Как проверить литий ионный аккумулятор на емкость

Что такое ёмкость аккумулятора, и как её измеряют

Ёмкость – это заряд Q новой батарейки или полностью заряженного аккумулятора. Заряд (количество электричества) измеряется в Кулонах: 1 Кулон = 1 Ампер × 1 секунда . Обычно ёмкость измеряется в единицах ампер·час или ма·час . Типичная ёмкость аккумулятора типоразмера ААА 1000 ма·час, АА – 2000 ма·час. Аккумулятор ёмкостью 1000 ма·час может давать ток 1000ма в течение 1 часа или 100ма в течение 10 часов. Если учесть напряжение U , то можно оценить запасённую в аккумуляторе энергию E = Q × U

Для определения ёмкости аккумулятора его полностью заряжают, затем разряжают заданным током I , и измеряют время T , за которое он разрядился. Произведение тока I на время T и есть ёмкость аккумулятора Q = I × T . Так же измеряется ёмкость батарейки, но после полного разряда аккумулятор можно снова зарядить, а батарейку уже нельзя использовать. Смысл в том, что вы измерите ёмкость батареек данного типа . Кстати, ёмкость щелочных батареек примерно равна ёмкости современных NiMh аккумуляторов того же типоразмера – AA(2000 ма·час), AAA(1000 ма·час).

Схема для измерения ёмкости

Предлагаемая схема разряжает аккумулятор через резистор R до напряжения почти полного разряда NiCd или NiMh элемента – примерно 1 вольт. Ток разряда равен I = U / R . ( О выборе тока разряда ) Для измерения времени разряда T используются часы, работающие от напряжения 1.5-2.5V. Для защиты аккумулятора от полного разряда применено твёрдотельное реле PVN012. Оно отключает аккумулятор при снижении напряжения U до минимально допустимого Ue = 1V .

Как это работает

Аккумулятор надо полностью зарядить и подключить к устройству. Часы надо установить на 0 и нажать кнопку Start . В этот момент реле замыкает контакты 4-5 и 5-6. Начинается разряд аккумулятора через резистор R и подаётся напряжение на часы. Напряжение на аккумуляторе и резисторе постепенно снижается. Когда напряжение на резисторе R снизится до 1V реле размыкает контакты. Разряд прекращается и часы останавливаются.

По мере разряда аккумулятора управляющий ток через контакты реле 1-2 уменьшается примерно от 8 до 2mA. При управляющем токе 3mA сопротивление контактов 4-5 и 5-6 менее 0.04 Ом. Это достаточно мало, чтобы не учитывать при расчёте тока – если нужен ток разряда 1A, берите резистор R=1.2 Ом.

После прекращения разряда напряжение на аккумуляторе возрастает до 1.1-1.2V из-за внутреннего сопротивления элемента.

Потери на контактах

При повторении этой схемы примите меры для уменьшения сопротивления контактов аккумулятора и разъёмов. При токе 0.5-1A на контактах можно потерять 0.1V и более, что ухудшит точность измерения. Такие же потери вызывает стальная пружина, используемая в некоторых держателях аккумулятора. Пружину и другие стальные контакты надо шунтировать медным проводом. Я сделал один из вариантов измерителя ёмкости аккумуляторов АА и ААА в корпусе от простого зарядного устройства, у которого были хорошие медные контакты.

Дополнительные вопросы

Саморазряд

Обратите внимание, что ёмкость свежезаряженных аккумуляторов выше, так как со временем часть заряда теряется из-за саморазряда . Чтобы узнать величину саморазряда, нужно измерить емкость сразу после зарядки, и измерить ещё раз через неделю (месяц) после зарядки. Саморазряд NiMh аккумуляторов может достигать 10% в неделю и более.

С какой точностью измеряется ёмкость?

Точное количество электричества можно определить интегрированием по времени dQ = 1/R × U(t) × dt .

