2018/10/10

充電流波形による電池劣化判定

 充電流の微小AC成分をカットしたら,CH1 と CH2 間でノイズが目立つようになった。下図は無負荷時のオフセット電流というかバックグラウンドノイズ信号をチャートにした。
CurrentBGch1ch2.png

CH2 は増幅せずスルーなのでノイズ抑制はないようだ。

Evolta を充電した様子を示す。E1は充電2時間後,充電流が流れ出した。奇妙な結果だ。やはり CH2 のノイズが目立つ。
CurrentEvolta.png 

今度は 3個の Eneloop を示す。劣化の程度の違いがわかる。
CurrentEneloop.png 

最後は6個の NiCd を示す。明らかに使い物にならない NiCd2 と NiCd4 を除いたのが最後のチャートだ。NiCd5 の充電流が一旦ゼロになっているのはコネクタの接触不良による。最大電流が小さくなると,CH2 を増幅してみたものの NiCd6 にノイズ電流が目立つ。
CurrentNiCd.png 
CurrentNiCdExcept.png 
波形を観察すると,NiCd1 と NiCd3 および NiCd5 と NiCd6 の組み合わせが特性が揃っていて良さそうだ。劣化度を判定するのに初期電流と一定時間を経過した後の充電流もしくは定電流のカットオフ時間が考えられる。この例だと,120 mA 時のカットオフ時間が NiCd3 NiCd1 NiCd5 そして NiCd6 の順になっているのがわかる。

思いつきで ありあわせの部品で泥縄式に充電器の製作を進めた結果,充電流の測定とトラブルシューティングがメインになってしまった。後日 反省をまとめるつもり。
2018/10/03

見落としていた定電流回路

定電流と定電圧を併用した自作充電器を使用している。最初定電流回路が機能し,設定値 200 mA を流す。実際は交番波形で実効値が 200 mA で波高値は 400 mA である。時間とともにデューティが下がり,200mA 以下になるとフラットになる。電流値をマイコンの ADC を用いて測定しており,極端に言うと測定値が零か 400mA になってしまい5分おきに測定しているものの測定値零の欠損が生じる。

CH2 の可変電流回路を止め,固定定電流回路に戻した。可変定電流回路の特性を採ってないと思い出し,CH1に電池のダミーとして 0.3Ω を接続して,可変電流特性をみたらほぼ 0 - 350 mA まで流せる。しかし何気なく出力電圧をみたら 40mV しかない。これは電池負荷ではあり得ない状態だ。

電池の負極を接地して,電流測定抵抗を浮かしたせいである。OPアンプの入力インピーダンスが大きいのだから電池印加電圧測定回路の方を浮かして置くべきだった。電流検出抵抗を接地するのは回路設計では多分,常識ではなかろうか。この現象を見逃した原因として,定電圧回路の発振傾向があった。今回 350 kHz の微弱交流分をデカップリングしたせいで発見したのかもしれない。

定電流を可変にするOPアンプ参照電圧と出力電流の特性をとろうと,トリマで何回か 100 mAに設定しても直,電流値が下がる。充電器に応用すると,充電されてあたかも充電流が減少する状態を呈しているかのように都合よく騙されてしまういい加減な定電流回路であった。下図はデカップリング後の電流変化を示す。対象はもう使用頻度が下がった ReVoltes である。
CurrentR1R3Rename.png 
一見すると,どちらがより劣化しているのか不明だ。200 mA 以上の部分が いい加減だから,60分後に急激に充電流が低下しているR3の劣化が酷いのではないかと思う。

検索したら,吐き出し電流回路にゲートを単にプルアップしているのがあった。これに変更すると,0.35A の定電流になった。当然,悩ませていた 39Hz の交番電流波形はなくなった。下図は自作放電器により,放電させ30分静置後 R1 1.153V,R3 1.119V を再充電した充電波形である。放電時間はR3の方が7分ほど長かったけど,内部抵抗も関係していそうだ。R1の電流上限が定電流回路によりクランプされている。R3は実際,設定定電流 315 mAを流せないのかもしれない。CH1 の差動増幅回路のゲインを実測して修正したので低電流域での両者間の差が減少している。充電流波形から劣化を推測するのは簡単ではなさそうだ。100 とか 150 mA におけるカットオフ時間を参考にするのもいいかもしれない。しかし,それでは継ぎ足し充電の場合,判定できない。自作 TWE には定電圧回路を搭載していないので不便だ。やはり内部抵抗を測るのが王道か。
CurrentR1R3RenameDischarged.png 
ゲート駆動回路
極めて緩慢に変化する充電流を 50mA のゲート電流で切れ味を良くしても無意味であった。モータの PWM ドライバ経験を元にする必要もなかった。モータドライバは kHz オーダで24Vをオンオフしていた。

 FET発熱
ゲート電圧を上げていくと閾値は4Vになった。実際は 4.3V で動作させている。固定抵抗をダミー負荷として,動作確認すると,0.3 1.5Ω はOKだが,10ΩはNG。3Ωは動作するときもある。大充電流を流せる内部抵抗は2Ωくらいだ。充電流制限抵抗 6.8Ω と 電流検出抵抗1Ωが電圧降下分となるので,6Ωまでの負荷が期待できる筈だが,FETのオン抵抗は印加電圧が低いと高くなるのだろうか。結構 発熱するので熱損失を測ったら,
1.773*0.315 = 0.56 [W]

