リチウムイオン充電池の特性を理解した上での安全な活用

 今回のお話はリチウムイオン充電池１８６５０型です。リチウムイオン電池の活用としては数多く存在する　ノートパソコン・スマホ・携帯電話機・モバイルゲーム機・ヘッドホンプレーヤー・デジカメ・ハンディーメムービーカメラなどに内蔵・外付け充電池として身近に活用されている電池のお話です。忘れていました建設業界・DIYなどに活用されているコードレス電動工具に数多く採用されています。インパクトドライバーの充電池は２年もすれば電池不良となり　数多くの使用できない本体のみとなった電動工具はガラクタとして多数存在します。電池パックは共通性はなく新品のバッテリーパックは高額であり　つい新品モバイル電動工具類を購入している結果です。コードレス電動工具は5年以上使えた機種はありません。仕方なく利便性は悪いですがひも付き電動工具を使うことは多々あります。利便性をとるかコスト優先となるかは使用者の選択です。

無銭庵　仙人　と申します。くだらないブログばかりを投稿していますが　今回の記載内容についても　誤記載・誤解釈　が多々あると思います。話の内容についても時々寄り道となりますが愛嬌程度とご理解ください。又自己責任の範囲での工作事例等ですのでご了承ください。一般的にリチウムイオン電池を入手するに種類が限定されると思います。ほとんどの場合メーカーで安全対策を実施した機器組み込み仕様であり　電池単体として入手できる種類は数多くありません。

本題のリチウムイオン充電池の話に進みます。

リチウムイオン充電池　１８６５０型　２５本パック バルク品

上図は２５本入りのリチウムイオン充電池 18650型です。電池本体にはメーカー名・電池容量等の記載はありません。インターネットで規格を検索した結果　公称電圧3.7V 電池容量2400mA/h のリチウムイオン電池と判明しました。仕様書によると min 2250mAh 製品重量 46g 生の蓄電池であり保護回路は付加されていません。この電池を安全に活用するにはリチウムイオン充電池の特性を理解しなければ安全に使用することはできません。この１８６５０型リチウムイオン充電池は２0年ほど前から量産品の電池パックとして機器に組み込まれ　販売されている実績があります。当初は各製造メーカーでは国産品でしたが随時製造技術が韓国および中国本土に大量生産電池工場として技術者とともに輸出移管されました。近年製造技術・品質管理も向上しほとんど入手できる新品の１８６５０型電池としては中国製が大半です。国産品を探すには苦労します。ただ中身が異なるパッチ物を製造・販売しているのも事実です。新規購入の場合　騙されてはなりません。

上記掲載したリチウムイオン電池の製造会社は 日立マクセル製(HM) 中国で製造された電池です。

古くから世間には二次電池として鉛蓄電池が存在します。現在でも自動車に搭載されており寿命としては５年ほどではないでしょうか。自動車バッテリーとしては１セル当たりの起電力は 2.0Vです。公称電圧１２Vバッテリーであれば６個の電極(セル)が直列に接続されており 12.0V です。大型ディーゼルエンジン車ではバッテリーを2個直列とし2４Vで動作します。充電完了電圧は 2.3V(セル)であり　チャージアップ電圧は 13.8V です。充電完了すればエンジンに付帯しているオルタネーター(発電機)にある電子レギュレーター構造によりフローティングチャージモードに移行し　電池には過充電電流は流れません。蓄電池を保護し過充電とならないような構造です。もしも過充電状態となれば電池内部温度の上昇・電解液の減少など電池寿命に影響が出ます。

上図は製造後２０年前後と思われる電池パックを分解したリチウムイオン電池です。メーカーは日本製SONYと電池には記載されており 7.4V電池パックとして機器に付属していたものです。画像下のプリント基板は安全装置であり　電池の充・放電を制御している回路です。SONY US18650S は3.7V/1300-1400mAh 製品重量 39g の規格です。保護回路のIC製造ロットより　この電池の製造されたのは１９９６年製と判明しました。製造後２６年経過しており四半世紀経過してもなおかつ同等の蓄電池は多数製造されています。

このリチウムイオン充電池は寿命が来ていると思います。充電しても電池本体が高温となり負荷を接続後　放電状態ではすぐに電圧低下してしまいます。

リチウムイオン充電池の特徴として　発火・爆発などの事故をマスメディアなどではニュース素材として扱われていました。ノートパソコン・携帯電話・電動アシスト自転車等の蓄電池に絡む　火災・発火事故で回収騒動もありました。ガラケー時代の電池パックとして電池本体が膨らんでいるのをよく見かけたのではないでしょうか。現在一部を除きリチウムイオン充電池単体としては簡単には購入できません。通常の乾電池はスーパーマーケットなどで簡単に購入はできますが　充電式電池などはホームセンター・大手家電量販店などで販売されています。その電池はニッケル水素電池(NI-MH)が各種販売されており　単三型・単四型が主流です。充電器も付属されて販売されている場合も数多くあります。安価な充電池であれば百均ストアなどで扱われる　税別1本１００円で購入できる単三型ニッケル水素電池も見かけます。製造元はほとんどの場合中国製です。

上図は現在販売されているエネループと呼ばれている国産品ニッケル水素充電池です。今は消滅した三洋電機㈱が開発販売されていましたが　現パナソニックに吸収された結果　パナソニックのブランドでエネループ充電池が販売されています。三洋ブランドのエネループも現在数十本所有していますが問題なく動作しています。比較的劣化も少なく安定に動作することから単三型・単四型乾電池の互換品として数多くの方が使用していると推察します。上記画像の専用充電器ですが　単三型および単四型　ニッケル水素蓄電池専用の充電器です。４本同時に充電可能であり　各電池ごとに充電制御されています。チャージアップ電圧になると個別の電池において自動的に充電が終了し個別にある緑色のＬＥＤは消灯します。ランダムに電池を装着しても各電池が単独で充電制御されていますので　各電池の残容量が不ぞろいであっても過充電になることはありません。又各電池には製造ロットおよび製造国表示があり数少ない 日本製 maid in japan です。しかも min 1900mah 最低 1900mAh 保証と明記されています。電池単体の重量を測定してみました。エネループ 26g エネループライト 18g  高性能電池ほど重量は重くなります。しかし充電器は中国製です。

このニッケル水素電池にも使用用途に応じた種類が販売されています。ニッケル水素電池はニッカド電池のようなメーリー効果も発生せず　充電完了状態で販売されており　充電後５年以上経過した場合でも実用になる優れものの二次電池です。初期のハイブリット自動車の蓄電池に採用された実績があります。その後高性能のリチウムイオン電池に変革しています。単三型のエネループでは 1.2V/1900mA/h の規格ですが　下側の水色はエネループライトと呼ばれ 1.2V/950mA/h の規格です。電池容量は通常の約半分の電池容量しかありませんが　充・放電ができる回数は約２倍近くの寿命があります。高性能の電池の場合電池内部には大量の化学物質が封止されています。必然的に高性能電池ほど単体の重量を測定すれば重さも重くなります。一種の見分け方と思います。

同じニッケル水素電池にも高性能の電池も販売されています。現在所有していませんが　エネループプロと呼ばれており min 2500mAh と表記されています。充・放電サイクル回数は普通機種より短命です。以前デジカメ用として 当時 2000mAh 以上の電池を高性能型と呼ばれ 1.2V/2100～2200mA/h　 を使用していましたが　ある日突然充電してもすぐ放電してしまう ! !　マイクロリーク現象が発生し電池としての寿命が短かったとの記憶です。同じニッケル水素電池系ですが使用用途を考えたうえ選択されることを推奨します。発売当初ニッケル水素充電池の標準型での容量は下記画像の 1.2V/1600mA/h 前後の容量でしたが　徐々に標準型でも容量が増加しています。個人的にはコストと寿命を考えた場合 2000mAh 以下が使いやすいのではないかと思います。

上図は当時標準型の単三型ニッケル水素充電池です。購入後20年前後になると思います。デジカメに装着して使用していました。現在でも充電はできますが容量は減少し寿命と思います。液漏れ事故もなく優秀な作りです。当時でも新品当初であれば Min.1600mAh を保証しており　パッケージには 1700 の目立つ表示があります。昔よくお世話になった充電池です。

