リチウムイオン＆リチウムポリマー電池充電器　作成：2007-11-13〜2008-03-30

リチウムポリマー電池充電器を作ります。充電用のＩＣを手に入れてしまえば作るのは簡単です。．．．簡単なはずです。たぶん

使用する充電ＩＣはＭｉｃｒｏｃｈｉｐ社のＭＣＰ７３８６３とＭＣＰ７３８６４。サイズがＤＩＰではないのでブレッドボードで動作確認するための変換基板を作成します。両面感光基板を使用。


ビアはスズメッキ線で接続。スルーホールは必要最小限に。ピンが折れると交換が面倒なので、ソケット２段重ねで使用。それぞれ１セル用と２セル用です。充電ＩＣはＭｉｃｒｏｃｈｉｐ社製。


基板のＥＡＧＬＥファイル

ＰＲＯＧ端子に接続する抵抗の値を計算するとこんなになります。無限Ωでも１００ｍＡなので最低充電電流は１００ｍＡです。式に強引に５０ｍＡを代入すると抵抗値がマイナスになってしまいます。

リチウムポリマー電池を購入しました。容量は２５０ｍＡＨ、送料込み３個で￥３１００。購入先はロビン。メール便で送付してくれるので送料がとても安く済みます。


ブレッドボードで回路を組んで充電中。充電中はＩＣがかなり熱くなります。固まるタイプの放熱シリコンでヒートシンクを貼り付けた方が良さそうです。電池の方ではなくＩＣ自体が過熱しすぎたときの安全装置もＩＣに内蔵されています。ＩＣは売店で売ってます。実験結果が良好なら多連装の充電器にしてみようとおもいます。リチウムポリマー電池は最大１Ｃ充電なので、空っぽの状態から満充電まで１時間かかります。多連装にしないと電池の交換が面倒です。


回路全景。ＩＣ以外の部品は￥２００程度か？　実際の回路にすると基板とか親電源アダプター、電池コネクター、電流切り替え回路などいろいろ付属品が必要です。


電圧が６．４Ｖになるまで１Ａで放電させてみました。


結果、２１２ｍＡＨ。電流をもっと少なくすれば定格容量の２５０ｍＡＨまで出力できたかもしれません。


充電は電池の端子間電圧が８．４Ｖになるまで、ＰＲＯＧ端子に接続した抵抗値により決められた定電流で充電され、その後８．４Ｖを維持するように定電圧で充電されるようです。定電圧充電状態で充電が進むにつれ満タンに近くなると充電電流が次第に小さくなり、これまたＰＲＯＧ端子に接続された抵抗によって決められる最低充電電流に達すると充電が終了します。

もう一個の電池で２Ａ放電させました、結果はこの通り。


３個目の電池はちょっと容量小さくなりました。なんででしょ？　電池には端子が２つ付いていて一方は１セルごと別々の配線になっているのでセルの状態を個別に確認できます。一方が空でもう一方は容量が残っているのではと思いましたが、両方とも空でした。


２５０ｍＡの充電電流でも、親電源が１１ＶもあるとＩＣは６０度以上になります。


１００×８０の基板にレイアウトしてみました。このサイズだと４連装までいけそうです。空っぽの状態から満タンになるまで約１．５時間かかりますが、容量の殆どは充電初期の定電流モードの時に行われるので、急ぐなら１時間で充電を止めてしまっても充電容量には殆ど影響ありません。


３個目の電池を再度充電し直した。１９３ｍＡＨと他の物よりちょっと容量が小さい。たぶん個体差だと思う。


部品の買い出し。交通費は通販の送料より安いのだが、４時間かかる。時給￥８００としたら通販の方が安上がりだ。買い出しに行くたびに風景が変わっている。そう遠くない将来、秋葉原からおじさんの聖域は消滅するかもしれない。充電ＩＣのヒートシンクは剣山タイプの物にした。こんなんで￥１００はちょっと高い。


こんなのも買いました。熱伝導両面テープ。４０×４０ｍｍで￥１００。これもちょっと高い。


基板のパターン完成。


初めて使う素子なので動作実験。可変型の電源ＩＣなのだが定番のＬＭ３１７Ｔではない。ＬＭ３１７は入力と出力の電圧差が３Ｖ以上必要なのだが、これは０．５Ｖでも大丈夫なやつ。出力は最大１．０Ａだが、データシートを見る限りもうちょっと大丈夫そう。親電源は車のバッテリーでも使えるように１２Ｖにするので充電初期の電池の電圧を７．２Ｖとすろと　（１２−７．２）×１．２Ａ＝５．７６Ｗ　もＩＣが発熱することになる。小さなＩＣなのでさすがに約６Ｗは無理。そこで親電源を電源ＩＣで９Ｖ近くまで降圧させて使う設計にした。１２Ｖ−＞９ＶなのでＬＭ３１７だとぎりぎりすぎる。


