↓少し改良
 
(制御回路部の冷却ファンを追加して、長時間運転時の信頼度を向上しました 2010/06/02)

 電池活用技術研究会公開資料室にこの充電器
 
で徹底的に調べた、実際の電池の詳細特性を
 
掲載しました。電池に関する書籍やメーカーの
 公開資料では曖昧で解らなかった、実際の電池
 の詳細な充放電特性が判明してスッキリします。

  この充電器の製品化をご希望の企業を募集中!
                 重大なお知らせ(2010/04/17)
 長引く大不況により、我国の中小企業は新規事業にチャレンジする
 資金と意欲が枯渇しております。せっかく大変な労力を費やして開
 発したDCG8300の技術をこのまま眠らせておいては、米国と中国
 の猛スピードの電池関連技術開発に取り残されるだけです。
 1社での製品化が無理なら、日本の中小企業の相互協力で製品化
 することを提案します。そのために、DCG8300の全資料を、中小
 企業と大学に限定して、オープンソースで無料公開することを決断
 しました。開発費とサポート費は、寄付金で賄います。
                     
公開しました(2010/04/27)
 
電池活用技術研究会に参加していただければ、DCG8300の設計
 資料を、直ぐに入手出来ます。「中小企業と大学」の制限は無くし
 日本国内の利用の制限にしました。個人も参加出来ます。

 
  お問い合わせは、yamaguchi@yes-online.jp まで

 100年に1度の大不況!は、石油に代わる新エネルギー開発競争という新たなビジネスチャンスを生みだしました。その中で最も注目されているのは太陽電池と電気自動車でしょう。どちらも、エネルギーの貯蔵には高性能の二次電池(充電式電池)が必要です。
参考URL 電池開発で盛り上がる米国,IBM社も参戦 資産4900億円!中国富豪トップに「電池大王」
      二次電池5兆円市場に拡大か

 高性能二次電池の代表は、ニッケル水素電池とリチウムイオン電池ですが、どちらも充電器の品質が悪いと破裂や発火の危険性があります。電池メーカーは電池の改良には熱心ですが、なぜか高性能充電器の開発は熱意がありません。(ニッケル水素電池が少し劣化しただけで、充電初期にエラーが発生して充電出来なくなる充電器が多いため、まだまだ使える電池が廃棄されています。)
 電池メーカーの充電器は電池とセットになって販売されている場合が多く、電池が改良されて容量の大きい新製品が登場すると充電器も買い替えなければならない(古い充電器では満充電になる前に停止してしまう)という問題があります。
参考URL 単三充電器の話
 ラジコン業界では、汎用の急速充電器が販売されていますが、パワーだけ大きくて精度の低い製品が多く、過充電による電池の破損の危険性が多くなります。
参考URL ニッケル水素電池の容量アップの問題点について リチウムイオン二次電池の異常発熱問題
 電池メーカーの社内検査用に、計測器メーカーが高度な電池試験機を販売していますが、価格が数百万円もして、個人や中小企業では購入出来そうにありませんし、 大きく重くて持ち運びも大変です。
参考URL バイトロード2次電池用充放電試験装置・充放電器 二次電池充放電試験装置の総合メーカ 株式会社ナガノ
 その両極端の中間の、電池試験機にも使えるほど高精度・ハイパワーで、机の上に置いて使えるコンパクトサイズで、中小企業や大学あるいはプロカメラマン等の予算で購入出来る価格の高性能汎用充電器がほとんど販売されていません。(ネットで「理想の充電器」や「充電器 高性能 高精度」で検索してみてください。)
 イエス・オンラインはソフト開発・販売会社ですが、前身の山口電子設計事務所はマイコン応用機器の開発を行っていましたから、「高性能汎用充電器」を開発する設備・技術があります。というわけで、2年間の歳月をかけて、理想の電池試験機にも使える高性能汎用充電器を開発しました。但し「理想の充電器」はネットで検索すると色々出てくるので 新鮮味がないですから、キャッチフレーズは「夢の充電器」に決定しました!。
 これが製品化されると、(市販の二次電池のの詳細な充放電特性が確認出来るので)高性能二次電池を活用した製品を開発したい会社や、(客からクレームが来た時に充電器の問題なのか電池の問題なのか、確認出来るので)自社で販売している充電器の品質に問題がないか確認したい会社で大いに役立つでしょう。
 大量(8本直列×8出力=64本同時充電も可能)の単三ニッケル水素電池を使用するプロカメラマンや、限界までバッテリのパワーを追及(平均電流5A,ピーク電流9Aのパルス充電や、儼検知後の正確な追加充電が可能)するラジコンマニアにもお勧めですが、材料費だけで10万円以上なので、販売価格は50万円以上になりそうです。

