JA1WBY 
1: 12V バッテリの充放電コントローラの製作
(Ver3 , Ver5 , Ver6 , Ver7 & Ver8)   
2011.04.01 1st
2011.04.15 HP-UP
2011.05.03 V6完
2011.05.08 V8完
2011.05.20 「ソーラーパネル」をGET。
2011.06.10 誤記訂正
2011.06.23 110)にPWR-NEW PT追加
2011.07.15 「30Wソーラーパネル」をGET。

*)まずは(概要)を・・・・!
 「東日本大震災」で停電対策も必要にせまられてきた。 手始めに小型シールドバッテリ用の充放電のコントローラを作って見ました。
市販品などにはPICなどを使用したALL半導体のコントローラもありますが ここでは簡単な回路構成で実用化したいと思います。 手持ち部品の活用なので最適なものとは言えませんが?。これはその試行錯誤の実験&製作記録です。
(注:実験、改造は自己責任です。)

    --- 主な部品 ---
  • 1:対象は小型シールドバッテリ(12V 4.5AH)と(12V 8.0AH) 
  • 2:IC1(LM358)
  • 3:T2:FET(2SK3140)
  • 4:T3:SCR(SF3JZ47)
  • 5:D1,D3(SK54 40V5A)
  • 6:D2(1N4007)
  • 7:充電電源はDC18〜20V 1〜2Aを予定
    (18V1Aのソーラーパネルを視野に)

1)取りあえづ写真で説明。(Ver3-PT)

1)手作りのプリント基板、 クリックで版下画面に。
(基板の大きさは100mm x 52mm)

2)基板の完成写真、 クリックで裏面に。
(裏面には2個のショットキーダイオードも見える。)

4)基板の実装図。


5)回路図 (使用&応用は自己責任で)。
バッテリから負荷への遮断は電圧降下を避けたかったので今回はリレーにいたしました。 バッテリ電圧は負荷が外れた瞬間にすぐ少し上がるのでラッチングリレーみたいの物 でないとうまくいきません、で今回は簡単にSCRを使ってみました。 リレーの保持電流が余分に増えますがこれでいきます。



50)飽きずにVer5のPT基板の作成。
Ver3の回路では充電時にある一定電圧の電源が必要なことが判りました。 ならば定電圧回路も一緒に基板に入れてしまうことにいたしました。で、 FETでのON-OFFはやめて定電圧充電方式にいたしました。
基板の完成写真、 クリックで基板に。51)放熱板取り付け後(Ver5)


52)実装図(Ver5)


53)回路図(Ver5)



60)飽きずにVer6のPT基板の作成。
定電圧充電になりましたので 前の回路では一部いらない部品がでましたので整理いたしました。
前の基板から部品を削除の写真。


61)実装図(Ver6)


62)回路図(Ver6)


63)・・・・ 感想?など ・・・・・
 いざ作って診ると結構いろいろなことが出てきて大変です。
まだ太陽電池パネルは購入していないのでまだまだ実験は続きます。
また、4個購入したSCRの中で1個不具合なものが出ました。 回路でフォローすべきなのかも知れないがメンドクサイので部品交換で対処しました。
回路は非常にシンプルになりました。電流制限回路は無いので充電のAC電源には1A〜1.5A 位の少ないものでテスト致します。


70)またまた飽きずにVer7のPT基板の作成。
定電圧充電になりましたので 前の回路では一部いらない部品がでましたので整理いたしました。基本的にはVer6の回路図と同等
1)SCRのゲートに3VのZDを追加しました。
2)LEDの電圧計も追加致しました。mV計。
3)電源監視はATT=1/100。ゆえに14V=140mVの表示になります。
4)電流も計測できるようにGND側に0.1Ωの抵抗を入れました。ATT=無し。
5)電流の計測時は100mV=1000mAの充電電流となります。
6)鉛電池には電圧14.0Vの定電流充電(それぞれ専用に作成)
7)ニッカド11本には15.2Vの定電流充電(それぞれ専用に作成)
8)入力側の電源は18V1.3AのSW電源を利用
9)まだ、ソーラーパネルは未購入、・・・・どうしよう計画停電は無くなったし?・・・
(電圧降下分が大きいので、安い秋月の12V1000mAでは電圧が少し低そうなので・・・・思案中?)
ここは中々難しい、安心して使うには放熱の問題もあるし「LM317」でなく「SW電源(DC-DC)方式」にすべきかなとも思う。そして、 安い18V 1A〜20V 2A位のソーラーパネルが見つかればぐっと実用に近づくかな?。

