電動バイク用リチウム電池ペア

スポット溶接で2個のリチウム電池を接続して”6Ahのセル”のように扱う。放電電流もしくは容量は倍になるので電動バイクの走行距離も伸びるしよりパワフルになるはず。しかも充電するときは容量倍のセルとして扱えるので、既存の充電器が使いまわせる(リチウム電池パック充電器は次の開発アイテム)

ペアを8個作成。4.2x8=34Vでモーター電圧は変えず、容量だけ増える

放電容量に耐えるかわからんが既存の18650電池ボックスに取り付ける。

振動で脱落する心配があったが、試験走行では問題なかった。2並列にすることで、

・発熱が格段に減った

・停止状態からの始動のトルクが体感では向上、電流は最大140A程度流れた

・最高速は変わらず？(電圧は変わってないから当然かも)

・モータードライバのルネサスIGBT RJH60F6DPK(600V/85A)2パラはモータ始動時で電流容量ギリギリになってきたが、今のところ問題なく動作している

スポット溶接試験

 

溶接試験の様子。派手に見えるよう300msで溶接してみたが、実際は0.1mm厚Ni板なら100msで十分、0.15mm厚なら200ms必要。それ以上は赤熱範囲が広がって焦げ臭くなるだけで溶接強度は上がってない気がする。

100msの放電でキャパシタ電圧は35mV下がった。1500Fとすると140J放出していることになる。電圧2.7Vなので140J/2.7V/0.1s=520A流れてるはず？思ったより少ないような、それでも溶接できてるからこのぐらいのNi厚なら問題ないような感じ。MOSFETの容量的には問題なし。

スポット溶接機実装

実装完了。青いのが2.7V 500Fスーパーキャパシタx3、大電流が流れるラインは2.6mmVVFで接続。その下の縦基板がパワーMOSFET基板。その下のケースに固定した縦基板がOLEDパネル。

左側は、2.7Vからの昇圧DCコンバータを載せているため見えにくいが、その下にマイコンがのったメイン基板がある

配線材がごちゃごちゃしてるがなんとか入った。電流制限抵抗は手持ちの50W品がでかくて外付けになったが、運用次第では取り替えたり放電に使ったりするのでよしとする

前から見た絵。モニターは、上段にキャパシタ電圧、1.7V以上では電流制限抵抗をバイパスする直接充電のCHARGE表示。

下段はパルス幅。赤ボタンを押すと、3->2->1とカウントダウンして、FIRE表示(溶接棒から放電される)

パルス幅は黒ボタンで切り替え(100ms~900ms)

放電棒は2.6mmVVFを削って先端を尖らせる。配線はAWG12。ちなみにAWG12の抵抗は1.6Ω/1000ftぐらいらしいので、20cmでも1mΩに達してしまう。2.6mmVVFは3.35Ω/kmから20cmで0.7mΩ。配線とMOSFETだけで2mΩ近い、比較的高抵抗なはんだ付けを考えると、2.7Vという低電圧では1000A流れるかどうかだ。やはり電圧はもっと高い方がよかったかも

パワーMOSFET基板

 OnSemiconductorのFDBL9403-F085T6は表面実装パッケージ(H-PSOF8L?)だが、これだけのために基板を起こすのももったいないので、ベタ銅基板をけがいて作成。

MOSFET実装後、経路が低抵抗になるように2.6mmVVFの銅線もはんだ付け。

試しにゲート電圧かけてみるとSD間導通するので動作してるはず

コンデンサ式スポット溶接 回路設計

①スーパーキャパシタの構成

タカチのYM-150をなんとか使いたい。500Fスーパーキャパシタは最大4個入る。4個なら2パラ2直列がよさそうだが、スイッチ用のMOSFETや回路規模を考えると全部入らない気がしてきた。

