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今後検討する「バッテリー充電器の基本コンセプト」

バッテリー放電カウンターもほぼ完成を見たので、次は「バッテリー充電器」を制作するわけですが、その基本コンセプトを次のようにしたいと思います。
※番号の小さいほうが優先項目
1.超急速充電(空→50%充電まで5~10分程度、充電終了まで30分程度)
2.充電中も発熱しにくい「いたわり充電」(完全充電の80~90%程度で停止もしくは電流減少させる)
3.既に満充電の電池はセットしてもすぐわかること(1分以内に充電停止など)。

1.と2.は二律背反のようですが実現は難しくないと思っています。
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充電電流(時間積)を6段階にしたメリット

これまで、単に充電しているかしていないかだけの表示だった場合、使いかけの電池を充電したときにちゃんと充電されているのかどうか、余計に充電して電池を痛めたりしていないかどうかが心配でした。
今回作ったプログラムで充電電流を6段階にして、それが表示されることによって、充電の具合が分かるようになり、安心できるようになりました。

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充電器のプログラムを書き換えた。

約1年3ヶ月ぶりに、ニッケル水素バッテリー充電器のプログラムを書き換えてみました。
以前はタイマーで充電を終了するものでしたが、本格的に満充電を検出することにしました。

満充電の検出方式は、餓鬼魂さん「パソコン制御ニッケル水素充放電器の製作」を参考にして、充電方式を間欠充電とし、充電休止時の電圧を測定して検出することにしました。
一般に用いられている「急速充電時の満充電検出方法」は、連続で充電させながらその端子電圧を測定し、満充電になるとその電圧が上昇から下降へ転じることを利用して判定するものです。
充電中に電圧が下降に転じる理由としては、ニッケル水素バッテリーには充電中の余剰なエネルギーを熱に換えて放出するような仕組みがあるのですが、それによって電池が発熱するので、餓鬼魂さんは「内部抵抗が減ることで電圧が下がる」という説明をされています。
これが正しいかどうか私は分かりませんが、なんにせよ「エネルギーが余剰になる」ということはすなわち「過充電の状態にある」わけで、バッテリー寿命を短くするものではないかと思いますので、これとは別の、満充電の一歩手前の状態を検出できる充電方法を考えたほうがいいという点は、餓鬼魂さんと同感です。
また充電休止中に電圧を測るのは、充電回路で発生したノイズを拾わなくて済むという点でもメリットがあります。実際に以前、それが原因と思われる動作不良を起こしたりもしていました(『充電器が妄想を始めて暴走する。』)から。

但し、私は餓鬼魂さんの充電方法そのものを丸写しでマイコンにプログラミングするつもりはありません。
次の点において、私独自の方法としました。
  • 「-dv/dt^2 < 0」の検出をやめ、単純に電圧のみの比較とした。
    これは単純にめんどくさかったからです(笑)。とはいえ現実問題として、マイコンで最小二乗法をやるのはメモリ容量的に難しいとも思われます。餓鬼魂さんはパソコンでこれを実現していますね。
    ただ、餓鬼魂さんが公開されている充電カーブを見た限りでは、電圧のみでの検出でもまったく問題ないように思いました。
  • 4スロット同時充電
    これは意図して変えたわけではありませんが・・・いちおう(笑)。
  • 6段階に減少していく充電電流(時間積)
    餓鬼魂さんの場合は、満充電を検出したら一発で充電終了としておられるわけですが、私は充電時間のデューティ比を6段階に減少させながら充電を継続する方法としました。
    発熱に至らない範囲で、もう少し電気を詰め込んでみようという魂胆(笑)です。
    定電流回路の電流値を変化させることが出来ればそうしていたと思いますが、マイコンでやるには荷が重いでしょうし時間を制御したほうが楽だと判断したためです。
    またフル充電電流をパルス状に短い時間だけ流すのは電池に喝を入れる効果もあるのではないかと期待しています。

これを実装して、実際に動作させたときの充電動作時の電流の推移を下に示します。
はじめのうちは、電圧測定のためのわずかな時間を除いてほぼフルに充電を行います。
そして、2秒サイクルで充電の停止するわずかな時間で電池の電圧を測定し、その電圧が規定値に到達していたら、次の充電期間以降はデューティ比を半分に減らします。
これを繰り返して最終的には32分の1までデューティ比を減らし、それでも規定値に達していることを検出した場合には完全に充電をストップさせます。
ADS00003a_20130701021746.jpg


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また、充電器熱が上がってきた。

マイコンで動作する充電器が、だいぶほったらかしになっていますが、最近また充電器熱が上がってきたので、制作を進めてみようと思います。


っていうかね、相当昔から僕の電子工作は

充電器
 ↓
Lチカ(を含めたLED工作)
 ↓
アンプ
 ↓
(振り出しに戻る)

と繰り返しているのだよ。(ワハハ)
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Ni-MHバッテリ充電器の終了検出方法について

現在、暫定的に「1/4Cレート充電で開始から4時間で完了」として使っているバッテリー充電器ですが、このままでも大して問題はないように思えてきました。
4時間程度の長めの充電時間としておけば、過充電状態になってもあまり劣化が進まないような気がします。

なので、これをもって一応の完成をすることにします。
ただ、もっと正確な満充電検出方法の研究は今後も続けていこうと思います。

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暴走の原因がわかった。

充電器が妄想を始めて暴走する。で紹介した、作った充電器の1番・4番スロットで4時間タイマーが働かず充電し続けてしまうという現象の原因がわかりました。
DSC01145.jpg
1番・4番のスロットでは、充電時に鋭いノイズが乗っていたのです(黄色の波形)。このノイズは2番・3番スロットでは観測されませんでした。
写真ではその電圧は2.26Vとなっていますが実際には刻々と変化していて、最大で2.5V程度まで上がることもありました。この電圧は状態遷移表の条件で「電池なし」と判定される電圧でもあります。このノイズが出た瞬間にマイコンが電圧を測定した場合には、マイコンは「電池を外した」と勘違いして、4時間タイマーをリセットしてしまう可能性があります。

