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ロボットの電源 その3 - ラジコン用バッテリーの種類 -

こんにちは、GRA父です。

あ、暑いです(涙)
そして明日は、滋賀竜王へ日帰り出張です。
最近出張が多く、とても大変な今日この頃です。

さて、世界大会も先般終わり、年度でいえば参加年齢制限が7月1日現在ですから、いよいよロボカップジュニア2014シーズンとなりますね。

結構前に充電式の乾電池のことを書きました。

よく考えたら、当方チームがLi-poを使っているとまでは書いたのですが、他にもいろいろ種類があるので、今回は、ラジコン用のバッテリーについて簡単に書きたいと思います。

もうちょっと速くUPしたかったんですが、書いていくうちにあれやこれやを追加していったら結構な物量だったものですし、本業の方が出張続きで忙しかったので、ちょっとづつ編集していたら大変遅くなりました(涙)

頑張ったんで、これから使おうと考えているチームの方の参考になれば幸いです。

さてラジコン用のバッテリーですが、現在では5種類程度があります。

一般的に、ニッケルカドミウムバッテリー、ニッケル水素バッテリー、リチウムイオンバッテリー、リチウムポリマーバッテリー、リチウムフェライトバッテリーなどがあります。

いろんな種類のバッテリーがあるので、選択するのに目移りしちゃいますが、それぞれのバッテリーの特徴を簡単にまとめてみました。

◆ニッケルカドミウムバッテリー(Ni-Cd)

一般的な充電可能なバッテリーです。
ほとんどは1.2Vの単三型形状(AAサイズ)のセル(イメージは1セル=乾電池1個と思えばいい。)を、数本直列接続した電池パックの形をしています。(もちろん単三型形状でないのもありますけど)

一番古くからラジコン用の電池として普及しています。
このバッテリーは、環境に有害とされるカドミウムを含むため、最近ではあまり見かけなくなりつつあるバッテリーです。

バッテリーの電圧がゼロになるくらいまで放電をしても(過放電)、所定の回復充電を行うことにより容量が回復し、また内部抵抗が低いことから瞬間的な大電流を流す事ができます。
ただ、RCJのように試合が終わると、すぐ充電するというように、十分に放電し切らないうちに、継ぎ足し充電することを繰り返すと、十分に放電していないのに起電力が顕著に低下する現象が起き、結果として容量が減少したように見えるというメモリー効果が顕著にあらわれます。

その他として、放置しておくと勝手に自然放電してしまい、フル充電してあったつもりでもつかえなかったりしてしまうので、管理が結構たいへんなバッテリーです。
一番古くからあるバッテリーですから、他のバッテリーに比べて、同サイズだと“重い”そして“容量が小さい”です。


◆ニッケル水素バッテリー(Ni-MH)

ニッケルカドミウムバッテリーの代替としてカドミウムを含まないバッテリーとして用意されているのがニッケル水素バッテリーです。

ニッケルカドミウムバッテリーと同じく1.2Vの単三型形状であるので、代替えがききます。
身近にあるものでいえば”eneloop”や”充電式エボルタ”が、形状が違えど、このバッテリーです。

ニッケルカドミウムバッテリーと比べると自己放電しやすいです。
過放電に弱く、完全に放電してしまうとバッテリーを傷めてしまうので、定期的に充電を行なわないと充電が出来なくなってしまう特性を持っていますが、”eneloop”や”充電式エボルタ”では、だいぶ強くなってきました。
またニッケルカドミウムバッテリーほどではないですが、やっぱりメモリー効果があります。

悪いことばかり書きましたが、実は容量が同サイズのニッケルカドミウムバッテリーの約2倍程度あります。

尚、ニッケル系バッテリーを長期に使用しなかった場合や長期間充電を行なわない状態で放置した場合、所定の時間、充電を行っても満充電の状態にならない場合がありますので、ご注意をば。


◆リチウムイオンバッテリー(Li-ion、LIB、LiB)

リチウムイオン電池は、携帯電話やノート型パソコン、デジカメ等で普及しています。
そして電気自動車(=EV)のバッテリーとしても採用されています。
そして、最近までトラブル続きで話題になったボーイング787(この間、出張で乗りました!)にも採用されています。

1セルあたり3.7Vのセル電圧となっており、小さな形状で大きなパワーを引き出せるバッテリーとして利用されています。
つまりニッカドやニッケル水素の1.2Vに比べ、約3倍の電圧が得られます。
言いかえると同じ電圧を出すのに使用本数が3分の1で済むということになります。

