Приставка для измерения емкости автомобильного аккумулятора. Приставка для измерения емкости зарядки. Бюджетный вариант измерения ёмкости литий-ионного аккумулятора

Модульный вариант наглядного и точного измерителя Ампер-часов аккумуляторов, собранный с минимальными затратами из компьютерного мусора.
Это мой отклик на статью .

Небольшая прелюдия…
Под моим покровительством находится парк из 70 компов, разных годов выпуска и состояния. Естественно на подавляющем количестве имеются источники бесперебойного питания (по тексту – ИБП). Организация бюджетная, денег конечно не дают, типа - делай, что хочешь, но должно всё работать. После коротких тестов с нагрузкой в виде лампочки на 150 Ватт выявил что 70% ИБП не держат нагрузку больше 1 минуты, ИБП фирмы АРС грешат контактами реле переключения (он переходит на АКБ, гудит-пищит, а на выходе полный ноль). Конечно никто мне не давал все ИБП проверить разом. Выход оказался прост: раз в пол года – год забирал компы на чистку, смазку, заодно и ИБП на тест и осмотр потрохов.

Конечно ИБП разных марок и мощностей (есть старичек на 600 Ватт 1992 года выпуска, АКБ родная сдохла этой осенью, до этого делал реанимацию 4 года назад). Если кто не в курсе в бытово-оффисных ИБП применяются АКБ разных типов, корпусов, напряжений и ёмкостей. Типовой представитель - это GP1272F2 (12 Вольт, 7 А/ч). Но попадаются и на 6В - 4,5 А/ч.

Цены на аккумуляторы часто превышаю половину цены нового ИБП. Да ещё в конторке (в которой подрабатываю) тоже скапливаются дохлые батарейки. Возник вопрос, а какова реальная ёмкость до и после поднятия из мусорной корзины, сколько минут работы можно ожидать от ИБП. И тут попалась на глаза статейка И. Нечаева в журнале "Радио" 2/2009 о подобном измерителе.
Конечно, некоторые моменты мне не понравились, такая вот я сволочь .
И так начнём-с…

Это оригинальная схема из статьи

ТТХ: ток разряда 50, 250, 500 ма, напряжение отсечки 2,5-27,5 Вольт.
Перечислю, что не понравилось: ток разряда максимальный всего 0,5а (да и ждать когда разрядится 7 ач не интересно), диапазон отсечки слишком широк и его легко сбить, на пуск через кнопку идёт весь ток, стабилизатор тока на полевике для светодиода это перебор, диод в управляющем выводе увеличивает требуемое падение на токовых резисторах до 1,8В и в случае пробоя 317 ходикам каюк.

Про ток разряда: у аккумов бывает что активная масса как бы запечатывается в намазке (не путать с сульфатацией), при этом подвижность электролита снижается и если разряжать его малым током, то он может отдать ёмкость полностью, а при установке в ИБП тест не пройдёт. Ну тогда надо разряжать его малым током и заряжать, т.е. лечить.
Модульность того, что у меня получилось, хороша тем что можно изготовить 2 и больше разрядных модуля (можно 1 и переключать токовые резисторы) разной мощности или даже типа и 2 отсекателя для 6-ти и 12-вольтовых батарей или 1 с переключателем.

Фотки моего измерителя:

Видим: блок отсекателя, токовая нагрузка, ходики китайские.
Повторюсь, работаю сисАДмином, починяю иногда материнские платы, поэтому имеется некоторая горка дохлого железа.
Начну в обратном порядке: ходики маленько модифицируются, что бы ходили при питании от 1,5 до 25 Вольт.
Схема модификации ходиков:

1117 дёрнул с дохлой материнской платы.
Резистор на 2 кОм это минимальная нагрузка стабилизатора.

соответственно схема:

Это на 2 ампера. Так как R1 оказался больше 0,75 ом пришлось добавить 2 сопротивления (это R3, два в одном на фото) что бы ток был 2 ампера. Если кто то не заметил, прокладок между микрой с транзистором на радиатор нету. Можно конечно использовать и другую схему, типа как в радио 3/2007 стр. 34, только добавьте опорное напряжение.
Токовая и термозащита в 317 (настоящей) есть.