По экспериментальным графикам разряда видно, что по мере разряда напряжение уменьшается примерно от 1.4V до 1.0V. Ток разряда U/R тоже уменьшается. При использовании в качестве среднего напряжения номинальной величины 1.2V получается точность не хуже 10%. Это справедливо, если аккумулятор используется примерно при таком же токе разряда, как и при измерении ёмкости.

Пример графиков разряда

Если при измерении был ток 0.5A, а при использовании 5A, то аккумулятор разрядится в несколько раз быстрее, чем ожидается. При токе использования 0.05А ёмкость окажется больше, чем при измерении. При токе 0.005A ёмкость может оказаться меньше измеренной из-за саморазряда аккумулятора в течение большого времени эксплуатации. Значительное отличие тока измерения от тока эксплуатации вносит погрешность более 10%.

Использование в устройстве стальных контактов вместо медных может увеличить погрешность на 10% и более, особенно при большом токе разряда.

Некоторая погрешность величины напряжения отсечки 1.0V связана с зависимостью вольт-амперной характеристики твёрдотельного реле от температуры. В комнатных условиях это даёт погрешность в 1-2%.

Каким должен быть ток разряда?

Надо выбирать такой ток, при котором обычно используется этот аккумулятор. Если ток разряда слишком большой, то из-за внутреннего сопротивления напряжение на аккумуляторе быстро снизится ниже 1 вольта, и измеренное значение ёмкости будет низким. Если выбрать слишком малый ток разряда, то измеренная ёмкость получится больше, чем аккумулятор реально выдаст при работе в вашем приборе.

Зачем два диода?

Диоды используются для защиты твёрдотельного реле при случайном обрыве резистора R . Если вы уверены, что обрыв невозможен, или вы измеряете ёмкость аккумуляторов с напряжением менее 1.4V ( один элемент AA или AAA ), то диоды можно убрать. При этом схема помещается внутри будильника, как у меня было сделано раньше. Резистор 5 Ом защищает реле при нажатии кнопки Start. Его тоже можно убрать, если включить кнопку параллельно контактам 4-5, как на упрощённой схеме.

Как измерить ёмкость литий-ионного аккумулятора?

В этом случае к батарее подключается делитель напряжения по образцу, показанному на схеме. Используя делитель напряжения, можно измерить ёмкость батареи из нескольких аккумуляторов или ёмкость литий-ионного аккумулятора.

Требуемый ток разряда I при среднем напряжении Um обеспечивает сумма двух резисторов: R + r = Um / I .

Резистор R рассчитывается так, чтобы при конечном напряжении на батарее Ue , напряжение на резисторе R стало равно 1V: R = (Um / I) × (1V / Ue) .

Как проверить ёмкость аккумулятора по напряжению?

По напряжению ёмкость определить нельзя. Для каждого типа батарей и аккумуляторов есть типичные кривые разряда. По ним можно оценить отношение заряда к ёмкости ( процент заряда ). Я использую зарядное устройство Ansmann , которое для такой оценки измеряет напряжение при заданном токе разряда. Однако у NiMh аккумуляторов не только ёмкость, но и рабочее напряжение уменьшается с возрастом. В некоторых случаях Ansmann давал оценку 30% в то время, как измерение до полного разряда давало 80%.

Как измерить ёмкость аккумулятора без этой схемы?

Подключите к заряженному аккумулятору резистор R и вольтметр. Следите по часам. Через некоторое время T напряжение U снизится до минимально допустимого. В этот момент отключите резистор. Ёмкость равна Q = T × U / R

В чём отличие от схемы, которая была на сайте раньше?

0. Старая схема
1. Вместо 1.3-1.1V на часы подаётся 2.6-2.2V
2. Вместо выключателя для дополнительного элемента питания использован контакт реле, и теперь отключение обоих аккумуляторов происходит автоматически.
3. Добавлена защита реле от обрыва резистора R

Что такое внутреннее сопротивление аккумулятора и как его измерить?

