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2017年9月29日金曜日

Raspberry Pi Zero Wのリチウムポリマーバッテリー化(その2)

Courseraの機械学習コースも終わったので、中断していたRaspberry Pi Zero Wのリチウムポリマーバッテリー搭載の作業の再開です(前回までの様子はこちら)。

Raspberry Pi Zero Wは小型で便利なのですが、スタンドアロンのWifiカメラとして使用する際に、既存のモバイルバッテリーだとちょうどいいものがないので、できるだけZero Wのサイズにフィットした電源供給方法を既存の部品などの流用でつくれないかという試みです。まだ試作段階なので、仕上がりなどは中途半端です。

部品類:
・アクリル板:67x30mm、2mm厚(Zero Wのサイズは65x30mm)
・電源用スイッチ(ON/OFF)
・リチウム充放電回路(出力:5V、入力:5V/MicroUSB)
・リチウムポリマーバッテリー:48x30mm、8mm厚、3.7V/1200mAh
・その他、M2.6、M2ネジ、赤黒ワイヤ、ポゴピン


電源供給端子:
まずは、Zero Wのどの端子に電源供給するか?という部分からスタート。以前も書きましたが、

上画像のPP1とPP6(Zero基板には端子番号がプリントされているようですが、Zero Wだとプリントされていない)に5Vを接続することにしました。この端子、PP1(5V)、PP6(GND)は、電源供給用のMicroUSBと直結しているようなので、ここに5Vを接続。直接ハンダづけしてもいいのですが、前回書いたようにポゴピンを接点にしました。
スイッチの中央の端子にポゴピンをハンダづけしています。スイッチは秋月で購入した表面実装用の小型なもので、足の部分を折り曲げてまっすぐにしています。これはZero WにおけるGND側の端子となります。そして、これをアクリル板をベースにして以下のようにとりつけます。
アクリル板にポゴピンと同じ径の穴を開け(段差もついているので2段穴)、差し込みます。そのままだと抜けるので瞬間接着剤で固定。手前のポゴピン(GND:Zero WのPP6端子へ)がスイッチと直結、奥のポゴピン(5V:Zero WのPP1端子へ)は赤ワイヤとハンダづけしてあり充放電回路につながっています。
ポゴピンの直径は1.5mm(アクリル板の貫通穴)、見えている電気接点となる先端が丸い部分は直径1mm、全体の高さが3mmと非常に小さいので作業も大変です。
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リチウム充放電回路:
一番悩んだのが、リチウム充放電回路です。今回は5V電源を供給するため、充放電回路に昇圧回路も内蔵しているものを探しました。Zero Wは3.3Vで動作するためGPIOピンに3.3Vを接続すれば動くようですが、5V電源も取れるようにということで5Vにしました。回路で昇圧して降圧するのでその分ロスが大きくなりますが、今回は5V入力の方向で。

条件としては、
・USB5Vで充電可能(できればMicroUSB端子つき)
・5V出力(昇圧回路つき)
・充電と放電が同時にできるもの
・できるだけ小型

以下は、前回試してみた充放電回路です。
左から、
・AliExpressで売っている昇圧充電回路(300円前後)
・アマゾンでも購入可能なTP4056搭載の回路(安い:100円前後)
・Wemos Battery Shield(AliExpressで200円前後)
・18650モバイルバッテリー内の回路流用(安い:AiExpressで100円程度)
上記各回路については前回参照。


上記以外にもいくつか試しに購入してみた結果、以下の回路が上の条件を満たしていたので採用。
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おそらくこれは18650モバイルバッテリーなどに内蔵されている回路だと思います。上画像上部に見えるのがMicroUSBソケット(メス)、ここからUSB経由で充電(5V入力)。基板真ん中付近のOUT-とOUT+端子が5V出力。ここをZero Wの電源端子へスイッチを介して接続。通常のUSBソケット(メス)を搭載できるような基板になっていますが、送られてきたものは、この画像にある通りUSBソケット(メス)はついていません。どうせ使わないので、このままのほうがいい。さらに基板下の左端とやや中央に見える穴がリチウムバッテリーと接続する端子。

配線図:ポゴピンはZERO Wの両端子の位置に取り付けます。
ただし、以前購入した18650モバイルバッテリー(100円程度)は、充電と放電が切り替え式になっており、充電しながらの電源供給ができないというタイプもたまにあるので注意。あるいは、充電中(5V入力)は5V出力するけれども、USB充電接続を外すとバッテリーからの出力に切り替わるため、昇圧回路が内蔵されていないものだと3.7V出力になってしまうものなどもあります。自分で充放電回路をつくったほうがいいかもしれないと思いましたが、面倒なのでいろいろ探しているうちに今回の回路(しかも安い)が見つかったというわけです。

