数十年のIoTセンサ運用での環境発電と電池の比較

超低電力ICが利用可能になったことで、マイクロアンペアまたはミリアンペアしか動作に必要としないセンサベースの回路やシステムが急増しています。これらの製品は、環境モニタリング（安全性、温度、地震）、アセットトラッキング、エネルギー/電力計測、医療用モニタをはじめ、さまざまな目的に使用されています。

このようなユニットの多くは、10年、20年、またはそれ以上の年月にわたって機能する必要がありますが、電池交換が困難または不可能であることは珍しくありません。また、多くの場合は、電池を交換するとしても多大な費用がかかります。

そのため、設計者は、十分検討したうえで、次のような選択肢から適切な方法を採用する必要があります。

• 環境発電
• 充電式（2次）電池と環境発電
• 超長寿命の非充電式（1次）電池
• スーパーキャパシタと超長寿命の1次電池

この記事では、設計上のさまざまな選択肢とそのトレードオフについて説明します。また、Tadiran、Analog Devices、KEMET、およびTexas Instrumentsが提供する関連ソリューションとその使用方法を適宜ご紹介します。

環境発電は賢明な選択肢か

賢明かどうかは、当然ながら、用途次第です。確かに、環境発電は、ほとんどまたはまったく費用がかからないように最初は見えるため、電力を供給する手段として魅力的であり広く採用されています。その主な要素は次の4つです。

• エネルギーの生成（エネルギー源）
• 変換（ある種のトランスデューサを使用）
• 貯蔵（後で利用するため）
• 配電（目的の回路に効率的に供給）

環境発電における最初の課題は、最も効果的に利用できるエネルギー源を特定することです。一般的なエネルギー源としては、太陽光、風力、水力、温度差、廃熱、磁気誘導があります。もう1つのエネルギー源は、何らかの形の微小な振動または動きで、歩行、建物の地盤振動、モータの振動などによって誘発される場合があります。

エネルギーという用語と電力という用語は、特に一般社会において同じ意味で使用される場合が多々ありますが、関連しているものの異なる用語であることに注意する必要があります。エネルギーは仕事をする能力であり、電力はエネルギーが収集または消費される割合です。したがって、エネルギーは電力の時間積分となり、電力はエネルギーの時間微分になります。環境発電システムでは、収集して貯蔵されるエネルギーの量がその電力積分以上である必要があり、そうでない場合、システムは長期間機能できるだけの電力を得られません。つまり、エネルギーは、時間の経過とともに収集されるよりも高い割合で電力として集約して消費することはできません。

収穫元となるエネルギー源を特定したら、そのエネルギーを捉えて電気エネルギーに変換するためのトランスデューサが必要になります。このトランスデューサにはさまざまな形があり、マイクロタービン、太陽電池（またはパネル）、圧電結晶などはそのごく一部にすぎません。次のステップは、この不安定で、予測しにくく、通常は少量であるエネルギーを貯蔵して、必要に応じ引き出して電子機器に電力を供給できるようにする方法を決定することです。

電池か、スーパーキャパシタか、その両方か

実現可能な貯蔵の選択肢は、充電式電池とスーパーキャパシタの2つです。スーパーキャパシタはウルトラキャパシタと呼ばれることもありますが、正式名称は電気二重層コンデンサ（EDLC）です。充電式電池とスーパーキャパシタのどちらを使用するかは、主に、その用途の重要度、期間、およびデューティサイクルによって決まります。

一般に、標準的なコンデンサ（非スーパーキャパシタ）は大量の電力を供給できますが、単位体積あたり比較的少量のエネルギーしか貯蔵できません。対照的に、電池は多量のエネルギーを貯蔵できますが、電力定格は低くなります。スーパーキャパシタはこの2つの間に位置し、エネルギーと電力を両立できます。

電池に比べて、スーパーキャパシタには次のような多くの利点があります。

• スーパーキャパシタは、化学反応ではなく物理的な電荷貯蔵を使用するため、非常に迅速に（数ミリ秒から数秒で）充電および放電できます
• 電池とは異なり、スーパーキャパシタは化学反応に依存しないため、充放電サイクルの回数がほぼ無制限です
• スーパーキャパシタの充電管理は電池の場合よりも単純です。これは、スーパーキャパシタは、電池で使用されるやや複雑で化学反応に依存する定電流および定電圧の充電アルゴリズムではなく、充電電流と過電圧保護（OVP）しか必要としないためです

たとえば、KEMET FC0V474ZFTBR24は、高さ10.5mm、直径8.5mmの小型ケースに密閉された470mFのスーパーキャパシタで、公称定格は3.5ボルトです（図1）。シール漏れが万一発生した場合でも、電解質（希硫酸）の液体の水から気体に相状態が遷移するため、無害な水蒸気（気体）しか放出されません。

