定値(今回約10%)を下回ったら充電終了とする



という手順を踏めばOKです。これで結構市販の充電ICに近い制御を行う事が可能です。


以下にこれを実装したプログラムを掲載します。
こちらです。
開発環境はCCSC、C言語です。
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まとめ

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