Как провести тест литиевых аккумуляторов?
Тестирование проводится в следующей последовательности:
- Вначале источник питания полностью заряжается, в соответствии с инструкцией по эксплуатации зарядного устройства.
- Затем накопитель примерно 30 минут остывает до рабочей температуры.
- Замеряется напряжение – полностью заряженный накопитель энергии с номинальным напряжением 36 В должен выдавать 42 В. Чем меньше выдаваемое значение начального напряжения, тем ниже качество и работоспособность устройства. Но главные измерения еще впереди.
- К источнику питания последовательно подсоединяются реостат и амперметр. Засекается время. Обеспечивается нагрузка в амперах, равная номинальному значению емкости батареи (параметр С). Величина нагрузки отслеживается по амперметру. С помощью реостата нагрузка поддерживается четко на заданном уровне, на протяжении часа.
- По прошествии 40 минут – с интервалом в 3–5 минут выполняются замеры напряжения. При его снижении до 30 В фиксируется момент полной разрядки АКБ. Далее разряжать литиевый накопитель энергии крайне нежелательно – после значения 28 В начинается его разрушение. В современных аккумуляторах часто присутствуют электронные защитные схемы, не допускающие чрезмерного разряжения батареи – при критическом падении напряжения они отключают источник питания от нагрузки.
Повышение точности работы проекта
В нашем проекте для тестирования емкости аккумулятора мы используем определение тока и напряжения, но в наших условиях это «не совершенно». Дело здесь в том, что зависимость между действительным значением напряжения и его значением на выходе АЦП не является полностью линейной, и это обстоятельство и вносит небольшую погрешность в наши измерения.
Чтобы повысить точность получаемых результатов вы должны построить график зависимости значений на выходе АЦП от источника «точного» (калиброванного) напряжения и затем использовать любой метод, который на основе значений этих точек построит уравнение прямой, максимально близкой к этим точкам. Данное уравнение прямой (точнее ее наклон) и необходимо будет использовать в качестве множителя при преобразовании диапазона 0-1023 на выходе АЦП в диапазон 0-5 В.
Также MOSFET транзистору, использованному в нашем проекте, необходимо напряжение более 7V для того, чтобы его канал полностью открылся. А поскольку мы подаем на него только 5V, то это, соответственно, приводит к некоторой погрешности получаемых результатов. Выходом может стать использование MOSFET транзистора IRL520N с каналом N-типа – с его помощью отпадает необходимость в применении питающего напряжения 12V и мы можем непосредственно работать с логическими уровнями напряжения 5V, доступными в плате Arduino.
Unboxing
Rather uninspiringly, the unit came in a zip-lock anti-static ESD shielding bag and that was it. On the front, the label claims the unit to meter voltage from 4-20V (+/- 1%), meter current from 0-3A (+/- 1%), count time up to 99 hours and integrate capacity up to 99,999mAh.
Aside from this, there was nothing – no manual, no leaflet. I suppose that’s fine – it’s a pretty straightforward device.
Once extracted from the packaging, it was a little disappointing to see that it was just “plopped” inside without any love, so the plastic outer has some fine-scratches.
Of course, the scratches are purely cosmetic and don’t affect the functioning of the device at all. Keweisi is not a brand I’ve heard of, but it seems the meters are somewhat popular. It has an USB A-M connector on one side, and an A-F connector on the other, with no wires to add resistance. The translucent case allows you to see inside (so a teardown isn’t really needed) and see the LCD display which is an “inverted” type.
Aside from that, there is a reset button that is used to clear the integrated time/mAh values. This is accessed from the top and needs to be held for a few seconds to clear the values.
The rear shows a 0.05 ohm shunt resistance, an unmarked microcontroller and a gob-top chip next to it, along with a three terminal device which is probably a voltage regulator of some sort.
The casing is simply clipped together. The USB connector was a bit crooked on this sample, and bending it is not advisable as the LCD is mounted to the board and shows strain when pressure is applied.
Сборка и тестирование проекта
После того, как вы протестировали работу всех частей проекта по отдельности и убедились в том, что они исправно работают, их можно спаять вместе на перфорированной плате. Вы можете, при желании, собрать данный проект на печатной плате. Плата Arduino Nano, ЖК дисплей 16×2 и операционный усилитель LM741 будут монтироваться в специальные колодки (Female Bergstik) чтобы их можно было легко изъять из конструкции проекта при необходимости.
