太陽電池と電気二重層コンデンサによる ESP32 駆動

ESP32 を太陽電池と電気二重層コンデンサで駆動する方法を紹介します.

はじめに

ESP32 は間欠動作させるのであれば,平均消費電流を 1mA 以下に抑えることが可能です.そこで,太陽電池での駆動にチャレンジすることにしました.

蓄電池の候補としてはいくつかありますが,今回は下記の観点で電気二重層コンデンサを使うことにしました.

  • サイズが小さい
  • 炎天下での長期使用でも安全

鉛蓄電池だと容量は大きいもののサイズも大きくなって,小型である ESP32 のメリットが活かせません.一方.リチウム電池だと,サイズは小さいものの,炎天下での長期使用に不安が残ります.

その点,電気二重層コンデンサは ESP32 を1~2日駆動する容量があり,しかも 85℃ まで使えるので,太陽電池と組み合わせるのにぴったりです.

必要な部品

必要な部品はこんな感じ.

秋月電子 で入手するもの

携帯機器用ソーラーモジュール(太陽電池・ソーラーセル) 300mW

薄型の太陽電池です.コンパクトに仕上げる予定がなければ AliExpress とかで売られている安いやつで OK.今回は2個使用しましたが,曇りが続かなければ1個でも対応できるかもしれません.

出力特性は 資料 [キャッシュ] に記載されています.


低電圧ショットキーダイオード (45V10A) SBM1045VSS

電流の逆流防止用のダイオードです.秋月ではダイオードがいろいろ売られていますが,これは Vf が小さく,電力ロスが抑えられるのでオススメです.


ストロベリー・リナックス で入手するもの

TPS63070 可変型昇降圧DC-DCコンバータモジュール(2.5V~9V)

太陽電池の出力を,電気二重層コンデンサの仕様に合わせて昇降圧するモジュールです.やや,オーバスペックなので,他のものでも良いと思います.


TPS63020 昇降圧DC-DCコンバータモジュール(3.3V/5V)

電気二重層コンデンサに蓄えた電力を,ESP32 に合わせて昇降圧するモジュールです.


Digi-Key で入手するもの

196 HVC ENYCAP 90F 4.2V MAL219690101E3


電気二重層コンデンサです.定格電圧 4.2V で容量が 45F ありながら,厚さが 7.5mm と 小型で,漏れ電流が 0.15mA と小さいのが特長です.今回はこれを2個使用します.

MonotaRO で入手するもの

WH145-33-N-WY


今回の目的にぴったりのサイズのケースです.防水なので屋外に長期設置も可能です.

回路

作成する回路を下に示します.

太陽電池は2個直列に接続し,出力電圧を TPS63070 で 4.2V に変換してから電気二重層コンデンサに充電します.電気二重層コンデンサの出力は TPS63020 で再度 ESP32 用に 3.3V に変換します.

電流の逆流を防止するため,TPS63070 の前後にダイオードを挿入します.(追記: よくよく考えると,TPS63070 の後段のみで問題なさそうです)

なお,TPS63020 および TPS63070 はパワーセーブモードを有効化しておきます.このようにすることで,動作期間のほとんどを占める消費電力 1mA 未満の時の効率を下のように高く維持できます.(通常モードだと効率は 10% 未満に落ちます)

組み立てると下記のような感じになります.

左下にあるのは,温度計測用の HDC1010 です.

外観はこんな感じ.

動作確認

ESP32 に下記の動作を行うプログラムを書き込んで動作確認してみました.

  • 1 分毎に Deep Sleep から起きて,電気二重層コンデンサの電圧測定とケース内の温度測定を実施.
  • 30分後毎に WiFi 接続し,測定結果を Fluentd に送信.
  • Fluentd への送信に失敗した場合,その後成功するまで1分毎に送信リトライを実施.

測定結果は下記のようになりました.なお,計測期間中はほぼ快晴でした.

グラフから次のような事が読み取れます.

  • 日の出が始まる 5 時台の薄暗い段階から充電が始まり,3時間ほどで満充電(4.2V) になる.
  • 15 時近くになって,太陽電池への日射が弱まると,電圧が急激に低下し,4.1V 程度になる.
  • 15 時以降は緩やかに電圧が降下するが,時々,WiFi接続のリトライに伴って急激に 0.1V 近く低下.
  • 3.8V 以下の領域では,ざっくり 8時間で 0.1V 程度の割合で電圧が降下し,翌日充電が始まる時点で,3.7V 以上をキープ.
  • ケース内温度は最大で 55℃程度.