Этот раздел перенесён на отдельную страницу "Внутреннее сопротивление"

Автомобильный аккумулятор (АКБ)

Автомобиль не заводится, хотя зарядное устройство работает нормально, и показывает, что аккумулятор полностью заряжен. Дело не в ёмкости. После нескольких слишком глубоких разрядов внутреннее сопротивление увеличилось, и аккумулятор больше не может выдать ток, необходимый для работы стартёра. Придётся купить новый аккумулятор, и больше не допускать глубокого разряда.

Как измерить ёмкость АКБ

Для оценки ёмкости можно использовать лампу от фары в качестве нагрузочного сопротивления. Это должна быть лампа накаливания, например, галогеновая, но не светодиодная. Лампа 60вт потребляет ток 5А. Подключите параллельно аккумулятору вольтметр и лампу. Следите по часам. Когда напряжение снизится до 11в – разряд закончился – отключите лампу. Если это не сделать, то аккумулятор испортится. Если до окончания разряда прошло 10 часов, то ёмкость вашего аккумулятора 50 а·час. Если 5 часов, то 25 а·час. Этот тест не гарантирует, что машина заведётся, так как стартёру нужно не 5А, а 100-150А.

Внутреннее сопротивление автомобильного аккумулятора

Лампу от фары можно использовать для оценки внутреннего сопротивления. При токе 100А на внутреннем сопротивлении не должно теряться более 1 вольта. Соответственно, при токе 5А не должно теряться более 0.05 вольта (1в * 5А / 100А). Подключите параллельно аккумулятору вольтметр и лампу. Запомните величину напряжения. Отключите лампу. Обратите внимание, насколько увеличилось напряжение. Если, допустим, напряжение возросло на 0.2 вольта, то аккумулятор испорчен, а если на 0.02 вольта, то он исправен. При токе 100А потеря напряжения будет всего 0.4в (0.02в * 100А / 5А).

Конденсатор вместо аккумулятора?

Ёмкость конденсатора определяется немного по другому: C = Q / U

Ёмкость зависит от геометрии конденсатора. Если увеличить расстояние L между пластинами конденсатора, то заряд Q и напряжённость электрического поля между пластинами E не изменятся, а разность потенциалов U = E × L увеличится. Поэтому ёмкость конденсатора C уменьшится.

Можно ли использовать конденсатор вместо аккумулятора или наоборот?

В некоторых случаях можно, и используют. Главное отличие конденсатора от аккумулятора при использовании в качестве источника тока в том, что по мере разряда напряжение на аккумуляторе долго остаётся стабильным, а на конденсаторе оно снижается пропорционально оставшемуся заряду.

Какой конденсатор мог бы заменить обычный аккумулятор ААА (1000 ма·час)?

Q = 1000 ма·час = 3600 А·сек = 3600 Кулон
C = Q / U = 3600 К / 1.2 В = 3000 Фарад

Такие конденсаторы "Ионисторы" уже созданы, и даже продаются. По принципу устройства они приближаются к аккумуляторам, так как обкладками такого конденсатора служит химически образуемый двойной электрический слой на границе электрода с электролитом.

Почему портятся аккумуляторы

Этот раздел находится на странице "Пример разводки платы"

В Китае на АлиЭкспресс можно недорого приобрести любые аккумуляторы, но, если не разбираться в этом вопросе, можно вполне стать обманутым, так как указывая очень высокую емкость аккумуляторов 18650 китайцы как правило присылают подделку. Интеллектуальные зарядки, которые могут провести тестирование аккумуляторов и проверить их емкость, стоят довольно дорого, и не каждый будет покупать их для тестирования нескольких купленных батарей. Далее же мы попробуем решить данную проблему, и попробуем проверить емкость аккумулятора Li-Ion 18650 с помощью недорогого USB тестера Keweisi KWS-V20.

Проверка емкости Li-Ion аккумулятора заключается в разряде этого аккумулятора из полностью заряженного состояния до минимально возможного состояния с подсчетом ампер часов. Если напрямую разряжать аккумулятор без защиты через USB тестер, то он вполне может уйти в переразряд и слегка подпортиться, потеряв часть емкости. Чтобы предотвратить такую ситуацию, лучше использовать плату контроля заряда-разряда Li-Ion аккумулятора. В этом тесте будет использоваться плата TP4056 с защитой (подробнее о плате TP4056), которая не даст разрядиться аккумулятору ниже 2.5 В.

