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2018年1月31日水曜日

【部品】Li-ion Battery and Charger

【小型リチウム・イオン電池と充電器】
 【リチウム電池:PJ-21
 珍しく電池がテーマです。 すこし前になるのですが最近のリチウム・イオン電池の動向についてプレゼンを聞いたことがありました。そのとき希望者にサンプルの電池が配られたのです。

 小型軽量で容量の大きな電池はポータブル機器に最適です。興味があって前列で聞いていたお陰で一つもらえました。(笑) しかし問題は充電にあってそのまま放置していました。 専用の充電器は持っていないとして、ごく簡単に行なうには電流制限を掛けた安定化電源から4Vちょうどを出して充電すれば十分行けるとのお話しでした。 但し4Vちょうどで止めてしまったのでは満充電ではありません。 ちょうど4Vにとどめるなら安全サイドではありますがせっかくの容量がちょっともったいない気がしていました。 あるいは危険を承知で4V少々まで充電を進めるのか・・・。

#写真は上が手に入れたリチウム・イオン電池、下は大きさ見本の単三型乾電池。

                   ☆

 ネットの情報を探せばリチウム・イオン電池(以下、リチウム電池と略)の充電を含めた使い方は幾らでも見つかる時代になっています。 但し本質的にリチウム電池は危険を伴いますから安易に行なうのは躊躇われたのも確かです。 そんなときたまたま「充電制御基板」を頂きました。 その小さな基板について色々なことを調べるうちにリチウム電池も比較的安全に使いこなせそうなことがわかってきたのです。 以下、実際に試してみました。

リチウム電池充電基板
 最初に頂いた充電基板です。 この基板はもっぱら充電のみを行なうためのものです。TP4056と言う専用のICが使われており、充電の制御はほとんどそのICの性能に依存しています。 この基板から最大で1Aの充電電流が流せるようです。 1Aではあまり大きなリチウム電池は無理ですが我々が電子工作や小型無線機に使う程度の大きさの電池なら十分充電できそうです。(写真の基板は未分割で2連の状態です。使うときには分割しましょう)

 リチウム電池は右辺にある端子に接続しておきます。 左側にあるミニUSB端子あるいはその脇にあるプラスとマイナスの端子に5Vを与えます。 あとは通電してやれば規定の電圧まで充電が制御されて終了します。 実際に5V2Aくらい流せる充電アダプタをUSB接続してテストしてみましたが非常に簡単になおかつうまく充電できました。 充電完了後に調べたところ、基板自身が電池側から消費する電流は非常に僅かでした。従って充電が済んだ後もこの基板は電池に繋いだままでも大丈夫です。 但しこの基板には過放電をシャットアウトする機能はないので電池の使い終わりは自己管理する必要があります。 あまり放電し過ぎてしまうと電池を傷めるのはもちろんですが次回の充電ができなくなることがあります。

 【無名のリチウム電池も
 最初の写真にあった電池はきちんとしたメーカー品ですから十分な試験が行われていて信頼のおけるものです。PSEマークも付いています。 見積もりはもらっていませんが信頼性の高い電池はそれなりのお値段でしょう。もし仕事に使うのでしたらそのような電池が安心です。

 3本の引出し線があって、うち一本にはサーミスタが接続されています。 充電回路側に温度検知機能が備わっていれば電池自体の温度を検知して充電をやめることができるようになっています。充電制御のIC:TP4056には温度検知端子が備わっていますが、簡易な充電基板ではその機能は使われていません。 

 仕様のはっきりしない無名の電池もかなり出回っているようです。 この写真上側の電池も最近頂いたのですがまったくの無名品でした。 中華モノでしょうか? 万一何かあっても自己責任で使う電池なのでしょうね。(笑)

 調べてみたらAliexpressでは様々なサイズのリチウム電池が販売されていました。 この無名品も寸法から推測しておおよその定格がわかりました。 型番は503035で公称電圧3.7Vのリチウム電池でしょう。容量は500mAHくらいでした。 このサイズの電池なら上記の充電基板で充電できます。(503035=厚み5.0mm、幅30mm、高さ35mmという意味らしく、多くのリチウム電池でこのような表記方法になっています)

参考:電池の引出し線の部分に小型の基板が付いています。これは短絡などの事故から危険を回避するためのものです。少なくともこのような保護回路が付いているリチウム電池を選ぶべきでしょう。何の保護も付いていない電池そのものだけの「なま」のセルも売っていますが使い方が難しいので玄人向きです。少しでも安全に使うために保護回路付きのリチウム電池を選択すべきです。

 【充・放電制御基板
 こちらの基板は充電機能だけでなく過放電防止機能が付いている充・放電制御基板です。 先の充電基板と同じ制御用のIC:TP4056が使われていますが、ほかに電池保護機能を持ったDW1と言うリチウム電池専用ICとMOS-FETのスイッチなどが載っており電池の端子電圧が終止電圧に到達すると自動的にシャットダウンするようになっています。

 電池と負荷の端子は別々になっています。 電池と負荷は基板上のスイッチを経由して接続されていることになります。 電池が空になり過放電になると判断されるとスイッチが開いて負荷は切り離されます。それ以上放電が進むことはなくなるわけです。  スイッチは低ON抵抗(約25ミリΩ)のMOS-FETなのでスイッチ部分での電圧降下はごくわずかです。

 用途しだいですが単品の電池と昇圧基板(のちほど紹介があります)を組込んだ電池パックを自作するのでしたらこちらの基板が向いているでしょう。 あるいはLED懐中電灯やランタンの様なものを作るのにも良さそうです。  どちらの基板も十分安価ですからどうせ買うのでしたら電池を保護する機能の付いたこちらの方がだんぜん良さそうです。

 【充電してみる
 実際に充電してみましょう。 基板右側の端子にリチウム電池を接続します。 左のUSB端子経由で充電してみました。

 まずはテストですから充電に使う大元の電源にはmax 2A流せる安定化電源を使いました。  電圧は5Vちょうどにセットしてあります。 充電開始すると基板の赤色のLEDが点灯しました。

 充電制御用のIC:TP4056は結構発熱があります。 基板の裏面全面に放熱しているようです。 過熱しないように大元の電源電圧はあまり高くしない方が良さそうでした。 5Vなら安全そうです。

 【充電電流
 2つある電池を充電してみました。 どちらも充電前の端子電圧は無負荷であっても4Vをやや下回っていましたので、かなり放電している状態でしょう。

 充電を開始した直後には1A流れます。 これは充電制御用IC:TP4056の2番ピンとGNDピン(3番ピン)の間に入っている抵抗器が1.2kΩになているからです。この抵抗値を変えると充電時の最大電流を変えることができます。

 ちなみに3kΩで400mA、10kΩで130mAになります。詳細はTP4056のデータシートにあります。もっと小型のリチウム電池に充電するなら1Aも流したら危険ですから変更した方が良いでしょう。 またTP4056の仕様から最大でも1.2Aまでです。 ここで充電した電池はどちらもmax 1Aのままでも大丈夫そうでした。 TP4056のデータシートはネット検索で容易に見付けられます。

 【充電完了
 充電が終了すると基板上の緑色LEDが点灯します。

 充電中の電流変化を観察しました。 開始直後には1A流れていたものが時間の経過とともに徐々に減少して行きました。やがて充電電流が約130mAになると充電終了するようでした。充電電流がこの程度になったところで終了すれば過充電にならず安全ということなのでしょう。

 容量が500mAHらしい無名の電池は約55分で緑のLEDが点灯して満充電になりました。 また容量が1,100mAHの方は120分くらい掛かりました。途中の60分経過時点では400mAくらい流れていました。満充電まの時間はおおよそ容量に比例するようです。どちらの電池も充電中の発熱はごくわずかでした。

 【満充電の電圧
 充電が終了して少し経過し電圧が落ち着いてから測定した1,100mAH電池の端子電圧です。

 充電制御のIC:TP4056は電池の上限端子電圧として4.2V(±1.5%)が設定されており、その状態で充電電流を監視していて電流が所定の値以下になったところで充電終了と判断するようです。

 また放電が進み端子電圧が2.9Vを下回るとトリクル充電に移行するとありますので、充電用の電源が接続されていれば自動的に再充電が始まるのでしょう。

 リチウム電池は充・放電の管理がシビアですからこのような専用基板を使うと安心できます。 4Vで充電をやめるのとは違ってほぼ満タンまで充電できているようです。電池容量が完全に活かせるのならFBです。 リチウム電池は比較的高価ですがそれに比べて充・放電制御基板はとても安価ですから追加の電池を手に入れるときには合わせて買っておこうと思っています。

 【リチウム電池は安くない?
 安いのか高いのかは感覚の問題かも知れません。(笑)

 中華モノは何でも激安だというイメージを持ってしまうとこのお値段でも高価に感じてしまいます。 お財布と相談してなるべく信頼できそうなお店で買いたいと思いました。

 リチウム電池は発火・発煙などの事故が報告されています。Ni-Cdなど従来型のようにラフな扱いは禁物でしょう。 しかし小型軽量大容量の魅力には抗しがたいものがあります。少々危険でも使いたくなってしまいますね。(笑)
 
 【充・放電基板は安い
 少しでも安心して使えるよう充・放電制御基板を使います。 こうした基板はamazon.jpにもたくさん出品されていて単価100円少々で買えるようです。

 左のように中華モノはさらに安価ですが国際通販に不安があるようでしたらamazon.jpでも幾らも違いません。ここは安心を取るかお値段を取るのかになるでしょう。 ただしamazon.jpで買ったとしても中国から送られてくるようなのですが・・・。

 どちらを重視するのかご自身の判断でお願いします。思うようには行かないこともあるので国際通販は特にお奨めはしません。

DC-DC基板もあると便利
  放電とともにリチウム電池の端子電圧は下がって行きます。 使用中に電源電圧が変化しては支障がある場合にはこのようなDC-DC昇圧基板を使うと良いです。

 スイッチング電源ですから実際に使ってみるとノイジーですが用途によっては立派に役立ちます。 基板の外付けで十分なノイズ対策を行なえばアナログな用途にも使えるかもしれません。小さな基板ですからシールドするのは容易です。

 この基板はリチウム電池一つから出力電圧:5V〜20V以上まで可変できます。電圧は多回転VRで可変しますが可変範囲が広すぎるようです。セットした電圧で安定しない感じもしました。 取出し可能な負荷電流は何Vまで昇圧するかによって変化します。 回路の入力電流が2Aで制限されるようです。 従って4Vから昇圧して12Vを取出すと負荷側の電流は最大650mAくらいになります。 小型リチウム電池から一気に大電流を取り出すのは危険ですから制限されるのは良いことでしょう。 こんな基板まで激安で売っているんですから今はICを買ってきてこうした回路を自作する面白さもなくなっています。(悲)

                   ☆

 リチウム電池に限らず充電池(2次電池)には何となく魅力を感じます。 昔からポータブルな用途や非常電源としてシャックに備えておきたいと思っていました。 2011年の東日本大震災のあとしばらく計画停電がありましたが、たまたまシャックに備えてあった12Vのカー用バッテリが役立った経験があります。  震災を機に大容量の2次電池群からAC100Vが得られるインバータを備えた知人もあります。 非常時には威力を発揮するはずですが意外に厄介なのは2次電池の保全管理です。 大容量と言うと鉛蓄電池が思い浮かびますが長期的に見ると日常の管理がたいへんなので今ではシャックに置くのはやめました。 自家用車が活きていれば少々ならそちらからもらう手もありますので・・・。

 発火などの危険を伴うだけにリチウム電池は充・放電の管理がたいへん重要です。 しかし最近ではリチウム電池を電源にするポータブルな機器が氾濫してきたからでしょうか? 組み込み用の電池とともに充・放電制御基板が入手できます。 この組み合わせは電池を内蔵電源にした機器の製作には最適です。 リチウム電池の本質的な危険性がなくなる訳ではありませんが、安全な充・放電を行なって上手に使いたいものです。 充電が済んだ電池はさっそく自作ラジオ,etcでテストしています。 ではまた。 de JA9TTT/1

(おわり)

重要リチウム・イオン電池は端子間をショートしたり、使い方や充電方法を誤ると発火・炎上する危険性があります。電気にあまり詳しくないお方はBlogの内容を真似しないでください。また、リチウム・イオン電池の充電中は無人のまま放置せずいつも以上に五感を研ぎ澄ませて監視しながら行なってください。中国製の製品の一部には非常に品質が悪いものもあって、中には危険なものも存在すると考えるべきです。従って購入や使用は各自の責任において行なって下さい。万一、何かの問題や事故が発生しても一切責任は持てません。

10 件のコメント:

T.Takahashi JE6LVE/JP3AEL さんのコメント...