リチウムポリマー電池は発火する危険性があるので専用のケースを購入した。これで大丈夫か疑わしいがプラスチックのケースよりはましなはず。過充電したときに発火するらしいので、専用の充電器を使うときにはまず問題ないそうだ。保管時にはまず発火のすることはないと思うが念のため。


基板を作成。いつもの感光基板。いつも４分２０秒露光しているのだが、やたらと現像に時間がかかった。


基板完成。サイズは１００×１００ｍｍ。放熱器がちょっと小さすぎるような気もするが、あまり大きくすると放熱器に回路がくっついているみたいになるので小さいのにした。


買い忘れがあって通販で部品を追加購入。


今回は２セル用のＭＣＰ７３８６４を使用した。１セル用のＭＣＰ７３８６１の場合、は以下の箇所を変更すればＯＫなのだが
　１．電源ＩＣ（ＰＱ２０ＲＸ１１）の付近にある５．１ｋΩの抵抗を１．８ｋΩに変更
　２．親電源は６Ｖ以上の物を使う
親電源に１２Ｖを使うと電源ＩＣでの発熱が大きくて充電電流を大きくすることは出来なくなる。この場合、電源ＩＣを取り除いて５ＶのＡＣ−ＤＣアダプターを使用するほうが回路もシンプルになって良い。車のバッテリーを親電源に出来なくなるが１セルの電池を使う環境（たぶん屋内）と２セルの電池を使う環境（たぶん屋外）は違うはずだ。

半田付け完了の図。裏面にあるのは充電ＩＣのみ。


親電源はこれにした。秋月電子の１２Ｖ５Ａのアダプター。だが、これがくせ者だった。


アダプターの出力をオシロスコープで計測したのがこの写真。ＡＣ計測モードにして直流成分はカットしてある。左が無負荷。右が３３０Ω負荷。横軸は１マスが０．１秒。画面の端から端までがちょうど１秒だ。出力電圧がこんなにも変動するのだ。このおかげで充電器が充電を開始してくれない。実験の結果２００Ω以下の負荷（抵抗）を接続するときれいな直流が出てくることが解った。このアダプターは最低でも５０ｍＡ程度電流を流してやらないとまともに動作してくれないようだ。


１Ａの充電電流を流すとかなり発熱するのでヒートシンクは必ず必要。両面テープ方式の熱伝導シートでヒートシンクを貼り付けた。それでも夏場はきついと思う。小さいヒートシンクなので充電電流は７００ｍＡ以下に抑えておいた方が無難だ。


４個まとめて充電しているの図。充電中は緑のＬＥＤが点灯し。完了すると消える。赤いＬＥＤは異常事態が発生したときに点灯する。異常事態とは寿命が過ぎた電池を充電したときや、充電時間がかかりすぎたときなどだ。

回路図　＜−ＧＩＦファイル

回路図＆基板パターン　＜−ＥＡＧＬＥのファイル

この充電ＩＣ　ＭＣＰ７３８６Ｘシリーズには４品種あって
　１セル用　ＭＣＰ７３８６１、ＭＣＰ７３８６３
　２セル用　ＭＣＰ７３８６２、ＭＣＰ７３８６４
となっているが　ＭＣＰ．．．．１　と　ＭＣＰ．．．．３　それと　ＭＣＰ．．．．２　と　ＭＣＰ．．．．４　の違いは充電が完了するとＬＥＤが消灯するか、点滅するかだけの違いのようだ。今回使ったのは消灯するタイプ。ＰＩＣ等で制御する場合は点滅タイプの方が扱いやすい。充電完了時の消費電力を抑えたいなら消灯タイプの方が良い。

新品の１０００ｍＡＨバッテリーを充電してから放電してみた。結果８４７ｍＡＨ。やはり満タンにはなっていない。充電電圧をもっと上げれば満タンになると思うがこの充電ＩＣにはそれを変更する方法はない。いたわり充電ということで良しとしよう。


