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2013年10月31日の記事は以下のとおりです。

Z-PV1000の電池を入れ替えるのだが

  • 2013/10/31 17:03
  • カテゴリー:make:

 次世代コードレス掃除機選定委員会が選んだのは,ダイソンのDC45だったわけですが,しばらく使って見て思ったのは,これはもうサブ機ではなくメイン機だということです。

 20分以上の掃除をすることはなく,決まった時刻に掃除をすると言うよりは,ゴミが目立ち始めたら掃除をさっとする,という方法を考えると,どう考えてもDC45に分があります。

 カーペットの掃除については,DC45は自走しないヘッドなのでちょっと大変なのですが,そこはルンバの守備範囲です。ですから,DC45は単独メインと言うより,ルンバと共同でメインという位置付けになるでしょうか。

 まあその,ルンバもコードレス掃除機には違いないので,我が家ではコード付きの掃除機は完全に時代遅れとなりました。実のところ,掃除機というのは結構消費電力が大きいですから,省エネにもなって万歳かも知れません。

 さて,出会いがあれば別れもあります。

 これまで,サブ機として長く使っていた,ブラック&デッカーのZ-PV1000ですが,これは電池が寿命を迎えており,充電がほとんど出来ない状態でした。DC45があればもう必要はないということと,元々そんなに高価なものではなかったということで,捨てるつもりでいました。

 Z-PV1000は,Ni-Cd電池が10本内蔵されていて,12Vで動作します。それで吸い込み仕事率が26Wでしたから,結構派手な掃除機だったわけです。音も大きいですし,重いですし。

 で,仮に電池が1セル300円とすれば10本で3000円です。本体が5000円台で買えたことを考えると,ちょっともったいない気がしました。

 しかし,捨てるという言葉に異様に反応するもう一人の私は,「捨ててしまうのは一瞬でいつでも出来るから」と,あくまで電池の交換を主張します。

 とりあえず交換出来そうなNi-Cdを探してみます。探してみると,やはりNi-Cdは過去の電池になっていることがわかります。まともな形でNi-Cd電池を新品で買うことは,かなり難しくなっている印象です。

 Z-PV1000に搭載されている電池は,俗にSubCと呼ばれているサイズの電池です。電動工具では長く使われた定番のサイズですから,入手は難しくないはずですが,冷静に考えるとここ数年で電動工具もリチウムイオン電池に変わっていますので,使い道は限りなく限定されると言ってよいでしょう。

 とまあ,あきらめてかけていたところで,ふと電動ラジコン用のバッテリーパックの存在に気が付きました。しかも調べてみると,激安です。6本パックで1100円ですよ。これなら,2パック買っても2000円ちょっとです。しかも元々組電池ですから,タブが付いています。ハンダ付けも出来るわけです。

 私はラジコンはやらないのでよく分かりませんが,ヨコモというメーカーのNi-Cd電池パックです。在庫もそんなにないようで,私は関西の量販店から2200円で買いました。これで12本です。

 電池が届いた週末,早速交換してみました。

 Z-PV1000を分解します。分解して分かったのは,モーターと電池が一体化したモジュール構造になっているんですね。ビスを外してやれば,ポコッとモーターと電池が取り付けられたシャシーが外れて取り出せます。

 このサブシャシーには12本の電池が搭載できるスペースがあります。詳しくは知りませんが,Z-PV1000には14.4Vモデルもあるそうで,そのためのスペースなのかも知れません。

 さて,電池はボール紙に巻かれたSubCです。すべて直列につながっていて単純かと思いきや,プラス側から2本目の所のタブから,なにやら線が1本出ています。これがスイッチにも入っていて,どうもしっくりきません。

 見落としがあってはいけないと,真面目に電池の配線をみてみます。

 わかったことは,このまま交換して使うのはよそう,ということです。まず,Z-PV1000にはパワー切り替えが付いていますが,この切り替えはなんと,直列につながったセルの接続点の違いで,電圧を変えていることがわかりました。具体的には,強の時には10セルで12Vですが,弱の時は2セル減らしたところから電源を取り,8セル9.6Vでモーターを回します。

 しかしですね,これは御法度なのです。これだと,10セルのうち8セルだけ電池が減ってしまいます。この状態で充電を行うと,減った8セルはいいとして,減っていない2セルにも充電が行われてしまうため,これが過充電になります。

 また,弱で電池が減ったからと強に切り替えると,弱った8セルにも電流の出し入れを行うことになるので,8セルは過放電になったりして,かなり厳しい状態に置かれてしまいます。

 Ni-Cd電池は丈夫で,少々ラフな扱いをしてもへこたれません。が,直列に繋いだ電池は,均等に充放電をするのが鉄則ですから,こういう使い方はよろしくありません。

 次に,充電の問題です。どういうわけだか,充電中にかなり熱を持ちます。取説には熱を持っても心配ないよ,とありますが,一晩中暑いままというのは,ちょっとまずいようにおもいます。

 心配なので充電電流を計ってみました。すると,ざっと300mAです。この電池は1400mAhの容量ということですので,ざっと0.2Cということになりますね。取説には5~6時間程度で満充電とありますから,計算は確かにあいます。

 しかし,充電はスタンドに置いておくとずっと行われる仕組みです。いわばトリクル充電なわけで,それなら0.2Cは大きすぎますし,0.2Cで充電したいなら,充電を停止する仕組みが必要です。