Питающее напряжение 12V на схему мы подаем через разъем постоянного тока (DC Barrel Jack), далее оно с помощью регулятора напряжения LM7805 преобразуется в 5V для питания платы Arduino Nano и ЖК дисплея. После подачи питания на схему и регулировки контрастности ЖК дисплея с помощью потенциометра вы должны увидеть на его экране приветственное сообщение. После этого, если напряжение аккумулятора находится в рабочем диапазоне, на экране ЖК дисплея будут отображаться значения тока и напряжения.
После окончания процесса разряда на экране ЖК дисплея отобразится измеренная емкость аккумулятора. Более подробно все эти процессы вы можете посмотреть на видео, приведенном в конце статьи.
Улучшить проект можно если, к примеру, записывать измеряемые в процессе разряда значения тока и напряжения в Excel файл (пример этого можно посмотреть в статье про декодер инфракрасных сигналов на основе Arduino) и затем делать постобработку и визуализацию этих данных с помощью специальных приложений (LabVIEW, MATLAB Simulink и т.п.). В результате этого можно построить различные модели предсказания работы аккумулятора в различных условиях, при различной нагрузке.
Какая емкость литиевых аккумуляторов необходима для шуруповерта
Бытовые приборы в работе используют высокотоковые аккумуляторы. Это значит, при пуске и усилиям при работе, прибор может забрать в короткий срок импульс до 15-20 С. Аккумулятор 18650 способен обеспечить параметры тока, но напряжение необходимо 10, 12, 14, 18 В.
Расчетное количество элементов, соединенных последовательно, невозможно подобрать точно, так как средний заряд литий-ионной банки 3,7 В. Расчет ведут с небольшим превышением по напряжению, чтобы двигатель шуруповерта работал в безопасном диапазоне. В схеме управления мотором предусмотрены ограничители.
Чем больше емкость батареи, тем реже потребуется подзарядка. Для шуруповертов на 18 В, инструмента профессионального, емкость батарей увеличивают, создавая гирлянду из пяти последовательных групп. Каждая из них имеет параллельное соединение 2 элементов. Для легких шуруповертов такое увеличение емкости заметно утяжелит инструмент.
Зачем нужен тестер емкости батарей
В настоящее время существует достаточно много производителей литиевых аккумуляторов (батарей), при этом, если перефразировать известную поговорку, то “не все производители являются одинаково полезными”. Некоторые из них предлагают сравнительно дешевые аккумуляторы со впечатляющими характеристиками. При покупке данных аккумуляторов часто оказывается так, что они либо вообще не работают, либо обеспечивают слишком малый ток, что делает их непригодными для использования в мобильных устройствах. Так каким образом проверить действительно ли перед вами качественный литиевый аккумулятор либо это дешевая подделка? Одним из таких способов является измерение напряжения на аккумуляторе под нагрузкой и без нагрузки, однако он не всегда является достаточно надежным.
В данной статье мы рассмотрим создание тестера емкости аккумуляторов типа 18650 на основе платы Arduino, принцип действия которого будет основан на разрядке полностью заряженного аккумулятора 18650 через резистор с одновременным измерением тока через данный резистор – это позволит затем рассчитать емкость аккумулятора. Если вы не получили заявленной емкости аккумулятора при “нормальном” напряжении на нем (не выходящем за допустимые ограничения), значит этот аккумулятор поврежден (с изъяном) и его нецелесообразно будет использовать в электронных устройствах поскольку он будет слишком быстро разряжаться, а его использование в составе пака аккумуляторов может привести к образованию локального токового контура, перегреву, и, возможно, к возгоранию.
Conclusion
For AU$10, it’s not the cheapest USB diagnostic tool out there, but it’s definitely affordable and quite featureful. With the wide voltage range, it’s prepared for all manner of Qualcomm Quick Charge 3.0 capable devices, and its integration feature allows you to roughly determine the capacity of power banks, and batteries being charged.