充電電流はＤＩＰスイッチで変更する方式。ＰＲＯＧ端子につなぐ抵抗値をこのスイッチで変更する。複数のスイッチをＯＮにしても問題はない、その時はＯＮにしたスイッチに繋がっている抵抗の合成抵抗値で充電電流が決まる。抵抗値は５１ｋΩが最大で、その半分、更にその半分といった値の物がついている、こうすると合成抵抗値はなめらかな曲線を描く。結果、充電電流も１００ｍＡ〜７００ｍＡまでほぼ無段階で調整できる。７番のスイッチに繋がっている抵抗だけは例外で２００Ωを取り付けてある。これは１０００ｍＡＨちょうどで充電したいときにつかう。７番のスイッチがＯＮの時は、それ以外をＯＦＦにして使用する想定だ。最後の８番のスイッチはＰＲＯＧ端子をＧＮＤに直結するためのもの、これをＯＮにすると最大充電電流の１．２Ａで充電が行われる。


２Ｗの抵抗をつけました。２セル版はこれで完成です。


買い出しに行ったときに千石電商で見つけました。こっちの方が良かった。４個で￥１４０で、しかも放熱用両面テープも付いてます。これで約￥４００安くできます。

単セル用充電器


ＡＣ−ＤＣアダプターに５Ｖ出力の物を使う想定で、１セル用の回路に変更してみた。上の物から電源ＩＣを取り除いただけ。１２Ｖの親電源にこだわらなければ、こちらの方が部品点数も少なく合理的。


回路図　＜−ＧＩＦファイル

回路図＆基板パターン　＜−　ＥＡＧＬＥのファイル

充電電圧を変更する方法がないと書いてしまったが、この充電ＩＣはＶｂａｔ３端子の電圧が８．４Ｖになるまで充電するしくみなので、出力（Ｖｂａｔ１，２）を抵抗で分圧してＶｂａｔ３に接続したら充電電圧を調整できるかもしれない。　＜−これダメです。充電完了後に抵抗経由で放電してしまいます。

上のパターンをちょっと改良。セルを個別に充電できるように１セル版は電源を全部分けました。ＡＣ−ＤＣアダプターが４つ必要になります。基板は感光剤を落とす前に穴あけをしています。普段は穴あけが完了するまで現像液が片付かないのが嫌なのでフラックスを塗った後に穴あけをしています。部品がないので半田付けはここまで。また、買い出しです。

何故か１つだけエラーになる　＜−ＭＯＶＩＥ

エラーの原因はこれだった。こんなに遠い距離を半田ブリッジしてしまうことは滅多にない。コテの温度が適切なら、やろうと思ってもブリッジなど出来ない。コテの温度が下がったとき（たぶん電源を切ったのだろう）に半田付けしたに違いない。


完成の図。各セルを個別に充電しているところ。充電電流は１Ａに設定。このヒートシンクのサイズだと１Ａが限界と見ていい。最大能力の１．２Ａで充電するならもう少し大きいヒートシンクがほしいところ。左側の２系統は単セルの充電用にした。


回路図　＜−ＧＩＦファイル

回路図＆基板パターン　＜−ＥＡＧＬＥファイル

充電した電池を放電させました。２セル用とほぼ同じだけ充電できました。まだ新品なので各セルのばらつきは無いのでしょう。


◆◆◆　キット化　◆◆◆

基板メーカーに発注予定の基板、両面基板なので部品を密に配置してサイズをちょっと小さくした。ＩＣの向きを９０度回転させてヒートシンクを取り付けやすくした。大きめのヒートシンクを複数のＩＣにまたがるようにして放熱両面テープで貼り付ければ、かなりしっかり取り付けることが出来る。ＩＣは２セル用も１セル用もピン配列が同じなので基板は共通して使用できる。一番難しいのは何枚発注すべきかだ。少ないと１枚あたりの価格が高くなってしまうし、多すぎると売れ残ってしまう。


Ｐ板．ｃｏｍにオーダーした基板のパターン＆回路図　＜−ＥＡＧＬＥファイル
Ｐ板．ｃｏｍにオーダーした基板のガーバーフォーマットファイル　＜−これで作ってもらいました

できあがった基板


基板のパターンを間違えて一番右側だけかっこ悪いことになってしまった。ＬＥＤの色が逆。


充電電流の確認。だいたいＤＩＰスイッチで設定したとおりになる。計算上は２５４ｍＡのはず。抵抗の誤差があるのでこれくらいはやむを得ない。


半田ごてで指を焼いてしまった。焼くと、こんな色になります。


キットの完成状態はこちら