数多く消費されている乾電池はドライバッテリーとも呼ばれ使い切りの一次電池です。数多くの単三型・単四型が時計・リモコン等のあらゆる機器に採用されています。公称電圧 1.5V であり　現在多く販売されている電池種類として昔から存在するマンガン電池から液漏れ事故の少ないアルカリ乾電池が主流と思います。一次電池であり使い切れば廃棄しなければなりません。リサイクルできる電池として２次電池は販売開始より５０年以上前になりますが　ニッケルカドニウム蓄電池が開発されました。某電池メーカーでは工場廃液を周辺に放出したため　カドニウム米汚染が問題となった時期もあります。通称ニッカド電池(商品名カドニカ電池)と呼ばれており　公称電圧は 1.2V であり電池容量も明記され　数多く販売実績があります。特に非常用電源装置として消防設備・保安灯等に電池パックとして機器に組み込まれ販売されていました。大型の電池パックでは 24V/3500mA/h の電池も販売されています。形状は単一型乾電池とほぼ同じであり　直列に２０個の電池セルがリード板と呼ばれるニッケルメッキされた薄い鋼板でスポット溶接されて電池パックとして販売です。1.2Vの電池電圧では実用性は少なく電池を複数本直列接続として機器に搭載・内蔵され販売されていました。又消防設備では定期的な法令点検も義務付けられており電池パック交換作業も発生します。なぜ電池パックの電圧は 12V,24V,48V が多いのでしょうか。ニッカド電池が開発される以前は鉛バッテリーが主流でした。鉛バッテリーは補充液が必要であり保守作業も必要でした。寿命も短かったたと思います。カドニカ電池などメンテナンスフリーの蓄電池が重宝しました。電話交換機などの鉛バッテリー 48V の場合長寿命鉛バッテリーで 6V 単位のバッテリーが8個直列接続され48V ,寿命は１５年ほどでした。ほとんどの方がお世話になっている携帯電話基地局にも大型蓄電池が装備されています。 2.0V/500Ah～2000Ah 容量であり24個直列接続です。災害などで基地局が停波しますが　商用電源を喪失した後0.5日～２日程度で運用停止となることもあります。近年基地局無線設備も小型化となり消費電力も改善されています。少しでも停波時間をなくするため太陽光発電を併設している設備も見かけます。無線設備はコンピューターの集合体です。いったんリセット状態となると再立ち上げに相当の時間が必要なため大型蓄電池で無停電装置を構築しています。商用電源のみではパソコンと同様に雷などによる瞬間停電が怖いのです。

上図は数多くの商品に搭載されていたニッカド電池です複数本直列に接続されており　リード板でスポット溶接されているのが判明すると思います。なぜ乾電池のように電池ケースに収容されないのでしょうか。それは電池が消耗しても再度充電することにより電池が復活するため電池ケースには収納されず電池セル間を金属板で接続され機器に組み込まれているからです。初期のコードレス電話機に多用されていました。

電池本体に直接はんだ付けは厳禁です。電池本体が破損する恐れがあるためスポット溶接が採用されました。

初期の携帯電話機はニッカド電池が搭載されており使用時間も短かったと思います。常時予備バッテリーを準備していました。同じくVTRビデオカメラにしても同様です。初期には鉛シールバッテリーから始まり　カドニカ電池となりましたが　形状はカメラ部・VTR本体とショルダータイプです。現有品ハイビジョン・ハンデームービーに比較すると重量もあり大変です。現在では片手にすっぽり収まり電池はリチウムイオン電池で動作します。予備バッテリーも複数個準備して旅行も楽しみました。

カドニカ電池とニッケル水素電池はよく似た特性ですが特徴として相違点もあるため使用用途も考えなければなりません。カドニカ電池は長期間保管すれば電池容量は低下する特性があり　メモリー効果として一時的に電池容量が減少することもあります。良い特徴として過放電・過充電に強く扱いやすい電池です。しかしカドニウムといわれる物質が含有されており環境問題も含まれている蓄電池です。その後開発された高容量であるニッケル水素電池が登場してからはデジカメなどに多用されました。ニッカド電池の場合単三型であれば電池容量として 1.2V/450mA/h であり　ニッケル水素電池であれば同じ単三型であればエネループのように 1.2V/1900mA/h と同じ形ですが高性能の電池ということができます。

この電池容量の表記ですが　起電力が 1.2Vで1900mAの電流を流した場合一時間で電池容量がなくなることを表します。電力を表す単位ワット(W)で表示されている場合もあります。電力の計算式は物理の話ですが

P＝Wt で表され W＝I(電流)×E(電圧) の公式でにより 上記のエネループ電池の場合　1.2V×1.9A ＝ 2.28W と表示される場合もあります。この1.9A がこの電池の 1C の電流と表せます。放電状態から満充電となるためにはこの電池てあれば 1.2V 以上の電圧を加え 充電電流が 1.9A(1900mA) で充電時間が一時間とした場合　満充電となることを表します。その時の充電電流が 1.9A であることを 1C の充電ということができます。普通充電とは電池容量の　1/10で行う充電電流で１０時間充電することを 0.1C の充電、普通充電といいます。充電効率で損失も発生するため充電時間は理論値の１.２倍から１.５倍に設定されています。コードレス電動工具に使われている電池パックでは　急速充電と呼ばれ１５分から３０分ほどで満充電となるには電池容量の２倍(2C)から３倍(3C)以上の充電電流でなければ満充電とはなりません。充電直後の電池パックは相当高温になっているはずです。又電動工具モーターの起動トルクおよび起動電流も大きく　12Ｖのインパクトドライバーの起動電流を測定しましたが瞬間ですが20Ａ以上の電流が流れていました。このような急速充電・大電流消費となれば　電池の使い方は短命の電池寿命となります。電池にとっては非常に過酷な使い方です。このような使い方は理論上お勧めできませんが　利便性のみを追求した電池の使い方です。カドニカ電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池は乾電池と異なり電池の内部抵抗が小さく大きな電流を取り出せるのも利点といえます。

余談ですが　大電流を得ているコードレス電動工具の電池パックですが　電池単体ごとの充・放電保護回路はほとんどの場合使われていません。生電池の集合体で制御しているようです。電池容量及び電圧を確保するため　生電池を直列・並列接続して目的の電池パックとなっています。電池パックの規格を見れば搭載されている電池の本数がほぼ判明します。今回採用した１８６５０型電池であれば１本あたりの電池容量は 2000mA/h～多くて4000mA/h 未満であると思います。初期の電池では 1000mA/h 台の容量でした。この数字以上の電池であれば パッチモン と判断します。某販売店では １８６５０型電池として 9900mA/h の電池と表記して堂々と販売しています。価格も高額ではありません。理解に苦しみます。又集合体電池の場合　製造ロットのそろった電池を使わないと　各セルのばらつきが多い場合　電池寿命として短命になると思います。

一般的な二次電池のお話でした。本題のリチウムイオン充電池の特徴について話しを進めます。

上図は左側 国産 Panasonic リチウムイオン充電池 NCR-18650Bと 右側 中国製 Maxcll ICR-18650 です。国産品は国内で入手できず中国から輸入した新品です。

まずはリチウムイオン充電池の特性を知らなければ安全に扱うことができません。

入手したメーカーが公表している充電池の仕様(スペック)　Maxell ICR-18650

充電電圧　　　4.2V  (充電終止電圧)

公称電圧　　　3.7V

放電終止電圧　2.75V  (放電カットオフ電圧)

公称容量　　　2250mA

標準容量　　　2250mA

最少容量　　　2200mA

充電電流　　　1000mAh

最大充電電流　2250mAh  (1C充電)

放電電流　　　1000mAh

最大放電電流　6000mAh

注釈　今回入手した仕様書は　ICR 18650PD と記載されていません。参考資料としてください。電池容量が少し少ないと思います。又原文は英文です。

特徴

１.同じ体積であれば電池容量が大きい(エネルギー密度が高い)

２.電池の起電力が高い　公称 3.7V

３.長期保管の場合の電圧　過充電電圧及び過放電電圧での保管は電池寿命が短命となる

４.衝撃に弱い(電極間隔が狭く高密度である)

５.間違った使用方法の場合　発火・爆発の危険が伴う

６.充・放電制御(保護)回路が必要

7. 電池の内部抵抗が低い(大きな電流を取り出せる)