Ну и самая страшная часть, это отсекатель.

Супер 3D-монтаж, зато всего 3см кубических, на печатке будет гораздо крупнее. Полевик, если на 6В АКБ, то очень желательно с логическим управленим.
Данная часть почти не отличается от первоначальной, кнопка пуск перенесена с сток-исток на коллектор-эммитер, переменник заменён на фиксированный делитель, китайский сверхяркий светодиод через резистор.

Возможные вариации: верхнее плечо (по исходной схеме это R4) заменить на сопротивление + переменник, ограничив таким образом диапазон настройки (требуется когда ток разряда соизмерим с ёмкостью АКБ); возможны иные идеи.

Для формул Uref=2.5v для обычных 431, а для 431L оно равно 1.25v.

Отсекатель с фиксированным напряжением:

Формула для расчета: Uотс= Uref(1+R4/R5)
или R5=(Uотс- Uref)/(Uref*R4)

Отсекатель с регулируемым напряжением:

Формула для расчета: Uотс = Uref(1+(R4+R6)/R5)
или R5 = (Uотс- Uref) / (Uref*(R4+R6))

Но тут надо считать от переменника, на нём при разряде 0,1с должно падать (Uдельта) 1,15v для 6в акб и 2,30v для 12v акб.
Поэтому формулы преобразуются и расчет несколько иной.
Uмин смотрим в таблице ниже.
R5 = Uref * R6 / Uдельта
R4 = ((Uмин -Uref) * R5) / Uмин

На этот раз - интеллектуальное зарядное устройство для Ni-Mh аккумуляторов типоразмера AAA и AA.
Почему интеллектуальное?

В отличие от обычных зарядных устройств, которые продаются задешево китайцами или входят в комплекты типа «10 дешевых аккумуляторов и дешевая зарядка за 2000 рублей», и заряжают «капельным» способом, это зарядное устройство имеет в себе контроллер, в который заложены программы быстрой зарядки аккумуляторов, и некоторые другие фишки - вроде определения емкости и «тренировки» аккумуляторов для восстановления емкости.

О терминологии

Ni-Cd , никель-кадмиевый аккумулятор. Аккумулятор, катодом в котором выступает Ni(OH) 2 , анодом Cd(OH) 2 , электролитом - KOH. Отличаются большим количеством циклов заряд-разряд, и возможностью хранения в разряженном виде.
Ni-MH , Никель-металл-гидридный аккумулятор. Катод - оксид никеля(NiO), анод - сплав Лантан-Никель-Кобальт, электролит - такой же как и в Ni-Cd.

99% аккумуляторов, продающихся в магазинах формфакторов АА или ААА - Ni-MH. Обусловлено это более привлекательными для потребителя качествами - менее заметный эффект памяти, большая емкость. Правда, вместе с этими характеристиками в комплекте идет и быстрый саморазряд (когда через некоторое время неиспользованные аккумуляторы приходится заряжать заново).

LSD Ni-MH - Ni-MH с низким саморазрядом. Несмотря на интригующую аббревиатуру в названии, она всего лишь сокращение от Low Self-Discharge:) Несмотря на это, они обладают еще несколькими преимуществами - бОльшими токами разряда, возможностью работать при низких температурах, увеличенным количеством рабочих циклов.

Еще термины, для тех, кто не читал статью о зарядке литиевых аккумуляторов.

