PWMソーラー充電コントローラー：機能、サイジング、選定ガイド

パルス幅変調（PWM）ソーラー充電コントローラーとは？

パルス幅変調（PWM）充電コントローラーとは

PWM（パルス幅変調）コントローラーは、ソーラーパネルとバッテリー間の（電子的な）過渡装置です：

ソーラー充電コントローラー（レギュレーターとも呼ばれる）は、標準的なバッテリー充電器と同様に、ソーラーパネルからバッテリーバンクへ流れる電流を制御し、バッテリーの過充電を防止します。標準充電器と同様に、様々なタイプのバッテリーに対応可能です。

吸収電圧でフロート電圧を選択でき、多くの場合、時間とテール電流も設定できます。コントローラーが満充電状態になると、固定フロート電圧または約13.6V（セルあたり約3.4V）を一日中維持するため、リチウム鉄リン酸塩バッテリーに最適です。

最も一般的な充電プロファイルは、優れた市販アダプターと同じシンプルなシーケンス、すなわちバルクモード → 吸収モード → フロートモードです。バルク充電モードへの移行は以下のタイミングで発生します：

朝の日の出時
バッテリー電圧が指定電圧を下回り、それが指定期間（例：5秒）継続した場合（再エントリ）

このバルクモードへの再エントリは、電圧降下がリチウム系バッテリー（放電期間中により高く安定した電圧を維持）よりも顕著な鉛蓄電池でより効果的です。

関連記事：MPPTソーラー充電コントローラー – 動作、サイジング、選定

ソーラー充電コントローラーにおいて：

スイッチはバルク充電モード中はON
吸収電圧を維持するために必要に応じてON/OFF（パルス幅変調）
吸収終了時にバッテリー電圧がフロート電圧まで低下したらOFF
フロート電圧でバッテリー電圧を維持するため、必要に応じて再度ON/OFF（パルス幅変調）

スイッチがOFFのとき、パネル電圧は開放電圧（Voc）になります。スイッチがONのとき、パネル電圧はバッテリー電圧＋パネルとコントローラー間の電圧降下になります。

PWMソーラー充電コントローラー：機能、サイジング、選定ガイド

PWMコントローラーに最適なパネル：

PWMコントローラーに最適なパネルは、バッテリー充電に必要な電圧よりわずかに高く、温度を考慮した電圧を持つものです。通常、12Vバッテリー充電用にV_mp(最大動作電圧)約18Vのパネルが適しています。これらはV_mpが約18Vであっても「12Vパネル」と呼ばれることがあります。

以下は典型的なPWMソーラー充電コントローラーのブロック図です。

PWMソーラー充電コントローラー：機能、サイジング、選定ガイド

PWM 3段階充電

バルク充電： バルク充電段階では、PVデバイスがバッテリー充電の大部分を担います。バッテリー電圧が低いとき、デバイスは大電流・高電圧で充電します。バッテリー端子電圧が設定メンテナンス値を超えたら、直接充電を停止します。

吸収充電： 通常、第1段階充電後、バッテリーは一定期間待機して電圧が自然に低下するのを待ち、その後平衡充電段階に入ります。この段階は定電圧充電とも呼ばれます。

フロート充電： 3段階充電の最終段階で、トリクル充電とも呼ばれます。自己放電率と同じ低電流で持続的にバッテリーに微小充電電流を流します。完全充電状態でも自己放電により電力を失う充電池に対し、自己放電率と同レベルの微小電流を維持すれば充電容量をキープできます。

PWMソーラーコントローラーのメリット：

PWMレギュレーターは成熟・確立された技術
構造がシンプルでコスト効率に優れる
PWMレギュレーターの導入が容易
小規模プロジェクトでは予算が抑えられる

PWMソーラー充電コントローラーのデメリット：

変換効率が低い
入力電圧がバッテリーバンク電圧と釣り合う必要がある
システム拡張性が低い
負荷モードが限定的
保護機能が少ない

関連記事：PVシステムにおける最大電力点追従アルゴリズム入門

ソーラー充電コントローラーの機能

メイン充電コントローラーは、ユニットの電圧を本質的に制御し、バッテリー電圧が一定値に上昇したら回路を開いて充電を停止します。より多くの充電コントローラーは、機械式リレーを使用して回路を開閉し、電気蓄電装置からの電力を停止・開始していました。

一般的に、ソーラー電力用途では12Vバッテリーが使用されます。ソーラーパネルは、バッテリー充電に必要な電圧よりもはるかに高い電圧を出力できます。充電電圧を可能な限り最高レベルに維持し、蓄電装置を完全充電するまでの時間を最小限に抑えます。これにより、ソーラーシステムを継続的に最適に稼働させられます。ソーラーパネルのケーブルから充電コントローラーへより高い電圧で電力を送ることで、配線の電力損失を大幅に低減できます。

ソーラー充電コントローラーは逆電流の流れも制御できます。ソーラーパネルから電力が来ていないことを検知すると、回路を開いてソーラーパネルとバッテリーデバイスを分離し、逆電流を阻止します。

