ニッケル水素電池を使いやすくするDIY充電器

リチウムイオン電池は、小さなパッケージから多くの電力を供給できるため、メーカーを問わず頼りになる電池となっています。たとえば、リチウムイオン充電器が統合されたマイクロコントローラー ボードを見つけることは、今では珍しいことではありません。実際、リチウムイオンは非常に人気があるため、たとえそれがより適している場合でも、他のバッテリー技術が存在することを忘れがちです。

これらの価値のある代替品には、取り外し可能な充電式ニッケル水素電池が含まれます。 NiMH 電池はリチウムイオン電池ほど何度も再充電できず、同じ電力密度も提供できませんが、安価で安全でもあります。火災警告ラベルが貼られた箱に入れて発送する必要はありません。 NiMH セルがリチウムよりも低い電圧を供給するという事実は、集積回路の電圧要求が低下し、3.3 ボルトと 1.8 V チップがかつて普及していた 5 V 規格に急速に取って代わられるにつれて、それほど問題ではなくなりました。

NiMH の管理を容易にする方法

いくつかの 3D プリント部品 [bottom]、サーボとスクリーン [middle] および単一のプリント基板 [top] Spinc 充電器に必要なのはこれだけです。 ジェームズ・プロボスト

しかし、取り外し可能なバッテリーの充電が面倒であることも事実です。充電器にバッテリーを装填する必要があり、通常は一度に最大 4 個のバッテリーしか収納できず、正しい位置に置くように注意する必要があります。そうしないと、よくても充電されず、セルに回復不能な損傷が発生し、最悪の場合は過熱する可能性があります。

この問題点を軽減するために、私は Spinc を作成しました。これは、一度に最大 7 本の NiMH 単三電池を充電し、充電前に各セルの極性を自動的に判断する DIY デバイスです。完了したら、電池をホッパーに落とします。充電状況は時計を兼ねたディスプレイで確認できます。

私は本業では、ドイツの中堅企業で EE として産業車両に携わっています。しかし、私がこのプロジェクトにたどり着いたのは、低電力エレクトロニクスへの個人的な興味と、いくつかの非充電式バッテリーから最後の電力を採取するという無駄な試みの結果でした。この失敗、一言で言えば、私の設計には再充電する必要があるバッファー バッテリーが必要であり、プロジェクトの目的全体が損なわれたため、私は充電式セルについて考えるようになりました。

Spinc の作成で最も困難だったのは、自らに課した課題でした。充電器はコンパクトで直感的に使えるものにしたかったのです。これは、充電器の上部からバッテリーを取り出し、充電中に 2 つの電極の間にバッテリーを配置して保持し、リセットして次のセルを掴む前にバッテリーを底部から落とす機構を完成させるために多くの時間を費やすことを意味しました。慎重に何度も繰り返した結果、Spinc のケースと機構を形成する部品を作成するための 7 つの 3D プリンター ファイルのセットが完成しました。これに、ディスプレイ、サーボ モーター、残りのすべてのコンポーネントを備えたプリント基板に加えて、バッテリーが挿入され、充電電極間に配置する準備ができたことを検出する赤外線近接センサーを追加するだけです。

充電器にどの方向に差し込んでもバッテリーを充電できるようにするために、私は古典的なバッテリーを使用しました。 Hブリッジ回路これは通常、DC モーターをどちらの方向にも動作させるために使用されますが、低電圧で動作できるようにいくつかの変更を加えます。

実際の充電を管理するために専用の集積回路を使用し、過熱を監視するサーミスターを使用することにしました。マイクロコントローラーを使用して独自のソフトウェアを作成してバッテリーを監視することもできましたが、NiMH セルの充電曲線は非常に平坦であり、充電サイクルをオーバーシュートしやすくなります。 IC を使用することで、多くのテストを省略でき、急速充電モードも使用できるようになりました。

ただし、試行錯誤から解放されることはありませんでした。私が最初に使用した充電器 IC は、2 x 2 ミリメートルという魅力的なコンパクトさでした。しかし、単 3 形電池を充電しようとすると、メーカーはエンド ユーザーが一度に 2 ～ 4 個の電池を直列に接続して充電することを想定していることがわかりました。単一のバッテリーだけを充電すると、IC のリニア電圧レギュレーターが意図した以上に多くの熱を放散する必要があり、すぐにチップが焼き切れてしまいました。最終的に、スイッチモードレギュレータを使用し、この仕事に対応できる、やや大きめ (5.15 x 4.4 mm) の充電器 IC を見つけました。ただし、リチウム電池の普及により、NiMH をサポートするコンポーネントの入手可能性が減少したため、この IC を見つけるのに時間がかかりました。

NiMH の充電曲線はゆっくりとした曲線を描き、完全充電時のバッテリー電圧の低下はわずか 2 ミリボルトですが、簡単にオーバーシュートしてセルの損傷につながる可能性があります。ジェームズ・プロボスト

充電器 IC は RP2040 マイクロコントローラーに接続されており、バッテリーの状態を LCD ディスプレイに表示します。 RP2040 は、近接センサーを監視し、内部の送り機構を制御するサーボを駆動する役割も果たします。さらに、Spinc の押しボタン コントロールに応答して、時計を設定してバッテリーの充電を開始することもできます。デバイス全体は USB-C ソケット経由で電力を供給されます。

ほとんどの電子機器は、バッテリーが通過できるように大きな中央の切り欠きを持つ PCB に表面実装されています。 KiCad で PCB を設計し、JLCPCB に製造してもらいました。ボードを正しく製造しやすくするために、中央のカットアウトの角に 90 度の角度を指定することはしませんでした。代わりに、切削工具が追従しやすいように角を丸くすることにしました。

その結果、可能な限り使いやすい卓上充電器が誕生しました。 PCB 回路図、部品表、3D プリンター ファイル、およびファームウェア ファイルの完全なセットは、GitHub のプロジェクト ページから入手できます。新しく充電した NiMH バッテリーが必要なときにいつでもすぐに使えるようにするために役立つことを願っています。