71)新しくなったプリント基板の写真。放熱を兼ねたアルミ板(ケース)に固定。


72)新しくなったプリント基板の完成写真。


74)自作の電圧計も追加。
(充電=13.3V, 放電=11.8Vを表示)


75)使用時の写真。(12V 8AhのバッテリとDC-AC(100V 75W)使用時)
AC100Vの負荷にLED電球をテストしてみたら同じ6Wの電球なのにメ−カにより効率の違いがかなりあることもわかりました。 12V=0.9Aと12V=1.3Aの放電差がありました。もちろん自作派には自作LEDの12V点灯の方が効率がよいのはあたりまえですね。



80)放熱を考慮して定電圧部をDC-DCスイッチングにしました。(Ver8基板)
DC-DCは手持ちの5V3A品。電圧計も同居しました。Hi。


81)放熱を考慮して定電圧部分をDC-DCにしてみました。(Ver8基板)
 テスト中・・・ん〜なかなかいいわい。
だがこのDC-DCの12V付近の出力電圧調整がクリチカル過ぎる、12V出力が欲しいな〜。どうにかならないかな〜。
(今回は多回転VRでどうにか使用できましたが。)


82)回路図はあまり変わりないが(Ver8)
DC-DC ICを変更して電圧計も同居いたしました。
(電圧計部分の回路は省略)
回路図には記入していないが必要なところにはセラコンは必須です。

これでACからの充電は完了致しましたがソーラーパネルからは このタイプでは非効率で使い物にならないだろう、たぶん?。
あとは「MPPT」タイプを試すか、または完成品を購入した方が安いだろうな、 その方が即実用的になりそうだ。
でも、その前に試験的にソーラーパネルをGETしなくては話にならないので・・・・・。



90)こんな使い方を考えていたのだが。


91)取りあえず手始めにこんな「ソーラーパネル」をGET。
(12V 500mA 秋月には記載されていないが通称6Wタイプ?)
(いずれLink切れになるかも知れないのでコピー写真も。)

だがこの「ソーラーパネル」では上の回路での使用には向いていないことが判った、って遅いよね・・・・・・跡のまつりだ。
「ソーラーパネル」の裏の使い方(注意書き)がベストな使い方なのだろう。
 取り付け写真。

92)だがGETしてしまったのでちょっとテストをしてみようと。
12V用のLEDランプを負荷にして、ちょっと無茶ではあるが?・・・・。
下図のようにして「ソーラーパネル」がどんなものかをCHEKしてみました。


93)V1,i1の値をログメータで取得したデータ。
日の出から日没までを。(2011.05.20 快晴)
(日の出:04:30分、日の入り:18:44分)
この表の発電データからはソーラパネルが真南より少しばかり西に向いていることも解かるかな。(感覚的に)(ま、今の時期が正午の太陽が真南か どうかも確かめていないので?だが。)

1)電圧のピーク=17.1V
2)電流のピーク=260mA
 簡単な実験であるが(11:40分ごろ)でピークを検出している、別の日ではあるがパネルの傾斜角を最適に するとMAX300mAを検出できた時もありました。が平均ではかなり低い値になる。パネル定格(6W)の20%〜50%前後が 常用範囲になるのかな〜と、思える。
3)「ソーラーパネル」の設置角度(水平=0)は10〜30度が良いとされているが 今回は屋根上では無くベランダにぶら下げる形にしたので垂直に近い80度位。