Теперь сам тест. Аккумулятор вставлен в держатель аккумуляторов 18650 (ссылка на держатель аккумуляторов 18650), держатель припаян к плате защиты TP4056, а от платы защиты идут провода, которые уже и будут подключаться к USB тестеру (ссылка на USB тестер Keweisi KWS-V20). В качестве нагрузки будет USB резистор (ссылка на USB резистор).

Измеренная емкость аккумулятора 18650 USB тестером получилась 3569 мАч. Реальная емкость аккумулятора Panasonic NCR18650B (ссылка на аккумуляторы NCR18650B), измеренная зарядным устройством LiitoKala Engineer Lii-500 (ссылка на зарядку LiitoKala Engineer Lii-500), не превышает значения 3350 мАч. Получается, что USB тестер при низком напряжении производит измерения с большой погрешностью, из-за чего подсчитанная емкость была завышена.

Также было проведено измерение емкости двух последовательно включенных аккумуляторов, что позволило измерить емкость 18650 при более высоком напряжении. Как и предполагалось, результат был немного другим, а именно 3223 мАч.

Точно определить емкость аккумулятора с помощью USB тестера не получится, но получить приблизительное значение емкости и выявить бракованный аккумулятор таким способом вполне реально. Более подробно о тестировании и сам процесс тестирования можно посмотреть в видео ниже.

Делюсь мыслью, как проще всего измерить емкость аккумулятора, не покупая дорогостоящих измерительных приборов. В качестве подопытного взят литий-ионный аккумулятор 18650, но мой способ измерения емкости подойдет и других элементов питания.
В первой части статьи описывается бюджетный вариант измерения емкости с помощью дешевого USB-тестера.
Во второй — измерение емкости литий-ионного аккумулятора без использования измерительных приборов (без мультиметра и USB-тестера).
В завершении статьи приведен небольшой обзор и несколько фотографий USB-тестера присланного из Китая.

Аккумуляторы Li-Ion.

В современных электронных устройствах массово используются литий-ионные (Li-Ion) аккумуляторы различных форм и размеров.
Независимо от типоразмера все они имеют схожие характеристики и по большому счету отличаются лишь емкостью.
Как правило, встречаются аккумуляторы с номинальным напряжением 3,7 Вольт (хотя бывют и на 3,8 Вольт).
Li-Ion аккумуляторы на 3,7 В нельзя заряжать выше напряжения 4,23 В и нельзя разряжать ниже 2,5 В, в противном случае возникнет необратимый процесс и элемент останется только выбросить. Разряжать и заряжать аккумулятор можно до любого значения (он не обладает эффектом памяти), лишь бы напряжение находилось в диапазоне от 2,5 до 4,23 В. Однако полностью разряженный аккумулятор следует как можно скорее зарядить, чтобы он преждевременно не утратил свою емкость.
Также литий-ионные аккумуляторы отличаются друг от друга наличием защиты. Аккумулятор может быть без электронной защиты (просто гальванический элемент), а может иметь встроенную схему, которая защищает элемент от чрезмерного разряда, перезаряда и перегрева.
Но как-бы вы ни оберегали и ни следили за состоянием аккумулятора, емкость его со временем будет неуклонно падать. Чем выше температура эксплуатации и больше циклов заряда-разряда производится, тем быстрее аккумулятор стареет.

Литий-ионный аккумулятор 18650.

18650 — это обозначение наиболее часто встречающегося Li-Ion аккумулятора, размеры которого немного больше обычной пальчиковой батарейки (18×65 мм). Все что относится к аккумулятору 18650, применимо и к другим литий-ионным аккумуляторам!
Типоразмер аккумуляторов 18650 часто используется в мощных фонариках, лазерах, различной электронике. Из элементов 18650 собраны аккумуляторные батареи ноутбуков, некоторых шуруповертов и даже электромобилей.
Если вы покупаете фирменный аккумулятор, то он скорее всего имеет встроенную электронную защиту. Дешевые же китайские аккумуляторы, заказанные например на Aliexpress, не имеют защиты. Кроме того их ёмкость обычно в несколько раз ниже заявленной.

