小型軽量な回路で効率良く 24V DC Max 10A程度に電流制限をかけたい

質問

お気に入りの折りたたみ電動Assist自転車Ni-Cd 10 cell 公称電圧24V仕様車の電池を高密度のLaminate Li-Ion公称電圧26Vへ置換して、軽量長距離化を試しているのですが、直ぐにLLI pack内蔵の保護回路が動作して出力遮断になります。充電接続でresetはかかるものの余り走行できない状況です。LLIの充電末期電圧は29V位あり最大負荷時に制限電流を超える電流が流れるためと推測しています。大電流Diodeを複数本直列に入れて電圧降下をさせるのが容積的に小型で単純な回路になりそうながら電圧降下分を熱にして捨ててしまうのもせっかくの高容量軽量電池を積む意味がないし、Deco-Decoを組み込む程の容積と重量を自転車にかけては、やはりLLIの意味が無いしで何か良い方法がないか悩んでいます。できるだけ熱損失で捨てる事無く電流制限をかける方法はないでしょうか。負荷は260 W motorを踏力sensor＋回転速度sensorでPWM制御しているため電流は常に可変ですが最大電流を10A程度に制限して遮断するのでは無く継続的に流したいのが目的です。回路容積としてはタバコ１箱程度の大きさで。PWM Amp回路は樹脂漬けで手を付けれません。 LLIの保護回路もBlack boxで手を付けられません。

回答No.4

walkingdic

>他社の電動assist自転車用に設計されたpack電池で、26V 5 A/hr
ご質問の電流制限が１０Ａというところから、多分そういうことだろうとは思っていましたが、問題なのは依然としてＮｉ－Ｃｄの最大許容電流より小さいので、モータドライバ側でそれを考慮していないことにあります。

で、ご質問と他の人への補足（ポリスイッチでもよいという：こちらは一定電流以上でＯＦＦ状態になり、しばらくすると自己復帰します。ただ今回の話からすると多分Ｌｉ電池の制限の方が早く働くからだめではないかと思いますが。）をみると、動作に支障が出ても構わないから、とりあえずなんでもよいから電流制限がかかって、復帰すればよいなんて話のようなので、それであれば、ＦＥＴを使って簡単な回路で出来るでしょう。

電流をちょうど１０Ａに制限するためにはＤＣ－ＤＣコンバータと似た回路にしなければなりませんが、単に１０Ａ以上でＦＥＴをＯＦＦにして、リセットスイッチでＯＮに戻すという回路にすれば非常に簡単な回路で済みます。

スイッチとしてたとえば２ＳＪ３３４当たりのＰ－ｃｈ　ＭＯＳ　ＦＥＴを使うとよいでしよう。ＯＮ抵抗が低いのでほとんど通常はロスがありませんし、最大電流も３０Ａ（パルス１２０Ａ）と容量も十分です。
（Ｎ－ｃｈ　ＭＯＳ　ＦＥＴを使うとグラウンド側に入れなければならないので厄介ですからＰ－ｃｈのほうがよいです）

Ｖｇｓｓの最大定格が２０Ｖですから、ＧＮＤまでゲートを落とすとまずいので、通常のＯＮ時には１０Ｖ程度のＶｇｓにして、電流一定以上でＶｇｓ＝０Ｖにする、あとはリセットスイッチを押すまで、あるいは一定時間経過後にまたＯＮにするという仕組みにすればよいかと思います。

電流検出回路の方は、損失を少なくするには電流検出抵抗（シャント抵抗）は小さい方がよいので、アンプで増幅して閾値以上になれば一気にＯＦＦするようにすればよいかと思います。

ポイントはＬｉ－Ｉｏｎの電流制限の安全装置より早く動作しなければならないので、あまり低速ではだめです。とはいえ、Ｌｉ－Ｉｏｎの安全回路がそんなに馬鹿みたいに早い速度だと思わないので、それより少し速い速度にすればよいかと思います。（これは実測するなりしないとわかりません）