О умном и глупом заряде

Заряжать никелевые аккумуляторы можно разными способами. Кстати, следует учитывать что зарядка, предназначенная для Ni-MH, сможет зарядить и Ni-Cd, но не наоборот. Если вам удастся найти в закромах зарядку, специально предназначенную для никель-кадмиевых аккумуляторов, не стоит пытаться заряжать ей Ni-MH - может плохо кончиться. Но я уже лет 5, наверное, не видел таких зарядных устройств.
Так вот, о способах заряда. Самый простой - капельный, или малым током.
В этом режиме аккумулятор заряжается фиксированным током, составляющим 1/10C, или 0.1С. Как мы помним из терминологии, С - это численное значение емкости аккумулятора, а значит, даже теоретически, зарядка должна длиться никак не менее 10 часов. На практике, никто не обладает 100% КПД, а значит, время заряда увеличивается как минимум до 15 часов. В реальности, это время будет еще больше, так как зарядки «тупые», и способны только контролировать ток. Соответственно, нельзя заранее узнать, какой аккумулятор будет заряжаться - 600mAh или 2700mAh. Для первого нужный ток составит 60mA, а для второго - 270mA.
Процессы, протекающие в во время заряда таковы, что как раз ток в 0.1С аккумулятор после набора полной емкости способен переваривать без последствий в виде взрывов и огня - просто превращая в тепло, которое без последствий уносится потоками воздуха. А если этот ток превысить, аккумулятор начнет нагреваться слишком сильно, и вполне может рвануть.
Вы понимаете, к чему я клоню? Нельзя заряжать аккумулятор в 600mAh током 270mA, а вот аккумулятор в 2700mAh током в 60mA - вполне. Впоследствии этого, все зарядки такого типа ограничивают ток заряда в 60-100mA. И если для аккумулятора в 600mAh время полного заряда и составит рекомендуемые 15 часов, то для более емкого аккумулятора в 2700mAh вам потребуется уже около полутора суток минимум. В общем, все понятно, и пользоваться таким зарядным устройством могут только те, кто использует аккумуляторы в пультах для телевизоров.

Заряд средним током с контролем температуры.
В этом режиме аккумулятор заряжается уже токами от 1/3C до 1/2C, которые позволяют зарядить уже за приемлемое время - от 5 часов. При заряде такими токами аккумулятор начинает нагреваться после окончания заряда, что может привести к его взрыву. Поэтому, в таких зарядках рядом с аккумулятором находится температурный датчик, который отслеживает резкое повышение температуры, и останавливает заряд. Если зарядка еще чуть «умнее», она сначала разряжает аккумулятор для избавления от эффекта памяти, а потом начинает заряжать его. Некоторые модели еще считают время от начала заряда, что позволяет косвенно судить о исправности аккумулятора - если зарядка закончилась на гораздо меньшее время (час или полтора), то аккумулятор неисправен, о чем зарядка сигнализирует.

Заряд высокими токами с контролем -ΔV и температуры
Самая быстрая технология заряда. Аккумулятор заряжается высокими токами (от 1C до 2С), позволяя заряжать аккумулятор за час или два.

Основной принцип такой технологии заключается в том, что до окончания заряда напряжение всегда растет, а сразу после полного заряда - снижается. Ненамного, на десятки или даже единицы милливольт. Контроллер в зарядном устройстве постоянно мониторит напряжение на аккумуляторе и после скачка напряжения вниз - снижает ток заряда примерно до 10mA - для компенсации саморазряда - чтобы аккумуляторы всегда были готовы, даже если их оставят в зарядке на день.
Существует опасность не заметить этот момент, и серьезно перегреть аккумулятор на таких токах, поэтому во все зарядные устройство дополнительно встроена защита по температуре - термодатчики на каждый аккумулятор, которые временно выключают процесс заряда, если аккумулятор сильно нагрелся.

Как правило, производители не ограничиваются только таким режимом - если уж встраивать контроллер, то на него можно повесить еще несколько функций - контроль тока, для определения реальной емкости аккумулятора, функцию тренировки - когда аккумулятор несколько раз заряжается и разряжается для компенсации эффекта памяти, и другие функции.

О самой зарядке

Коробка из плотного картона:

С надписями на трех языках:

Внутри коробки можно обнаружить блок питания, само зарядное устройство, и руководство. Все комплектующие имеют собственную упаковку, а зарядное устройство - даже личные пупырышки на пакетике.

Блок питания на 3 вольта и аж 4 ампера.

Руководство, и само зарядное устройство:

На обратной стороне зарядки - описание, модель, значки. Остальное пространство покрыто рядами вентиляционных отверстий.