リチウムイオンバッテリーの重量エネルギー密度はニッカドの約3倍、ニッケル水素の約2倍あり、また体積エネルギー密度は、やはりニッカド、ニッケル水素の2倍近くあります。
このため小型で軽いため携帯機器用電源として最適のバッテリーです。

ニッカドやニッケル水素のように、浅い充放電を繰り返すと容量が減少してしまうメモリー効果がありません。
使いたいときに使い、充電したいときに充電するいわゆる継ぎ足し充電が可能です。

そしてリチウムイオンバッテリーの自己放電率は非常に低い値で、一度充電しておけば数ヶ月はそのまま再充電せずに使用できます。

リチウム系の電池は、過充電、過放電を行なうと、内部の電解液の活性が急速に高まり、急激な高熱を発する性質があり、発火等の危険な状態となります。

少し細かく書くと、リチウムイオンバッテリーは電解質に有機物の電解液を採用していることから、不安要素としては揮発性が高く可燃性、液漏れのおそれがあります。

その他として、継ぎ足し充電ができる利点がありますが、逆に過放電をすると最悪、1セルあたり2.6Vまで電圧が降下するとバッテリー機能が消滅してしまいます。 
これはあくまで1セルのことですので、2セルは5.2V、3セルは7.8Vが限界と言われています。

つまり使用後の電圧が1セルなら2.6V以上の残り電圧があるように使わないといけないので、管理が大変です。
安全をみて、1セルあたり3V以上残るようにしないといけないということですね。

また過充電は当たり前ですが、専用の充電器または充電モードで、公称電圧と容量をきっちり守りように設定して充電が必要です。

もしニッカドとかの充電モードで充電しちゃった場合、かなりの確率で、発火してしまうので注意が必要です。


◆リチウムポリマーバッテリー(Li-po)

リチウムイオンバッテリーと同じ仕組みで充放電ができるバッテリーですが、電解液を高分子ポリマーに滲み込ませた構造のバッテリーです。

つまり極板をフィルムの層状にする事で、さらに小型軽量化が可能になったバッテリーです。
またエネルギー密度がより高く、同体積のリチウムイオンバッテリ-の1.5倍も高容量です。

リチウムイオンバッテリーとの違いは、以下の通りです。

・放電が高速。

・燃えにくく安定性の高い。

・短絡(ショート)しても化学変化を起こしてガスが発生し、セルを包装するアルミシールが膨らむだけ。
 もし密封したアルミシールが切れると、ガスが外に出て元の形に戻りますが、そのとき内部のセルは、ほぼ元の機能を果たさなくなっている(=使えなくなる)。

・環境に悪い有害物質がリチウムイオンより大幅に少ない。

等々です。

若干、リチウムイオンバッテリーよりも安全性が改善されていますが、結局の所、過充電、過放電に対する危険性及び注意点は、リチウムイオンバッテリーとまったく同じです。(まぁ、同じ系列なので。)

ホビー用途では安全性より放電能力を重視さている点とセル数を自由に選択出来る点で、いろいろな種類の大容量バッテリーが販売されていますが、殆どのバッテリーは、ノードPCとか用のバッテリーとかと違い、保護回路が内蔵されていません。
思った以上に、非常に危険な状態で利用されているのが実体のようです。


◆リチウムフェライトバッテリー(LiFe、LF)

同じリチウム系バッテリーでも、リチウムフェライトバッテリーは電解質の違いでリチウムイオンバッテリーとは多少特性にも違いがあり、1セルあたりのセル電圧も3.2~3.3Vになっています。

バッテリーの使用方法としては、リチウムイオン系のバッテリーと同様で、過充電や過放電に対する特性劣化します。

ただリチウムイオンバッテリーと比べて発火の危険性は少なく、比較的安全に利用する事ができます。
しかしながら、充電や放電に対するやり方はリチウムイオン系バッテリーと同じ定電流、定電圧充電が必要であり、専用の充電器で充電を行なわなければなりません。

最大の特徴は、他のバッテリーと比べて充電時間が短い!という利点があります。
どのくらい速いかは、全く同じ電圧・容量のバッテリーを使ったことがないので、実際は?ですが、タミヤの6.6V 2200mAのものだと、だいたい30分~40分で充電が完了するそうです。

参考までに当方チームが使っているLi-poでは、約70分ぐらいかかります。

やっぱり安全性を考えると、これからラジコン用バッテリーを搭載しようと考えるならば”LiFe”を推奨します。
(まぁ、お値段はそれなりになりますけど・・・。)

今回はかなりの長文でしたね。
ここまで読んだ方、ご苦労様でした。

もうちょっと補足した説明とかも書きたいこともあったのですが、それはまた次回(暇ができたら(笑))のお話ということで(笑)

以上、GRA父でした~。
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