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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。

110mAhのリポ電池の放電特性

aitendo で売っている110mAh のリチウムポリマー電池の放電カーブと電流容量を測定してみました。

▼110mAhのリポ電池
110mAhのリポ電池(aitendo)
aitendo の販売ページ、 リチウムポリマー電池(3.7V/110mAh) [SX-3.7V-110MAH] ジはこちら2年前に店頭で買ったまま使わないで放置していたものです。写真はaitendoのWebから転載。

測定はArduinoで作った測定用アダプタを使いました。詳しくはこちらの記事で、

▼放電カーブ
110mAhのLiPo電池の放電カーブ
負荷抵抗は10Ωで測定しました。電圧は3.2V程度になっているので、電流は0.32A流れています。この電流は電池にとってはかなり重い負荷です。なお、グラフに線が二つあるのは2回の測定結果を表わします。

この負荷(10Ω)では 1100秒、つまり約18分電源供給が可能ということになります。

電池の開放電圧が3.7Vあると仮定すると、10Ωの負荷時に3.2Vまで電圧が下がっているので、内部抵抗は、1.56Ω ということになります。

▼積算電流
電流容量
プログラムで電流の積分値を計算していますが、その値は98.21mAhでした。公称容量は110mAhですが、内部抵抗の影響で端子電圧が下がってしまうため、少し小さな値になったものと思われます。

◆まとめ
放電時間18分ということは、約3.3Cで放電させたことになり、かなり大きな電流で放電させたことになります。電流容量の測定結果は98mAhで公称値の110mAhより1割くらい小さな値となりましたが、これはまあ仕方が無いでしょう。

ともかくこの電池は買ってから2年経ってますが、ほとんど劣化していなかったということになります。但し内部抵抗が1.5Ωくらいあるので、大きな電流を流す用途には向いていないようです。

電池容量の測定の話としてはこれでおしまいになります。ただ、この測定を行ったのにはもう一つ理由があって、

◆ラジコンヘリの電源
実はこの電池をおもちゃのラジコンヘリの電池として使えないかと思ってこういう測定をやりました。

おもちゃのラジコンヘリやドローンの飛行時間は5分くらいなので、電流としてはこの測定の3倍くらいの電流を流していることになります。つまり負荷電流は1A近くに達することになります。その場合、電池の内部抵抗は1.56Ωあるので外部に取り出せる電圧は2Vくらいまで下がってしまうことになります。

これではパワー不足になるばかりか、マイコンが正常に動かなくなる可能性があります。あと、この電池には保護回路が付いているのでここが過電流もしくは不足電圧でトリップしてしまう可能性もありそうです。

そんなことで、この aitendo で売っている 110mAhのリポ電池はいわゆる「飛び物」には不向きなのかも知れません。

ところで、Aliexpres を調べると小型のドローン用に容量が100mAh程度のリポ電池がいっぱい売られています。
例えばこれ 3.7V 100mAh 751517 リポバッテリー Cx10 CX-10 CX-12 JJ810 820 828 V646 RC Quadrocopter 3.7V リポ bettery

容量的には今回測定した物と同じレベルですが、ひょっとしたらドローン用に売られている電池は瞬発力が出るようにチューニングされているのかも知れません。具体的には、内部抵抗が低くなるようなセル構造、さらには電池の保護回路のチューニングあるいは電池側の保護回路の省略(保護は機体側の回路で行う)などが行われているような気がします。ただ、この辺りは経験不足で、はっきりしたことが書けないのがもどかしいです。どなたか情報をお持ちでないでしょうか。

あと、最近のおもちゃ病院には、リポ電池がダメになって動かなくなったおもちゃが結構持ち込まれています。こういうのって、どう対処するのが正解なのか悩ましいところです。「リチウム電池の交換は出来ません」、と言って断るのは簡単ですが、それでは子供がかわいそうだし、そもそも修理すれば使える物をゴミと宣告している訳で、あまり良い気持ちはしません。

電池が液漏れしていた。

コメントでLEDストロボの話が出たので、昔作った物を引っ張り出してみました。

▼LEDストロボ
ストロボ
詳しくはLEDストロボのカテゴリに記事があります。

この写真はちゃんと光っている状態ですが、実は最初は全く動きませんでした。

中を開けてみると、

▼電池が液漏れ
電池が液漏れ

▼本体側
電池の液漏れ
電池ケースに漏れ出した液が乾燥して付着しています。水溶性の汚れなので、湿らしたティッシュペーパーで綺麗に拭いておきます。

これを作ったのは2016年の2月で、その時の記事の写真に写っている電池をそのまま入れっぱなしにしていたと思います。ということで、5年経つとこんなことが起きちゃうということです。

▼外装フィルムを剥がす
外装を剥がした
この電池には電圧の表示機能が付いています。これが、どういう原理になっているのか興味があったのでフィルムをめくって中を見ました。しかし薄いフィルムが重なっているだけで、原理はさっぱり判りませんでした。たぶん液晶を使っている気がします。

そんな機能はいらないから、液漏れ対策の方にお金を使ってもらいたいです。

▼外装剥がし完了
分解完了
子供の頃は、好奇心から電池の外側の金属をひん剥いて中の電極まで分解したものです。でもそんなことをすると、後始末が面倒になるので、大人になるとやらないですよね。

このままでは汚くて捨て難いので、電池と判るように透明な梱包テープを巻いて、電池のごみに出すことにしました。

◆まとめ
おもちゃ病院に持ち込まれるおもちゃで、電池が空になって動かなくなったおもちゃはたぶん30%くらい、さらに電池が液漏れしているものは10%はあると思います。そんなことで、自分なりに気を付けていたのですが、それでもやっちゃいました。

電池を入れたままにしておけば使いたい時にすぐ使えるわけで、その便利さと液漏れした時の被害のバランスでどうするか、個人によって判断は判れるところでしょうね。
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