94)ちょっとテストをしてみようと。そのA
今度は注意書きの通りのバッテリーへの直づけです・・・。
下図のようにして「ソーラーパネル」がどんなものかをCHEKしてみました。


95)V1,i1の値をログメータで取得したデータ。
日の出から日没までを。(2011.05.22 午前中は薄曇り午後は曇り14時ごろから雨)

1)電圧のピーク=13.7V
2)電流のピーク=220mA
この日は雨も降る天気の悪い日だったのでたいした充電にはならなかったようだ。 (バッテリの電圧は日の出=12.1V〜ピーク13.3V〜日没=12.6V)

1) 今回の秋月のものはバッテリーに直接つないで充電するのが 一番効率良く充電できそうだ。
2)で、本格的に屋外で使用するには電源コードが短すぎます。
3)ちょっと「DATAまとめPDF」

96)やはり今回購入のソーラパネル(12V品)にはこんなのが最適かな?
この簡単な回路が効率よさそうです。
(このパネルでこの取り付け角度だと過充電になる心配はないが。
 充電電圧=14.0V, に合わせています。)


97) **** (総括@)  解かったことは。 ****
1)今回は実験用として何も考えずに手直な物を購入してしまったがこれについて。
2)取り出せる電流はソーラパネル定格の10%〜20%位が実用なる目安かな。
 (勿論ピーク時では無い)
3)今回は12V 500mAのパネルなので使える電流は50〜100mAが目安。
 (1日(約日中8時間)のなかでの常用範囲。)
4)そう常用500mA欲しかったら定格電流2.5A以上の品を選ぶ。
5)勿論、昼間(そのまま)に使うのか?、充電してから使うのか?などの選択も必要です。


98)やはり大きいソーラパネルがいいのだが?。
 応用が効くように作例をUPしておきます。
(これでパネルの出力容量が多ければ複数で充電できます。
 充電電圧はそれぞれに合わせます。)
今回はソーラパネルの出力容量が小さいので電圧が下がっている、その分TRの損失が少なくて良いが。




100)最後に。

そして、今回の実験にぴったりの物が見つかったので参考に。
購入?だがこれから購入する方の参考にURLを記載しておきます。
今回の実験にぴったりのものがここ「YMT ENERGY」 で販売されていることが判りました。
ここの品物は「秋月」よりも安いのでかなり実用的に使用できると思われる。
ここの「8W」「15W」や「30W」「60W」タイプのソーラーなら使いでがありそうだ。
もちろん「コントローラも購入」は必須。買った方が安い?。
(勿論、今回の実験の「Ver8-PT」タイプなら「30Wのパネル」までなら問題無く使用できそうだ?。)
(販促になると思うので勝手に参考写真をUPしておきます。)



(注:実験、改造は自己責任です。)

110) **** (総括A)  で次は。 ****
(趣味なのでこんなことは考えなくても良いのだが。)
今回は素人が少しは実用?になるようにソーラーパネル
「18V 30W品」(17.2V 1.74A)の使用を前提に考えてみよう。

1)導入コストは?
a)ソーラパネル「18V 30W品」(17.2V 1.74A):15K円(10年以上)
b)照明用のLED等の部品 :5K円(10年以上)
c)コントロール基板等の部品 :3K円(10年以上)
d)バッテリー :12V 20AH 5K円(x2) 5年位?)
e)製作、設置、保守等の手間賃は無償で 
f)合計(10年間のランニングコスト)は  33000円

