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超小型ドローン用のリポバッテリーの特性測定

◆まえがき
先月の初め頃に aitendo で売っている110mAhのリチウムポリマー電池の放電特性を調べました。狙いは最近おもちゃ病院に持ち込まれることが多くなった、超小型のラジコンヘリの交換用の電池として使えないか?というものでした。

しかし、測定してみると予想外に内部抵抗が大きくて、瞬発力が要求される「飛び物」の電源として使うのには向いていないというのが結論でした。よくコメント頂いている macosway さんに実機でテストしてもらったところ、すぐにシャットダウンされてしまってほとんど遊べないという連絡をコメント欄から、「実機での挙動」というタイトルで頂いています。

だったら超小型ドローン用に販売されているリポバッテリーならいけるんじゃない、ということでオーダーしておいたのがこれです。

◆購入した超小型ドローン用のリポバッテリー(クリックでAliexのページへジャンプ)
AliExのドローン用リポ電池
(CX-10用と書いてありますが、これは手のひらに乗るサイズの超小型ドローンです。)

やっと届きました。
20200519IMG_1515.jpg
容量は100mAhでサイズは751517(厚さ7.5mm x 15 x 17 mm)です。こんなに小さなバッテリーなのに、保護回路の基板が入っています。

◆放電特性
以下は2個それぞれの放電特性の測定結果で、負荷抵抗は10Ωで測定しました。青い線が届いたままの状態で、オレンジの線が満充電した後の特性です
電池-Aの特性

電池-Bの特性
電池Bの購入直後のグラフで電圧がゼロまで落ちているのは、低電圧保護が働いたのだと思います。

グラフを見ると、届いたままの状態でも70%くらいの充電量があるようです。これくらいの充電量が性能劣化を起こさないほど良い充電量なんだと思います。満充電後の放電時間は1000秒くらいで、同時に測定している電流容量の値は103mAhで仕様通りの値でした。

10Ωはこの電池としては重い負荷で、0.3Aくらいの電流が流れていますが、それでも端子電圧が3.5Vをキープしているのはたいしたものです。aitendoで買った110mAhのリポ電池は同じ条件だと3.1Vくらいの電圧しか出ませんでした。

・負荷特性の測定
電流に対する端子電圧の関係を電子負荷を使って測定しました
電子負荷でテスト
余分な抵抗の影響を避けるため、この写真のように電子負荷の端子に電池を直結して測定しました。なお、この電子負荷は外部電源モードに改造しています。

電流電圧特性
負荷電流と電圧の関係
4Aも流しているのに端子電圧が3Vあるのはたいしたものです。この瞬発力で空を飛ぶのでしょう。なお、大電流なので測定している間に電池が消耗するので、測定は短時間で行いました。

本当はもっと電流を流して電池の保護回路が働く様子を見たかったのですが、電子負荷の性能の限界でこれ以上電流を流すことが出来ませんでした。

・出力遮断特性
電子負荷で測定出来なかったので、低い抵抗値の負荷抵抗を接続していきなりドカンと電流を流し、出力が遮断される様子をオシロで観察しました。
短絡テスト
原始的ですが、セメント抵抗のリードを電池に接触させて測定しました。チャッタが出ることがありますが、意外とうまく測定出来ました。

過電流保護の動作波形
短絡テスト波形
これはデッドにショートさせた場合です。まあデッドと言ってもミノムシクリップの配線抵抗が入っています。端子電圧が1.6V程度まで低下し、12ms後に保護回路が働いて出力が遮断される様子が記録されています。負荷抵抗の値、つまり出力電流が変わっても遮断される時間は12msで変わりませんでした。

負荷抵抗0.1Ωの場合、電池の端子電圧は約2Vでした。単純計算だと20Aの電流が流れていることになりますが、配線抵抗もあるので実際の電流は10Aくらいだと思います。それでもえらく大きな電流です。

◆まとめ
ドローンに使われているリチウムポリマー電池は内部抵抗が低くて大電流を流すことが出来るように作られていると予想していたのですが、確かにその通りでした。

親指の爪程度のサイズの電池から数アンペアの電流を取り出すことが出来るのは凄いことだと思います。これだったら空を飛べるのもうなずけます。

このサイズで数アンペアの電流を供給出来る電池はあまり無いはずなので、何かユニークな物が作れるかも知れません。ただあまり激しい放電を行うと電池の寿命に効いてきそうではあります。ともかく技術の進歩は凄いです。

PZEM-020を使った消費電力測定(PC,NASなど)

◆再びPZEM-020
ここまでの記事は、PZEM-004T を使って電力の測定結果をファイルに記録した事例を紹介してきました。長時間の記録はこの方法でやれば良いのですが、消費電力があまり変化しない場合は単に消費電力を測定するだけで様子が判ります。つまり、表示機能しか無い PZEM-020でも大丈夫です、というかこっちの方が表示が大きくて見易いです。