1.基本構想 2007年4月

●使用頻度の高い単三ニッケル水素電池単セル4本を独立制御で充電・放電可能とする。
  対応電池は、ニッケルカドミウム電池とニッケル水素電池。
●計測用高速16bitA/Dコンバータを使用して、0.1mV分解能の高精度測定を可能とする。
●充放電電流は12bitD/Aコンバータを使用して、最大5Aの出力とする。
●高速動作を生かして、測定電流を変調し、内部抵抗の常時測定を可能とする。
●出力回路はパワーFETを使用したアナログ回路とし、出力部の電源は高効率スイッチング
  電源を使用する。
●スイッチング電源の出力はノイズフィルターを追加して、ノイズを減少させる。
●出力部以外の制御回路の電源は、低雑音のトランス式電源を使用する。
●制御用マイコンは、内部32bit演算のH8シリーズマイコンを使用する。
●本体の液晶表示器およびスイッチと、RS-232Cで接続したパソコンの両方で操作可能と
  する。

2.試作1号機 2008年7月 (売却済み)

基本構想に基づいた試作機がほぼ出来上がった後、顧客の要望により、
●直列セルの充電を可能とするため、スイッチング電源を3V固定電圧から、
  24V固定電圧電源+高効率同期整流型可変電圧スイッチングレギュレータの2段構成に
  改良。
●電源容量(100W)の制約から、1出力のみ直列セル(10セルまで)に対応。

←1号機の外観

 上面に操作パネルが付いていて、本体のみでも使用出来ます。背面のRS-232CコネクタでWindowsパソコンを接続するとパソコンからコントロール出来ます。
 内部回路を製作した後、それが収まる大きさにケースを作ったので、手作りのケースです。

←1号機の内部

 信号経路を短くするために、出力回路と制御回路の基板を積み重ねた構造になっています。
 

 1号機のコントロールソフトの画面
 

3.試作2号機(ほぼ製品版) 2009年6月
  DreamCharger DCG8300 と命名  

試作1号機の不完全な部分を徹底改良して、完成度の高い2号機を開発。
●電源容量を100Wから300Wに増大。
  可変電圧スイッチングレギュレータの出力電流を20Aから40Aに強化。
●出力数を4出力から、8出力に増大。
●出力回路を定電流回路から、定電圧定電流回路に改良して鉛蓄電池とリチウムイオン電池に対応。
●出力回路の最大電流を5Aから、10Aに強化。
●内部抵抗測定の分解能を1mΩから、0.1mΩに改良。
●内部抵抗測定の変調度を10%から90%まで可変としたので、大電流パルス充電が可能。
●冷却ファンを1つから、2つに増やし、回転数切り替え機能を追加して、放熱を強化。
●制御用マイコンを、RAM容量の大きい高性能版に変更。
●高機能化により液晶表示器と押しボタンスイッチによる操作は困難なため、
  本体のスイッチは電源スイッチのみに削減。パソコンによるコントロールのみで作動。
  (1号機の経験でもパソコンによる操作の方が簡単なため、
  本体による操作はほとんど使われなかった。)  


 汎用充電器として高性能なのはもちろん、正確な内部抵抗測定が出来、
大電流パルス充電も可能なので、ラジコン業界用充電器としても最強の充電器です。

  詳細資料は、DCG8300_UsersManual.doc をご覧ください。

←2号機の全面パネル

 吸気ファンと電源スイッチが付いています。
 電源スイッチは照光ランプが内蔵されていて、
 充放電実行中は点滅します。

←2号機の背面パネル

 排気ファンとコネクタが付いています。 

←2号機の内部

 市販ケースにピタリ収まるように、基板サイズと配置を慎重に設計しています。ユニバーサル基板で手配線で製作していますが、このままの部品配置で製品化出来るレベルに仕上げてあります。

■2号機のコントロールソフトの画面
(劣化した電池の充電結果なので、グラフが不揃いになっています)
■論より証拠!完成したDCG8300で、単三eneloopを30分急速(2C)充電にチャレンジ!