2)使い方は
発電予測は(朝晩、日中、曇り日、雨の日等)
(予備実験では晴れた日であれば6:00〜18時ごろまで発電が可能で)
a)ソーラーパネルには太陽光が直接に当たらなくても発電できることがわかった。
b)取り出せる電流はソーラパネル定格の10%〜50%位が実用なる目安かな。
c)10%時の発電では0.17Aになります。
c)20%時の発電では0.34Aになります。
c)30%時の発電では0.51Aになります。
c)40%時の発電では0.68Aになります。
c)50%時の発電では0.85Aになります。
 (今回は垂直取り付けなのでこの辺までかな?。)
c)60%時の発電では1.02Aになります。
ここまでは無理だろうな〜。
d)20%発電なら(約0.34Aを)常用範囲とすると12V 4W位のLEDが使える
 (日中の4〜5時間は30W定格の30〜70%は発電できるのでは?。)

e)日中も蛍光灯をつけている部屋をLED照明(12V使用)に置き換える。
 (約日中8時間の蛍光灯の電気代70WX8H=560Wの代替え。
 1カ月=16.8KWh 403円/(1KW/24円)、
 12か月4838円 雨の日もあるので0.7掛けで約3400円 )
 当然、蛍光灯より暗いが商店等が照明を落としているご時世なのであまり抵抗は無いが。 (2011.3.11の地震で電力不足で-15%のエコを奨励(東京電力福島原子力発電所事故(メルトダウン))

f)フローテング充電しながらの使用を考える。
g)次は停電時の予備電源。(12V 8AH)
h)その他、二次電池類の充電等に。
j)売電する訳ではないないので回収コストは「g)、h)」の分をどう見るかに よって変るがざっと10年かかることになる。ん〜微妙、導入コスト分を電気代にして蛍光灯で明るく 暮らした方がいいとみるか考え方次第となるでしょう。(前にも書いたが趣味なのでこんなことは考えなくても良いのだが。)


111)やはり大きいソーラパネル(18V、30W品)がいいね?。
 と言うことで、これらにも対応できるように放熱等も考慮して作り直しました。
出力電圧は12V〜14Vにて設定できます。
(電圧計も内臓です。約50mA。入力電圧とバッテリ電圧のモニターが可能)
これで大容量のソーラパネルでも安心して使用できます。
これには過放電防止機能はありません。


112)前回(No80〜82項)の製作品も大きいソーラパネル(18V品)でも大丈夫。
 これはDC-DCコンバータ使用ですので3Aまでの制御が大丈夫。
こちらには過放電防止機能付き。
(電圧計も内臓です。バッテリ電圧、充電電流、出力電流のモニターが可能。)
こちらはデータロガーにも接続できるように端子付き。


113)このLEDも購入しました。
主なLED照明の製作例を。まづは「12V-200mA品」。
抵抗入りの簡単動作のたぶん自動車のルームランプ品
ブリキの丸缶のふたを利用。


114)このLEDも購入しました。
主なLED照明の製作例。「5WパワーLED品」を12V 650mAの定電流点灯。
 写真ではあまり区別はできませんが目では段違いの明るさが判ります。
こちらはパワーLED品なので放熱器も付けました。
ん〜この放熱器ならフルパワーでも大丈夫だね。
ここの写真は比較の為に実際より暗めの仕上がりにして有ります。


115)2011/7/15 。前に紹介した、その「30W ソーラーパネル」を購入しました。
昨今の事情?で品切れで予約で1か月半も待たされて購入できました。
これからゆっくりと実験に入ります。
取りあえづこの大きさ(W数)なら実験用には充分かな?。
と、言うことで電圧計&電流計と80項の「PWRコントローラ」を「制御盤」としてまとめ てみました。
写真を撮るときに便利なように時計も一緒に撮影できるようにしました。
30Wのパネルなので1.7Ax0.6で約1A、で電流計も交換しないで大丈夫でしょう。

左のSWの切り換えでバッテリ電圧、負荷電流、充電電流もモニターができます。
電流計もこの位振れていると気持ちがいいね。おまけに日付や時間まで写真に撮れるね。

出来れば直読の「Wメーター」なども欲しいアクセサリーだな〜・・・・・。

たぶんEND?。
200):参考文献
1)トラ技 CQ出版
2)その他。

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