Измерение емкости аккумулятора 18650.

Емкость литий-ионных аккумуляторов обычно обозначается в миллиампер-часах (mAh). Если на вашем элементе 18650 есть надпись вида «1800» или «2200», это и есть его заявленная емкость. Более корректно измерять емкость в Ватт-часах, но при маркировке элементов указывают исключительно миллиампер-часы.
Для измерения емкости АКБ, зарядки и прочих изысканий существует множество специальных устройств в широком ценовом диапазоне. Наиболее известное из них, IMAX, стоит порядка 2000 рублей. Такая покупка оправдает себя, только если вы ежедневно занимаетесь зарядкой аккумуляторов разных типов.

Бюджетный вариант измерения ёмкости литий-ионного аккумулятора.

Ради чего все затевалось? Аккумулятор моего ноутбука стал очень быстро разряжаться. Как правило, аккумуляторная батарея состоит из 6 элементов 18650. Если даже один элемент выйдет из строя, это сказывается на работоспособности батареи в целом. Поэтому я решил выяснить, емкость какого из элементов уменьшилась, чтобы заменить его на новый. Элементы из батареи из ноутбука, а также большинство бюджетных аккумуляторов типоразмера 18650 не имеют индивидуальной защиты, поэтому при работе с ними нельзя допускать сильного разряда или перезаряда.

Порядок работы

1. Перед замером емкости исследуемый элемент 18650 следует отсоединить от других элементов схемы и полностью зарядить (до 4,23 В). Посмотрел у китайцев недорогие зарядные устройства и по отзывам понял, что по причине их низкого качества многие люди уже испортили свои аккумуляторы. Для своих же целей я купил самый дешевый Powerbank. Это коробка с электронным преобразователем на 1 или несколько аккумуляторов 18650, которая кроме прямого назначения позволяет заряжать аккумулятор до напряжения 4,23 В и разряжать до 2,5 В.
   Для зарядки достаточно поставить внутрь Powerbank аккумулятор и подключить его к обычной зарядке от мобильного телефона.
2. Когда аккумулятор полностью зарядился, отключаем Powerbank от телефонной зарядки.
   Аккумулятор готов для замера емкости. Что нам теперь нужно, так это купленные на том же Aliexpress USB-тестер (220 рублей) и нагрузочный резистор (50 рублей).
   Просто подключаем USB-тестер одним концом к Powerbank, а другим — к нагрузочному резистору. Будьте внимательны при покупке, USB-тестеры бывают разные. Некоторые USB-тестеры показывают только ток и напряжение, но нам нужен тот, который кроме в добавок к ним измеряет еще и емкость!

Несколько фотографий и небольшой обзор USB-тестера в конце статьи

Измерение емкости аккумулятора без измерительных приборов.

Намеревался узнать емкость аккумулятора вышеописанным способом, но пришедший через 2 месяца из Китая USB-тестер оказался неисправным, поэтому решил измерить емкость без измерительных приборов.
К счастью Powerbank у меня уже был. Устройство его таково, что с одной стороны он не дает разрядить аккумулятор ниже допустимого напряжения, а с другой, поддерживает постоянные 5 Вольт на своем выходе. Если подключить к выходу 5 Вольт резистор величиной 5 Ом, то получим ток разряда 1 ампер. И эта величина теоретически должна поддерживаться на протяжении всего времени разряда. Ток (1 А) и напряжение (5 В) известны, осталось засечь время. Чтобы не сидеть час с таймером в руке, к выходу Powerbank параллельно пятиомному резистору следует присоединить обычный бытовой электромеханический будильник (часы). Но часам требуется 1,5 вольта (напряжение пальчиковой батарейки), а у нас целых 5. Поэтому подключаем часы через делитель напряжения, состоящий из двух резисторов — 470 и 1070 Ом. Если у вас есть мультиметр, можно вместо этих резисторов использовать переменный резистор на 470 Ом — 1,5 кОм, выставив на входе часов 1,5-1,8 Вольт.
Итак, ставлю стрелки на 12:00 и подключаю балласт с часами к Powerbank. Через некоторое время аккумулятор разрядится до 2,5 Вольт. Powerbank при этом отключается, часы останавливаются и стрелки запечатлевают время. В моем случае время разряда составило 50 минут (50 мин/60= 0,83 часа).