On the whole, accuracy was acceptable, although the 1% figure is not particularly ambitious, it was a bit optimistic at the ends of the ranges for voltage, and across the board for current. It wasn’t quite as accurate as the “Blue” unit I had on hand, but it was still fairly close. For the intended purpose of relative comparisons of chargers, cables and power banks, it’s accurate enough. Of course, I only tested one sample of this unit, and it’s quite likely there will be some sample to sample variation especially because there will be tolerances in resistors which is probably where the 1% figure came from.
Not having energy integration (mWh) and only charge integration (mAh) can make for some ambiguity where the voltage varies significantly during charge/discharge. The limited endurance of the flash memory is also a potential drawback, but doesn’t seem likely to be a major one in realistic use.
Its low self-consumption was excellent, and the wide voltage range makes it amenable to modification and use in unconventional non-USB monitoring scenarios as a generalized voltage/current meter. There is a potential that the data flowing to the EEPROM chip may also be useful for data logging purposes if the format of the data is determined.
Внешний вид и комплектация
Тестер Keweisi KWS-V20 поставляется в антистатическом пакете без инструкции и какой-либо дополнительной комплектации.
В принципе никакой инструкции к нему и не требуется. Из функциональных элементов имеются входы USB («папа» и «мама»), а также кнопка Reset для сброса текущих данных на дисплее.
Исполнение не блещет. Плата с дисплеем и портами криво сидит в корпусе из дешёвого пластика. Но странно было бы ожидать иного при цене KWS-V20 около 250 рублей.
Стенки тестера практически прозрачные и можно видеть все внутренности устройства.
Габариты тестера Keweisi составляют 72 х 24 х 13 мм (длина х ширина х толщина). Устройство немного длиннее, шире и толще стандартной флешки.
Необходимые компоненты
- Плата Arduino Nano (купить на AliExpress).
- ЖК дисплей 16х2 (купить на AliExpress).
- Микросхема операционного усилителя LM741 (купить на AliExpress).
- Резистор 2,2 Ом, 5 Вт (купить на AliExpress).
- Регулятор напряжения LM7805 (купить на AliExpress).
- Mosfet транзистор с каналом N-типа IRF540N (купить на AliExpress).
- Подстроечный потенциометр 10 кОм (купить на AliExpress).
- Конденсатор 0,47 мкФ (купить на AliExpress).
- Резистор 33 кОм (купить на AliExpress).
- Источник питания с напряжением 12 В.
- Разъем постоянного тока (DC Power Barrel Jack Connector).
- Перфорированная плата.
- Соединительные провода.
- Набор для пайки.
- Теплоотводы.
Способы проверки емкости литиевых аккумуляторов
Проверить емкость аккумулятора можно в состоянии полной зарядки или разрядки. Литий-ионные источники энергии работают в диапазоне напряжения 2,5 – 4,23 В. Как используя тестеры, проверить емкость Li-ion аккумулятора?
Можно воспользоваться мультиметром. Прибор сочетает амперметр, вольтметр и омметр, считается универсальным. Тестеры бывают аналоговыми, с измерительной шкалой, и цифровые, с дисплеем. Зонд с красным проводом плюсовой, с черной –минус.
Как измерить тестером емкость литиевого аккумулятора.
Порядок измерения:
- зарядить проверяемый li-ion аккумулятор до 4,23В;
- на тестере поставить рычаг в положение «Постоянный ток» при этом будет задействован переменный резистор;
- соединить контакты с полюсами элемента и пропускать ток до напряжения 2,5 В.
- определение приблизительной емкости литиевых аккумуляторов производится умножением времени разрядки на силу тока, пропускаемого через тестер.
Еще проще воспользоваться «умной» зарядкой, как измерителем емкости литиевого аккумулятора. В процессе, прибор выводит на дисплей все показатели. С помощью зарядного устройства iMAX-6 можно точно и в любой момент определить емкость, как литиевых батарей, так и состояние источника энергии в смартфоне.
Можно ли проверить емкость литиевого аккумулятора и как, пользуясь подручными средствами? Если есть точное сопротивление, можно подключить его к батарее и засечь время разряда. Измерить точно не получится, но отличить есть ли в аккумуляторе заявленные 8800 мА/ч или всего 880, определится легко. Кстати, нельзя купить литиевые аккумуляторы 18650 большой емкости. Их предел 3600мА/ч.
Неплохо с бытовой задачей определения примерного заряда справляется индикатор заряда, выполненный самостоятельно или включенный в схему прибора.
