高機能9Vニッケル水素電池充電器：Arduino制御で定電流・dV/dt終止・トリクル充電対応（Ver.1）

概要

市販の9Vニッケル水素電池充電器の多くが「定電流制御なし、終止検知なし、過充電で寿命短縮」という問題を抱えるため、Arduino UNOで制御するスマート充電器を自作。MCP4725（I2C 12bit DAC）＋LM358オペアンプ＋LM317可変レギュレータで精密定電流源を構成し、-dV/dt検知で充電完了を判定、その後トリクル充電（C/40）へ自動移行するVer.1を実装。LCDで電圧/電流/時間/充電量を表示。

充電理論の要点

• 9V NiMH＝単セル1.2V×7〜8直列（公称8.4〜9.6V）
• 満充電単セル電圧≈1.5V、充電中は1.6V超も
• 必要充電電圧：最大8セル×1.6V＝12.8V＋レギュレータ降圧＋検知抵抗降圧 → 17V電源必須
• 急速充電：0.5C〜1C（dV/dtまたはdT/dt終止）
• 緩慢充電：0.1C（タイマー終止、14-16h）
• トリクル：<0.025C (C/40) 推奨

回路構成

定電流源ブロック

1. MCP4725 DAC（0-5V出力）
2. LM358オペアンプで3.06倍増幅（R4=6.8kΩ, R3=3.3kΩ） → 0-15.3V
3. LM317 ADJ端子へ接続 → OUT-ADJ間1.2V維持でバッテリー電圧制御
4. 電流検知抵抗 R5=10.2Ω（10Ω標準＋実測補正）で電流=電圧/10.2

電圧測定ブロック

• バッテリー電圧：分圧器（R1=5.1kΩ, R2=20kΩ）で1/5に分圧 → A0入力（0-5V範囲内）
• 検知抵抗電圧：A2直結（0-5V範囲内）

安全/表示

• リレー（常開接点）でバッテリー物理切断
• I2C LCD（YwRobot 1602、New LiquidCrystalライブラリ使用）
• ブレッドボード電源モジュールで5V/3.3V供給
• 17V昇圧コンバータ（XL6009等）でLM317入力確保

ステート・マシン制御フロー

1. INITIALIZATION：リレー切断、DAC=0V
2. NO_BATTERY：電圧<0.1Vなら待機
3. BATTERY_CONNECTED：電圧>7Vなら次の段階へ
4. CURRENT_RAMP_UP：DAC電圧を微増し目標電流（既定30mA）到達まで
5. CHARGING：定電流維持、毎分バッテリー電圧記録、5分間の線形フィット傾き<0で完了判定
6. CURRENT_RAMP_DOWN：トリクル電流（C/40≈4.25mA）まで減衰
7. TRICKLE：トリクル維持、最大6分（設定可）経過で終了
8. END_OF_TRICKLE/FINAL_STATE：リレー切断、完了表示

異常検知：過電流(>200mA)、過電圧(>15V)、制御不能、電流予期せぬ減少 → 即座にリレー切断・エラー表示・停止。

ソフトウェア構成（複数.inoファイル）

• charger.ino：メイン・ステートマシン、パラメータ定義
• main.ino：loop()、状態遷移ロジック
• hw.ino：ハードウェア抽象化（DAC書込、ADC平均化、リレー制御、保護割込み）
• lcd.ino：LCD表示更新（ちらつき防止ロジック込み）
• calculations.ino：最小二乗法で電圧傾き算出、時間変換、充電量計算

設定パラメータ（charger.ino冒頭）

float target_current_mA = 30;           // 充電電流 mA
float battery_nominal_capacity_mA = 170; // 公称容量 mAh（トリクル電流計算用）
float max_time_for_trickle_charge = 6;   // 最大トリクル時間（分）

容量170mAhなら最大170mA(1C)まで設定可能。最小≒17mA(C/10)。

表示例

• 充電中：9.45V 30.0mA 12（電圧/電流/経過分）
• 完了時：Completed 0:45 / Charge 22mAh（時間/充電量）
• dV/dt傾きも表示：負値で完了検知

安全上の警告

• 高電流充電は発火/爆発リスクあり。放置禁止。
• アルカリ電池等の非充電池には絶対使用しないこと。
• NiMH専用。他化学系（Li-ion, NiCd等）はコード修正必須。
• 設計/コードのバグによる損害について作者は無責任。

今後の拡張予定（Ver.2以降）

• 放電機能（容量測定用）
• サイクル充放電（リフレッシュ/寿命試験）
• 温度センサー追加でdT/dt終止併用
• ボタン/ロータリー・エンコーダーでパラメータ設定可能に
• SDカード/EEPROMへログ記録

リソース

• 全ソースコード（6ファイル）
• New LiquidCrystalライブラリ（YwRobot LCD対応）
• 回路図（PNG）、Fritzingプロジェクト（.zip）

まとめ

Arduino＋DAC＋オペアンプ＋レギュレータという古典的アナログ制御構成で、市販品並みの「定電流・-dV/dt終止・トリクル」を実現したスマート充電器。ステート・マシン設計で挙動が明確、LCDで全パラメータ可視化、安全保護も多重化。NiMH電池の特性を深く理解し、アナログ回路設計とファームウェアの統合を学ぶ上で極めて優れたプロジェクトです。Ver.2での機能拡張も楽しみです。