Теперь вычисляем емкость аккумулятора.
Если бы мы хотели рассчитать емкость Powerbank, как самостоятельного устройства, просто перемножили бы ток и время: 1А*0,83ч=0,83 Ач или 830 миллиампер-часа.
Но нам нужно знать емкость аккумулятора 18650, поэтому следует умножить результат на соотношение напряжения Powerbank (U.pwb) к номинальному напряжению элемента 18650 (U.акб). Вдобавок, для более точного результата всё разделим на коэффициент полезного действия преобразователя Powerbank, равный примерно 0,95.
С учетом вышесказанного окончательная формула вычисления емкости аккумулятора примет вид:

I * t * U.pwb / U.акб / КПД = 1А * 0,83ч * 5В / 3,7В / 0,95 = 1.18 Ач (1180 миллиампер-час)

Наблюдения и поправки.

В ходе эксперимента обнаружилось возникновение пульсаций, мешающих работе часов. Поэтому параллельно их входу (на место батарейки) пришлось припаять конденсатор. Емкость, при которой схема работает стабильно — 100 микрофарад (можно больше), напряжение конденсатора любое, но не меньше 5 вольт.
Во время разряда балластный резистор величиной 5 Ом раскаляется выше 100 градусов, поэтому не хватайтесь за него. Паяйте схему так, чтобы этот резистор не касался корпуса Powerbank’a или конденсатора, иначе они расплавятся.
Если хотите, чтобы разряд шел быстрее, используйте 2 резистора по 5 Ом спаянных параллельно, ток в этом случае удвоится а время разряда вдвое сократится. На видео в ускоренном режиме продемонстрирована работа часов с шаговым двигателем, которые тоже оказались китайскими и в лежачем положении периодически заклинивали. Для дальнейших для опытов подключил советские часы с маятниковым механизмом, которые работают абсолютно стабильно.
Для удобства можно рассчитать цену деления циферблата в соответствии со своей схемой и разметить шкалу в Амер-часах и/или в Ватт-часах. В этом случае на часах всегда будет готовый результат и дополнительные расчеты никогда не понадобятся.

Небольшой обзор USB-тестера

Итак, краткий обзор USB-тестера купленного в Китае через сайт Aliexpress — всё что удалось заснять до его выхода из строя.

После получения и распаковки решил проверить работоспособность тестера. Для этого подключил его между зарядным устройством и смартфоном. Можно увидеть, что при этом устройство показывает напряжение, ток, текущую потребляемую мощность, время работы и израсходованную энергию (Ватт-час). Для замера емкости аккумулятора достаточно включить USB-тестер между аккумулятором и нагрузочным резистором, после полного разряда аккумулятора USB-тестер отключится и измеренная емкость сохранится в его памяти. Однако дальше теории дело не пошло, т.к. тестер оказался бракованным. При подключении нагрузки в 5 Ом, что соответствует 1 амперу, устройство перестало отображать ток и прочие подлежащие замеру параметры, хотя заявленный допустимый ток нагрузки — 3 Ампера. В конце видеоролика демонстрируется работа мышки, подключенной к ноутбуку через USB-тестер. Здесь тестер уже в неисправном состоянии. Ранее замеренный им же ток мышки составлял от 10 до 30 миллиампер для состояния покоя и активности соответственно, теперь ток не отображается.

USB-тестер в разобранном виде: