Как проверить емкость аккумулятора 18650 без приборов

Измерение емкости литий-ионного аккумулятора 18650 без специальных измерительных приборов.

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) и идентичные им литий-полимерные (LiPo или Li-Pol) 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 бывают 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.

Схема самодельного USB-тестера, измеритель емкости Li-ion аккумулятора 18650
Аккумуляторы 18650 из батареи ноутбука

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 шуруповёртов 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 (Wh), но при маркировке элементов в большинстве случаев указывают 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 или пользуетесь аккумуляторными батареями, состоящих из нескольких элементов питания, например от квадрокоптеров.

Бюджетный вариант измерения ёмкости литий-ионного аккумулятора.

USB-тестер из Китая (Aliexpress)
USB-тестер из Китая (Aliexpress)

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 батареи 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 в добавок к ним еще измеряет и емкость!

Несколько фотографий и небольшой обзор USB-тестера в конце статьи

Измерение емкости аккумулятора без измерительных приборов.

Схема самодельного USB-тестера, измеритель емкости Li-ion аккумулятора 18650
Схема самодельного USB-тестера, измерение емкости Li-ion аккумулятора 18650

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 питания 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 запаять 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 заклинивались. Для дальнейших для опытов уже подключал советские кварцевые часы с маятниковым механизмом, которые в отличии от китайских работают  стабильно.
Для удобства можно рассчитать цену деления циферблата в соответствии со своим резистором 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.

Схема самодельного USB-тестера, измеритель емкости Li-ion аккумулятора 18650Схема самодельного USB-тестера, измеритель емкости Li-ion аккумулятора 18650Схема самодельного USB-тестера, измеритель емкости Li-ion аккумулятора 18650Схема самодельного USB-тестера, измеритель емкости Li-ion аккумулятора 18650Схема самодельного USB-тестера, измеритель емкости Li-ion аккумулятора 18650Схема самодельного USB-тестера, измеритель емкости Li-ion аккумулятора 18650

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:
Обзор USB-тестера из Китая (Aliexpress)Обзор USB-тестера из Китая (Aliexpress)Обзор USB-тестера из Китая (Aliexpress)Обзор USB-тестера из Китая (Aliexpress)

24 мысли о “Как проверить емкость аккумулятора 18650 без приборов”

  1. Надо нагружать на стабилизатор тока, а не на резистор. Напряжение переменное (4,2->2,5) — ток на резисторе переменный. На стабилизаторе ток ровный — на разных напряжениях ток тоже ровный.

    1. Скажите, откуда на выходе стабилизатора напряжения может появиться переменное напряжение? Powerbank выдает постоянные 5 вольт, не зависимо от степени разряженности аккумулятора.
      Конечно, можно обойтись без стабилизатора напряжения, а спаять стабилизатор тока, забацать схему на контроллерах, на Arduino, на Raspberry. Только результат будет тот же самый, плюс-минус погрешность схемы.

      Однако, статья про бюджетный вариант измерителя емкости для чайников, элементы которого найдутся почти в каждом доме.

      1. Напряжение не переменное, он хотел объяснить, что оно меняющееся от 4.2 до 2.5 вольт.

    2. а при чём здесь стабилизатор… резистор это сопративление и он работает как по постоянному току так и по переменному так же и с напряжением…………

      1. PowerBank, кроме всего прочего, имеет встроенный стабилизатор напряжения, следовательно выдает постоянные 5 вольт. Подключив к стабилизированным 5В резистор, получаем стабилизированный ток. Конечно, с нагревом резистора сопротивление увеличится, но погрешность невелика.

  2. КПД пауэрбанка 0,95 это очень оптимистично, у хорошей микросхемы-преобразователя по даташиту 95% может быть, у готового устройства гораздо меньше, при токе 1А только на выпрямительном диоде шоттки в тепло уйдет 10% (0,5в*1А = 0,5Вт), а есть еще потери в дросселе который может прилично греться. Я мерил КПД дешевого пауэрбанка рассчитанного на 1 аккумулятор, получилось всего 70%

    1. Юрий, спасибо за дельное замечание!
      У моего powerbank был заявлен КПД 98%, для перестраховки я указал 95%. Какие характеристики он имеет на самом деле, вычислять не стал. 70% мне кажется маловато, но, это ближе к правде, чем 98%. Если стоит задача отбраковать аккумуляторы из одной партии, выявив элементы с наименьшей емкостью, а КПД не известно, то его можно принять равным, например 0,7 или 0,8. Если нужна точность измерений, в этом случае потребуется измерить КПД конкретно вашего пауэрбанка. Учитывая то, что КПД преобразователя в процессе измерений будет меняться в зависимости от нагрузки, от степени разряда и внутреннего сопротивления аккумулятора, для точных измерений правильнее будет купить специальное зарядное устройство с функцией замера ёмкости.
      Повторюсь, что приведенный в статье метод замера емкости не претендует на высокую точность, но отлично подходит для выявления утративших ёмкость аккумуляторов с помощью подручных средств.

    2. Мой дешевый голубенький повербанк с алиэкспресса, однобаночный. Потребляет ток 1.2А при работа на нагрузку 0.8А.
      Получается КПД порядка 70% тоже.