図1：KEMETのモデルFC0V474ZFTBR24スーパーキャパシタは、高さ10.5mm、直径8.5mmしかないケースに密閉された3.5ボルト、470mFのユニットです。（画像提供：KEMET Corp.）

充電式電池は、長期間使用するような状況に向いており、電流ドレインが低いものの比較的一定で、高いピークがなく、デューティサイクルが低い用途に最適です。設計によっては、充電式電池とスーパーキャパシタを組み合わせて使用することもあります。この場合、電池がコンデンサをトリクル充電し、コンデンサがピーク負荷電流を供給します。

非常に長期間の用途では、電気性能に関する性質や、体積あたりおよび重量あたりのエネルギー密度から、利用可能な多くの標準的なケミストリの中でもリチウムイオン（Li-ion）ケミストリが最良の選択と言えます。

ただし、各種のリチウムケミストリには、出力電圧、充電と放電の特性、電圧対残存容量、動作温度範囲、充放電サイクル数などの性質に関して重要な違いがあります。最後の性質については、他の電池仕様と同様に、サイクルごとの放電深度にも依存します。広く使用されている2つの2次電池ケミストリ（ニッケルカドミウム（NiCadまたはNiCd）とLi-ion）の主な特性の概要、および2つの基本的なバルクコンデンサタイプを表1に示します。

表1：充電式電池とコンデンサには多岐にわたる重要な性質があります。（画像提供：KEMET Corp.）

非常に長期間の使用が求められる用途では、エネルギー貯蔵要素の必要なミリアンペア時（mAh）容量定格は、概念としては単純なものの実際に決定するのは容易ではありません。第1段階の分析は、静止モード、定常状態モード、パルスモードを含む、必要な電力の積分に基づきますが、これらのデバイスを使用して設計する場合には考えるべきことがさらにあります。内部等価直列抵抗（ESR）による損失や温度に関連する劣化などの問題は、考慮する必要があるさまざまな要因のうちの2つにすぎません。そのため、電池またはスーパーキャパシタのデータシートと各種のグラフをよく確認する必要があります。

システム電源管理：現在の課題

電池、スーパーキャパシタ、またはその併用のいずれを選択するかに関係なく、環境発電トランスデューサから貯蔵要素へ、そして負荷への供給というエネルギーフローの管理は、設計上の重要な問題です。この機能では、通常は非常に小さな量である収穫エネルギーが最大効率で貯蔵要素に移送されるようにすると同時に、過充電によって電池の寿命が短くならないようにする必要があります。また、管理機能では、電力自体をほとんど消費せずに負荷への電流を必要に応じて測定しなければならず、放電サイクルを管理して、最大容量の電池充放電サイクル数を低下させる深度の大きい放電を避ける必要もあります。

出力側では、管理機能でDC/DCレギュレーションを実装して、貯蔵要素の電圧や負荷需要が変動しても負荷レールが一定の電圧に維持されるようにする必要もあります。負荷の要件という点では、このレギュレーションは、選択した電池またはコンデンサに応じて、降圧モードの機能にも昇圧モードの機能にもなります。また、貯蔵要素の出力電圧が目的のDCレールを越えてその下までまたがる場合は、降圧/昇圧レギュレータの組み合わせにすることもできます。

たとえば、Analog DevicesのLTC3331EUH#PBFは、太陽電池の高い電源電圧用に最適化された環境発電電池充電器を備えるナノパワー降圧/昇圧DC/DCレギュレータです（図2）。ただし、予備の電池を備えた完全な環境発電ソリューションの基盤を作るために、低い電圧の電源で使用することもできます。5mm × 5mmの小型QFN-32パッケージに格納されたLTC3331は、デュアル入力（太陽と圧電を収穫源として使用する場合など）、および2つの入力に優先順位を付けるシングル出力DC/DCレギュレータを備えています。

図2：Analog DevicesのLTC3331は、最大50mAで1.8～5ボルトを供給しながら、2つの収穫源の処理および優先順位付けを行い、2つのスーパーキャパシタと電池のバランスを維持できます（左）。収穫エネルギーを用いて電池を充電する際のLTC3331のタイミングシーケンスも示されています（右）。（画像提供：Analog Devices）

収穫入力は3.0～19ボルトですが、電池電圧は最大4.2ボルトまでとなっています。安定化出力レールは、50mAで1.8～5ボルトに設定できます。また、2つのスーパーキャパシタを直列で使用することもできます。この場合、自動セルバランシングによってエネルギーの貯蔵および効率を向上できます。