8. 過放電状態で保管した場合　電池が復活しないことがある

9. メモリー効果が発生しない(追加充電が随時可能)

以上のような長所・短所を持った二次電池です。欠点等は回避しなければなりません。エネループ電池　単三型の容量は１本では2.28Wですが３本直列接続とした場合 3.6V/1900mA/h (6.84W) の電池です。3本直列接続でリチウムイオン電池１本分とよく似た電池電圧・電池容量です。

　冒頭画像のリチウムイオン充電池18650型の場合 3.7V/2400mA/h です。ワットで表示した場合 8.88W容量といえます。

今回入手したリチウムイオン充電池 18650型の電池ですが　充・放電制御回路は組み込まれていません。生電池です。電池内に充・放電制御回路を内蔵した電池も販売されています。購入前にはよく調べ仕様を確認しなれればなりません。

今回お話しているリチウムイオン電池ですが　大きく分けて2種類あります。その一つは冒頭の画像円筒形の１８６５０型リチウムイオン電池で電池内部にはイオンが自由に動くための電解液が容器内に密封されています。もう一つは下記画像の　リチウムイオンポリマー電池です。電気を充・放電する原理は同じですが　電極間にある物質は液体ではなく ポリマー(重合体)状の物質に絡んだゲル状であることです。例として多孔質のスポンジにイオンが動くための電解液を含ませたようなものです。そのため簡易的な密封状態であり　アルミラミネート剤などで封止されているものもあります。形状としては角形が多く厚みも薄くでき平板状が数多くあります。

上図は携帯電話・スマホなどに搭載されていたリチウムイオンポリマー充電池各種類です。以前不要となった携帯電話機に搭載されていた電池を使って工作した残骸です。左上がスマホ用途で 3.7V/1700mA/6.3W/h の電池パックで　後の電池はガラケーに搭載された電池であり 3.7V/800mA/h 前後の容量です。一部電池が膨らんでおり寿命の尽きた電池も存在します。この電池の場合　充・放電制御回路は電池内部に搭載されており　専用の充電器で充電となりますが DC:5V を直接接続した場合でも　充電完了すれば自動的に回路を遮断できる構造であり　また電池が過放電とならないように電話機本体でシステムシャットダウンとなり電池を保護する構造です。ガラケーの場合充電器の規格として現在のスマホとは異なり１A以上の充電電流はほとんど存在しません。電話機として動作しながらの充電時間は約２時間前後であったと記憶しています。充電電流 0.5C ほどであったと推測します。しかし急速充電の部類であり電池温度が上昇したのも理解できます。電池温度検出端子としてプラス極・マイナス極以外に T端子 が付加されています。リチウムイオン充電池は同じ体積でのエネルギー効率が高く安全に使用するには他の電池く比べて使用方法に多くの制限があります。

過充電　　充電完了電圧は１セル当たり DC:4.2V以下とすること

過放電　　放電終止電圧は１セル当たり DC:2.8V以上とすること

もしもこの電圧より低い電圧で長期保管した場合再充電しても電圧が回復しないことがあります。上記画像では左上の 3.7V/1700mA/6.3W/h でセル電圧が　1.372V を表示しており充電できません。廃棄となる電池です。

リチウム電池として当初の電池では 過充電・過放電 の 制御電圧は異なっていました。安全に使用できる電圧幅は狭かったとの記憶です。製造技術・品質管理の向上により徐々に現在使用可能範囲の電圧領域拡大につながったと思います。又この使用可能電圧幅を狭くすることにより電池寿命も延命となるようです。産業用 DC:48V 大容量のリチウムイオン電池では数多くの18650型電池セルにアドレスを振り電池個別の情報もPCで確認できる蓄電池もあります。太陽光発電パネルおよび商用電源より得たエネルギーをリチウムイオン電池に充電し　その電池からインバーター制御パワーコントロール装置で　三相200V交流を発電し電力として供給する大型装置です。変圧器を介して 3Φ 6600V に変換し送電実験しています。某電池メーカー研究施設・生産工場での実証実験施設です。太陽光発電では昼間しか発電できません。電力のピークカットに貢献できます。いったん蓄電池にエネルギーを蓄えた場合　必要な時に商用電源として発電できるメリットがあります。大容量の蓄電設備に各社研究開発しています。

上図は　電池内部に保護回路基板搭載型と思って購入しましたが　入手後外観寸法を測定しましたが Maxcll ICR-18650 と同じ寸法であり　マイナス極に保護回路基板が搭載されていません。そのため4～5mm寸法が長くありません。購入ミスが発覚しました。この電池は生電池であり充放電制御基板を取り付けなければ安全に使うことはできません。電池品番は Panasonic  NCR-18650B です。保護回路基板搭載品については外観上ほとんど判別がつきません。電池容量は　3.7V 3400mAh 型であり高容量タイプです。入手時での電池電圧は 3.7V 程度で長期間保存するに最適な電圧であったことが判明しました。現在流通している新品の電池の場合　ほとんど中国製ですが　数少ない高品質の MAID IN JAPAN 製です。

リチウムイオン充電池の 充・放電における特徴

今回入手したリチウムイオン充電池内には保護回路が搭載されていません。生電池そのものです。１８６５０型電池の場合外観でいうと　直径 18mm の円筒　長さ 65mm の大きさです。この規格は電池単体での寸法であり　保護回路搭載された電池ではプラス極と電池本体間に制御基板が搭載されるため 約 5mm 程長さが長くなります。

リチウムイオン電池における動作許容電圧として　上限(充電終止)電圧 4.2V  下限(放電終止)電圧 2.8V　範囲内での機器動作電圧として設計しなければなりません。この数値がリチウムイオン充電池の充・放電制御電圧です。

現在入手可能な市販されている　充・放電制御基板完成

USB TYPE-C が接続できる蓄電池充・放電制御回路完成品　１０枚組で入手。身近にはスマホ充電器が多数あると思います。近頃では２口 出力電圧 DC:5.0V 2.5A容量の USB 充電器が簡単に購入できると思います。ほとんどのスマホの充電端子構造は USB TYPE-C と思います。今回入手した制御基板は充電器としては現在において数多い USB TYPE-C を選択しました。単価税込み 100円以下で入手できると思います。大量に中国で生産されているため　国内で同等の回路を組み立てた場合１００円以下では作成できないと思います。コネクターがマイクロUSB仕様も販売されていました。今回使用したUSBケーブルは100均ショップで１１０円で購入したケーブルですが　実用性があり何の問題も発生していません。現在 DC:5V 給電方法として自作ミドルタワーPCのフロントパネルに設置してあるUSB端子から給電しています。PCには５００W電源を搭載してあり電源供給源として活用できています。(ユニット基板は2022/07/28現在 某大手通販より入手)

充放電制御基板完成　コネクター USB TYPE-C 型　拡大画像

上記画像は充放電制御基板完成 USB TYPE-C 接続状態画像です。右側 　USB TYPE-C　接続ケーブル　により DC:5.0V が供給されます。左側はんだ付け端子は OUT- 端子は負荷接続端子マイナス極　その下　蓄電池接続端子マイナス極接続　その下　蓄電池接続端子プラス極接続　一番下　負荷接続端子プラス極　と通常４か所の接続で動作します。この仕様では USB TYPE-C コネクターの右端上部と下部に接続する端子は直接 DC:5V を接続する端子であり  USB接続をしない場合接続する端子です。画像では基板下側に赤色と青色のLEDが搭載されています。現在青色が点灯している状態で　充電完了を表示しています。充電中は赤色のLEDが点灯します。

この状態が充電制御回路完成です。負荷として高輝度白色発光ダイオードを取り付けてあります。基板内には赤色のLEDが点灯していますので　現在充電中を表します。

今回採用したリチウムイオン充電池 18650型の充・放電制御基板完成のメーカーが公表している仕様です。参考としてください。

接続コネクター USB TYPE-C

入力電圧　DC:4.35V～DC:6V  DC:5.0V 推奨

蓄電池放電終了制御電圧　DC:3.2V

蓄電池過電流保護電流値　DC:3.0A

蓄電池過充電保護電圧　DC:4.28V

最大充電電流出力　DC:1.0A

充電完了制御電圧　DC4.2V±1.0%

蓄電池過充電リフティング電圧　4.00V

上記が製品に記載されていた仕様です。リフティング電圧4.00Vの解釈は理解できておりません。悪しからず。自己解釈ではリフティングとは　持ち上げと解釈できますので過充電保護回路動作は4.00V以上になると動作範囲として働くと解釈しました。終止電圧がDC4.2V±1.0% で働くからの推察です。

