多機能バランス・チャージャの製作

多機能バランス・チャージャの製作


　インドア・プレーンに搭載する小容量のリチウムポリマ電池には、現在市販されているもので20mAh、30mAh、45mAh、60mAh、80mAh、140mAhと多くの種類がある。また、最近は赤外線送信機の電源にも340mAhのリチウムポリマ電池を使い始めた。送信機では2セルあるいは3セルを直列にして使用している。

　市販の充電器では、2セルあるいは3セルの充電に直列充電方式を採用しているのがほとんどで、これらの電池すべてに適切な充電電流をセットできる充電器は、残念ながら存在しない。

　リニアテクノロジのリチウム電池充電用IC LTC4054L-4.2とLTC4054-4.2を使えば、これらの電池それぞれにマッチした安全で快適な充電器を簡単に作ることができる。

　リチウム電池はニッカド電池や、ニッケル水素電池のように急速充電ができず、通常１C(容量値と同じ電流値)以下の電流で充電しなければならない。充電電流が少ないほど充電時間が長くなってしまうので、通常は1Cで充電を行う。1Cでの充電では理論的に1時間の充電時間が必要になるが、実際には充電が進むにつれて充電電流が減少するので、満充電までにはおよそ1時間半ほどの時間がかかる。

　2セルあるいは3セルの電池を直列にして使用する場合、充放電を繰り返しているうちに各セルの電圧バランスが崩れてくることが考えられる。この電圧バランスの崩れは、特定のセルが過充電になったり過放電になるなど、精神衛生上まことによくない。時々セル電圧をチェックしながら使えばよいが、2セルあるいは3セルの電池のほとんどがシュリンクチューブでパックされているため、単セルの電圧チェックは困難だ。そこで、できるだけ安全にリチウム電池を使いたいと考え、1セルから3セルまでに対応した、切り替え式の充電器を作ってみた。

　送信機の電源に使用するリチウム電池は、超小型赤外線送信機でKokam 340mAhのリチウムポリマ電池を2セル直列で使用。市販の送信機に取り付けるタイプの超高出力赤外線送信モジュールではKokam 340mAhのリチウムポリマ電池を3セル直列に使用している。

　1セル用の充電ICを使って、それぞれのセルを切り替えながら充電を行う。この方式の最大の特徴はそれぞれのセルに対して同じ条件で充電を行うので、セルバランスの崩れがおきにくく、長期間安心して使用できる。欠点は直列充電に比べて充電時間が2セルでは倍、3セルでは3倍の時間がかかる。リチウム電池は自己放電が大変少ないので、あらかじめ家で充電してから飛行会場に持ち込むといった使い方がよいだろう。


部品配置例


配線例

　せっかく作るなら多機能なものをということで、1セルの場合は3個同時につないで、切り替えながら充電できるようにした。2セル、3セルの場合はそれぞれ1組の充電ができる。20mAhから140mAhの電池の充電にはLTC4054L-4.2を使い、140mAhから340mAhの電池の充電にはLTC4054-4.2を使う。それぞれを8ピンの変換基板にセットし、充電する電池にあわせて差し替えて使う。



　今回はぞれの電池にあわせて、あらかじめ充電電流を設定した数のポテンショメータを用意し、差し替えて充電を行う方式とした。ポテンショメータの1番ピンと2番ピンの間の抵抗値を上のねじを回して設定する。25回転型なので細かい抵抗値が設定できる。



　2セル、3セルの電池はそれぞれのセルとセルの間からも、充電のためのケーブルを引き出しておく。2セルでは3線、3セルでは4線となる。充電用に4ピンのJSTコネクタを使ってみた。大電流放電で使用する場合は、電池のプラスとマイナス電極から別に太いケーブルを引き出して使う。画像はFutabaの送信機にセットするためのコネクタを取り付けている。


コネクタを瞬間接着剤で連結して回路図どおりに配線

多機能バランス・チャージャの回路図

charger3.hex for PIC12F509
(マウス右ボタンクリックで「対象をファイルに保存」)
PIC12F509への書き込み環境がない場合はPIC12C509Aに書き込んでもOK