 しかし,ここで考えました。Ni-Cd電池の満充電時の電圧は1.4Vです。ですから充電電圧が14Vになっていれば,満充電に近づくにつれて電流は減り,やがて停止するはずです。

 まあ,それくらいのことはないと困るわな,と入力電圧,電池の電圧,そして電流を計りますと,何時間経っても300mAから減りません。電池電圧は14Vを越えていますが,なにより入力電圧が21Vもあります。これじゃいつまで経っても充電は終わりません。

 こんな状態で放置したら,過放電になってしまいます。5時間おきに10分動作させて使う人ならこれでもいいでしょうが,そんな使い方をする人はいないでしょう。このままではまずいです。

 ACアダプタには,14V300mAと定格が書かれています。300mA流せば14Vになりますよ,という意味ですが,実際には20Vも電圧が出ていますのでこれは嘘です。

 ならば,これが本当だったら大丈夫なのかといえばそんなことはなく,300mA流れているときは14Vでも,100mAになれば電圧は上がります。上がれば電流は流れるわけで,やがてACアダプタと電池の電圧が等しくなったところで,ようやく充電が止まるわけです。

 しかし,その電圧は明らかに14Vではなく,最終的には充電電流がゼロになる20Vと言うことになるでしょう。そもそも1セル2Vまで上がるのかという話もあるし,仮に2Vになっても,それは完全に過充電です。


 そこで,以下のような対策です。

(1)まず,強弱切り替えは廃止しました。セルの充電度合いに差があることは避けたいので,弱を殺して,常に強で動くようにしました。

 実は,Z-PV1000は強ではうるさすぎて,私はほとんど使っていません。弱で十分ですし,出来ればこのモードを温存したいのですが,直列に抵抗を入れる作戦は抵抗の発熱が心配だし,手持ちに適当な定格の抵抗がありません。

 降圧回路で落とす方法も考えましたが,この手の掃除機は起動時に数十Aの電流が一気に流れるものなので,ちょっと難しいです。

 降圧に似たようなアイデアに,チョッパ回路を使って電圧を落とす方法も考えました。しかし,ピークで数十Aものトランジスタを探すのが面倒で,やめました。模型用のモーターとの違いを思い知らされた感じです。

 ということで,面倒だし危険なので,強だけで使う事にします。


(2)充電についても,真面目に充電回路を作ることを考えましたが,やはり面倒(面倒ばかりだなおい)なので,簡単な方法を考えます。

 とにかく,10本直列のNi-Cdは満充電が14Vですから,電流制限抵抗があろうがなかろうが,充電電圧が14Vになればもう電流は流れようがありません。

 電流制限抵抗がなくても,電流は300mA程度になることが分かっていますので,電圧を14Vに安定化すれば,満充電に近づくにつれ電流が減り,やがてゼロになってくれるでしょう。

 乱暴な方法ですが,充電はちゃんと止まるはずです。

 そこで,非安定のACアダプタの20Vを,安定化します。スタンドにもダイオードが1本入っているので,0.7Vだけかさ上げするとして,15Vで安定化すれば大丈夫そうです。

 7815を使うのが一番楽ですが,手持ちは1つだけ。心許ないので,腐るほどあるNJM2387Aを使う事にしました。R1に1.1kΩ,R2に12kΩを選べば,15Vになります。

 横着してコンデンサをつけなかったら発振してしまい,ちっとも電圧が安定しなかった話は恥ずかしいので墓まで持っていきますが,なんだかんだで組み込んだところ,すでに満充電近い状態では,12mA流れたあと,6時間後には2mAまで下がっていました。

 トリクル充電は0.02Cから0.03Cくらいの充電電流だそうですから,これを大幅に下回っています。充電をしていないのと同じですね,これだと。

 ということで,一応満充電になると,充電が止まることまでは確認出来ました。これでメデタシメデタシ・・・

 ああ,1つ大事な事を忘れていました。300mA流れるときの状態です。20Vから15Vを作っているので,NJM2387Aでのドロップは5Vです。ここに300mA流れますからざっと1.5Wの損失があります。

 そして,NJM2387Aの最大定格は1Wです。いやはや,定格オーバーじゃありませんか。

 しかもこれは無限大の放熱器をつけた場合の話です。私のように,ベークの安い万能基板に取り付けた場合,その半分も使えないんじゃないでしょうか。

 NJM2387Aにはサーマルシャットダウンがついているようですので,いきなり壊れてアウト,と言うことはないでしょうし,フの字特性の保護回路ですので,電流がバチンと切れてしまう訳ではないでしょう。

 などと,いろいろ考えていますが,電池を空っぽにしないと確認出来ません。さすがにみんな寝ている夜にあの爆音を10分間出すのは気が引けて・・・確認は時間のあるときにやるしかないですね。

 え,駄目だった場合ですか?

 入力にダイオードを3本ほど入れますよ。そうすれば2Vドロップして,300mA流れても1Wに収まります。いいですねこれ,この方法でいきましょう。というか,最初からこれをやっておきましょう。

 まてよ,最終的に20Vを15Vにするのに,差分を熱として放出することには変わらないので,NJM2387Aから出るか,ダイオードから出るかの違いだけで,結局熱になっちゃうんですよね。なんだか,バカバカしくなってきました。

 うーん,1Aクラスのスイッチング電源を組んだ方がよさそうです。

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