この保護基板を常時接続した場合　負荷を接続していない場合でもごく微量ですが回路消費電流が発生します。その値は実測 3.2μA 程度消費しています。電池本体容量値と比べてもごく微小の回路消費電力です。

仕様から得られた情報により　この保護回路基板を蓄電池に接続することにより　過充電保護 DC:4.2Vで充電停止　　放電時回路切断電圧(過放電保護) DC:3.2V  充電電流制御　DC:1.0A 　各規格により蓄電池保護が形成されていることが判明します。過放電保護電圧は電池のスペックより高い電圧で放電休止となります。制御により安全な蓄電池動作範囲として活用できると思います。このような制御がない場合　蓄電池を痛める可能性があります。手動制御とした場合結構大変な作業です。これらの制御数値から安全に電池を扱うには　安全に使用できる電圧幅は DC:3.2V～DC:4.2V の間が運用できる蓄電池運用電圧範囲であることが判明します。

18650型の場合 3.7V/2400mA/h　ですので　充電電流　最大1.0A   最大放電電流　3.0A    過放電保護電圧　3.2V   　過充電保護電圧　4.2V   で蓄電池は今回採用した基板を取り付けることにより制御されます。1.0Aの充電電流の場合フル充電となるには電池容量から換算すると　約2時間強の充電時間が必要であると推察できます。充電状態の電流を観察しました。最初は定格の 1.0A 程度で充電していましたが　満充電電圧近くになると充電電流が減少傾向でした。

正常な18650型リチウムイオン充電池では　この基板を接続して充電した場合　充電完了直後　電池本体の温度は通常時と大きくは変化がありません。充電入力された電力が電池に効率よく蓄電されている証拠です。疑わしい電池では充電時電池本体温度が上昇する傾向と思います。特にガラケーなどでは電池パックが膨らんだり充電すると電池温度が上昇しているのをよく見かけました。電池寿命の前兆現象と思います。初期の保護回路基板と比較した場合　部品点数も少なくIC集積度も上がり小型化となりました。その恩恵により 18650型電池内に保護回路基板を搭載できるまで技術進歩しました。

アップコンバーター付き　リチウムイオン電池　充・放電制御回路完成基板

上図は充・放電制御基板ですが入力端子は　マィクロUSBであり TYPE-AのUSB端子はモバイルバッテリーと同じ働きをし DC:5V が出力されます。リチウムイオン電池からアップコンバーターにより 3.7V を 5.0V に昇圧する基板が組み込まれており　基板裏面にフェライトコアに巻かれた銅線コイルがありますが動作しているときには結構な発熱があります。この基板はリチウムイオン電池の充・放電制御する機能もあるため電池保護となっています。左側のコネクターは TYPE-A で DC:5V が出力されています。リチウムイオン電池を充電するときには DC:5V 入力端子は マイクロUSB のケーブルを接続します。基板の左上側のコネクターです。DC:5Vとして取り出せる最大電流は 1A 程度と思います。この基板の充電終了電圧は 実測 4.25V で赤色のLEDは充電中点滅し　充電完了時は連続点灯となっていました。0.05Vほど電圧が高いようですが誤差の範囲内と判断します。

この保護基板をリチウムイオン電池に常時接続した場合　負荷を接続していない場合でもごく微量ですが回路消費電流が発生します。その値は実測 20μA 程度消費しています。

動作実験中に マイクロUSBコネクター が突然基板から外れてしまいました。構造を確認すると各部品のハンダ付けは機械ハンダ付けされており　コネクターの金属筐体は確実に本体基板とはハンダ付けされていません。そのため強度不足でコネクター抜き差し作業で大きな応力が発生し基板から外れたと思います。今回購入した数種類の完成基板ですがほとんどの場合コネクター部のハンダ付けは確実ではないと思います。コネクターの金属部と基板間を強度を得るため補充ハンダ付けされることを推奨します。各完成基板の１枚購入価格１0０円程度ですので　強度面では ? さすが　製造国　メイド　イン　中華人民共和国　製ですね。

リチウムイオン充電池は扱うに制約が多い電池であると説明しましたが　長期間保管する場合はどのような状態で保管するのかを考えます。充電完了後は保管に適しません。電池寿命を短くしてしまいます。又電池電圧が３V以下となった場合も同様です。過放電で長期保管した場合　充電しても電圧が復活しない場合もあります。中途半端な表現ですが容量の半分程度が保管に適していると思います。セル電圧で表記した場合 3.6V 程度が適正電圧と思います。必要な時に満充電してから機器を使用することとすればよいと思います。

くだらない記述であったかもしれません。充・放電制御回路を組み込み蓄電池システムとして完了しました。完成した電池ユニットを目的の機器に組み込みますが　電池を扱う上でのハード的問題も解決しなければなりません。又実働状態を確認するための測定機器類も必要となってきます。最低デジタルテスターは準備ください。

最初に紹介する工具(治具)の説明します。

今まで説明してきた画像で気が付かれた方もおられると思います。今回の実験では１８６５０型電池から直接リード線が接続され引き出されていたと思います。前置としてメーカー製の商品に搭載されていたニッカド電池ですが　機器組み込みの場合複数個の電池セルをニッケルメッキが施されたリード板で電池間が接続されていました。接続箇所はスポット溶接です。電池本体に直接はんだ付けは電池本体を破損する場合があり　短時間で温度上昇の少ないスポット溶接が一般的です。その取り付けたリード板にリード線をはんだ付け接続しています。

上図は某大手通販より入手した　DYI 用途のスポット溶接機です。内部には大容量のリチウムイオンポリマー電池が内蔵されており　瞬間的に取り付けたいニッケルメッキを施したリード板　厚さ0.1mm　幅８mm から10mｍ　のリード板を電池のプラス極とマイナス極にスポット溶接をする工具です。瞬間的ですが大電流により金属が溶解して接続する工具です。最大リード板の厚さとして0.1５ｍｍ　の厚さの板まで溶接することができます。実験的に銅板にリード板を溶接しようとしましたが　接触抵抗値が小さいためジュール熱の作用が発生しにくいため　銅板とリード板との溶接はできませんでした。この溶接機は電池の電極と専用のリード板のみ溶接する工具と判明しました。ステンレス鋼板とは溶接はできます。

上図はニッケルメッキを施したリード板を電池の各極にスポット溶接している画像です。工具から出ている電極がリード板に接触後　現在1.5秒すれば　パチと音が発生しスポット溶接が完了です。この接続では2か所スポット溶接となります。接続抵抗値減少を狙い　違う個所を再度スポット溶接をします。リチウムイオン充電池リード板溶接作業用途として工作台をかまぼこ板で作成しました。この溶接作業は接続するリード板を目的位置に固定するのと　溶接電極を目的場所に接触するにはあわただしい作業です。ある程度の電極棒をリード板に圧接する圧力も必要です。猫の手を借りたい状態です。

スポット溶接が4か所完成しました。明るい光源での撮影ではスポット溶接状態が分かりにくいため　わざと暗い画像で撮影しました。リード板は1０ｍｍ幅を半分とし　5ｍｍ幅のリード板を加工しています。今回工作に使用する消費電流は大電流を目的としていません。そのため短いリード板に直接電線をはんだ付けするためです。

このような構造はメーカー製機器での電池接続方法です。プロ用スポット溶接機は結構高額であり工作程度の使用頻度ではなかなか購入できません。今回ポケットマネーで DIY 用途のスポット溶接機を入手しました。