○3セル電池の充電動作
　3セル電池は4ピンのJSTコネクタ(CN4)にセットする。5Vの電源(今回は5V1AのACアダプタを使用)を供給すると、チャージステータスLED(D7)が点灯する。充電する電池をコネクタにセットした後、充電スタートボタン(S)を押す。まずRL1がONになり、3セルの一番マイナス側のセルが充電される。このときチャージステータスLED(D7)とRL1のONを示すLED(D4)が点灯。1セルの充電が完了すると、チャージステータスLED(D7)が消灯し、その充電完了信号をPICが受けて、RL1をOFFにし、次のRL2をONにする。RL2がONになると3セルの中央のセルが充電される。このときチャージステータスLED(D7)が点灯し、RL2のONを示すLED(D5)が点灯。3セルの中央セルの充電が完了すると、チャージステータスLED(D7)が消灯し、その充電完了信号を再びPICがうけて、RL2をOFFにし、次のRL3をONにして、3セルの一番プラス側のセルが充電される。3セルの一番プラス側のセルの充電が完了すると、チャージステータスLED(D7)のみが点灯し、他のLEDは消灯して3セル電池の充電が完了する。

○2セル電池の充電動作
　2セル電池は3ピンのJSTコネクタ(CN2)にセットする。3セルの充電のときと同様、1セルずつRL1、RL2と切り替えながら充電を行う。その後RL3も動作するが、RL3のコネクタには電池が接続されていないため、充電をスキップする。

○1セル電池の充電動作
　１セル電池の場合は3個までつなぐことができる。充電器に2ピンのJSTコネクタが3組(CN1、CN3、CN5)あり、どこにつないでもかまわない。電池をつないであるコネクタだけを認識して充電を行い、電池のつながっていなコネクタは充電をスキップする。
　１セル電池の充電では、容量の異なる電池を混在して充電することもできる。ただし、その場合は一番容量の少ない電池にあわせた充電電流で充電する。また、コネクタに満充電された電池がつながっている場合は、その電池の充電をスキップする。

　充電確認LED(D7)は、接続された電池の充電が完了したときに消灯し、電池がコネクタに接続されていない場合も、充電中も、すべての充電が完了したときも点灯する。

　充電完了後に、再度充電スタートボタンを押しても、すでに接続されている電池は充電が完了しているため、充電器は充電をスキップするので電池が過充電になるようなことはない。

　コネクタに電池が接続されていない状態で充電スタートボタンを押した場合、充電ICに電池が接続されていない情報がフィードバックされ、充電をスキップする。

○充電電流の設定
　LTC4054L-4.2では、回路図のR6の値を R6(KΩ)=150/充電電流(mA) として計算する。
　20mA　 R6=150/20=7.5KΩ
　30mA　 R6=150/30=5.0KΩ
　45mA　 R6=150/45=3.33KΩ
　60mA　 R6=150/60=2.5KΩ
　80mA　 R6=150/80=1.88KΩ
　140mA　R6=150/140=1.07KΩ

　LTC4054-4.2では、R6(KΩ)=1000/充電電流(mA) として計算する。
　140mA　R6=1000/140=7.14KΩ
　340mA　R6=1000/340=2.94KΩ

　10KΩのポテンショメータ1種類で上記の充電電流がすべて設定できる。




　LTC4054L-4.2とLTC4054-4.2は8ピンのDIPサイズの変換基板を作って、その基板にはんだ付けした。変換基板はSOT23タイプのPIC10F2xxを8ピンの標準的なピン配置に変換する基板と同じパターンを使っているので、変換基板を作るのが面倒なら、e-shopで扱っている「変換基板部品セット」を使うことができる。画像右は「変換基板部品セット」に付属している基板で、PIC10F2xxの書き込みツールとしても使うことができる。



　LTC4054-2.4充電ICについては、340mAhのリチウムポリマ電池の充電時にかなりの発熱があったので、0.1mm銅板で放熱板を作り、ボンドサイレックスでチップ上面に貼り付けた。



　このパターンはPIC10F2xxを標準的な8ピンPICのピン配列に変換するものだが、今回は充電ICをはんだ付けして使った。

PCB用反転パターン(200pixel/cm)

パーツリスト