1W未満であるのに熱い。等価オン抵抗は 5.6Ω にもなった。熱くなって当たり前か。データシートにある熱抵抗 62.5 [K/W] はパルス負荷の場合だろう。ケース温度 25℃ からディレーティングとなっている。固定抵抗器と異なり半導体は極端に発熱に弱い。このような定電流源として使用するならヒートシンクは必要になる。もしくは熱抵抗の少ない大容量 FET にするか。しかし実際にタニタのデジタル温度計でケース表面温度を計ると なかなか 50℃ を越えない。FET は破壊に至るとオープンになると聞いていたが,過熱は短絡だそうだ。短絡しても,電流制限抵抗があるので最大 0.64A しか流れない。電源は2A定格だ。燃える事はないだろう。

POWER MOS FETの破壊モードは、「アバランシェ破壊」「ASO破壊」「ゲート静電破壊」の3つがありまして、 アバランシェ破壊:過電圧 ASO破壊:過電流(が原因によるチャネル温度増大) ゲート静電破壊:過大なゲート電圧(印加による酸化膜破壊)  それぞれについて、簡潔に解説します。
 【アバランシェ破壊】  ソースードレイン間にかかった過大な電圧によって、ドレイン近傍の空乏層内の電子がリークとなり、その衝突によって発生する熱エネルギーが寄生サイリスタ現象をおこす。  -->各電極がショート  
【ASO破壊】 一口に過熱です。  -->各電極がショート  
【ゲート静電破壊】 (1)ゲート過電圧による酸化膜破壊で生じたゲート―ソースショート  -->FETとして動作せず。(マクロで見れば、ソースードレインがオープンとも言えなくもない) (2)ゲート過電圧による酸化膜破壊で生じたゲートードレインショート  -->FETとして動作せず。(これもオープンと言えなくもない…かな) (3)酸化膜の不完全な破壊によるリーク電流の増加  -->ゲートインピーダンスが低下した状態でFETが動作ーー>Rdsが増加して過熱ーー>ASO破壊

自己責任の電子工作なら放熱板なしのチンチン設計もありかな。そして充電器は年中,通電しているわけでもない。以下は実験の様子。右側にダミー抵抗 1.5Ω が見える。CH1 のバッテリホルダの負極配線を CH2 同様,直接半田付けに変更した。このホルダの電極は鉄系材料である。
ChargerKai.jpg 

下の写真は自作放電器による当該充電池の放電の様子。
Discharger.jpg 

参考
2018/09/19

シリアルコンバータ誤接続

 製作した TWE と XBee  シリアル通信端子配列が違うのに誤接続してしまった。コンバータが壊れたかどうか検討してみた。FTDI オリジナルの USB シリアルコンバータのピン配列に合わせて TWE も配線してある。XBee は私独自である。
USBserial.jpg

Converter XBee
1 GND     1 Din
2 CTS#   2 DTR#
3 VIO      3 RTS#
4 TxD      4 Dout
5 RxD      5 GND
6 RTS#    6 CTS#

コンバータの RxD と XBee の Din が短絡してしまった。記憶を取り戻し,XBee 用に設定した秋月のコンバータを接続すると XBee を認識したから,Din は動作している。FTDI のデータシートをみたら,200kΩ でプルアップされていたので大丈夫だった。コンバータの RxD  も大丈夫だろう。

VIO は  RTS# に接続されて短絡する可能性はどうだろう。XBee の X-CTU はデフォルトだとフロー制御なしだから,多分 大丈夫だろう。

前回,XBee の設定を変更したのは3箇月前だ。記憶が中途半端な期間かそれとも加齢か。USB シリアルコンバータが正常に動作する最終確認は,次回 TWE の設定だ。

OPアンプなら入力に電源を接続すると,簡単に壊れる。デジタルならその心配はない。コンバータの VIO を短絡したら,多分壊れる。誤接続対策に XBee の3番ピンの RTS# を開放しようと思う。
2018/09/11

あり得ない受信頻度と復元バネのない電磁弁

送信間隔 3min 設定なのに,3台の TWE が  00:09 と 00:10 の間に 20 回も送信した。送信回数のカウンタ ct がアップしているので実際に送信されたのであろう。受信時刻の記入をしているけど,追いつかなかったようで,スタンプされなかった。面妖なデータだ。

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TWE.txt  も #4 が 2018-09-06 0:15 に三回 0℃を記録している。Slip21 のリストも同時刻3回記録してしまっている。
Abnormal201809.png 

散水栓内部の電磁弁
ゴーヤの散水が結構な頻度だったので,自動散水弁を検索したら電磁弁単体の価格より安価だ。しかもその構造は復元バネがない。動作原理はどうなっているのだろう。自動散水栓のソレノイドだけを使って,水分センサ,日照センサさらに温湿度センサも取り入れてマイコンプログラムを組んだら,かなり複雑な散水のカスタマイズできると思う。自動散水栓は信じられないほど安価だ。

参考
2018/09/04

削れ!ママさん 3Dデータ作成と卓上切削機実演

どんな卓上切削機だろうか。オンライン展示会だろうか。登録してみた。せいぜい 2.5 次元だろうと思うけど,価格はどうか。ワークサイズとか。。。工作機のNCに知見があれば,中古フライスにPCによるNCを実装した方が高剛性マシンが得られるかもしれない。期待して観るつもりだ。

開催期間:2018年9月4日(水)~9月28日(金)

参考