Заряд li-ion аккумуляторы 18650, их можно определить по весу. С емкостью 2600мА/ч вес цилиндра должен быть 40 г, с повышением емкости он становится больше. Для 26650 вес начинается от 70 г.
Контрольный замер
Ставим разряженный аккумулятор 18650 на заряд и ждём. Если по мере процесса заряда напряжение не может перейти отметку в 4 Вольта, значит отправляем сразу в мусорку, даже восстановить его не получится. В противном случае, это ещё ни о чём не говорит и мы продолжаем замер…
По ёмкости
По мере перехода за отметку 4В, смотрим на ёмкость. Если он меньше 200 мАЧ, значит его тоже можно смело утилизировать. У любого рабочего АКБ к 4-ём вольтам ёмкость уже должна перейти за 800 мач.
Если уж очень не хочется торопиться, то можно сделать полный разряд и снова поставить на зарядку. Если ёмкость во второй раз станет больше при переходе через границу в четыре вольта, значит можно повторять многократно и попробовать «раскачать» банку.
По проседании напряжения
Итак, наш подопытный заряжен до 4.2V, что дальше? Можно замерить внутреннее сопротивление теми же устройствами, что я называл выше. Если сопротивление внутреннее значительно выше, чем у подобных рабочих, значит тоже на свалку.
Нечем замерить внутреннее сопротивление? Значит применим Закон Ома для полной цепи. Подключаем небольшую нагрузку. Если напряжение сразу проседает ниже стандартного рабочего 3.6 В., значит тоже «ХАНА».
С помощью iMax
Про Аймакс и все фишки, которые он позволяет делать с батареями, мы писали в этом обзоре о iMax B6. Он может и ёмкость замерить самым правильным способом — непосредственно полным разрядом и зарядом. И может восстановить зарядкой малым током, плюс «раскачкой».
Учитывая плотное вхождение повсеместно разных АКБ в нашу жизнь, думаю стоит его один раз купить.
Проверка тока
Чтобы понимать, как проверить батарейку тестером, нужно знать параметры накопителя заряда, коим являются и аккумуляторы, и любые переносные элементы питания.
У полностью заряженного источника питания должно быть заданное производителем напряжение на выходных контактах с погрешностью ±5%, и он должен выдавать определенный ток, достаточный для питания нагрузки той мощности, для которой его предполагается применять.
Для того чтобы проверить ток батареек, важно правильно настроить и подключить тестер. Нужно выполнить действия:
Подключить черный провод со щупом в гнездо COM мультиметра, а красный провод — в гнездо, маркированное 10 А;
Установить режим измерения постоянного тока, предел измерений — 10 А;
Кратковременно прикоснуться щупами к выводам батарейки, черным — к минусу, а красным — к плюсу
Важно проводить измерение на более 2 секунд, во избежание порчи элемента;
На дисплее отобразится значение тока.. Читать также: Пропускает редуктор на газовом баллоне
Читать также: Пропускает редуктор на газовом баллоне
Если величина тока находится в пределах 4 — 6 ампер, то элемент «свежий» и может использоваться по назначению. При показаниях от 3 до 3,9 А ресурс батарейки снижен, но какое-то время она еще будет работать. Если ток равен 1,3 — 2,9 А, такой элемент сможет питать только маломощную аппаратуру. При более низких показателях батарейку лучше заменить, а аккумулятор с такими параметрами нужно зарядить.
Как восстановить емкость литиевого аккумулятора
Каждый цикл работы, длительное хранение связаны с постоянной потерей емкости батарей. Особенно губительно действует перезаряд, работа в отсеке, где температура поднимается до +60 С. При понижении температуры окружающего воздуха до минуса, емкость банок снижается. Можно ли восстановить емкость аккумулятора li-ion?
Из всех случаев потери емкости, восстановление возможно только охлажденных li-ion аккумуляторов. Согревшись, они продолжают работать. В других случаях банки, потерявшие емкость, не восстанавливаются. Внутри активный элемент уже не принимает заряд, не происходит реакции, не создается разность потенциалов между обкладками.
Чтобы восстановить аккумулятор, необходимо исследовать каждый элемент на емкость и заменить севшие. В последовательной схеме соединения достаточно одной неисправной банки, чтобы комплект не работал.