DIY用　スポット溶接機　内部構造

上図2枚はスポット溶接機の操作パネルと内部構造です。搭載されているリチウムイオンポリマー充電池は角形の電池2個が並列接続されています。製造国は中国製と思います。品番として日本語取説には WB-Merc スポット溶接機と簡単に説明された日本語マニュアルが付属していました。定格として　5AH・65C と明記されており　内蔵されているリチウムイオンポリマー電池の電池容量は　5000mA/h の電池と判明しました。取り出せる電流ですが　瞬間的ですが65Cの表示かあるため最大電流は 325A と判明します。瞬間的に大電流を各電極間に流しジュール熱作用により金属が瞬間的に溶接できる構造と判明しました。これらの制御はシングルチップマイコンが搭載されており　溶接作業が簡単になおかつ短時間で完了する　ＤＩＹ用途として販売されているスポット溶接機です。小さなカラー液晶画面が搭載されており　リアルタイムの電池電圧、溶接電流、溶接遅延時間、溶接電流の設定値などを表示します。同じ形のようなスポット溶接機ですがメーカーにより多少仕様が異なっていました。入手した機種は溶接電流は30段階設定でき遅延時間は0～2.5秒の間に設定できます。仕様書での出力電流は 0.8～1100A  と記載されていました。瞬間的ですが非常に大きな数字です。

その他の機能としてモバイルバッテリーモードを搭載しています。リチウムイオン電池からアップコンバーターにより USB端子A型からは安定した 5.0V/2.1A を取り出せることができます。モバイルバッテリーとして活用した後は注意が必要です。終了後内蔵電池電圧が3.7V以下となっている場合　電源オン・オフを3回続けるとマイコンの保護回路により溶接機としての機能が停止してしまいます。搭載されているマイコンの保護回路動作のため機器として活用できなくなります。回避方法として強制リセットが必要と思いますがメーカーに相談となっています。強制リセットは電気の知識がない場合事故につながると思います。内部構造を確認しましたがマイコンリセットスイッチは搭載されていません。内蔵電池充電はTYPE-C のコネクターに2Ａ以上の充電器を接続し　特に溶接作業前には電池をフル充電する必要があります。リチウムイオン充電池の特性からはこのスポット溶接機は特殊な使い方です。

前項目でリチウムイオン充電池の特性を説明しましたが　このスポット溶接機は次に使用するまでの間　内蔵電池保護のためどのような電池電圧で保管するのがベストであるかです。スポット溶接機として使用後はモバイル電源として当方は電池電圧 3.8V まで放電後保管するようにしています。満充電状態での保管は好ましくありません。長期間保管時搭載されているワンチップマイコンでの消費電流は少ないですが必ず電池は消耗放電します。次回再使用時には最初スポット溶接機の充電作業から始めてください。

　今回購入したスポット溶接機での安全な取り扱い方法を自己解釈により記載しました。

このスポット溶接機を使っての失敗事例

ニッケルメッキされたリート板を電池に溶接するときに発生した失敗事例です。スポット溶接しますがリード板が正常に電池に溶接できず　リード板がすぐはがれてしまう症状です。原因が判明しました。スポット溶接時電極棒を溶接個所に強く圧力を加えた状態で溶接作業を実施したため接触抵抗が少なくなり規定電流が流れるがジュール熱の発生が少なくなるため接触部の温度が上昇せず金属同士の溶着ができないことが判明しました。何度か失敗を重ねた結果　電極棒の接触個所はあまり圧力が加わらないようにすると正常に溶接ができます。金属間と電極棒の接触抵抗が溶接の良否となるようです。溶接作業において溶接個所に押し付ける電極棒の圧力を訓練しなければ確実なスポット溶接はできません。

工作応用例

一次電池にリチウム電池が存在します。よく見かけるのがコイン型の電池ですがメモリーバックアップ用として CR2025型および CR2032型は　常時予備品として電池を備蓄しています。ところが機器組み込み型のリチウム一次電池においてコイン型電池にタブと呼ばれるリード板がスポット溶接され機器に直接はんだ付けされている場合も見かけます。電池が消耗すれば専用のタブ付き電池を探さなければなりません。費用もかさみます。そこで上記に紹介したスポット溶接機を使用すれば安価なコイン型電池にリード板を溶接すれば機能は回復します。以前このリチウムコイン型電池の中途半端な消耗により　機器の動きが不安定となり修復作業に手間取った記憶もあります。これがあれば簡単に電池交換作業ができます。

SFC プログラムカセットに搭載されている　コイン型リチウム電池 CR2032

上記画像はスーパーファミコンのプログラムカセットを分解した画像です。製造後25年以上経過していますがバックアップの電池は現在でも正常に動作しています。ICの製造ロットより１９９１年製造品です。このバックアップ電池が消耗すれば　遊んでいたデーターが消えてしまいます。又記憶もできません。ここのカセットには一次電池であるコイン型電池が搭載されており　電池本体にスポット溶接したリード板が取り付けられ　カセットの基板にはんだ付けされています。一般市販されているリチウム電池にスポット溶接すればカセットは生き返ります。

余談

どうもこのスポット溶接機を購入される方の動向を見ますと　コードレス電動工具の電池パックを分解して寿命の尽きたリチウムイオン充電池を交換される方が多いようです。同時に購入している物品を見ると　蓄電池を直・並列接続するための作業台及び幅広のニッケルメッキリード板を購入しています。メーカー製の純正電池パックは高額であり　不良となった電池パックを再生しているようです。そのための周辺機器が多数販売されていました。18650型リチウムイオン電池はあらゆる機器に搭載されているようです。あくまでも自己責任による作業と思いますが ? 

不良となった電池パックを電池のみ交換できないものもあります。特にノートPCでは電池パックとPC間でお互いデーターを通信している機種も見かけます。電池事故も多く報告されており安全性のためプリンターのインクカートリッジのように　電池の状態をメモリーしている機種があります。この場合たとえ電池が正常となっても　いったん電池に付属している保護回路である EEPROM にメモリーされた電池データーをリセットもしくは書き換えなければ再使用できない構造です。電池パックは消耗品であり　電池を分解して再使用できる構造ではありません。やはりメーカーでは電池パックといえども安全性を重視しています。不良となった電池パックは事故防止として再使用できないようにしています。特にリチウムイオン電池を使った機種の場合　携帯電話機と同様に電池のリコール問題が発生すれメーカーでは莫大な損失が発生します。ノートPCの電池のみの交換は　たとえ自己責任としてもハードルが高いと思います。EEPROM復活させるには設計領域まで熟知したスキルがなければ修復できないと思います。無銭庵　仙人は凡人です。能力もありません。このようにあらゆる個所に電源を切ってもそれまでのデーター保存でき　安価であるEEPROMを搭載した商品が増えています。そのため個々の修理はできずアッセンブリー交換となり高額出費となります。身近ではプリンターのインクカートリッジがその例と思います。メーカーは高額な粗利率の高いインクカートリッジを購入させようと　品質問題もありますが安価な再生インクカートリッジ撲滅するためと思います。使い勝手は悪いですがインクカートリッジ本体に穴をあけインクを補充し活用しています。

今回新規購入した DIY用スポット溶接器 ですがモバイル電源としても活用可能な機能です。ところがモバイル電源として実験中　内蔵電池電圧を確認のため電源を入れてもすぐ切れる症状が発生。これを数回繰り返したらフリーズしてしまい　その後何の操作もできない状態です。そのままの状態で本体は充電しましたが　２時間以上経過してもLEDのフラッシュ動作はなくなりましたがLEDは消灯しません。日本語解説の簡単な取説を確認しても対処方法は明記されていません。文末に　

8:長時間のアイドリング状態でフル充電しても、ハイバネーション状態になっているため電源を入れることができず、スポット溶接機を起こす方法についてはお問い合わせください。

内蔵電池電圧を測定すると 4.2V であり満充電できています。あまり聞きなれない言葉であったため　ハイバネーション状態(休止状態)を検索すると一般的な保護回路が働きフリーズ状態と判明しました。俗に言われるリセット作業が必要と思われます。そのリセット方法を確認するに製造会社・販売会社の連絡先が取説に記載されていません。困ったことです。ワンチップマイコンが搭載されており EEPROM 搭載で簡単にリセットできない機能かもしれません。大手通販会社に問い合わせ中です。販売元の営業部門では技術的な質問をしても　的確な回答は得られませんでした。

一般的にはマイコンを搭載した機器の場合　リセットスイッチが搭載されていますが　搭載されていない場合　電源を落とすとリセットできる(電源再立ち上げ)　が通常です。購入後２か月経過していないめ販売店からの回答待ちとします。それまではしばらく放置となります。多分回答としてマイコンの動作電源である　リチウムイオンポリマー電池　を本体基板から取り外すとリセットされると思います。この作業は誰でもできる作業ではありません。作業中に電池短絡事故で火傷や怪我をする場合も考えられます。人身事故を起こすだけの電池容量はあります。たかが電池ぐらいと侮らないでください。何せこの工具は金属を溶解して溶接するだけの能力を持っています。ある事例では電池電圧低下でのハングアップであり販売店より商品交換となったとの回答も得られました。

