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STM32 Primer2のバッテリー不調

Primer2のバッテリー駆動時間が異常に短くなってしまいました。ひょっとしてバッテリーがお亡くなりになったかかも。いけない使い方はしていないつもりなのですが、、

充電回路の動作を確認する意味も込めて、バッテリー充放電時の電圧・電流を計ってみました。

リチウムイオンバッテリーの充電(予備知識)

先ずはリチウムイオンバッテリーの基礎知識をこのサイトでお勉強です。リチウムイオンバッテリーの充電は、以下のフェーズに分かれます。

  1. プリチャージ(バッテリー電圧が低い場合、電流を少し流して電圧が回復するかを確認 →バッテリーの正常性確認)
  2. 定電流充電(定電流で急速充電を行う →90%程度まで充電)
  3. 定電圧充電(セル電圧が4.2Vに到達すると、定電圧で充電電流が一定の値以下になるまで充電)

充電時の電圧変化

電圧変化をテスターの写真を並べて示します。実はこのテスター20年以上前の代物なのですが(よく動いている)、測定値はCircleOSのUTIL_GetBat()関数で得られるバッテリー電圧と合っていますので概ね正確だと思います。今度新しいテスターを買わねば。UTIL_GetBat()関数は、バッテリー電圧をSTM32 MCUのADCで測定します。

1)電圧低下による自動shutdown直後の電圧

Shudonw直前は3.4V台まで電圧が落ちるが、電源が切れると電圧が少し復活する。
01_v_aftershutdown

2) 充電中の電圧

4.19V(=4.2V)となっています。「STM32 Primer2の電源回路とバッテリー駆動時間」で書きましたが、STM32 Primer2はバッテリー電圧3.5Vでshutdownしてしまうためか、定電流充電フェーズがなく、いきなり定電圧充電が始まっています。
02_v_charging

3) 充電が完了すると、電圧が4.1Vになります

03_v_chargecomp

4) バッテリー駆動状態にする

いきなり電圧が3.7V以下になります。電池の内部抵抗の関係?すぐに本体の電源をOFFすると4V台の電圧が見えますが、電源ONのままにするとあっという間に3.5Vに低下していきます。電圧落ちが早すぎるような。
04_v_poweron_aftercharge_2

電流の測定

1) 72MHz動作時の電流

36MHz動作では、40.3mAでした。36MHzで、バックライト輝度を最低まで落とすと34.4mAとなりました。ATMega 328 16MhzのArduinoで25mA程度ですので、LCDがあることを加味するとまぁまぁの低消費電力性能か。
A_72mhz_blmid

2)充電電流

4.2Vの定電圧充電時の電流(放電時に対して電流の流れが逆になるため、マイナス表示になっています)。だんだん、電流が減っていきます。
A_chargestart

3)充電完了時の電流

僅かに放電しています。
A_chargeend

まとめ

バッテリーが不調のため、正しい充放電特性になっていない可能性がありますが、以下のことが言えます

1) STM32 Primer2では放電終止電圧が3.5Vと高めのため、充電はいきなり定電圧充電から始まる。ひょっとしてバッテリーを深く放電させると、定電流充電が走り、ボルテージレギュレーター充電回路への負荷増になるため定電流充電が動かないようにしている?充電回路の抵抗値(Rprog)で充電電流を制御でき、STM32 Primer2では68KΩになっているため、充電制御IC(ST社L6924D)のデーターシートの式を使って計算すると171mAになります。本体を動かしながら充電すると200mA以上の電流供給が必要になりますが、この電流が取れない?こちらはUSBバスパワーからの直送のため容量的には足りる筈です。

2) 定電圧状態の充電電流は徐々に減少して、10mAあたりで充電が終了しました。充電終了電流も充電回路の抵抗で制御ができ、STM32 Primer2では13mAとなります。従って、充電終了の制御もちゃんと行われています

この先どうするか

バッテリーの電圧があっという間に下がってしまうのは、現象としてメモリー効果が起きているみたいですが、リチウムイオン電池ですからそれはないはずです。やっぱり電池が死んだのでしょうか。

この際なので、容量の大きいバッテリーに交換を行います。スイッチサイエンスさんに860mAhのリチウムイオンポリマーバッテリーを注文しました。STM32 Primer2のForumを見ると、バッテリー容量を上げても充電回路は対応できる(充電時間が延びるだけ)とのスレッドがあったので、バッテリー交換で問題が解消するかを確認予定です。

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