比較のため、2C(30分充電)と1C(1時間充電)の設定で2本充電しています。
安全のため、1mVの儼で停止する設定で、扇風機で電池を空冷しながら充電しました。
儼の検知精度が悪い充電器で超急速充電を行うと、満充電の検知が遅れて電池が激しく発熱し、電池が劣化する危険性があります。DCG8300は、微小な儼を正確に検知出来、温度センサーも装備しているので、超急速充電を安全に行うことが出来ます。

グラフの一部を拡大表示出来るので、凾u検知の様子が詳細に確認出来ます。

単三eneloopは2000mAHの容量なので、2C充電の電流値は4Aです。DCG8300は、全出力合計最大40Aなので、8本同時充電でも30分急速充電出来ます。 最近発売された単一eneloopは5,700mAhですが、DCG8300は1出力の充電電流の最大値が10Aなので、急速充電出来ます。 (30分急速充電は、通常30分急速充電対応の特殊電池が必要なので、eneloopの30分充電はメーカー保証外です。)

■続いて、SONYのデジタル一眼レフ用リチウムイオン電池NP-FM500Hの急速充電にチャレンジ!

充電電圧の規格が不明なので、安全な4.1V/セルの設定で充電しました。
インフォリチウム電池なので汎用充電器で充電出来るのか不安でしたが、OK。

温度グラフは扇風機空冷なので電池温度上昇は少なく、室温の変化の影響が大きく表れています。
リチウムイオン電池は(充電末期に電流が減少するので)放電時の方が発熱が多いようです。
上限電圧に達すると電流が減少するので、1C充電でも60分後の充電量は77.8%となっています。
充電終了時間は1:36:24で、充電量は1409mAH(85.4%)。充電回数がまだ少ない電池なので、適正な充電電圧はもっと高いのでしょう(最近の容量の大きなリチウムイオン電池は充電電圧が高くなっている)。
しかし、カメラにセットして残量チェックすると100%の表示でした(一定電圧以上であれば100%の表示になるようです)。リチウムイオン電池は満充電で使用するより90%ぐらいの充電で使用した方が寿命が大幅に延びるそうです。DCG8300は充電電圧を設定で調整出来るので、長寿命優先の充電も出来ます。8出力なので8本同時充電も可能ですから、万能です。

■単三アルカリ乾電池の容量は約2000mAH説の真偽
参考URL ASCII.jp 驚愕の結果! アルカリ乾電池性能比較実験!

乾電池は放電電流の大小により容量が大きく変わりますから、一般に容量が表示されていません。
単三アルカリ乾電池の容量は2000mAH程度と噂されていますが、実測してみました。
サンプルはダイソーで購入した、次の3種類です。どれを買えばよいかお悩みの方は、測定結果を参考にしてください。

大電流を消費する機器では、間欠放電による容量増加は、あまり期待出来ないようです。
 (放電終止電圧=0.9V) 200mA 定電流放電 1A 定電流放電 1A 間欠放電
(12秒オン 48秒オフ)
1: DAISO No.113 アルカリ持続性パワー 2034mAH  2.429WH 882mAH 0.978WH 911mAH 1.079WH
2: GP 電池-141 2088mAH  2.479WH 788mAH  0.860WH 898mAH 1.058WH
3: SANYO LR6C(DS)-4BP 2012mAH  2.425WH 850mAH  0.941WH 785mAH 0.927WH

200mA定電流放電のグラフ (発熱が少ないので温度のグラフはほとんど周囲温度の変化の影響です)
放電終止電圧が1.0Vの場合は、順位が入れ替わり、SANYOが長持ち。

1A定電流放電のグラフ  「アルカリ持続性パワー」は確かに内部抵抗が低かった!
 