スポット溶接機購入までは ! ! と　心配される方へ

リチウムイオン充電池１８６５０型専用の電池ケースを探せば見つかると思います。今回購入したのは単独で使用するタイプです。探せば複数本収納できる電池ケースも見つかると思います。ただこの電池ケースは一般的には販売はされていません。家電量販店・ホームセンターでは見つけ出せませんでした。某大手通販会社より取り寄せたもので　１０個入り税込み６４０円でした。一個当たり６４円です。この電池ケースを使用すれば付属しているリード線に配線すれば配線は簡単な作業と思います。電池を取り付ければ装着状態は良好です。電池を取り外すときには電池がしっかり固定されているため　電池取り外しには苦労すると思います。

リチウムイオン充電池１８６５０型充電器の工作

費用をかけず周辺に存在する多数の我楽多から選別した部品を使った寄せ集め工作した事例を紹介します。市販されている　１８６５０型４連　充・放電試験も可能な充電器(チェッカー)は結構高額です。今回購入したスポット溶接機よりは高額ですが購入できます。品番は XTAR VP4 PLUS リチウム充電器で検索すれば見つかると思います。購入財力がないためバラック状態の工作です。

上図はバラックで組み立てたリチウムイオン充電池18650型３連の充電器です。今回購入した生電池は保護回路は搭載されていません。そのため充電完了電圧を確認する必要があります。電源はCOSEL R25 5.0V/5A の25W型産業用スイッチング電源ユニットです。出力電圧は DC:5.05Vに設定してあります。スイッチング電源の前には　自作１HzでON,OFFを繰り返すパルス発生器でMOS FETによる電子スイッチ回路です。この基板から1.0Ω/５W型の抵抗器が各電池のプラス極に接続します。この抵抗器に発生する微小な電圧を計測することにより各電池への充電電流が測定できます。1.0Vが測定できた場合オームの法則から　電流値は 1.0A と判明します。1.0Ωの抵抗器の誤差は J 表示ですので±5%規格品です。多少の測定誤差があることを頭に入れる必要があります。電池のマイナス極からは各電池ごとシリコン電源整流用のダイオードを通過後スイッチング電源のマイナス極に戻るループ状の配線です。このシリコンダイオードは順方向電圧として約0.6V ほど電圧降下があり　供給される正確な DC:5.0Vよりマイナス0.6V～0.7V 降下すると電池には最大 4.3V 以上は印可されません。供給電圧と電池電圧が同じとなれば電流は流れません。これがリチウムイオン充電池の充電終止電圧にほぼ等しくなり過充電を防止する簡易的な対策です。もしも充電を切り忘れた時の保険みたいな扱いです。ただ電池が消耗した場合からの充電であれば供給される電圧と電池電圧差が大きくなり実験では約 1.0A 程度で充電していました。満充電近くの電圧となれば電位差が少なくなり充電電流も減少状態を1.0Ωの抵抗器で発生する電圧を観測すれば充電電流を観測することができます。電池になぜ1.0Ωの抵抗器を挿入した理由は電池の内部抵抗が低い場合充電電流値が大きくなります。それを防ぐために定電流抵抗のような働きを持たせたわけです。例として充電前の電池電圧が３.０Vとした場合　充電器からの供給電圧は5.0Vですね。直列にシリコンダイオードを挿入していますのでダイオードでの電圧降下を0.7Ｖとすると　電源電圧から0.7Ｖ引いた電圧4.3Ｖが供給電圧になります。この場合電池との電位差は1.3Ｖですので　もしもこの抵抗に1.３Ａの電流が流れた場合抵抗器で発生する電圧は1.3Ｖです。となれば電池との電位差が同じとなり　1.３Ａの電流はこれ以上増加しません。電池が充電されると電池電圧も上昇しますので　充電電流として1.3Ａよりは減少します。この方式は簡単な電流制限方法です。正常な電池であれは　短時間に3.6Ｖ程度までは上昇します。回路としては定電流抵抗とは異なりますが　電流制限抵抗と呼ばれます。瞬間的と思いますが過大な充電電流を制限する抵抗器の働きでした。

又配線接続を変えることにより放電テストベンチともなります。高輝度LEDを負荷として電池の放電テストもできます。

アナログ高感度パネル型電流計120型1.5級　10μA/fs

上記はリチウムイオン充電池18650型蓄電池一個を充電するバラックで配線した充電器です。現在アナログパネルメーターは充電電流を計測しています。分流器を接続校正してありますので現在アナログメーターは 1.0A/fs になっており　充電電流は 120mA強の表示です。又小さなラジケーターにも配線してありおおまかな充電電流をアナログ表示する仕組みです。現在の状態は電池電圧の測定により充電完了電圧に近づいているため　充電電流は初期状態と比較して減少しています。充電供給元として汎用品スイッチング電源ACアダプター出力 DC:5V/1A 規格品です。配線としてプラス5V出力端子から 1Ω/5Wの抵抗器を経由後蓄電池のプラス極に接続。蓄電池のマイナス極からは電源整流用シリコンダイオードを経由して電源供給のマイナス端子に接続となるループ配線です。1Ωの抵抗器に可変抵抗器を接続してラジケーターのアナログメーターを稼働させています。通常の充電であれはアナログパネルメーターは接続しておらず　ラジケーター表示ですが大まかな充電状態の監視ができます。挿入したシリコンダイオードの目的は前項目で説明したとおりであり過充電保護目的です。

このように精密な測定においては校正された測定器が必要となります。その測定機器も自作品で自己校正品です。

上図の左側の測定器はデジタルテスターとして販売されている商品です。中国製で購入金額は税込み1000円以下でした。安価なデジタルテスターです。手持ちの精密測定器(Class 0.5 ,0.5級)により自己校正しました。安価なテスターと侮ってはなりません。測定誤差を調査しましたが±１％程度の誤差しか発生しておりません。骨董品のアナログテスターに比べた場合非常に誤差の少ないテスターであり十分な精密測定ができますので古いアナログテスターを修理に出すよりはお買い得と思います。校正規準器として　YEW製0.5級の精密測定機器を複数台所有しており　ADVANTEST R6551型の精密デジタルマルチメーターとも活用し自己校正をしてあります。画像にある自作品のデジタル電圧計も測定誤差は0.5%以下になるように調整済みです。上図の電圧観測では中国製テスターとの誤差電圧は 0.03Vしか発生していません。

参考記載

DC:120mA 校正風景　左下YEW3201型回路計　DC/100KΩV　AC/10KΩV

上図は今回測定器として使った中国製のデジタルテスターとアナログ回路計の自己校正作業風景です。校正基準器は YEW製0.5級(Class 0.5)のアナログ精密級の測定器です。このように使用している測定器は必要に応じて自己校正を実施して測定精度を確保しています。自己校正作業として　各レンジ事、直流電圧及び直流電流校正です。参考まで。

ここまでのお話で何とかリチウムイオン充電池１８６５０型を活用できるまで説明してきました。あとはこの充電池を使って工作となりますが　各自面白い工作を模索してください。ここで思い立つのはデジタルヘッドホンプレーヤー・モバイルゲーム機なとの電池は何を使っているでしょうか。ほとんどの場合機器組み込み平型ガラケーなどによく似た電池パックが内蔵しています。これらの電池が寿命を迎え新規に専用電池パック購入となるとメーカー純正品は電動工具同様に高額ですね。動作電圧がリチウムイオン電池搭載分であれば 3.7V で動作しています。搭載している電池が寿命となった場合　外付け電池として活用されてはいかがでしょうか ? 多少ひも付き状態となり使い勝手は悪いですが電池容量としては相当量の増量となります。一つの改良方法です。