電流検出の部分は微少電圧になるため（１０Ａ検出で１Ｗのロスを許容するとしても０．１Ｖで動作しなければならない）、専用ＩＣを使った方が作るのは簡単です。

お礼

当初は継続的に電流制限を考えていたのですが、ここでやりとりをしている内に、限界が明確になり、妥協点が見えてきて簡単に復帰すれば遮断でも良い結論に辿りつきました。確かにPTCは熱で動作するので、相当動作電流に開きがないと電池本体の検出回路の方が先に動作する可能性は大で参考になりました。輪行自転車ですので容積、重量、耐雨、且つ放熱を考えると複雑な回路は組みたくなかったのですが、検出+FET遮断回路だけなら軽量且つ車体内へ納まりそうで、製作にとりかかる事にしました。　ありがとうございました。

回答No.3

takepon256

＞できるだけ熱損失で捨てる事無く

これが無ければ一案としてPTCサーミスタが浮上するんですけど・・・。
消費電流が増大すると抵抗値が増して電流制限してくれるので、突入電流防止などに使用されます。
（当然ですが抵抗値が増大するので、制限がかかると電圧降下を起こします）

補足

情報をありがとうございます。PTCは何個か手元に持っていたのですが小電流用の物しか実用化していないと思っていて知りませんでした。検索したら、「ポリスイッチ 30V 5.0A I-Trip 10A RUEF500」と言う物を見付けました。10Aに至る過程で熱損失はあるものの、最終的には遮断されてしまうようでこれなら無駄もでません。最初の目的からは外れるものの電流を遮断されてもassistが無くなるだけで何の障害が発生するわけでもないので、電池packの保護回路動作回避は、できるわけで。電池packの保護回路が働くとresetをかけるためには、100V ACが必要になるので走行中は大変です。Data sheetを検索しても詳細が見つからないのですが、これは温度が下がると自然復帰するものなのですか？負荷を切ると復帰する物なのですか？

回答No.2

walkingdic

補足です。

本題のご質問にお答えしていなかったことに気がついたので一応ご回答しますと、電流制限を掛ける方法は、シリーズかスイッチングかどちらかしか方法がありません。

シリーズは、トランジスタによる電力の無駄遣いが当然あります。
スイッチングは無駄遣い無く効率よく制限は出来ますが、結局これはＤＣ－ＤＣコンバータに過ぎません。
ＤＣ－ＤＣは思いの外小型化は出来るので、１０Ａ程度までの回路ならばそんなに大きくはならないと思います。
ただ先に回答したように、多分苦労して作っても使い物にならない可能性が十分にあります。

どうしても試みたいということであれば、とりあえずシリーズでもスイッチングでもよいから、サイズや重量も問わずで、入手できるものをつかって、電流制限を掛けて試してみてはどうですか。

ただ私なら素直にＮｉ－Ｈにしますが。。。

回答No.1

walkingdic

そもそも無理があるのではと思います。
Ｎｉ－ＣｄやＮｉ－Ｈは５～１０Ｃ程度の瞬間放電電流を得ることが出来ますけど、Ｌｉ－Ｉｏｎは１～３Ｃともともと瞬間的な放電電流に弱いです。だからこそ保護回路により保護をしているといえます。

なので単に２４Ｖと２６Ｖの電圧の差による電流量の違いではなく、そもそもモータードライバでの制御が、Ｎｉ－Ｃｄ用ならば、Ｎｉ－Ｈへの置換は可能性がありますが、Ｌｉ－Ｉｏｎでは瞬間的な大電流駆動も行わないようにモータドライバ回路自体に工夫が必要になると思います。

あくまで現行のモータドライバでということを考えると、Ｌｉ－Ｉｏｎ電池に更に大電流に対応できるように第３の供給源を用意する（たとえばスーパーキャパシタ）とか、最近登場してきている大電流対応のＬｉ－Ｉｏｎ電池を使うなどのことが考えられます。

補足

早速のご指導ありがとうございます。　ご指摘の瞬間放電電流の件ですが、今回試験している電池は「Laminate Li-Ion」と表記しましたが、正確には、Li-Polymerで3C以上流せる設計のようです。他社の電動assist自転車用に設計されたpack電池で、26V 5 A/hr. 車体を丸ごと購入したので専用motor, driver回路共にあり、特性を測定してみましたが電圧差の分、電流が低いだけで定格に殆ど差がありません。僅かに、I-Maxが多い程度のようで。と、言う訳で10Aを超えた分だけ制限をかける事ができれば良いのですが。
Motorとdriverを丸ごと置換すれば効率は良いものの実装上加工個所が多過ぎて、実用性から外れてしまうので。