PWMソーラー充電コントローラー：機能、サイジング、選定ガイド

ソーラー充電コントローラーの種類：

ソーラー充電コントローラーには3種類あります：

シンプルな1〜2段階制御： 1〜2ステップで電圧を制御するスイッチングトランジスタを搭載
PWM（パルス幅変調）： 従来型の充電コントローラー形式（例：Xantrex、Blue Sky等）。現在の業界標準
最大電力点追従（MPPT）： ソーラーパネルアレイの最適動作電圧とアンペア数を特定し、蓄電池バンクにマッチングさせる

PWMソーラー充電コントローラーのサイジング

PWMコントローラーは自らの電流性能を制限できません。パネルからの電流をそのまま使用するだけです。したがって、ソーラーアレイが40Aの電流を生成するのに、使用する充電コントローラーが30A定格しかない場合、コントローラーが損傷する恐れがあります。充電コントローラーがパネルと並列接続可能で、適合し、正しくサイジングされていることを確認することが不可欠です。

充電コントローラーを選ぶ際、機能リストやタグで多くの項目が確認されます。PWMコントローラーにはアンペア定格が表示されます（例：30A PWMコントローラー）。これはコントローラーが対応できるアンペア数を示します（上記例では30A）。一般的に、PWMコントローラーではアンペア定格と電圧定格の2点を確認します。

次に、公称デバイス電圧を見ます。これにより、コントローラーのバッテリーバンクが対応する電圧がわかります。この場合、12Vまたは24Vバッテリーバンクが使用可能です。48Vバッテリーバンクのようなより高い電圧では動作しません。

第2に、バッテリーの定格電流が重要です。ここでは30A定格の充電コントローラーを例にします。少なくとも1.25の保護率が推奨されます。つまり、パネルからの電流を1.25倍して30Aと比較します。例：5枚の100Wパネルを並列接続すると、5.29 × 5 = 26.45Aになります。26.45A × 1.25 = 33Aとなり、このコントローラーでは過大です。日射量が1000W/m²を超えると、パネルは定格以上の電流を出力する可能性があります。

第3に、最大ソーラー入力電圧を見ます。コントローラーが耐えられるボルト数を示します。このコントローラーは50Vを超える入力を受け付けません。2枚の100Wパネルを直列接続し、開放電圧22.5V × 2 = 45Vの場合、このコントローラーで直列接続可能です。

第4に、端子を見ます。各コントローラーには通常、最大端子ゲージサイズがあります。機器用配線購入時に重要です。

最後に、バッテリータイプを見ます。どのバッテリーがコントローラーと互換性があるかを示します。コントローラーが対応していないバッテリーを購入しないよう確認必須です。

以下にPWMソーラー充電コントローラーのサイジングのもう一つの基本例を示します。

例：

I_SC(短絡電流) 8Aの100W、12Vソーラーパネルに適したPWMソーラー充電コントローラーのサイズは？

解答：

安全係数25%の電流、すなわち1.25 × I_SCを加えて適切なコントローラーサイズを求めます。

8A × 1.25 = 10A

したがって、この基本的なソーラーパネルシステムには10A、12Vのソーラー充電コントローラーを安全に使用できます。

別の方法として、総接続DC負荷が12V、95Wの場合：

公称負荷電流 = 総DC負荷 / 公称システム電圧 = 95W / 12V = 7.91A

安全係数 × 公称負荷電流 = 1.25 × 7.91 = 9.9A

基本電力式 P = V × I を用いる方法：

I = (P/V) × 1.25 = (95W/12V) × 1.25 = 9.9A

直列・並列接続されたソーラーパネルとバッテリーについても、電圧・電流定格に応じて同じ式を適用してください。PWMおよびMPPT充電コントローラーのサイジングに関する更なる解決例は前回の記事を参照してください。

PWMとMPPTソーラー充電コントローラーの違い

核心的な違いは：

PWMコントローラーでは、バッテリー電圧よりわずかに高いレベルでパネルから電流を取り出すのに対し、
MPPTコントローラーでは、「最大電力電圧」ポイントでパネルから電流を取り出します（MPPTコントローラーを「スマートなDC-DCコンバーター」と考えるとわかりやすい）。

「MPPTコントローラーで20%以上のエネルギー収穫増加」といった謳い文句を見かけますが、この増加分は大きく異なり、パネルが直射日光下にありコントローラーがバルク充電モードにあるかどうかが基準となります。電圧降下を無視し、シンプルなパネルと簡単な数学で例示すると：

パネル最大電力電流（Imp）= 5.0A
パネル最大電力電圧（Vmp）= 18V

充電電圧 = 13V（バッテリー電圧は完全放電時10.8V〜吸収充電モード時14.4Vの間で変動）。13Vではパネル電流は最大電力電流よりわずかに高く、約5.2Aになります。

PWMコントローラーでは、パネル出力は 5.2A × 13V = 67.6ワット。パネル温度に関わらず、パネル電圧がバッテリー電圧以上であればこの電力が取り出されます。

MPPTコントローラーでは、パネル出力は 5.0A × 18V = 90ワット、すなわち25%高い値。しかしこれは過度に楽観的で、温度上昇に伴い電圧は低下します。標準試験条件（STC）温度25℃から30℃上昇したと仮定すると、10℃ごとに4%低下、合計12%低下し、MPPT出力は 5A × 15.84V = 79.2W、PWM比で17.2%増となります。

つまり、MPPTコントローラーではエネルギー収穫が増加しますが、増加率は一日を通じて大きく変動します。