満充電を知るタイミング：フルを示すピークの見つけ方

**US 5,196,780**、David R. Pacholok、出願日**1991年9月10日**、特許査定**1993年3月23日**、失効。このページの図は、そのシート1です：FIG。図1は、ピークを示した電圧対時間曲線で、FIG。図2はブロック図で、FAST CHARGE と SLOW CHARGE のブロック、コンパレータへ接続されたRC回路、そして下部の **TH** と **TIMER** を示しています。 何かを組み立てる前に、3つの終了条件を書き出してください。発明の本質は、そのどれか1つではなく、その組み合わせにあるからです。 1. **−ΔV**：バッテリー端子から抵抗を介して充電されるコンデンサによって検出します。 コンデンサは遅れて追従します。それがバッテリー電圧を*追い越す*と、バッテリーは反転したはずです。微分回路は不要で、ノイズの問題もありません。 2. **タイマー**：急速充電でおよそ18分。電圧信号が届かない場合でも、充電は終了します。 3. **サーモスタット**：セルそのものに取り付け、**40℃から60℃**の間に設定します。何らかの理由でセルが熱くなった場合、充電は終了します。 終了後に何が起こるかも確認してください。回路は電源を切るのではなく、過充電することなく自己放電を補う**低速充電**に移行します。単に停止するだけの充電器では、木曜日までにパックが再び放電してしまいます。 この件の出典は明確で、数値は検証済みです。後続の段階で数値を特定できなかったとされている場合、それはその段階についての記述であり、習慣的なものではありません。

見たことのない信号に対して検出器を適切に設計することはできません。まず信号を記録してください。 放電済みのNiMHセルを1本ホルダーに入れます。電源を定電流モードで**1C**に設定します。2,000 mAhのセルなら2 Aです。電圧制限を1.8 Vにして、接触不良による予期せぬ出力を防ぎます。熱電対をセルの缶に貼り付けてください。 端子電圧は**4桁**で、缶の温度は1分ごとに記録します。4桁が必要なのは細かさへのこだわりではありません。探している信号全体が約10 mVしかないため、1.48 Vと表示する3桁の計器では全く検出できないからです。 約1時間で次のような変化が見られるはずです。 - 最初の数分で、セルの分極に伴う急な上昇。 - 長くゆるやかに上昇する中盤。 - **ピーク**の後、単一セルで5～15 mVほどの低下。 - ほぼ同じ時点から始まる**温度の急激な上昇**。 ピークに達したとき、または45 °Cに達したとき、どちらか早い方で停止してください。ピークの位置と低下したミリボルト数をログに記録します。これが回路で分解能を持たせる必要がある数値です。12セルのパックではその値が12倍になるため、単一セルよりもパックで−ΔV終了判定がはるかに有効に機能する理由です。

では、ブレッドボード上にPacholokの検出器を組み立てます。部品は4つです。 1. **RC回路。** 電池の端子からコンデンサへ抵抗を入れ、もう一方をグランドに接続します。R×Cが手順4で選んだ時定数になるように、RとCを選びます。470 kΩと470 µFの組み合わせでは約220秒、ほぼ4分になります。フィルムコンデンサか低リークの電解コンデンサを使ってください。リークの多いコンデンサは予定外の2つ目の抵抗となり、コピーを永久に押さえ込んでしまいます。 2. **コンパレータ。** LM393を使います。一方の入力に電池電圧、もう一方の入力にコンデンサを接続します。コンデンサの電圧が勝った瞬間に出力が反転します。 3. **少しのヒステリシス。** 出力から非反転入力へ、高抵抗（約1メガΩ）を戻します。これにより出力は交差点で細かく振動せず、素早く切り替わります。これがないと、ミリボルト単位のノイズで何度も誤作動します。 4. **スイッチ。** コンパレータの出力で、充電電流を流すロジックレベル対応のMOSFETのゲートを駆動します。ロジックレベル対応であることが重要です。一般的なMOSFETは5 Vのゲート電圧では完全にオンにならず、その差分が熱として消費されてしまいます。 まず電池を使わずにテストしてください。ファンクションジェネレータを入力に接続し、1サイクルが数分の非常にゆっくりした三角波を、ピークツーピーク1～2 Vで入力します。出力が各頂点の直後に反転し、それより前には反転しないことを確認します。1時間に1回しか変化しない電池よりも、好きなときに向きを変えられる信号発生器の方がはるかに良いテストになります。 その後、記録した電池の曲線を実際に入力します。オシロスコープの一方のチャンネルでコンデンサ電圧を、もう一方で電池を観測してください。交差点が見えるはずで、それがこの回路の目的そのものです。