      1. Одно- двухэлементные повербанки всех цветов и форм, как правило имеют одну и ту же схему. КПД рассчитывается не по току, а току, помноженому на напряжение. В вашем случае потребляет ток 1.2А (среднее напряжение около 4В) при работе на нагрузку 0.8А (стабилизированные 5В). Имеем на входе 1.2А*4В=4.8 Ватт; на выходе 0.8А (5В)= 4 Ватт.
        КПД= 4/4.8 = 0,83

      2. Вы не забывайте, что ток с аккумулятора больше потому что напряжение на нем меньше, чем на выходе повербанка. На выходе аккумулятора оно падает с с 4,2в до 2,5в, а на выходе повербанка неизменно 5 вольт, там ведь стоит преобразователь напряжения со стабилизацией на 5 вольт

  3. Хм идея хорошая но я бы не стал использовать проверяемый АКБ в качестве источника питания часов. И вот почему:
    В процессе разряда акб напряжение падает, а с учетом того что повер банки китайские напряжение на выходе при разряде так же падает (5.3 до 4.8) а это приведет к замедлению хода часов. выхода 2 либо ставим отдельную батарейку в часы разрываем цепь к примеру + батареи и + часов и ставим туда транзистор с делителем, либо оставляем схему такой но вместо делителя ставим импульсный стабилизатор напряжения. Точность улучшится.

    1. Спасибо за замечания, Александр. На прецизионность не замахивался, но не спутники же нам по этим часам запускать? Я ставил две задачи: минимум элементов, чтобы любой мог собрать и приемлемая погрешность измерений.
      Если бы часы замедлялись при снижении напряжения, напротив, точность бы измерения возросла и их минус был бы нам только на руку!
      В электромеханических часах частоту задает кварцевый генератор, поэтому они не будут идти быстрее или медленнее при изменении напряжения. Часы рассчитаны на полтора вольта, и в диапазоне напряжений от 1.2 до 2.0 вольт должны тикать с неизменной точностью (некоторые экспериментаторы даже в 5 вольт умудрялись включать свои часы напрямую без ущерба микросхеме и точности хода).
      Если же напряжение слишком низкое (меньше 1,2 вольта) или пульсирующее, то часы просто встанут. В моем первом опыте под конец разряда часы с шаговым двигателем действительно останавливались из-за падения напряжения на выходе Power Bank. Поэтому на вход часов припаял конденсатор, который обеспечивает импульс тока, достаточный для страгивания ротора шагового двигателя при минимальных значениях напряжения.
      Если бы дорабатывал схему, то возможно заменил бы резистор 470 Ом стабилитроном (или тремя диодами с падением 3 x 0,5 В), а резистор 1070 Ом уменьшил в 2-3 раза. Конечно можно применить и предлагаемый Вами транзисторный стабилизатор. На точность замера же влияет лишь точность самого Power Bank, а именно его способность держать постоянным выходное напряжение (5 В) от начала разряда подопытного элемента питания (4,23 В), до его полного разряда (2,5 В).
      На деле же китайцы не заморачиваются точностью своей электроники, это касается и внешних аккумуляторов и измерительных приборов. Самый точный китайский прибор — это часы. И с помощью них, как минимум, можно сравнить емкости нескольких аккумуляторов, выбрать лучшие и отбраковать утратившие емкость. С этим приведенная в статье схема вполне справляется.

    2. Может так, С АКБ запитать нагрузочный резистор через стабилизатор тока на 7135, обвеска на нем не нужно, все просто.
      Убиваем двух зайцев, во первых, Получаем стабилизированный разрядный ток, что удобно, для подсчета емкости, а во вторых, так как нагрузка у нас постоянных резистор, то схема поддерживая через него постоянный ток, поддерживает на нем одно и тоже напряжение. Допустим, 3 Вольта. Соответственно его нужно взять из двух сопротивлений соединенных последовательно и среднюю точку использовать для питания часов. Это будет как раз 1.5 Вольта.
      Диапазон работы 7135 начинается от 2.7 Вольта.
      Только нужно с алиэкспресса заказать схему tp4506 c защитой от переразряда. Вот такую https://aliexpress.ru/item/1005001621934354.html

      1. Спасибо за альтернативный рабочий вариант, Александр. Можно и через стабилизатор тока. Я же использовал то, что было под рукой — повербанк. Он и защита и стабилизатор по мощности одновременно. Делитель непосредственно из балластных резисторов, вызовет ШИМ пульсации на входе питания часов, для гашения которых придется также ставить электролитический конденсатор, а перед ним еще и диод.

  4. Долго искал такую статью, всё доходчиво,просто и изумительно! Спасибо большое !!!

    1. Спасибо. Долго был вне дома и без нормального интернета, поэтому не отвечал. Модель не знаю, а где заказывал, там теперь немного другой тестер под тем же лотом продается https://ru.aliexpress.com/item/USB-tester-DC-Voltmeter-ammeter-current-voltage-meters-capacity-monitor-qc2-0-qc3-0-quick-charger/32762641983.html

  5. Николай, не рекламы ради, а дела для, хочу поинтересоваться: как точно назывался USB-тестер для замера параметров потребления? На Али искал «USB-тестер» и коротко, и в разных вариациях названий — выдает какую-то чушь и ничего похожего на Ваш экземпляр.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Проверка комментариев включена. Прежде чем Ваши комментарии будут опубликованы пройдет какое-то время.