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エナジー ハーべスティング

 1セル太陽電池のわずかな電力でも環境発電

ソリューション

課題 ...

環境エネルギーを利用するには "自己消費しない電源回路" が必要

従来回収されることなく捨てられていた光・振動・熱・電波などの微弱なエネルギー。これらを有効活用するための環境発電。

しかし、その発電量に比べて電源回路の自己消費電力が大きく、 これまでシステム電源として使えるものはありませんでした。

ではどうすれば ...

旭化成の超低消費電力の昇圧ICソリューション

・0.2Vの入力電圧から自己起動、昇圧開始

・超低消費電流の電圧監視・電源供給制御機能

IoTセンサーノードの電池レス化で センサーの社会実装を促進

従来のように環境発電素子を直列化・大面積化することなく、センサー/無線モジュールなどを駆動できる電力まで蓄電できるようになります。長時間稼働 (電池交換フリー)・多地点配置 (配線フリー)・小型・低コストの電池レスIoTセンサーノードを実現、さまざまなセンサーの社会実装を加速します。

電池レス IOT センサーノード

開発の背景

あらゆるものにセンサを搭載するインターネットにつながる社会の実現において、センサ・無線を駆動する持続可能な電源の確保が課題となっています。この課題に対して環境にやさしく、持続可能な電源として、太陽光や風力など自然エネルギーの利用が重要です。

バクテリア発電を用いたセンシングシステムにより実現できる社会

自然界に存在するエネルギーとして Microbial fuel cell (MFC) はバクテリア発電とも呼ばれ、土壌に存在する微生物や有機性排水の発電細菌を利用して直接発電できる装置です。

今回、このMFCを電源としAKMの回路技術を組み合わせたセンシングシステムを開発しました。このMFCは微生物の活動がある限り24時間安定して電力を供給することができるため、将来的には第一次産業から第三次産業まで、事業活用の選択肢は無限大です。

採用事例

国立研究開発法人農業・食品産業技術総合研究機構 (農研機構) と共同で、農業・環境分野への実用化にむけた微生物電池による様々なセンサーの駆動性能を評価中です。

リチウムイオンキャパシタの充放電制御の電圧検出ICとして

一般的なリチウムイオンキャパシタは使用に対して上限電圧、下限電圧が設けられています。この上限電圧を超えないように充電を停止して、下限電圧を下回らないように放電を停止する回路が必要になりますが、この回路の消費電流が大きいとキャパシタセルの電圧低下の原因となるため、低消費電流での電圧制御がセルの長寿命化において重要となります。
旭化成エレクトロニクスが開発した AP4405シリーズ は、太陽誘電株式会社のリチウムイオンキャパシタ LITHOSION™ (リソシオン) の上限、下限電圧の監視およびセルの保護回路に採用されました。

旭化成の技術

旭化成エレクトロニクスの二つの回路技術をシステム開発に応用しました。

  • 0.2Vから動作可能な昇圧回路
  • ナノアンペア動作の超低消費電流の電圧検出回路

システム構成

温度センサー、無線回路、表示デバイスなどの多くは、駆動するために3V以上の電圧が必要です。MFCの出力電圧はこれよりも低いため、一つのMFCでは無線センサモジュールを直接駆動させることできません。MFCを直列に接続しても非線形性のために安定した動作は困難です。

この解決を目的としMFCから実用的に使用できるエネルギーを回収するためには、昇圧回路で電圧を上昇させエネルギーを蓄電素子に蓄える、さらに蓄えたエネルギーを制御して無線センサモジュールに供給する必要があります。しかし、既存の昇圧回路は昇圧可能な電圧や消費電流がMFCの特性に合っておらず効率的にエネルギーを回収できないため、MFCは無線センサシステムを駆動させる電源として未だに実用化していません。

旭化成エレクトロニクスがMFCの実用化に向けて開発した電源制御 ICは、MFCの特性に合った昇圧回路を設計し、昇圧して蓄電素子にたまった電力を損失する事なく制御する回路も統合しました。MFCと電源制御 ICを組み合わせることにより、センサーと無線モジュール、表示器の駆動を実現し、そのシステムは今までに実現できなかった場所や長期間の測定を可能し、そこで得られたデータは人の暮らしの向上、地球環境の保全への貢献が期待できます。