降圧コンバータと昇圧コンバータは優先順位付け機能によって制御されます。この機能は、電池や収穫可能なエネルギーの利用可能性に基づいて、使用するエネルギー源を選択します。収穫エネルギーが利用できる場合は、降圧レギュレータがアクティブになり、昇降圧がオフになります。オンボードの10mAシャント電池充電器は、電池の切断が少なく、予備電池の充電を行って寿命を大幅に延ばすことができます。静止電流は、レギュレータの効率性において、また環境発電の設計では特に重要な要素になりますが、無負荷でわずか950nAです。

長期的な供給の問題は解決されたのか

利用可能な収穫源、電池またはスーパーキャパシタの使用、およびシステムのトレードオフに関する決定は、場合により、複雑になることがあります。しかし、環境発電をエネルギー源として使用する場合は、特に電池に関して、より大きな問題が2つあります。1つ目に、充電式電池は充放電サイクル数が無限ではありません。通常のサイクル定格は、最適な充放電条件および温度下でも1000回や2000回であり、数十年の期間で必要とされる回数には足りません。

2つ目に、エネルギー源とトランスデューサに関して、より重要で定量化が難しい問題があります。太陽電池は、汚れやほこりが付着したり、近くに建物などができて光が遮られたり、木が成長して電池が影になったりしても、本当に数十年間十分に照射できるでしょうか。振動源は周辺状況や動作環境が変化しても常に刺激を得られるでしょうか。これらは、現実世界のさまざまな設置環境において高い確度で確認して対処することが非常に難しい問題です。

貯蔵に関しても、非充電式1次電池が、マイクロアンペアまたは低ミリアンペアの負荷であったとしても本当に数十年間耐え得るのかという疑問があります。結局は、乾燥や腐食、または長期間の使用に伴うその他の劣化が発生するのではないでしょうか。ただし、実際には、適切な条件下で適切なタイプの1次電池を使用すれば、環境発電に代わる非常に有力な方法となります。また、定義上、1次電池を使用すると、充放電サイクルと管理に関連するすべての問題を完全に回避できます。

しかしながら、1次電池は、自己放電と呼ばれる避けられない劣化現象を抱えており、電池に負荷がない場合や物理的に切断されている場合でも、内部リーク電流が微量ながら確実に発生します。ほとんどのタイプのリチウム1次電池では、この自己放電は1年あたり初期容量の約3～4%になります。

基本的な計算から、自己放電が4%の場合、電池容量は、負荷への対応による容量の損失を完全に無視しても、約12年で元の値の半分程度まで低下することがわかります。自己放電を考慮すると、初期電池容量に対する負荷電流ドレインの単純な計算を使用した耐用期間の決定は、非常に楽観的で非現実的と言えます。このような理由から、ほとんどの1次電池は数十年にわたる長期間の用途には適していません。

ただし、ボビン型の内部配置と独自の製造プロセスを使用する塩化チオニルリチウム（LiSOCl₂）ケミストリに基づく電池は、過剰な自己放電なしで数十年間持続できます。多くの回路を非常に低い電流レベルで使用した場合、自己放電も1%未満であることから、20年、30年、さらには40年にわたってシステムに電力を供給できます（図3）。また、この電池は軽量でありながら容量密度は大きくなっています。高性能のLiSOCl₂電池は、重量あたり最大約650ワット時/kg、体積あたり最大約1280ワット時/立方デシメートルのエネルギー密度を提供します。

図3には、TadiranのLiSOCl₂ XOLシリーズは20年経過しても定格容量の86%を維持することが示されています（左）。LiSOCl₂ XTRAシリーズは10年後には80%になりますが、他のケミストリは70%まで低下します（中央）。二酸化マンガンリチウム（LMNO₂）およびアルカリ電池は、1年あたりの自己放電率が高いため、10年以上の電池寿命には到達できません（右）。

図3：10年後および20年後における3種類のケミストリの電池容量は自己放電での損失（無負荷時）のみによる値です。TadiranのLiSOCl₂ XOLシリーズは20年経過しても定格容量の86%を維持します（左）。TadiranのLiSOCl₂ XTRAシリーズは10年後には80%になりますが、他のケミストリは70%まで低下します（中央）。LMNO₂およびアルカリ電池は、1年あたりの自己放電率が高いため、10年以上の電池寿命には到達できません（右）。（画像提供：Tadiran Batteries）

LiSOCL₂の自己放電が低い理由は、リチウムが電解質と接触するとすぐに陽極の表面に塩化リチウム（LiCl）不動態化層が本質的な性質として形成されるためであり、これによってさらなる反応や容量の損失が防止されます。不動態化層は自己放電電流の流れを大幅に制限する不完全な絶縁体として機能しますが、負荷の要求に応じて、低レベルの電流が不動態化層を部分的に「押しのけて」通過します。