2０年以上前に警備会社などに多用されていたガードマンご用達サーチライトを１０数年前に改造でした。商品での仕様は　ニッカド電池1200SC型,5本直列　DC:6V でビリケン球 6V/0.55A の電球を使っているガードマンサーチライトです。連続点灯時間は2時間強と思います。夜間警備に使用目的でありニッカド電池特性から充・放電に強い電池でした。昼間0.1Ｃの充電電流で充電し　夜間使用するスタイルのサーチライトです。このサーチライトをガラケーに内蔵されていたリチウムイオン電池を使い　ビリケン球はLED化して愛用していました。この改造したサーチライトを今回のリチウムイオン電池に載せ替えです。

上図はカドニカサーチライト改造品の改造です。右上の電池パックはガラケーより取り出した3.7V/870mA/h の電池パックから　中央右側の水色の電池です。搭載した電池は 18650型のリチウムイオン充電池に載せ替えました。以前は内蔵充電トランスを全波整流後５V-３端子レギュレータから得られた５Vで電池パックを充電していました。この電池パックには過充電防止回路が内蔵されていますので電池に直接５Vを給電するだけの簡単な回路です。

又載せ替えた電池容量が 870mAh から 2400mA/h となったため従来の充電トランスでは充電時間が長くなります。載せ替えた電池には保護回路が付加されていないため　保護回路付き USB TYPE-C 仕様の基板を本体底部に増設しました。また従来の充電回路も使用できるように接続です。これらの部品を取り付けた後　緩衝材を詰め込めば本体部の完成です。

上図は工作したLED電球です。右端が当初搭載されていたビリケン球です。LED発光素子も半導体の一種です。ダイオードの特性もあり動作温度も考慮しなければなりません。発光時LEDから発熱があります。その排熱を放熱しなければ安定した発光は望めません。入力された電力が発光効率が良ければほとんど発熱は起こらないのですが　効率の良いLEDともいわれますが　発光により相当量の発熱が発生します。LEDの取り付けベースとなった金属は肉厚 0.8mm ３分の銅管を加工しました。銅(Cu)の熱伝導率はアルミ材より良好です。LEDを取り付けてある平らなプレートは 1mｍ（ｔ）の銅板を円形に加工しはんだ付けしてあります。実際LEDをリチウムイオン充電池を接続して銅管からの発熱状況を観察してLEDに流す電流を決定しました。左から３個は 0.5W型  SMD5730 型です。最大流せる電流は　150ｍＡ です。右から２番目は 3W 型のLEDです。３W型となればLEDに流れる電流は最大700mAほどにもなり 相当量の発熱が発生します。3.8V×0.7A＝2.66Ｗの電力です。ジュール熱の計算では　0.2４Ｗｔから計算してください。どれくらいの熱量がＬＥＤから発生するか判明します。

今回工作したサーチライトは３W型のLEDを採用しました。電流制限抵抗として4Ωを回路に直列接続です。チャージアップ電圧4.２Vの電圧ではLEDに流れる電流は 300mA を超えてしまい　LED取り付け台である3分の銅管温度が50度近くになり 怖くてこれ以上電流を流すことはできません。電池電圧低下に伴いLEDを流れる電流は半減してしまいました。照度も下がりますが実用範囲と理解しました。3W型LEDは最大700mA流すことができます。放熱を怠ると簡単にLEDは熱破壊します。

上図は完成したカドニカサーチライトの改造品に新規外部 DC:5.0V 入力端子を本体底部に新設した画像です。接続ケーブルは USB TYPE-C コネクターですので　PCのUSB端子、スマホなどを充電するACアダプターの端子に接続して本体内のリチウムイオン充電池１８６５０型電池を充電することができます。筐体がプラスチックですので電池保護回路基板はエポキシ樹脂で接着固定しました。最長２時間もすればチャージアップとなります。オレンジ色の本体キャビネットに赤色のLEDからの光が薄く見えますので現在充電中です。照明下で撮影していますので実際は赤色の発光はよく見えます。

リチウムイオン充電池を使った　LED懐中電灯にも運用上問題もあります。それは高輝度白色LEDの動作電圧です。リチウムイオン充電池の起電圧と　LED動作電圧が似通っていることです。又電池電圧も変動します。そのため安定した電流制御回路を設計することができません。LEDに規定電流を流すのに　LEDの動作電圧以上でなければ電流は制御することができません。又流す電流を制御しなければ簡単にLEDは熱破壊で壊れてしまうからです。簡単な電流制限抵抗でお茶を濁していますが　電池電圧の低下により発光ダイオードの輝度も下がってしまうからです。通常の乾電池による懐中電灯と同じような働きとなっています。新品の乾電池は明るいが電池が消耗するに暗くなるという現象です。今回工作したLEDサーチライトも同じような現象は発生します。この現象は電子回路により回避はできます。定電流回路は動作電圧と供給電圧との電圧差がある程度なければうまく制御できません。電流制御回路を模索し実験結果を報告できるかもしれません。

上図はアップコンバーター(昇圧型 DC-DC コンバーター)2種類を実験のため入手したものです。２種類１０枚組で送料込み２０００円強の出費です。画像上部は電圧可変型基板完成で入力した電圧より高い電圧に昇圧する基板です。通常マイクロUSB端子には DC:5V を接続した場合　入手時は DC:12V に調整してありました。今回マイクロUSB端子 には接続せず右側の電線にリチウムイオン充電池を接続し　左側が出力端子です。今回は DC:4.5～5.0V となるように可変抵抗器で電圧調整して使用します。この動作が LED を定電流駆動には最適な回路です。電池の電圧が変動しても出力側は一定の電圧出力できる基板です。この回路基板を使用することにより　電池が消耗すれば電圧も下がりますが　出力される電圧は一定電圧を維持することができるため　懐中電灯の場合などでは電池消耗による照度変化はほとんど発生しません。変換効率による損失か発生しますが　多少コンバーター回路での電力損失が少ない場合大きな問題とはなりません。一定電圧での供給となるため LED発光作用での照度変化が少ないのが特徴です。

このアップコンバーター基板を常時電池に接続した場合　負荷を接続していない場合でも回路消費電流が発生します。その値は実測 540μA(0.54mA) 程度消費しています。常時電池に接続はできない数字です。

複数台所有しているステレオPCM録音できるICレコーダーでは　たった１本のエネループ電池を使っていますが　電池電圧 1.2V を DC:5.0V に昇圧して動作します。ICレコーダー内部にアップコンバーターが組み込まれています。

画像下側の基板はリチウムイオン電池１８６５０型の充・放電制御基板にアップコンバーターが組み込まれている基板です。電池を充電する場合　マイクロUSB ケーブルで DC:5V を接続すれば電池を充電します。又充電された電池が接続されている場合 USB TYPE-A のコネクターからは DC:5V が出力され モバイルバッテリーと同じ働きをすることができます。この端子を使用した場合 LED 照明回路供給電圧は　DC:5V のみで可変できません。

上図は18650型リチウムイオン電池からアップコンバーターで昇圧して　DC:5V をUSBケーブルで　以前説明した DIY 用スポット溶接機を充電している画像です。電池に直列接続してある ラジケーター の分流器は 0.05Ω ですので　分流器の電圧が０.１Vですので電池電流は 2.0A 流れているのが判明します。スポット溶接機には　DC:5V -1.０A 程度で充電されています。電池での消費電力は 3.9V×2.0A＝7.6W 溶接機の充電入力電力は DC:5V×1.0A＝5W ですので変換効率は約65％といえます。

2種類のアップコンバーターを入手しましたが実験の結果　3W 型の高輝度 LEDを負荷として実験しました。LED電圧 3.13V 電流377mA を観測しました。LEDの入力電力は 1.18W を観測したとき　負荷側の総電力は 1.9Wです。定電流抵抗5.1Ωでは 0.72W 消費しています。負荷電圧 5.05V 定電流抵抗 5.1Ω/2W としての実験です。電池側での電流・電圧測定とLED側での電流・電圧を測定すれば変換効率が判明します。電圧×電流＝電力　が求まりますので電力比でもって変換効率が判明します。２種類とも変換効率は大きく変わらず　約６５％の効率でした。残りの３５％の電力は　DC-DCコンバーター部で消費していました。発熱が発生しています。９５％の変換効率は夢の世界でした。