3個なら直列8.1V/170Fか、並列2.7V/1500F。エネルギーなら前者有利、ジュール熱は電流依存だから後者。直列にするとスーパーキャパシタ間の電圧バランスが崩れそうで、モニターが面倒だからとりあえず並列にする。2.7Vなんて低電圧に見えるが、前述のスーパーキャパシタの放電を見る限り大丈夫なはず

②充電

2.7Vは中途半端な電圧なので、手持ちのCVCC電源から直接供給する。最初は0.5Ω抵抗で電流制限し、キャパシタ電圧をモニターしながら十分上がってきたら電流制限をMOSFETでバイパスさせることで充電を速める。

P-chMOSFETの手持ちがなかったのでN-chを使う、ゲート電圧高めだしいけるはず。1815は貴重品になってきたので、手持ちの多い2SC458を使う。

③放電

オンセミコンダクターのNchMOSFET FDBL9403-F085T6CT, 40V/連続300Aも流せて、on抵抗は0.95mΩしかない。すごい。さらにこれを5パラで使う。

ただ、ロジックの5VだとIdが100A、on抵抗も1.3mΩと性能が出ないので、ゲート電圧10Vを設定する。MOSFETドライバはInternational RectifierのIR4427、これも6V以上なのでゲート電圧10Vで動作させる。

④ユーティリティ

表示はOLEDモジュールSO1602AWWB、スピーカは小型のUGCM0603APE。押しボタンスイッチは放電パルス幅切り替え用と、放電開始用の2つ、充電の切り替えSWが1つ

秋月の同期式昇圧型スイッチング電源モジュールがちょうど入力2.7Vからなので、キャパシタ充電用のCVCC電源2.7Vを使い、まず10Vに昇圧し、MOSFETドライバやMOSFETをドライブする。降圧して5Vロジック、さらに降圧して3.3V有機ELパネルを駆動。

コンデンサ式再考

リチウム電池式に傾いていたころ、ダメ元でアリエクスプレスで注文していた別ブランドの500Fスーパーキャパシタが届いた。端子が太いので大電流流しやすいしバスバー作りやすそうなタイプだ。充電電流はしっかり5A流れるし(0.5Ω電流制限抵抗)、6個全部良品ぽいのでアタリだった。

0.15mm厚Ni板で放電してみると赤熱。すごいパワーだ。これが本来の500Fの力か・・・。

すでにリチウム電池式に投資してしまっていたが、これはコンデンサ式で再考した方がよさそうかも。

一応、コンデンサの容量も簡易に計測してみた。2.7V5A CVCC＋0.5Ω電流制限かけて充電し始めた。結構時間かかって待てんと5分で電流制限外してため途中で跳ね上がっている。電流の積分は1040A・s(C)、Q=CVなので、容量は385Fとなる。多少少ないけど

リチウム電池式スポット溶接

 コンデンサ式スポット溶接はうまくいかなかったので、今度はリチウム電池式をテストしてみた。定格は2C放電だが短時間なら10C程度は流れるので、並列にしてやれば溶接できるはず。リチウム電池パックが必要になるがその溶接をしたいのでまずは電池ボックスを可能な限り低抵抗ではんだ付けするしかない。

18650を4パラ程度では赤熱せず。徐々に増やし、最終的に12パラ接続なら0.15mm厚Ni板が溶接できた。すでにタカチのYM-150を買ってあるがなんとか入りそう

スポット溶接機DIY

 電動バイクのリチウム電池パックを大容量化すべく、スポット溶接機の制作を考えている。500Fスーパーキャパシタを使った簡易溶接を見かけるが、放電時間をマイコンで制御してフル固体素子はできないだろうか。

試しにアリエクスプレスで2.7V500Fを4個購入。しかし2個は全く充電されない。残り2個は充電されるものの、2.7Vで1Aくらいしか吸い込まない。放電はするものの弱い。充電クーロンから推定する容量は1/10の50Fくらい？

コンデンサがダメなのか、そもそもコンデンサはこの程度なのかよくわからず。。。