乾電池は、放電後休ませると、少しエネルギーが回復するという説もチェック。
放電テスト完了後、しばらく放置してから、200mA放電で残存容量をチェックしてみました。
 (放電終止電圧=0.9V) 200mA 放電後 200mA 放電 1A 放電後 200mA 放電
1: DAISO No.113 アルカリ持続性パワー 59mAH  0.057WH 1232mAH 1.357WH
2: GP 電池-141 95mAH  0.091WH 1357mAH  1.509WH
3: SANYO LR6C(DS)-4BP 204mAH  0.203WH 1217mAH  1.375WH

大電流放電をすると、容量が減るのではなく、早く電圧が下がるだけで、容量は残っていました!
捨てずに、消費電流の少ない機器(ラジオ)等で有効活用しましょう。

■では単一アルカリ乾電池の容量は?

DAISOで売っている単一アルカリ乾電池(Gigamax)とPanasonicの単一アルカリ乾電池(EVOLTA)で、実測してみました。
1A定電流放電の後、半日休憩して、200mA定電流放電で残存容量を測定しました。
 (放電終止電圧=0.9V) 1A 定電流放電 200mA 定電流放電 合計
1: Panasonic EVOLTA LR20(EJ) 5958mAH  6.563WH 8388mAH 9.841WH 14346mAH 16.404WH
2: DAISO Gigamax LR20 5072mAH  5.497WH 6775mAH  7.800WH 11847mAH 13.297WH

単一型でも内部抵抗が大きく、1A放電では放電容量が大幅に減少するということが解りました!
超高輝度白色LED10個(合計200mA)を使ったLEDライトを単一アルカリ電池4本で駆動すれば、10AH程度の容量が確保出来、
50時間以上連続点灯が可能になりそうです。

4.DreamCharger DCG8300 は万能充電器

 一般的な充電器は、2つのタイプに分かれています。
1)単セルの電池を複数個独立に制御して充電する。
 通常は、電池の数だけ充放電回路を装備していますが、コストを下げるために、
 充放電回路を一つにして、周期的に順番に電池を切り替えて充電するタイプもあります(儼の検知
 が出来ないので、独自の満充電検知方法を使用)。
 超急速充電を単純にこの方式で実現すると、電池の数に比例した大電流出力の電源が必要なので
 コストダウンのため、内部回路で電池を直列にして充電して、満充電になった電池を順番に切り離し
 ていく手抜き方式もあります(充電電流を個別に制御出来ないので、電池を破損し易い)。
 複数のセルをパックにした組電池は充電出来ません。
2)直列セル専用で、1組の電池だけ充電する。
 パックになっていない単セルの電池も、電池ソケットに入れて直列接続すれば、複数個
 同時充電出来ますが、セルの特性にバラつきがあると、充放電を繰り返す毎に電池電圧
 のバラつきが大きくなり、充電不足のセルと過充電のセルが混在する恐れがあります。

 DCG8300は、1)と2)の両方の方式に対応しているだけでなく、複数のセル(ニッケル水素電池は10セルまで、リチウムイオン電池は4セルまで)をパックにした組電池を8個まで同時充電することが出来ます。スイッチング電源回路は全出力で共有しているので、電池の種類と直列セル数は共通でなければならないという制約がありますが、充電電流は個別に設定出来るので容量の異なる電池も同時充電出来ます。
 対応する電池も、市場で一般的に使われている電池のほとんどの種類に対応しています(充電出来ない乾電池の放電特性を測定することも出来ます)。