一般家庭では懐中電灯は常時使用はしないと思います。緊急時には備えておきたい備品の一つです。大きな自然災害は数少ないですが経験しています。大震災は災害経験の中では一番怖かったです。夜中の地震で停電となり何も見えません。情報源であるテレビも転倒し使えません。同じく電話もです。家族の安否確認後最初に探したのが懐中電灯でした。非難するに周辺は真っ暗です。何が起こっているかの情報を得るのに電池式トランジスターラジオも必須です。屋外へ避難後最初の情報源はマイカーのカーラジオでした。このように懐中電灯を充電式に複数台改造し活用しています。工作部屋手元には大小３台のLEDを使った懐中電灯がいつでも使える状態でスタンバイしています。

まとめ

今回の記述である程度リチウムイオン電池がどのような性質のものかが判明しましたでしょうか。あらゆる分野にリチウムイオン電池が活躍しています。自動車も最大限活用されています。今日農薬散布や空中撮影に使われている飛行体も今回説明したような電池を使い　飛行しているドローンではないでしょうか。ドローンの開発は軍事目的の無人飛行体です。今回紹介した 18650型ではなくより重量の軽い　リチウムイオンポリマー電池を多用するようです。ガラケーに搭載されていた電池とよく似た形状であり　小型かつ軽量となる電池が複数個搭載し集合体電池構造で　プロペラの回転数を制御して GPS・電子ジャイロコンパス・レーザーダイオードによる障害物との距離測定など　連携により姿勢制御が可能となりホバリングなど安定飛行をしています。今や空撮といえばヘリコプターからドローンと変革し　小型ハイビジョンカメラ搭載によりコストダウンとなっています。又数十キログラムの荷物も空輸できる大型ドローンによる実証実験に成功しています。プロペラを回転させるモーターも小型で強力になり　使用している磁石は希少金属を使い　小さくても強力な磁力の得られるネオジウムマグネットが使われていると思います。整流子モーターではなく直流電源からのインバーター制御ができる交流モーターであればマイコンで簡単に複数個のモーターの回転数を可変・制御できると思います。ローター(回転子)が磁石でステーター(固定子)が三相コイルではないかと推察しています。従来の整流子モーターにも利点があり高速回転を得るには簡単な構造です。これらを満足できるエネルギー源として　小型・軽量・大容量の電池があるから実現できるわけです。

近年のモバイル商品は　薄型・軽量が主流です。特にノートパソコン・タブレットPCなどは10年以上前の機種と比較すると消費電力も少なくなりスマホにしてもしかりです。一番大きく貢献しているのがエネルギー源である電池です。それと液晶画面の光源LEDと思います。今回遊んでいる１８６５０型では薄い設計はできません。ほとんどの場合リチウムイオンポリマー電池で　レトルトカレーのようなラミネートパックに電池本体が収納されています。モバイルバッテリーでは 30000mA/h も販売されており形状はポリマー電池です。しかし大容量のポリマー電池単体は一般市場では入手できません。高容量であり安全装置がなければ扱えません。その意味もあり今回１８６５０型電池でのお遊びの報告でした。

リチウムイオン電池 １８６５０型充電池は購入先としては限定されますが　比較的簡単に入手できる部類と思います。ただ生電池だけでの運用では事故を起こすこともありますので　必ず安全対策を施してから使用することを推奨します。二次電池の特性を理解したうえで工作を楽しんでください。小型かつ高容量であるため応用範囲も広がる電池と思います。

オーディオの領域でも一部のマニアには活用できる電池です。純直流で動作するプリアンプなどに活用できるからです。以前はニッカド電池・ニッケル水素電池を直列に接続し±12V の電池のみで動作させ　平衡型差動増幅回路を設計し　微小信号・極力電源部からのノイズの少ないアンプを工作される方も存在します。1.2Ｖの電池の場合　電池本数は20本直列です。リチウムイオン電池の場合であれば６本から８本で同等の直流電源が工作可能です。６本の場合 ±11.1Ｖ ですね。８本直列接続の場合では ±14.８Ｖ です。しかも電池容量が増大し運用できる時間も長くなります。このような純直流電源で遊んでいる方は　超オーディオマニアではないでしょうか。当方は半導体アンプは設計・工作しますが　あまり興味はなく　組み立て後５０年ほどの真空管アンプも正常に動作しています。複数台古典芸能の真空管アンプが存在し楽しんでいます。その中でメーカー製のアンプでは　Luxman　SQ-３８FD　は現役で実働します。

無銭庵　仙人の独り言

上図は何度か改造を重ねた　自作直流安定化電源です。机上でいろいろ実験をしながら使うにメーカー製の直流電源も複数台所有していますが　用途に応じて電源装置はその都度変更しています。この電源装置は今はやりのスイッチング電源とは異なり　効率は悪いですがシリーズレギュレーター方式で運用です。市販品の電源トランス１２V巻き線での直流安定化電源であれは１3V以下でないと安定した電流を望めません。載せ替えた電源トランスは暇な時間に２次巻き線電圧を１６Vとして巻きなおしました。取り出せる電流は 1.5A 程度です。今回の実働試験においても動作中の電圧・電流が即座に判明しないことには　動作状況の把握はしにくくなります。デジタル表示の電圧・電流計は 006P 9V 積層乾電池で動作する自作品であり　消費電流は 120μA 程度で電源を切り忘れても一か月以上は正常に測定はできます。0.5級の精密測定器を使用し校正してありますので ±1％誤差内での測定結果を得ることができます。

上図は我楽多部品の寄せ集めで作成した直流安定化電源です。当初は動作電圧・電流計は取り付けずに運用していましたが　やはり動作電圧と動作電流を監視できない場合使い勝手が悪いため　親亀の上に子亀が乗っているような構造となってしまいました。デジタル表示部は分圧器と分流器を設計し詳細な電圧調整後は電流測定モードで使用し　後部にアナログ電圧計を常時電圧表示する構造ですのでほとんどの場合電流モード測定となっています。

何度か組みかえた　といいましたが　最悪は電源トランスの焼損事故です。負荷が短絡状態のまま放置してあったため　保護ヒューズが溶断せず 11V-1Ａ のトランスがご臨終です。そして新たに巻きなおしたのが 16V-1.5A のトランスです。0.8mmPEW線パラレルとし電流容量を確保しました。廃棄となったオシロスコープの電源トランス巻き替えたため　トランス本体　背の高さが5mmほど高くなり上部キャビネットは隙間ができている状態です。短絡事故に備え3.15Ａのサーキットブレーカーを前面にリセットボタンが見えるように取り付けました。もしも短絡事故でブレーカーが働いた場合赤色のＬＥＤで警告灯が点灯するような回路としました。レギュレーターＩＣの開発は古く　ＬＭ723のセカンドソース品　ＮＪＭ723で工作しました。

この電源装置は小型であり工作机の目の前にセットしてありますので　いつでも動作が可能です。測定用ケーブル類をバナナプラグとしてありますので　端子に取り付ければいつでも　回路電流と回路電圧が目視できます。重宝している定電圧電源です。今回のリチウムイオン電池充放電テストでも活躍した電源装置です。ほかの電子回路工作においても重宝しています。ほかの計測器の自己校正時に電圧及び電流を細かく設定する場合もあり　調整用VRはヘリカルポテンションテンションメーターを採用していますので細かな微調整が可能となっています。

上図は以前LED集合体の投光器の実験風景です。この時LEDを流れる電流を正確に測定するための精密級測定器2台です。この測定器はYEW(横河電機)製の精密級直流電流計の測定器であり　常用使用するものではありません。汎用のテスターであれは良くても誤差が３％以内です。パネル型アナログメーターには1.５級および2.5級が市販されており　精密級と比較すれば精度は大きく違います。精密級とは測定誤差が0.5%以内であることをJISでは 0.5級(Class 0.5)の測定器と呼ばれます。現代の測定機器はほとんどデジタル機器と思います。デジタル式では別の動作電源が必要ですが　この測定機器では外部電源の必要はありません。この測定機器もアナログであり捨てがたい測定器です。ほとんど見かけることはないと思いますので紹介しました。やはり物事を理解するに基準が狂っておれば読み取られるデーターも不正確となります。そのため電気を扱うには電圧・電流が正確に測定できなければなりませんね。一種のこだわりの道楽です。

このように我楽多品の寄せ集めですが　これらの工作を含め場合によっては測定器類の修理・工作・校正まで行うのも道楽の一環です。

その中で今回はリチウムイオン充電池でのお遊びの報告でした。多少とも参考となりましたでしょうか。

by musenan sennin