USB出力型ソーラーパネルとモバイルバッテリーでIoT機器をオフグリッド化する方法

小型ソーラーパネルとモバイルバッテリーを組み合わせれば、Raspberry Piやモバイルルーター、スマホ、スマート家電などUSB(5V電源）で動くIoT機器をオフグリッド化できるはず。

オフグリッド化＝電源コンセントにつながず独立稼働するシステム。マンションのベランダや窓際に置くだけを目指したい。

ついでにUPS化も。

きっかけと目的

未来感あふれるスマートホームを目指して鼻息荒くnetatmoを購入したものの、壁の電源コンセントから配線をひっぱるのがイケてない。

無線LANと同じように電源ケーブルも完全ワイヤレスにするのが目的。

モバイルバッテリーの落とし穴

電池交換できないスマホが標準化し、いまやコンビニでも手に入るモバイルバッテリーだが、IoT機器を常時起動させる用途では意外な落とし穴がある。

いずれもカタログに明記されていないことが多く、実際に買ってみないと分からないマニアックな仕様を調べる必要がある。

自動シャットダウン

たいていのモバイルバッテリーはスマホの充電完了を検知すると給電オフにする自動シャットダウン機能を搭載している。

この機能はかなり厄介。IoT機器がスリープ状態になるとモバイルバッテリーは充電完了と誤判定し、電源自体を落としてしまう。

充電完了はたいていの場合、「100mA以下の状態が1分継続」など単純なタイマーで判定しているからだ。回避するには無駄な消費電流を定期的に発生させるなど本末転倒な対策が必要になる。

自動シャットダウン機能がないモバイルバッテリーを選ぶ必要がある。

パススルー充電

別名「おっかけ充電」とも呼ばれる機能。

モバイルバッテリーを充電しながら、スマートフォンなども同時に充電する機能。

もちろん原理的にバッテリーは充電と給電は同時にできない。

モバイルバッテリーに入力された電気を出力側（スマホ等）にパススルーしつつ、あまった電力をモバイルバッテリーの充電に回している。

放電から充電切替時の瞬停

パススルー充電に対応していても、バッテリーの放電と充電の切替時に出力が瞬断する機種がある。

モバイルバッテリーに充電するたびにIoT機器が再起動してしまうことになる。

パススルー充電に対応し、しかも瞬停対策もある充電制御ICを採用したモバイルバッテリーを選ぶ必要がある。

低負荷時に低効率

モバイルバッテリーはリチウムイオン電池の3.7VからUSBの5Vに昇圧する構成が一般的だが、昇圧回路の効率は低負荷時（消費電流が目安100mA以下のとき）に極端に悪くなる。

これはもったいない。

低負荷時も高効率に昇圧できる充電制御ICを採用したモバイルバッテリーを選ぶ必要がある。

ソーラーパネルで充電できない

一般的なモバイルバッテリーはUBS充電端子から5V 500mAの電力をひっぱろうとするが、ソーラーパネルの発電量は不安定なので電流をひっぱられると電圧がさがり、結果として充電できなくなってしまう。

ソーラーパネルの充電効率を高めるMPPT機能など、電圧が下がらないように充電電流を制御する機能を搭載した充電制御ICを採用したモバイルバッテリーを選ぶ必要がある。

おすすめのモバイルバッテリー

これらの機能をすべて搭載したモバイルバッテリーは非常に限られている。

結論をさきに言うと、おすすめはXiaomiかJackery。この2社は充電制御回路にお金をかけている。

すべてのモデルが同じ挙動になるとは断言できないが、テキサス・インスツルメンツ製の充電制御ICを採用したモデルが多く、分解情報で素性がはっきりしたモデルを選べば信頼性が高い。

Xiaomi Powerbank 10000mAh

Xiaomiのモバイルバッテリーは日本では知名度が低いものの、中国中心に世界ではめちゃくちゃ売れている定番商品だけあって、かなりリッチな設計になっている。

偽物も出回っているので、安すぎるセラーから買うのは避けたい。

「Xiaomi Powerbank 10000mAh」の諸元は以下。

• LG製バッテリー「LGABB41865」を採用
• 充電制御は高性能なTI製BQ24195を採用
• 5200mA版だとBQ24295。ソーラーパネル対応でない可能性あり。
• 独立8bitマイコンも搭載した高性能設計

XiaoMi PowerBank (10,400mAh) (Teardown) - Mi Community
分解レポート

Jackery

Jackeryは実際に購入し、パススルー機能およびUPS機能を搭載していることを確認した。値段も手頃。

Cheero

日本でメジャーなCheeroだが仕様変更が多く、充電回路は簡素化されているので避けたほうがよいだろう。

ON/OFFスイッチの付いた初期型はパススルー充電とUPS用途で使えることを確認できた。

cheero Power Plus 3は自動シャットダウン機能がありNG。また、パススルー充電が可能だが、切替時に瞬断が発生してしまう。

IoT機器向けとして自動シャットダウン機能をオフした製品もあるが、瞬断が発生する仕様は変わっておらず、UPS的な使い方はできない。

おすすめのソーラーパネル

とりあえずUSB出力の折りたたみ型を買っておけばよさそう。

充電効率を追求するとソーラーパネルと充電回路キットで自作かな。

NTTドコモのソーラーパネル充電器には極低電圧から昇圧できる特許技術を詰め込んだSII(セイコー）製ICが搭載されているそうだが、2009年の話なので、いまの製品と比較して優位性があるかは不明・・・。

結論

モバイルバッテリーさえ慎重に選べば、USB出力のソーラーパネルとの組み合せでオフグリッドIoTがお手軽に実現できた。

これでベランダIoTがはかどりますな。

おつぎは室内でも発電できる、エナジーハーベスト対応のソーラーパネルを探してみる。