第２章 鉛バッテリー内部抵抗測定器の開発
2.2. 測定データ
測定データは, 試行実験の際から, 鉛バッテリーの電圧, 内部抵抗, 室温, 湿度, 測定した日 付と時刻を対象とした. その後, 対照実験開始時点から, 気圧も測定データに追加した. 測定
2.3. システム構成
測定システムは, 図 2.3.1 に示すように, パルス制御サブシステムと測定・記録サブシステムで構 成される. パルス制御サブシステムは, バッテリーの電極へ特定のパルスを供給する. 測定・記録 サブシステムは, バッテリーの内部抵抗と電圧を計測する. このサブシステムは, また, Ethernet へ のインタフェースとウェブモニタリングのインタフェースを有する. 測定データは, サーバのデータ ベースに格納され, 蓄積されたデータはウェブブラウザからモニタすることができる. さらに, 現状 のデータは, このサブシステムに直接アクセスすることでチェックすることができる. このシステムは ワンボードマイコンである Arduino ボード上に実装した. 実装の詳細は, 以降の節で説明する.
鉛バッテリー パルス制御サブシステム
パルス制御ユニット
パルス発生デバイス
測定・記録サブシステム
センサ(電圧, 温度, 湿度) ウェブモニタリング IF
内部抵抗測定デバイス
バッテリー充電器 DB サーバ DB データ 現行データ
ウェブ ブラウザ
AC/DC アダプタ
図 2.3.1 システム構成図
2.3.1. パルス制御サブシステム
パルス発生デバイスは, バッテリーの高電位端子と低電位端子間の接続スイッチを ON/ OFF す ることで, 任意のパルスを供給するものである. そしてこのスイッチング制御は, サブシステムに搭 載したワンボードマイコン Arduino によって行われる（図 2.3.2(a)）.
上部ボード: パルス発生デバイス
下部ボード: Arduino UNO 9番ピン: デバイスへのパルス ON/ OFF 信号 2番ピン: パルス発生のディスエイブル信号
3 μsec
50 μsec
(a) パルス発生デバイス
(b) 発生信号
のパラメタを設定した. このパルスは, 20KHz の周波数で 6%のデューティー比の PWM(Pulse Width Modulation; パルス幅モデュレーション)信号に対応する. 従って, 図 2.3.3(a)に示すように指定レ ジスタは, 20KHz の周波数の値に設定した.
図 2.3.3(b)に示す Simulink ダイアグラムは, ９番ピンに 6%のデューティー比の PWM 信号を発生 させ, ２番ピンは信号発生の実施/停止信号を受け取るものである. ダイアグラムの左下の定数の ブロックは, デューティーレシオに対応し, ここでは”4”に設定した. これは, 上記仕様の信号を発 生させる最適な値をオシロスコープのモニタリングを行いながら決定した結果である. この Simulink ダイアグラムを作成後, これを C プログラムに変換し, 測定実験に使用した.
// phase and frequency correct mode. NON-inverted TCCR1A = _BV(COM1A1) | _BV(COM1B1) ;
// Select mode 8 and select the PWM clock divided by 8.
TCCR1B = _BV(WGM13) | _BV(CS11);
// 20000Hz clock for 9-pin and 10-pin ICR1 = 50;
(a) 20KHz周期のPWM向けのレジスタ設定
(b) パルス制御用のSimulink ダイアグラム
図 2.3.3 ArduinoのPWMを用いたパルス制御
2.3.2. 測定・記録サブシステム
測定・記録サブシステムは, バッテリーの内部抵抗と電圧, および環境条件を測定し記録する.
環境条件は, 当初, 温度と湿度であったが対照実験時には, 別途, 気圧の測定・記録も行ってい る. このサブシステムには Ethernet インタフェースが付属している. システムの基板の写真類を図 2.3.4 に示す.
内部抵抗測定デバイス
リアルタイム クロック 電圧センサ部
Ethernet RJ45 コネクタ
I2C Bus コネクタ
内部抵抗測定デバイスは, 以下に記載する基本的な直流型四端子法を使って実装した. そして, 電圧センサもボード上に配置した. 温度・湿度センサとリアルタイムクロックは, Arduino の Ethernet shield2 を経由して接続される. このシールド基板は, ２つの I2C インタフェースポートを持っており, リアルタイムクロックと温度・湿度センサをこのポートに接続した. さらに, SD カードドライブと Ethernet インタフェースも備えている.
直流型四端子法による内部抵抗測定は, バッテリーの電極間の１つのペア接続にパルス電流を 通すことで行う. この際に, 別な電極間のペア接続間の電位降下を同時に測定する. 内部抵抗測 定そのものが, ある一定量のパルス電流を流すので, バッテリーの状態に影響を与えるかも知れ ない. 従って, そこで, この電圧測定の頻度は十分に少ないパルス発生頻度で行った. 具体的に は, １時間に１回に測定頻度を限定した. ここで, この周期的な測定のトリガとして, CRON ライブラ リ[8]を活用した. 測定日付と時間と共に測定データである内部抵抗, 電圧, 温度, 湿度は, SD カ ードに記録される. そして, これらのデータは, XAMPP サーバ[9]上のデータベースにも蓄積される.