この充放電回路は比較的小型なのですが、厚みが意外にあります。横からみると分かるのですが、基板の両面に部品が載っています。特にMicroUSBソケット(メス)が上面左にあり、コイルが下面右にあるため、全体的に厚くなってしまいます。そのため、以下のようにアクリル板にコイルの部分が埋没するように穴(直径6mm)をあけてなんとか厚さをを吸収しました。
それでも、コイル以外の部品ものっているので、スペーサーをいれて少し浮かせています。幸い固定用の穴も回路上についているので、アクリル板にネジ穴を切ってM2ネジで固定しました。ネジ固定されたので、充電の際のMicroUSBの抜き差しにも耐えられるでしょう。ちなみに、アクリル板とZero WはM2.6ネジで四隅を固定します。ナットは使用せず、タップでアクリル板にネジ穴を開けています。

バッテリー:回路の大きさによってバッテリーの大きさも左右されてしまうのですが、最低でも1000mAhのバッテリーという条件にして探してみました。30mm幅で厚みが8mmになるといくつかあり、今回は長さ48mmで1200mAhを使うことにしました。8mmも厚みがありますが、充放電回路もそこそこ厚みがあるので大丈夫でしょう。逆に薄さを優先するとバッテリー容量も減ってしまうので、このくらいがちょうどよさそうです。
AliExpress.com Product - Liter energy battery 3.7V lithium polymer battery 803048 1200MAH GPS navigator PSP game sound card1111円(送料込み)、保護回路つき。AliExpressでもリチウムポリマー電池はそれほど安くもないのですが、日本よりは安いかと。しかし、送られてきたのはTurkey Postからでした。最近バッテリーなどはトルコで生産しているのでしょうか?

全体的にはこのような厚み。バッテリー上面からZero WのHDMI端子までの厚さで15mmあります。バッテリーは両面テープで仮止めしています。さらに、これを全体的に覆うようなケースもあるといいかもしれません。いまのところGPIOピンは取り付けていないのですが(主にWifiカメラだけの使用を前提)、取り付けると更に厚みが増すので、もし使う場合はその部分もポゴピンにしてしまおうかと思っています。

ちなみにカメラをつなぐとこんな感じ。カメラを起動してもエラーがでるので、なんでだろうと思ったら、実はカメラの向きが逆でした。以下がこのカメラ(V1)に対しての正しい向き。ちなみにもう一つ持っている暗視カメラのほうは、この↑向きと同じ。カメラによって向きが異なる点も注意が必要です。
AliExpress.com Product - Free Shipping raspberry pi camera 5mp pixels RASPBERRY PI CAMERA739円(送料無料)、これは5メガピクセルのV1カメラです。フラットケーブルコネクタが基板背面についています。ちなみに最新のV2カメラは8メガピクセルにスペックアップしています。スペックの違いはここを参照
AliExpress.com Product - Raspberry Pi 2 Camera module 5MP OV5647 Night Vision Camera + 2pcs Sensitive infrared light compatible For Raspberry pi 3 camera2254円(送料無料)、こちらが暗視カメラです。5メガピクセル。カメラ両サイドに脱着可能な赤外線LED照明がついてます。このカメラの場合はフラットケーブルコネクタが基板上面についているので、先程のV1カメラとは向きが逆になります。

カメラは固定していないので、やや宙に浮いています。おそらく、上下にもう一枚ずつアクリル板などを重ねて、カメラの固定とバッテリー保護を兼ねてケース化するとよさそうです。右側に緑のLEDが光っているのが確認できると思いますが、とりあえずこの状態で動作確認できました。VNC経由でパソコンからもカメラ起動できましたが、何時間持つのかはまだ計測していないのでわかりません。確かWifiにつないでいる状態でも200mAくらいだったので数時間は持つかと。ただし、長期的な安定性などはまだきちんと検証していないので、その辺の問題はこれからでてくるかもしれません(今回使用した充放電回路もどの程度信用できるかわからないので)。


今回単にスイッチがついただけでも便利になりました。あとは、カメラとの一体化も含めた全体的なケースの制作です。
追記: その後、Aliexpressで以下のようなバッテリー(2086円、送料込み)を見つけました。 AliExpress.com Product - Raspberry Pi Zero 0 W UPS power Expansion board, integrated serial port, power detection



関連:Raspberry Pi Zero Wを購入Raspberry Pi Zero W:IPカメラ実験(Picamera)

4 件のコメント:

  1. 安全ですか? リチウムポリマー電池は発火する可能性があると聞きました。

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    1. いまのところ発火はしてません。安全性重視ならきちんとしたメーカーから購入するか、回路をチェックしたり、バッテリーが膨らんでいないかチェックしたほうがいいと思います。使わない時は金属製の箱にいれて保管しています。

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  2. サイトを参考にRaspberry Pi ZeroをLi-Poバッテリー駆動化を目指しています。本当にありがとうございます。
    さて、質問ですが、Li-Poバッテリーの充電回路で充電した場合に、過充電になることはないのでしょうか?
    このような電池は安全性が非常に心配です。

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    1. 一応過充電にならにように保護回路がついていますが、保護回路のついていない充電器やバッテリーもあるので購入するときはよく調べてみるといいと思います。

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