・PZEM-020
PZEM-020

そんなことで、この電力計を使った消費電力測定結果を追加でいくつか紹介したいと思います。まずは電源を入れっぱなしで使うネットワーク機器です。

◆スイッチングハブ
たぶん7年くらい前に買った 1Gbps のスイッチングハブ(Buffalo LSW4-GT-8NS)です。
スイッチッブハブ
電源を入れっぱなしで使っても安心な金属ケース入りの8ポートのスイッチングハブです。

この消費電力はたった0.9Wでした(0.021A,2.14VA)。もちろん使用状態ですが、これなら全然問題無い値です。ちなみにポート間を接続してループを作ると消費電力が1.3Wまで増えましたが、これはやってはいけない状態です。

◆NAS
Buffaloの 2TBの NASで、型番は LS-WX2.0TL/R1 、かなり前に買った物です。
Buffalo の古いNAS
NASなのでマルチメディアサーバーとしても使えるのですが、実際にはたまに行うPCなどのデーターのバックアップに使っているだけです。消費電力が大きいので、普段は電源スイッチをOFFの状態にしていました。

測定してみると、動作時の電力は 12.9W(0.218A、22.32VA、力率60%)で、やはり電力消費が大きかったです。月に1回も使わないので、この電源を入れっぱなしにしなかったのは正解でした。

・動作モードスイッチ
NASの裏側
このNASの背面には写真のような電源モード切り替えスイッチがあり、AUTO/ON/OFF が切り替えられるようになっています。AUTOでは(私の使い方では)自動起動しなかったので、普段はOFFの状態にしておいて、使いたい時だけONにするようにしていました。

スイッチをOFFにしているのだから消費電力は極めて少ないだろうと思っていたのですが、実際に測定してみると、なんと 3.9W (0.078A、7.91VA、PF=49%)も消費していました。何もしていないのにこの消費電力はちょっと多すぎです。ちなみに、ACアダプタ単独では消費電力は0.0W(0.5W以下)だったので、NAS内部の消費電力が大きいようです。

まあ電源ONで使うのが前提の機器なのでこうなっちゃうんでしょうが、電源OFFのポジションがあるのにもかかわらず無視出来ない消費電力があるのはいただけません。最新のNASでもこんな感じなのでしょうか。

なお、ファイルサーバーとしては、インターネットルーターのUSBポートに挿しっぱなしにしている 32GB の USBメモリがあるので、極端に大きなファイルでなければこれで十分です。

◆パソコンの消費電力
パソコンを使っていない状態がしばらく続いた場合、自動的にスリープあるいは休止状態になってもらいたいのですが、実際にはディスプレイの電源だけが切れていて、本体はそのまま動き続けることがありました。つまり、使っていないのにもかかわらず30W程度の消費電力がずっと続く状態がかなりの頻度で発生していました。この記事の最後のグラフ参照。

これはスリープあるいは休止状態への移行がうまく行っていないのだと思います。ということで、状態確認のためにパソコンのモニタの下にPZEM-020を置いて消費電力が常に判るようにしました。
PCと消費電力計

電力計
これでパソコンの消費電力が判るようになりました。(モニタの電源も含んだ電力を測っています)

Windows の休止状態の設定は、「設定\システム\電源とスリープ\電源の追加設定\プラン設定の変更\詳細な電源設定の変更\スリープ\次の時間が経過後スリープ状態にする」から出来るようです(コンパネからも行けます)。すごく基本的な設定のはずなのに、バカみたいに深い場所にメニューがあって、何だかなーと言う感じです。

Windowsのバージョンが進むにつれ、こんな変なメニューの構造が増えてきて困ったものです。デバイスマネージャーなんてとんでもないところに置かれているので、その場所を覚える気すらしませんよね。

◆バックライトのスイッチを使い易くした
PZEM-020 ボタン押しやすく手直し
この電力計のバックライトはかなり明るくて目立ちます。バックライトはスイッチでON/OFF可能なのですが、そのスイッチは凹んだ場所にあって簡単には押せないようになっています。そこでΦ3/厚さ2mmくらいのプラスチック片をセロテープで止めたものを前に置いてボタンを押し易くしました。ここはボタンの長いタクトスイッチに交換したいところです。

◆まとめ
これまでの記事で peacefair 社の電力計の PZEM-020 と PZEM-004T を使った測定事例をいろいろ紹介してきましたが、今回の記事で一応終わりにしたいと思います。

ところで、我が家の1ケ月の消費電力量は約300kWhですが、平均電力に換算すると、300kWh/(30日×24時間)= 416W となります。ここまでの調査でテレビが122W、冷蔵庫が47.3W、ウォーターサーバーが33.6Wでした。記事で触れませんでしたが、ネットワークルーターの消費電力が12.9Wです。そうなると残り約200Wの内訳がまだ判っていないことになります。大きそうなところでは、照明、給湯機などがありますが、それ以外の細々したものが積み重なってこういう電力になっているのだと思います。