5.DreamCharger DCG8300 の超高性能の秘密

■高効率スイッチング電源回路とパワーFETによる定電圧定電流回路を併用して超低ノイズ化。
 一般的な安価な急速充電器は、スイッチング電源による定電流回路で直接電池を充電しています。そのため出力端子のノイズが多く、ニッケル水素電池の微小な儼を正確に測定するのは困難です。対策として、定期的に充電電流を止めて電圧を測定する方法がよく使われていますが、電流停止後ゆっくり電圧が下がるので測定値が不安定になります。
 DCG8300は、ほとんどノイズが発生しないパワーFETによる定電圧定電流回路を 、可変電圧のスイッチング電源で駆動していますから、常時正確に電圧を測定出来ます。
 安価な汎用急速充電器は、直列セル数が多い場合に高電圧を出力出来る昇圧型スイッチング電源回路を使用している機種が多いのですが、昇圧型は降圧型に比べて効率が悪くノイズも多くなります。
 DCG8300は、効率が良くノイズも少ない同期整流方式降圧型スイッチング電源回路を使用し、さらにスイッチング電源回路の出力にノイズフィルタを加えていますから、理想的な電源回路となっています。
■4端子法による電圧測定で、配線抵抗による誤差を除去
 大電流による急速充電では、出力端子のコネクタの接触抵抗やコネクタから電池までの配線の抵抗による電圧降下の影響が大きくなります。リチウムイオン電池は、充電電圧を正確に制御する必要があるのですが、安価な急速充電器は、配線等による電圧降下を見越して、高めの充電電圧に設定している場合があり、リチウムイオン電池の劣化を早めます。
 DCG8300は、電流出力端子と電圧検出端子を分離した4端子方式なので、電圧検出配線を電池ソケットに接続することで、配線等による電圧降下の影響を除くことが出来ます。
■高性能A/Dコンバータ、D/Aコンバータを使用
 安価な急速充電器は、制御用のマイコンに内蔵されたA/Dコンバータで電圧や電流を測定しています。内蔵されたA/Dコンバータは10bit(1024分の1の分解能)が一般的で、良くても12bit(4096分の1の分解能)程度です。しかも、単体のA/DコンバータICより精度が悪いので、ニッケル水素電池の微小な儼を正確に測定するのは困難です。出力電流を設定するD/Aコンバータはマイコンに内蔵されていないことが多く、代わりにマイコンに内蔵されているPWM(パルス幅変調)出力をローパスフィルターで直流化することでD/Aコンバータの代用とすることが多くなります。その場合、出力にリプル電圧が乗り、充電電流出力のノイズが増えることになります。
 DCG8300は、本格的な高速高精度計測用A/Dコンバータ(16bit)・D/Aコンバータ(電流:12bit,電圧:16bit)を使用しているので、高精度な測定が行えます。また高速D/Aコンバータにより電流を変調することが出来るので、内部抵抗測定機能が実現しました。
■強力な冷却機構
 安価な急速充電器は、出力電力の割に(たぶんコストを下げるため)非常に小型のケースに組み込まれていますから、長時間連続使用すると本体の過熱で停止する恐れがあります。
 DCG8300は、大型放熱板を吸気と排気の高速回転ファンで挟み込む構造のため冷却能力が高く、長時間の安定動作が期待出来ます。

6.番外編 アルカリ乾電池充電器の信憑性

 世の中には、通常のアルカリ乾電池を充電出来ると称している怪しい充電器が出回っています。
 本当にアルカリ乾電池は充電して再利用することが可能なのか?長年の疑問を解くために、容量測定で放電した電池を充電してみました。安全のため、0.1C(200mA)の低電流で30%(3時間)の充電に留めています。 グラフを見ると製品によってカーブがバラバラで、安定した充電条件は見出せそうにありません。

放電して容量を調べると

測定値は
 (放電終止電圧=0.9V) 200mA 充電 充電量 200mA 放電
1: DAISO No.113 アルカリ持続性パワー 600mAH  0.915WH 455mAH 0.506WH
2: GP 電池-141 600mAH  0.951WH 367mAH  0.386WH
3: SANYO LR6C(DS)-4BP 600mAH  0.979WH 603mAH  0.650WH
という結果で、一応充電出来てしまいました(SANYOが優秀!?)。
しかし、100%充電すれば破裂する危険性が有りますし、少量の充電でも液漏れし易くなるそうですから、「乾電池充電器」を買うより、最近では安価になった 「充電器とニッケル水素電池のセット」を買う方が、絶対お得です!


電子ファイリングソフトAtFILE



 

  

YES-ONLINE SPECIAL
夢の充電器開発プロジェクト

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