−ΔV検出器単独では、静かに故障する可能性のある回路であり、その故障モードは充電が決して終わらないことです。残りの2つを追加してください。 **サーミスタ（温度監視）。** ラング3のTHピンがあれば、パック内蔵のサーミスタを使ってください。なければ、10 kΩのNTCをセルに貼り付けてください。固定抵抗と組み合わせて分圧回路を作り、その中点をLM393の後半部分に入力します。ポテンショメータで基準電圧を設定し、コンパレータが約**45 °C**でトリップするようにしてください。推定に頼らず、必ず校正してください。赤外線温度計を見ながら、ヒートガンの最低設定でサーミスタを温め、トリップが希望の温度になるまで調整します。このコンパレータの出力は、−ΔV側が何を示していても**関係なく**、MOSFETのゲートを遮断できるように配線してください。 **タイマー。** 長いRC時定数を持つ単安定モードの555は、Pacholokの18分を実現します。ただしNEを丸写しせず、自分の充電レートに合わせてRとCを計算してください。18分は彼の充電器のレートに対して正しい値であり、誤ったレート用に設定されたタイマーは、すべての正常な充電を途中で打ち切ってしまうため、まったく無いよりも悪い状態になります。 次に、それぞれを**単独で**テストしてください。−ΔV側を切り離し、サーミスタが充電を停止させることを確認します。サーミスタを切り離し、タイマーが停止させることを確認します。個別にテストしたことのない冗長性は冗長性ではなく、3つの回路と希望にすぎません。 最後に、低速充電経路を追加します。終了後も微小電流を流し続ける抵抗を、C/40程度の値で設置してください。テスターで測定し、セル自身の自己放電率と照合してください。

**特許情報。** 米国特許 5,196,780、David R. Pacholok、1991年9月10日出願、1993年3月23日付与、失効。このページの図面は特許のものです。 **なぜ1961年ではなく1991年なのか。** −ΔV効果は本特許よりはるか以前から理解されていました。セルメーカーは何年も前からアプリケーションノートでそれを説明していました。欠けていたのは、1ボルトを超える信号に乗った数ミリボルトの*低下*を、マイクロコントローラを使わずに、民生用充電器に組み込めるほど安価に検出する方法でした。RC遅延の手法は「安価に」という部分への答えであり、本当に優雅な方法です。ノイズを増幅する微分器の代わりに、ノイズを抑制する遅延を用いるのです。 **メーカーにもたらした変化。** 確実な終了判定が登場する前は、安全な充電レートは一晩かけるC/10でした。再結合サイクルがそれを無期限に吸収できたためです。その後、急速充電が一般的になり、急速充電器があるからこそ二パック方式のワークフローが成り立ちます。工具に一つ、充電器に一つ、待ち時間はゼロです。ラング3のパックとこのラングの充電器は、両方そろって初めて意味を持ちます。 **正直な限界。** −ΔVはニッケル系化学の信号であり、電圧が上昇し続けるだけのリチウムイオンには存在しません。リチウム電池は定電流から定電圧へ移行し、その後電流が減少することで終了判定を行います。これはまったく別の方法です。また、ピークが平坦化するため、パックが劣化するにつれて−ΔVは検出しにくくなります。さらに、ステップ2で述べた理由により、単一セルではほぼ使えません。そして、この方式全体は、パック内のセルがすべて同時に満充電に達するという前提の上に成り立っていますが、ラング7が示すように、実際にはそうなりません。