理論的には、設計および製造によって不動態化層の厚さを増して、自己放電の制限を強化することもできますが、その場合、負荷電流が高くなると電池が適切に機能しなくなります。つまり、トレードオフがあります。自己放電は減るがドレインの低い用途に使用が制限されることを受け入れるか、自己放電は増えるがより高いドレインでより短い期間電池を使用するかです（容量定格を所与とした場合）。

超低ドレイン性能に最適化された電池が利用可能です。Tadiran XLOシリーズのTL-4902/S ½ AAサイズLiSOCl₂ 1次電池を例に考えてみましょう。この円筒形電池は、長さ25mm、直径14.5mmしかなく、端子電圧は3.6ボルトであり、公称容量は2ボルトに低下するまで0.5mAで1.2Ahです（図4）。出力電圧は時間が経過しても一定で、ドレインレベルが低くなると急激に増加し、10µAで100,000時間まで持続します。

図4：Tadiran TL-4902/S LiSOCl₂ 1次電池は出力電圧の低下なしに100,000時間にわたって10µAを供給できます。（画像提供：Tadiran Batteries）

パルス電流の用途について

不動態化層を通過するには数ミリ秒程度かかるため、負荷回路が電流を要求した場合、実際には過渡的な電圧降下があり、その後に公称出力電圧までゆっくりと上昇します。したがって、このような電池が備える長い寿命を最大化するには、パルス負荷に使用するのではなく、連続的な低電流源として利用する必要があります。

ただし、パルス負荷に対しては便利で実用的なソリューションがあります。長寿命、連続放電、低電流の電池とスーパーキャパシタを併用する方法です。この場合の回路は、電池がスーパーキャパシタを低レートで連続的に充電しながら、スーパーキャパシタを使用してより高いパルス電流を供給するように構成されます（図5）。実際には、この配置では、収集元となるエネルギー源として電池が使用されます（標準的な使用法ではありません）。

図5：長寿命の1次電池から低い値の連続電流を使用してスーパーキャパシタをトリクル充電し、スーパーキャパシタを使用して低デューティサイクルのパルス負荷に対応することによって、簡単に管理できる配置でパルス負荷に対して非常に長い期間電力を供給できます。（画像提供：Texas Instruments）

Texas Instruments TPS62740 ICはこの構成に最適です（図6）。この降圧コンバータは、2.2～5.5ボルトの入力電圧を受け入れ、360nAの静止電流仕様を備え、2.2µHの小型インダクタと10μFの出力コンデンサを使用して動作しながら、最大300mAを供給します。

図6：Texas Instruments TPS62740降圧コンバータでは、電池を使用して小型コンデンサを充電できるため、設計者は各エネルギー貯蔵デバイスの性質を最大限に活用できます。（画像提供：Texas Instruments）

代表的な用途では、LiSOCl₂ 1次電池は、TPS62740に直接接続され、降圧コンバータの有効化/無効化、出力電圧の調整、および効率的な充電を行うマイクロコントローラによって制御されます（図7）。

図7：TPS62740と、マイクロコントローラによって制御されるLiSOCl₂ 1次電池およびコンデンサを組み合わせることにより、低い静止電流で動作する効率的な長期電力サブシステムを実現できます。（画像提供：Texas Instruments）

降圧コンバータの出力は、スーパーキャパシタを最低でも1.9ボルトまで事前充電するために必要な起動プロセスを処理できるように、2つの電流制限抵抗に接続されます。蓄電コンデンサが事前充電されると、スイッチがオンになり、組み合わされた抵抗によって電流が制限されます。この配置では、ワイヤレスIoTノードなど、デューティサイクルが低くピーク電流の大きい負荷に対応しながら、電池寿命を最大化して数十年間動作を維持できます。

充電式電池を用いた環境発電ではなく、1次電池のアプローチ（パルス電流バッファ用にスーパーキャパシタを追加する場合を含む）を採用することには、次の3つの利点があります。

• 環境発電トランスデューサ自体のコストおよび長期的な持続に関する不確実性が排除される
• 限られた充放電サイクル数や放電深度および動作温度への依存に関連する電池管理の問題が解消される
• 電源管理サブシステムが簡素化される

まとめ

監視や介入なしに数十年間エネルギーを供給する電源を考案するのは容易ではありません。これは、センサベースのIoT用途の多くに使用される超低電流および電力設計の比較的低い要件にも当てはまります。

低電流用途に低不動態化LiSOCl₂ 1次電池のみを使用した場合、または低デューティサイクルのパルス負荷にこの電池ケミストリをスーパーキャパシタと組み合わせて使用した場合、充電式電池を用いた環境発電を明確でわかりやすい根拠から選択するよりも、優れた成果を実現できます。