さらに, このサブシステムの動作状況は, ウェブブラウザによって, 直接アクセスして確認すること ができる. Arduino は加速度や赤外線, 気圧, 速度, GPS, 二酸化炭素の濃度などの様々なセンサ を有しており, このサブシステムは IoT(Internet of Things)型のデバイスとして, 他への応用が可能 である.
2.3.3. 内部抵抗測定回路
内部抵抗測定用に設計した回路を図 2.3.5 に示す. この回路は以下に示す３つの部分から成る.
(a)パルス電流発生回路 (b)電流測定回路 (c)電圧測定回路
パルス電流発生回路は Arduino の 8 番ピンの信号で制御される.
(b) 電流測定 回路
(c) 電圧測定 回路
Battery (12V)
R12, R13 R11
Q3
U2
C4 5V R8
R7 D3
U1
A0-ピン
A1-ピン
8-ピン
制御信号は, バッテリーに接続するパワーMOSFET(Q3; PJP75N75 もしくは FKI06075)を駆動し, 約 140 µs 幅のパルス電流を発生させる. パルス電流は, バッテリーに接続する 0.5 Ω （R12 と R13 の並列抵抗）の抵抗を貫通する. この測定では, 約 20 A のパルス電流がバッテリーに流れ る.
この電流は, シャント抵抗 R11(10 mΩ)にも流れる. この電流は, シャント抵抗両端の電位差を電 流センサで測定する. 電流センサとして LT6106(U2)を用い, この信号を 10 倍に増幅した. 得られ た電流の値は, 基板出力として A1 ピンへ出力される. Arduino は 10 ビットの解像度の AD 変換器
（アナログ・ディジタル変換器）を保有しており, この解像度は電圧で約 5 mV である. 電流に関す る解像度は 50 mA である. これは, 電流の 0 A から 50 A を電圧の 0 V から 5 V に対応させて いるからである.
電圧の測定は, 容量 C4 を用いて, バッテリーの 12 V の電圧を Arduino の 5 V にシフトして測 定する. バッテリーの電圧降下は容量 C4 を通して検出できる. C4 の片方の端子はバッテリーに接 続しており, その初期値は 12 V である. C4 の反対側の端子は電圧センサに接続しており, この 初期値は 5 V である. ここで, パルス電流がバッテリーに発生すると電圧が降下する. この電圧降 下は, センサ（Op-Amp, AD8616(U1)）で検出され, 測定値は A0 ピンから出力される. ここで, R8 は VCC へのプルアップ抵抗で, R7 はセンサの入力インピーダンスである. ダイオード D3 はセン サが高電圧になることを保護する. 電圧降下は 6 倍に増幅され, 電圧の解像度は 0.8 mV である.
2.3.4. 内部抵抗測定手順
内部抵抗測定手順を図 2.3.6 に示す.
バッテリーの初期電圧 V0 は, A0 ピンを通して測定される. そして, バッテリーにパルス電流が流 される. 引き続き, 電流が落ち着くまで 40 µs 待機し, A0 ピンを通して降下した電圧が V1 を測定 する. 次に, 電流 I が A1 ピンから検出され, そしてパルス電流のスイッチが切断される. これらの 測定から, 内部抵抗 𝑅𝑖𝑛𝑡 は, 数式(2.3.1)で求められる.
𝑅𝑖𝑛𝑡= 𝑉0− 𝑉1
𝐼 (2.3.1)
この測定セットを 10 回繰り返し, その平均を採用する. Arduino のデフォルトでは, AD 変換に 104 メイン 電流
測定
電圧 測定
パルス スイッチ
start V0
52 μs
I 52 μs 40 μs
V1 52 μs wait
ON
OFF end
抵抗 計算 t
図 2.3.6 内部抵抗測定手順
分周比の設定と呼ばれる. 以上の処理全体を Arduino 上で実行できるように C 言語に変換し, 実 装した.
2.3.5. バッテリー充電器
バッテリー充電器は, 鉛バッテリー用の LM723 互換・精密電圧レギュレータを用いるキットを用い て実装した[11]. その写真を図 2.3.8 に示す.
このボードは, 5 Ω の出力抵抗を有し, 2 A までの電流で 13.68 V までバッテリーを充電する. こ のキットは, フローティング充電をサポートする. AC/DC アダプタとして, 19 V / 3.4 A のものを接 続した.
図 2.3.7 Arduinoへの分周比設定 // set all 0 to ADPS in ADCSRA resistor ADCSRA = ADCSRA & 0xf8;
// set 64(110) to ADPS : set Division Factor 64 ADCSRA = ADCSRA | 0x06;
2.3.6. システムの組立て
図 2.3.9 に組立てたシステムの写真を示す.
鉛バッテリー
温度・湿度センサー
パルス発生サブシステム Ethernet ケーブル ディスエイブル信号
DC IN
(19V 3.4A AC/DC adapter)
DC OUT (5Ω) (13.68V, 2A (Max)) バッテリー充電キット
(精密電圧レギュレータLM723コンパチブル)
図 2.3.8 バッテリー充電器
４組の配線がバッテリーに接続されている. １つ目は, 電源供給用である. ２つ目は, バッテリーに パルスを供給するためのものである. 残りの２つは, 内部抵抗測定用である. 温度・湿度センサを バッテリーケースの側面に貼付してある. パルス制御サブシステムと測定・記録サブシステムは, １ 本の配線で接続されている. これは, 内部抵抗測定時にはパルス発生デバイスに動作を停止する 信号を送付するためのものである.