そのあたりはまた調べてみたいと思いますが、こうなると分電盤のブレーカーの根元で測定したほうが手っ取り早いかも知れません。その場合は、開放コア式のカレントトランスを使った電力計の方が設置が楽だし、工事士免許も不要ではないかと思います(100Vは近くのコンセントから持ってくる)。でもそのタイプの測定器は持ってないんですよね、まあ買いませんけど。

peacefair PZEM-004TとArduinoを使った消費電力ロガーの測定例-2

前の記事に収まらなかったので、PZEM-004Tを使った消費電力の測定結果をあと二つ紹介します。

◆ウォシュレット
トイレ監視
これ正式には何と呼べば良いんでしょうね。電気加熱便座付き温水洗浄装置とかと呼ぶんでしょうか。まあうちの場合、メーカーはTOTOなのでウォッシュレットと呼べば間違ってません。

なお、メーカーの型番はTCF4731 アプリコットF3A 製造年は2013でした。

上の写真のように、トイレの物入れの中に測定用のPCと一緒に仕掛けを入れて測定しました。

◆消費電力
トイレウォッシュレット
4日分の記録です。時々鋭いピークがあるのは、そのタイミングでトイレを使っています。温水の供給は瞬間式なので、短い時間ですが大きな電力が発生するようです。ちなみに、トイレのドアを開けた時点で人感センサが働いて温水の準備を行っているようです。

赤矢印が深夜の時間帯ですが、初日(最初の矢印)とそれ以降で消費電力が変わっています。初日は昼間と同じ消費電力ですが、2日目以降は深夜の消費電力がほぼゼロになっています。なお、ここで初日と言っていますが、これは測定器取り付けのために一旦電源を切ったので、初日の状態になったのだと推定しています

少し拡大
トイレ便座-M
同じグラフの縦軸のフルスケールを50Wに変更したものです。

通常は最大14Wくらいの間で変動していますが、これは便座を温めるための消費電力だと思います。2日目以降の深夜はこれがゼロになっています。使用状態を学習して、使われない時間帯は変力をカットする機能が働いたのだと思います。

横軸を拡大
トイレ便座-S
一つ上のグラフでは塗りつぶされてしまって判らなかったのですが、拡大してみると様子が見えてきます。

ベースの消費電力は電力は2.3Wくらい。パルス状に14Wくらいの消費電力が発生しています。この電力はおそらく便座を温めるために使われているのだと思います。

今回4日間の測定を行いましたが、その間の平均消費電力は5.66Wでした。便座をずっと温めておくには結構な電力が必要ではないかと思っていたのですが、実際にはさほど大きな電力にはなっていませんでした。

◆パソコン
消費電力が気になるパソコンも測定してみました

・デスクトップパソコン
Win10 PC
本体はこの写真に写っていませんがDELLの OPTIPLEX 7010 Amazonで買ったリユース再生品です。モニタはこの写真のように2台使っています。左がメインディスプレイで23インチ(HP2311F)、右がサブで20インチ(LG L204WT)です。これらをまとめた消費電力を測定しました。

なお、4日以上記録したのですが、単なる使用状況の記録になっていて、技術的に意味のあるデーターではありませんでした。

そんなことで、パソコンの電力使用状態の変化が判り易い部分を抜き出して紹介します。
パソコンの消費電力推移
負荷をかけると消費電流が120Wを超えますが、アイドル状態の消費電力は80でした。このうちPC本体が35W、メインディスプレイが15W、サブディスプレイが30Wと言う内訳でした。サブディスプレイの消費電力がやけに大きいことが今回判りましたが、このディスプレイは古いのでバックライトがFL菅なのかも知れません。

パワーOFF状態では1.9W程度の消費電力で、このほとんどはサブディスプレイの待機電力でした。なお、ディスプレイの電源は入れっぱなしで、PC側から電源を制御しています。

パワーが50W付近と30W付近になっている期間は、ディスプレイの電源を自動的に落としている状態では無いかと思います。こういう状態が長く続いた時は自動的に休止状態に移行して欲しいのですが、そのあたりが上手くいっていない感じです。もっと設定を見直した方が良さそうです。

◆まとめ
PZEM-004TとArduinoを組み合わせて消費電力のログが取れるといろんなことが判るようになります。特に力率まで考慮した有効電力、つまり電気代が判るのは重要です。

ところで、この測定に私はArduinoを使いましたが、ログを取るだけならArduinoは必ずしも必要ではありません。PZEM-004Tからシリアルに流れてくるデーターをリアルタイムで表示して記録する、更には画面にグラフ表示するプログラムをWindowsのアプリで作ることは、慣れた人なら難しくないと思います。いや、もう既にあるような気がします。少なくとも中国語のソフトは存在している可能性が高い気がします。

あと、こういうログを取る場合、記録を停止せずにそのデーターを参照することが出来ると便利です。今回はファイルサーバーにデーターを記録する方式にしましたが、そのファイルは別のPCから読むことが可能(排他制御でリードオンリーにはなる)なので、途中経過が判って便利でした。

パソコンの消費電力に関しては、未使用状態が続いたら速やかに休止状態に移行するように設定を変更する必要がありそうです。そのあたりの設定はWindousの電源制御の設定でやることになりますが、windows10になってからそのメニューが判り難くなったような気がします。そのあたりはまたやってみたいと思います。
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