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:
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.
Тестирование
Зарядка смартфона от зарядного устройства через тестер
Сначала я попробовал измерить ёмкость полностью разряженного аккумулятора смартфона. Точнее, полностью разряжен он был по данным операционной системы Андроид (оставалось около 4%).
Подключается тестер предельно просто. Потребуются два кабеля с интерфейсом USB (micro-USB, mini-USB в зависимости от того какой порт на гаджете и зарядном устройстве). Они подключаются к зарядному устройству (ЗУ) и смартфону, а в разрыв подключается Keweisi KWS-V20. Порт «IN» подключается в сторону ЗУ, а «OUT» к гаджету.
Зарядка аккумулятора от компьютера через тестер
При зарядке от системного блока процесс отличался только величиной зарядного тока. Ток был ниже, чем при подключении от зарядного устройства, и не поднимался выше 0,3-0,4 ампера. Он также постепенно снижался в процессе заряда и в конце упал до 0. Напряжение было в пределах 4,8-5,1 вольта.
Измерение энергопотребления сканера
Для того чтобы проверить уровень потребления электроэнергии сканером, я подключил Keweisi KWS-V20 в разрыв между кабелями от ноутбука и сканера. Разъём «IN» в сторону ноутбука, «OUT» в сторону сканера.
Teardown
There’s really nothing to it. A careful poke at the case with a good fingernail and it comes apart.
Inside, the backlit LCD glass is directly soldered onto the PCB. The amount of solder used on the joints are highly variable, and seem to be a little on the low side since they haven’t nicely flowed through the vias and all over all the pads (especially for the USB connectors). It’s not entirely necessary to do that, and it’s probably still fine as it is. I suppose in the case of the LCD, there’s a good reason why the soldering is done so casually, as applying excessive heat is likely to damage the glass-seal that keeps the crystal in and would destroy the LCD altogether. This type of pin arrangement as opposed to elastomeric connector leaves the LCD vulnerable to stress being conducted through the board, so bending the USB connections can potentially strain or break the display.
The underside shows exactly what I mentioned earlier – U1 appears to be a microcontroller with its markings rubbed off. U3 is a gob-top chip mounted directly on the board, and is probably the LCD display controller. U2 is probably a voltage regulator, but it was not confirmed. S1 is a 24C02S 256 byte EEPROM, which is probably used to store the integrated data values.
One thing I did notice is that D1, which is supposed to be a diode, was replaced with a 0-ohm resistor. I didn’t carefully check if this was in series with the actual USB output, but if it was, it may have been replaced to avoid voltage-drop contribution from the diode. However, this alteration may mean that the unit is not going to survive being plugged into a USB port with reversed polarity.
Заключение
Устройство Keweisi KWS-V20 представляет собой прибор для измерения ёмкости литий-ионных аккумуляторных батарей. Производителем он заявлен в качестве тестера Li-Ion аккумуляторов. Хотя в полной мере тестером его назвать нельзя. Он не приводит никаких данных о состоянии аккумуляторной батареи. Но с его помощью можно измерить реальную ёмкость, по которой можно оценить износ аккумулятора.
В принципе, измерение ёмкости батареи можно провести с помощью iMax B6. Результат даже будет точнее, поскольку измерения проводятся минуя телефон и постоянным током заряда/разряда. Но для этого нужно доставать аккумулятор, подключать к iMax B6 его неудобно, да и стоит такое универсальное ЗУ существенно дороже.
Тестер KWS-V20 можно также использовать для замеров энергопотребления потребительской электроники, имеющей возможность зарядки по интерфейсу USB. Вполне возможно, что кто-то захочет заняться этим на досуге.
Стоит только добавить, что Keweisi KWS-V20 может измерять ёмкость не только литиевых аккумуляторов. Тестер вполне подойдёт для замеров ёмкости аккумуляторных батарей, у которых рабочий интервал напряжения от 4 до 20 вольт, ток заряда/разряда от 0 до 3 ампер и ёмкость до 99999 мАч. Тип аккумулятора необязательно должен быть Li-Ion. К примеру, можно измерить ёмкость сборки из Ni-Cd или Ni-MH аккумуляторных элементов, если конструкция устройства предусматривает их заряд через интерфейс USB.