加藤さん、こんにちは。
毎日寒いですね(>_<)

リチウムイオン電池関連はスマホなどの普及の影響か安くなってきましたね。
中国でリチウムイオン電池を噛んだら爆発したというニュースも流れていましたのであまりに安い中華製品はちょっと怖い部分もありますが。Hi

先日aitendoでリチウムイオン電池充電保護基板というのをポチってみましたが、これで充電出来るのかどうかもわかっていません(爆

ところでAliexpressなどでリチウムイオン電池を購入して航空便で運んでくれるのでしょうか?^^;

TTT/hiro さんのコメント...

JE6LVE/JP3AEL 高橋さん、こんにちは。 毎日寒い日が続いていますね。 春が待ち遠しいです。

早速のコメント有り難うございます。
> 安い中華製品はちょっと怖い部分もありますが。Hi
Li-ion電池の状況に関するプレゼンを聞いたらやはり品質的にはイマイチなもの多いようだという話しでしたね。モバイル用の充電用パック電池が発火したと言う話しも聞きますが「火が出るのは中華製のセルが使ってあるのかも?」・・と思ってしまいます。w

> aitendoでリチウムイオン電池充電保護基板というのを・・・
たぶんTP4056が使ってある同じような充電基板だろうと思います。 良く似た物はamazon.jpでもいろいろ売っていますね。

> 航空便で運んでくれるのでしょうか?^^;
船便で送るとは書いてないので、たぶんエアーカーゴで来るのだろうと思っています。 途中で発火して墜落しなければ良いのですが・・・。 カーゴ便でも心配ですよね。 これだけたくさん使われているので心配のし過ぎでしょうか。(爆)

JG6DFK さんのコメント...

こんばんは。昼間は久しぶりに晴れましたが、それでも寒くて震えておりました。Hi.

今夜は皆既月食だそうですが、曇りそうなので見られますことやら。

訳あって、私もLi-ion二次電池の採用を検討したことがありました。輸送時にいちいち申告が必要で、しかも輸送手段が制限されたり、取り扱いを誤ると発火しやすかったりするので、正直あまり手は出したくないのですが、時節柄そうも言っていられなくなってきているようで…

充電ユニットはいろいろあるようで、私が最初に見つけたのはMicrochipのICを使用したものでした。インターネット上に「オープンハードウェア」として公開されているものです。

確かに、真っ当なLi-ion二次電池は保護回路を内蔵しているようで、それを使えば幾分かは安心できますが、いずれにせよ過充電はもとより、鉛蓄電池と同様に過放電にも注意しないといけなさそうですね。

Li-ion二次電池にDC-DCコンバータは必須アイテムのようですね。Ni-MH二次電池のようにスタックするのは難しいでしょうからそんなものでしょうか。手持ちの大容量Li-ionモバイルバッテリーもそういう構成でいろいろな電圧を作り出しているようです。

それにしても、周辺ユニットのずいぶん安価なこと… 私の感覚だと、この売価では部品代も出なさそうですが、これでは国内でのモノづくりなんてもう馬鹿らしくてやっていられませんね。Hi.

蛇足ですが、Windows 10はアップデートのたびに調子が悪くなっていくような… アップデートを回避する手段が与えられず、強制的に不良バージョンを導入させられるのは迷惑千万です。

TTT/hiro さんのコメント...

JG6DFK/1 児玉さん、こんばんは。 こちらうまいことに雲が切れていて月蝕の始まりが見えています。 寒いですけれど。(笑)

いつもコメントありがとうございます。
> 正直あまり手は出したくないのですが・・・・・
そうは言っても、モバイルで何でもやる時代ですので電池電源の機器は増えるばかりですね。

> MicrochipのICを使用したものでした。
TP4056を使う物はその次の世代のようですね。 中華製のボードの大半がソレではないかと思います。 リニアテックに似た名前のチップがありますけど、TP4056は中国製のICのようです。

> 過放電にも注意しないといけなさそうですね。
規定より電圧が下がると不良電池とみなして充電できなくする機能がついているようです。 過放電すると充電できなくなってトラブルになるんでしょうね。

> 国内でのモノづくりなんてもう馬鹿らしくて・・・
品質は良くないですけど取りあえず使えますからね。 使えれば良いという用途では国産品は競争になりません。これが現実でしょう。

> 強制的に不良バージョンを導入させられるのは迷惑千万です。
Win-10は使っていないのでわかりませんがソレは迷惑ですね。 その度に時間もかかるし、調子も悪くなるのでは・・・かないません。

もう一度、月蝕を見てきたいと思います。

Toshiya Iwanaga さんのコメント...

加藤さん、こんにちは。
昨日の月の赤銅色は綺麗でしたね!

最近のリチウムイオン電池と充電基板には驚かされます。
当局は、街で売っているモバイルバッテリーをバラして中の電池と充電基板をアンテナアナライザーなどのマイコンアプリの組込に使ってましたが、アマゾンで基板を売っていることを知り、アマゾンにあるなら、中華サイトにあるはずだと探したら、色々あって選ぶのに困るくらいでした。とっても安いですしね。
電池も買ってみたのですが、輸送に関しては色々制約があるようで、中華製なのに、何故かベルギー経由で到着しました。
一応保護回路は入っているようですが、コメントのように充電は目の届く時にやってます。
やはり、怖いですよね(笑)

TTT/hiro さんのコメント...

JN3XBY/1 岩永さん、こんにちは。 昨晩は良いお天気で月蝕もクッキリ見えました。寒かったですけれど。(笑)

いつもコメントありがとうございます。また、色々なご提供ありがとうございます。
> アマゾンにあるなら、中華サイトにあるはずだと・・・
最近は明らかに中華製と思われる細かい電気パーツ類がamazonで売ってますね。 似たものがあれば中華直販の方が安いので探すことがあります。不安な点もありますが、まあまあ使えるのでお値段に惹かれます。hi hi

> 中華製なのに、何故かベルギー経由で到着しました。
直接日本へ送ろうとすると支障があるんでしょうねえ・・・。 どこを経由しても危険は変わらないと思いますし遠回りしたらそれだけ危ないように思うのですが・・・不思議ですね。

> 充電は目の届く時にやってます。
短時間で終わりますので目の届く状態で充電するほうが安心ですね。 充電中や充電後は異常な発熱がないかチェックしています。 あまり実績のないものは用心深くなりますね。エネルギー密度の高いLi-ionは慎重になってしまいます。 膨らんできたら危なとか言いますし。(笑)

JE1HBB セトロ さんのコメント...

JE1HBB セトロです

12月頭に充電モジュール、コスパを考えて充放電基板をAliから買っていじり始めたところにタイムリーに、簡にして要なレポートを頂戴しました。

安い二次電池とディスプレイ(7segとLCD)を見るとつい手を出してしまいます。昔なら水晶がその対象でしたが、さすがに今は水晶には冷静です。

 岩永さんらのコメントを見て、やはり見えるところで充電するクセをつけよう問いを新たにしました。

 ところで、フル充電のEVが事故を起こして燃えたりしたら、中の電荷はどこに行っちゃうんでしょうね……

TTT/hiro さんのコメント...

JE1HBB 瀬戸口さん、こんばんは。 またまた雪が積もりそうですね。 薄っすら白くなってきました。 たくさん積もらなければ良いのですが・・・。

いつもコメントありがとうございます。
> 買っていじり始めたところにタイムリー・・・
多少はお役に立つことが書いてありましたか。(笑) 忘れっぽいので自家用の参照情報です。

> 昔なら水晶がその対象でしたが・・・
我々が簡単に扱えそうな水晶発振子はそのうち姿を消してしまうように思います。 表面実装型の非常に小型の水晶振動子だけしか残らないかも知れませんね。

> 見えるところで充電するクセをつけよう・・・
ぜひそうされてください。 最初だけでもそうすべきだと思っています。

> 中の電荷はどこに行っちゃうんでしょうね……
壊れた部分でショートが発生して激しく燃えるのではないかと思っています。凄いエネルギー量ですから恐ろしいですね。 整備工場に聞いたら、HVの事故車の扱いについては専門の講習があるそうです。 電圧も高いですから感電しないように長いゴム手袋とか使うようですね。

自動車屋さんも電気の知識がないと近い将来仕事ができなくなるんでしょう。

JA9MCH_tanutanu さんのコメント...

加藤様

こんばんは。結構時間が経ってからの投稿で申し訳ありません。リチュームイオン電池の話題なものでつい。パソコンのリチュームイオン電池を自分で換装したりしていたことがあります。その時に、余分となった1個を不用意に机の引き出しに入れていたら、ハサミやなんやかやで短絡、触ったら火傷するほどに熱くなっていたのを思い出しました。剥き出しのセルはとても危険です。研究所にいた時に、フィルム電池の高性能化に取り組んだことがあり、試作段階での過酷なテストに、釘打ち試験というのがあり、フィルム電池に五寸釘を刺します。内部で短絡、ガスが発生し、お餅のように膨れ上がり、安全弁が働いて、プシューと吹き出ししおしおしぼむという試験がありました。比較した中華製のフィルム電池は、安全弁が無い、性能が悪いので、膨れ上がり、文字通り爆弾のように轟音とともに火柱になって木っ端微塵になる試験がありました。動画を作成したんですけど、どこかに仕舞って見つかりません。

結局、事業としては、成立しなかったのですが、結構面白かったです。負荷として老人用の電気自動車とか、電気バイクを買ってもらい、事務所の廊下や所内を乗り回した思い出があります。本当に、リチュームイオン電池は、安全弁とヒューズの保護回路のない製品が中華製にはあり、こいつは短絡させると、爆弾ですね。安全弁があっても、白い煙がシュゴゴーと吹き出し、お部屋がえらいことになります。今は、かなり技術的にも枯れてきているので、そんなヤバイ物は少ないと思いますが、ニッケル水素電池やアルカリとは桁違いのエネルギー密度だと思います。

実家が雪でえらいことになってます。天候と道路状況が落ち着いたので、あすの夕方からのちょっと9エリアに行ってきます。雪かきがます待っています。

JA9MCH wada

TTT/hiro さんのコメント...

JA9MCH 和田さん、こんばんは。 今日は少し暖かでしたが、明日はまた寒くなるとか・・・春が待ち遠しいですね。 この冬の北陸はたいへんな大雪ですね。 特に大野はTVでも豪雪が伝えられています。どうぞ途中の交通事故や除雪で怪我がないようお気をつけ下さい。

いつもコメントありがとうございます。
> パソコンのリチュームイオン電池を・・・・
電池パックを開封して中身の素電池を交換されたのでしょうね。 私は少々怪しいと思いつつ、DELLのノート用に中華モノの互換電池パックを買ってみました。 とりあえず普通に使えています。当然ですが安全回路はついているようです。

> 触ったら火傷するほどに熱くなっていたのを・・・
裸の素電池だったのでしょうね。 火災にならなくて良かったですね。私も気を付けましょう。

> 中華製のフィルム電池は、安全弁が無い、性能が悪い・・・・
内圧が一気に上昇して爆発のような状態になるんですね。安全弁がないとは恐ろしいです。

> 安全弁とヒューズの保護回路のない製品が中華製にはあり・・・・
やはりかなり危険なモノもあるんでしょうね。 小さくても発煙や発火したら恐ろしいので扱いは慎重になりますね。 基本的に中華モノはやめておいた方が良いのかも・・・。

> ニッケル水素電池やアルカリとは桁違いのエネルギー密度だと・・・
小型で大容量ということはエネルギー密度も大きいわけですから事故が起こったら非常に危険ということですね。 気を付けて使いましょう。==>リチウム電池

どうぞお気をつけて帰省されてください。