動作可能時間

曇りが続いてもなんとか動作を継続できそうな雰囲気なので,太陽電池を外して何日動作できるか調べて見たのかこちら.横軸の1メモリが半日です.

約4.5日間動作を継続できています.これなら曇りが続いていても大丈夫そうです.

考察

電気二重層コンデンサの電圧推移を細かくみていくと,やや変な感じだっので少し調べてみました.

『電気二重層コンデンサ(EDLC)の安全アプリケーションガイド』 [キャッシュ] によると,電気二重層コンデンサの構造は下記のように大きさの異なる活性炭で構成されているようです.

もう少し拡大するとこんな感じ.(出典: 『電気二重層キャパシタ(EDLC)の特性と上手な使い方』)
個々の活性炭は異なる容量と放電抵抗を持っています.

これを踏まえると,等価回路的には次のようになるとのこと.

充電の最後の方でなかなか電圧があがらないのは,直列抵抗が大きい Cn への充電がなかなか進まないからだと思われます.逆に,放電時に 4.1V まで一気に電圧が下がるのは直列抵抗が小さい C1 の放電が急激に進むためでしょうか.

また,等価回路に現れている内部抵抗は,温度が上がるほど低下する特性を持っており,温度が高くなるにつれて出力電圧も高くなるようです.グラフを見ると,長期的には電圧降下していくものの,途中で盛り返しているのが読み取れます.この特性は気温が低くなる冬季には注意した方が良さそうです.

前掲した動作停止時の電圧が ESP32 の最低動作電圧よりもかなり高い 3.6V 付近だったのもこの内部抵抗によるものと思われます.

電気二重層コンデンサの使いこなしには内部抵抗の扱いがキーになりそうです.

まとめ

太陽電池と電気二重層コンデンサを使うことで,WiFi 通信を行う EPS32 を常時動作させることができました.

コメント

  1. sf2k より:

    はじめまして。最近ESP32を知り、ハマりだしつつある電子工作初心者です。
    こちらの記事を見て感動し、早速マネさせていただきました。
    記事内の全く同じ部品で掲出されている回路図を参考に組んでみたのですが、ESP32の挙動がどうもおかしく、正しく動きません。接続等で何かアドバイスを頂けないかと淡い期待を込めてコメントさせていただきました。

    症状としては、ESP32の挙動をシリアルモニタで見ていると、起動は成功していますが、プログラムがどうやら動いていないのかデバッグ用のコメントがシリアルモニタにプリントされないパターンと、ものすごい勢いで文字化けした文字列が流れ続けるパターンに別れます。

    ESP32への電圧は3.4Vで問題ないので、電流量が足りないかグランド設計に問題があるのかなと思っています。
    何か気をつけなければいけない点、原因と思われるお気づきの点などあればご教示いただけないでしょうか。

    (USB5VからDCDCコンバーターで降圧3.3Vからの給電では正しく動くことは確認済みです)

  2. kimata より:

    はじめまして。

    シリアルモニターに Brownout detector was triggered とかは出ていますでしょうか?これが出ていれば、消費電流の急変に電源が対応できていないると思われます。

    その場合は、コンデンサを追加すれば改善すると思われます。

  3. 太田敬一 より:

    「ESP32-DevKitC ESP-WROOM-32開発ボード」を安価でシンプルに屋外で動かしたいと思い、このページにたどり着きました
    ページにある通り結線しまして、その結果、ボートからの最終的な出力は、想定通り、マイコンが動く5Vになりました
    ただし、その5Vの出力をマイコンに繋ぐと、5Vの出力が2.5Vまで低下、結果的に、マイコンは止まります
    別途、マイコンが正常に動く際の電圧、電流を確認したところ、5V、0.12Aでした
    電流値は、0.12Aより下がることもあります

    電気素人です
    どうすればよいか、ご教授ください

    • kimata より:

      2つ問題があると思います.

      1 つめは,おそらくまだ電気二重層コンデンサにほとんど充電されていないと思われます.そのため,太陽電池の発電からほとんどの電力をまかなおうとして電圧が低下していると思われます.外部から 4.2V を印加してある程度充電してやると,動くようになると思います.

      2 つめは,使用されたボードは電気二重層コンデンサで使うのに向いていないことです.開発ボード上には,電源 IC や USB-UART 変換 IC 等の素子が載っています.それらも電力を消費するため,電気二重層コンデンサで駆動するには不向きです.Deep Sleep を活用しても,太陽電池だけで 24 時間稼働させられるのは難しいと思います.

      • 太田敬一 より:

        早々にご返事頂き、ありがとうございました。
        大変参考になりました。
        別の方法を検討してみます。