RCパワーシステムの基礎を理解する

はじめに

かつてのラジオコントロール（RC）オンボードパワーシステムは、レシーバとニッカド電池で駆動するいくつかのサーボのみという、非常にシンプルなものでした。その後、電気駆動モータの導入やその他の電力ニーズに伴い、RCシステムは大幅に変化しました。このブログでは、最新のRCパワーシステムで使用されている用語やコンポーネント、そしてそれらのコンポーネントが一般的にどのように構成されているかを説明します。

レシーバ

RCレシーバ（RX）には2つの目的があります。1つ目は、トランスミッタからの信号を解釈し、そのデータを適切なチャンネルに送信することです。2つ目は電源レールを提供することです。この電源レールは、サーボチャンネルを占有するさまざまなサーボやその他の周辺機器に電流と電圧を供給します。RXは、制御タスクを実行するために4.8～6VDCの安定した電源を必要とします（図1）。ニトロメタンまたはガスエンジンでRCモデルを推進させる場合は、レシーバに電圧を供給できるNiCadバッテリまたはNiMHバッテリがあれば十分です。ガソリンエンジンを搭載したRC車両の場合は、点火システム用の別のバッテリが必要になる場合もあります。

図1：RCレシーバのレイアウト。（画像提供：Don Johanneck）

電気駆動モータ

モデルを推進するために電気モータを導入するには、より高出力のバッテリと独立したスロットル制御システムが必要になります。モータ制御は、RXからスロットル信号を受け取り、バッテリ電圧の範囲全体にわたって変換し、モータに必要なすべての電力を供給します。RXの電源ニーズを満たすため、一部のモータコントローラには、RX専用の安定化5ボルト出力が搭載されており、バッテリエリミネーション回路（BEC）と呼ばれています。これにより、システム設計者は2つのバッテリを設置する必要がなくなります。1つはモータ用、もう1つはRX用のバッテリです。コントローラにBECがない場合や、5V出力で十分な電流が得られない場合は、バッテリに直接接続する独立したBECを取り付けることもできます。

ブラシ付きモータかブラシレスモータか？

RC飛行機の推進用ブラシ付きDCモータは短命に終わり、すぐにブラシレスDCモータ（BLDC）に取って代わられました。モータ用のコントローラは、電子速度制御（ESC）と呼ばれています。ESCの定格は出力ワット数と、さまざまなLiPoバッテリを扱う能力によって決定されます。これらのLiPoバッテリは、その高容量により、RCバッテリ市場を席巻しています。ほとんどのESCには前述のBECが搭載されていますが、BECを搭載していないものもあります。BECという用語は通常、非効率で発熱するリニアレギュレーション回路を指します。そこで登場したのが、より効率的なスイッチングタイプの電圧レギュレータであるuBECです。

図2：RCパワーと制御システム。（画像提供：Don Johanneck）

ブラシ付きモータの定格は入力電圧と消費電流によって単純に決定されますが、より一般的なブラシレスモータの定格は、基本的に電圧あたりの1分間の回転数であるKvで決定されます。ブラシレスモータの定格が850Kvであれば、1ボルトの印加で850回転します。4S LiPoバッテリは約14.8ボルトの電圧を供給します。この電圧は、最大バッテリ電流が適用され、モータの出力シャフトに負荷がかかっていない場合、850Kvのモータを12,580rpmの速度で回転させます。ESCは電圧を調整し、トランスミッタ（TX）のスロットル制御の位置に比例した幅広いRPM制御を実現します。

ブラシレスモータの潜在的な消費電流を決定するには、多少の計算が必要です。モータの重量（グラム単位）に3.5の係数をかけると、おおよその最大ワット数が得られます。850Kvモータの重量を174gと仮定すると、そのモータは約600ワットの電力を消費します。ワット数は電圧と電流の積であるため、ワット数を印加電圧で割ると、フルRPM時のおおよその消費電流（約41アンペア）が得られます。

一般的に、RC操作者は飛行中や走行中にフルスロットルで操作することはありませんが、仮にフルスロットルで操作した場合、6500mAhのパックで850Kvのモータを全負荷で約9.5分間稼働させることができます（6500mAh/41000mA = 0.1585時間）。

LiPoバッテリ

「LiPoly」、「リチウムポリマー」、または「LiPo」という用語は、同じ種類の高出力バッテリを指します。ESCが処理できる能力とモータの要件に基づいて選択されます。便利なことに、ほとんどのLiPoバッテリでは、セル数、アンペア時定格、放電率などの情報がバッテリラベルに記載されています。電圧定格はセル数に直接関係しています。各LiPoセルは公称3.7ボルトを出力するため、「S」または直列値は、バッテリパックを構成する直列セルの数に関連しています。2Sパックは7.4ボルト、3Sは11.1ボルトといった具合です。アンペア時定格は、既知の消費電流でパックがどれだけの時間電流を供給できるかを判断するために使用されます。DigiKeyでは、消費電流から電池寿命を計算する便利なツールを用意しています（図3）。

図3：推定飛行時間 - DigiKey電池寿命カリキュレータ。（画像提供：DigiKey）

「C」定格は、セルの損傷を招かない、パックからの最大消費電流を表します。「C」定格にアンペア単位の容量をかけるだけで計算できます。15C、3200mAhのパックは最大48アンペアの電流を供給できます。「C」定格は充電レートの決定にも役立ちます（図4）。LiPoバッテリを適切に充電するには、セルの損傷および過充電・物理的に損傷したセルによる発火の可能性を防ぐための注意が必要です。充電レートを調整でき、バランスリードコネクタを備えた充電器を常に使用してください。また、可能であれば、パックの温度を監視するセンサを使用してください。「膨らんだ」パックや、セルの損傷が目に見えるパックは、充電中の発火や爆発を防ぐために適切に廃棄する必要があります。1Cの充電レートを選択するのが一般的です。この充電レートは、mAhの定格を充電時間で割ってアンペアに変換することで算出されます。前述の3200mAhのパックは、最大3.2アンペア（1C）で充電されます。バランスリードによりパックは均一に充電され、ユーザーはバランスリードに直接取り付ける特別なメータを使用して各セルを監視することができます。

図4：推定充電時間 - DigiKey電池寿命カリキュレータ。（画像提供：DigiKey）

パックをセルあたり3.7ボルト未満に放電しないよう注意してください。このレベルを下回る放電が続くと、バッテリの寿命が短くなり、容量が低下する可能性があります。

過充電や物理的な損傷によりパックがひどく損傷すると、保護パッケージを突き破って破裂することがあります。破裂したパックの充電は行わず、取り扱いには十分注意してください。この状態では、パックは不安定で予測不可能です。安全のため、LiPoパックは使用できなくなったらリサイクルする必要があります。

まとめ

RCパワーシステムはシンプルで低コストなものから、数百ドルに及ぶものまであります。いずれにしても、適切な相互接続と入念なバッテリ監視により、パワーシステムの寿命を延ばすことができます。パワーシステムは、何年も、あるいは何十年も使用できるのが一般的です。適切に使用したバッテリは、数シーズン持ちますが、RC車両に関連する継続的な急速放電により、バッテリ交換が必要になる場合が多いでしょう。しかし、その間、RC車両でどれほど楽しい時間を過ごせるかを考えてみてください。