このノイズが1番・4番にだけ発生する理由は、プリントパターンにありそうです。GND電位のパターンが、2番・3番スロットについては直接つながっているのに対して、1番・4番では電流検出のラインによって分断されているために、ある程度のインピーダンスを持っているのかもしれません。
両面基板を使えば分断されること無くパターンを組めそうですが、自分でエッチングして作る以上は両面基板で作るのは非現実的なので、他の方法を探ることにします。

DSC01144.jpg
このノイズ波形の時間軸を拡大してみました。その長さは52nsと非常に短いものだということがわかります。
このため、充電時の電圧測定が1回だけだとこのノイズを測定してしまう可能性がありますが、連続して複数回測定すれば、そのうち最低1回はノイズを避けて測定できそうです。
このことから、充電時の電圧測定を複数回行って、全ての回で規定電圧を超えたときのみ「電池を外した」と判定することにします。

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充電器が妄想を始めて暴走する。

先の状態遷移表のとおりにプログラムを組み、4時間タイマーで充電を止める形の充電器を作り上げたのですが、4本同時に充電を始めたにもかかわらず、一部の電池の充電が止まらないという現象が発生しました。
特徴的なのは特定のスロット(具体的には1番・4番スロット)に多く見られるということです。
プログラムは1~4番まで違いはない(当然使うレジスタは違うが・・・)ので、ハード的な問題ではないかと思います。
一度はんだづけカフェあたりでオシロスコープを当てて電圧波形を確認したほうがよいかもしれません。
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Ni-MHバッテリー充電回路の変更

状態遷移表が決まったところで、新たな問題が発生しました。

実は、以前に掲載した下の回路のままでは「電池なし(オープン:VBATT=>2.4)の状態を作ることができません。
このまま電池を抜くと、端子電圧はむしろゼロに近くなってしまうので、電池を抜いたときに「電池なし」ではなく「電池異常(ショート:VBATT<0.4V)」の状態になってしまいます。
Ni-MH_Charge_1.jpg
そのため、回路を下のように変更します。
Ni-MH_Charge_2.jpg
早い話が、プルアップ抵抗をつけるようなものです。こうすることによって、電池が無いときに端子電圧はVccに近くなり、VBATT=>2.4Vの条件をみたすことができます。

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Ni-MHバッテリー充電器の「低電圧状 態」について

「Ni-MHバッテリー充電器の状態遷移」で低電圧状態を「予約」としましたが、現状では低電圧の状態を考慮していないことによります。状態遷移表を見ても低電圧状態へ遷移する前提状態が低電圧自身しかないので、現在考えているプログラムでは低電圧状態を取りません。

低電圧状態というのは、将来たとえば充電前のバッテリーの端子電圧が低かった場合に、通常の充電よりも小さな電流で充電を行って、正常な電圧に復帰したら通常の充電に以降するといった場合を考えています。
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Ni-MHバッテリー充電器の状態遷移

Ni-MHバッテリー充電器の状態遷移表を書いてみました。

まず、充電器の状態を
・電池なし(オープン:VBATT=>2.4V)
・電池異常(ショート:VBATT=>0.4V)
・低電圧  ※予約
・充電中
・充電完了
の5つとしました。これを4ビットで記憶させておきます。

次に、各状態からそれぞれどのような条件で、どの状態に遷移するのかを決めました。
それが下の「状態遷移表」です。
Ni-MH_Charge_状態遷移表01
基本的には全て電池の端子電圧(VBATT)を見て遷移します。但し充電中のときだけは、別の条件で分岐し遷移先が変わります。

「別の条件」はすなわち「充電終了条件」なわけですが、とりあえず今はタイマーを動作させ4時間経過したら充電終了をすることにしました。
手持ちのバッテリーが全て1800mAhで、充電電流がおおよそ0.95Aのインターバル比1:1(1/2)なので、充電は4時間あればOKという計算になります。

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プロフィール

@ぽっけ

Author:@ぽっけ
底辺Makerを自負する@ぽっけが日々製作している「初歩の電子工作」の記録です。
自分で「あっ、あれ欲しい!」と思ったものを猪突猛進、地で製作しています。

★略歴

電子工作は中学のとき、授業でやるよりも早く自分で始めました。・・・といっても小遣いも少なく技術も未熟だったので、ラジオを作るのさえもやっとでした。

高校・大学でも工作を続け、大学在学中にようやくトランジスタ回路の基礎が理解できるようになってきました。

大学卒業後はメーカーに就職し設計職で忙しい毎日を過ごす中で工作からは遠ざかっていましたが、事務職に配転となり時間に余裕ができてまた工作を始めました。そんな中で2011年のCP+(カメラショー)併設展の「Business Meets」に出展していたテキサス・インスツルメンツのブースで「MSP430 Launchpad」に出会ってから、マイコンを使った電子工作を始めました。

また、鉛フリーはんだに興味を持って、10数種類のはんだをリールで購入。個人で使うには約1200年分の在庫を持つという暴挙を成し遂げ(?)ました。

★イベント出展実績
●Make: Tokyo Meeting 07
●Make: Ogaki Meeting 2012
●Maker Faire Tokyo 2012
●ニコニコ超会議「作ってみタワー ワークショッププロジェクト」
●NT金沢2013
●Maker Faire Tokyo 2013
●ポタアン自作er展示会 atポタ研2014冬
○NT金沢2014(予定)

☆TwitterID:
  @pokke_yamada

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