На задней стороне - разъем блока питания:

С боков ничего интересного нет:

Все органы управления сосредоточены на передней панели, там же гнезда под аккумуляторы:

Управление осуществляется тремя кнопками - Mode, Display, Current. Первая отвечает за выбор режимов, вторая - за отображение на экране параметров, а третья устанавливает ток заряда.

Внутренности:

Как обычно, полюбопытствуем, что же находится внутри. Выкручиваем 4 винта по периметру:

После чего снимаем заднюю крышку:

Взору предстает плата, так же прикрепленная 4 винтами:

Но вытащить плату, только выкрутив винты не удастся. Еще надо отпаять в 4 точках, отмеченных стрелками провода термодатчиков.

А вот и они:

Следует отметить, что они не просто прижимаются, а намертво приклеены (скорее даже вклеены) в металлические пластинки теплопроводным герметиком. Датчиков два - каждый отвечает за два аккумулятора.
Именно к этим пластинкам прижимаются аккумуляторы - для лучшего контроля температуры.

Белое - как раз термогерметик. Вот и плата:

Верхняя сторона не очень интересная - одни полигоны, контакты, разъем, три кнопки и экран. Который можно без проблем снять с платы:

А вот обратная сторона гораздо интереснее, там расположен микроконтроллер(синий), управляющий всеми функциями зарядки:

Чуть ниже - балластные резисторы (красные) для режимов тестирования и восстановления (на них разряжаются аккумуляторы), желтые - шунты, точные резисторы на которых измеряется падение напряжения для контроля тока при заряде и разряде, голубой - операционный усилитель для термодатчиков.

Быстрый старт:

После включения без аккумуляторов на всех 4 дисплеях загорается надпись null.

Если вставить заряженный аккумулятор - загорится надпись Full. Если не полностью заряженный - то покажет текущее напряжение, и режим по умолчанию - Charge.

Если не нажимать никаких кнопок, то через 4 секунды покажет ток - по умолчанию 200mA, а через еще 4 - мигнет и перейдет в режим зарядки. Таким образом, можно просто всунуть туда аккумуляторы и уйти - режим зарядки включится автоматически.

При работе кнопкой Display можно циклически переключать режимы ток-напряжение-заряд-время с начала процесса

Если в течении 5 секунд нажать Current - можно выбрать ток заряда или разряда - 200-500-700-1000mA. Если в зарядку установлены 1 или 2 аккумуляторы в первый или последний отсеки - становится возможным выбрать ток 1500 или 1800mA.

После выбора ничего делать не надо - через 10 секунд после нажатия последней кнопки включится режим с выбранным током.

Кнопкой Mode можно выбрать режим работы - Charge, Discharge, Test, Refresh. Для выбора надо подержать кнопку 2 секунды, после чего можно выбрать режим одиночными нажатиями. Первый режим - Заряд. Он установлен по умолчанию и просто заряжает аккумуляторы до полной емкости. Второй - Разряд, разряжает, а затем заряжает аккумулятор. Третий - заряжает аккумулятор, если он был не заряжен, потом разряжает, в процессе измеряя емкость, потом опять заряжает. Восстановление - четвертый режим, циклично разряжает и заряжает аккумуляторы, до тех пор, как емкость не перестанет изменяться.

Как я понимаю, смысл использования такой - если надо зарядить аккумуляторы быстро, то достаточно их вставить, и выбрать ток заряда. А если время терпит - например, если аккумуляторы пригодятся только утром, то лучше выбрать режим разрядки или тестирования - аккумуляторы разрядятся, а потом автоматически полностью зарядятся. Таким образом, и волки сыты, и овцы целы - аккумуляторы будет заряжены без вашего вмешательства, а сценарий разряд-заряд избавит от эффекта памяти.
Режим тестирования по времени длительнее, потому что для определения емкости надо сначало полностью зарядить аккумуляторы. Но зато после его окончания вы получите информацию о емкости аккумултятора, и в случае чего, вовремя сможете заменить резко умерший аккумулятор(это всяко лучше, чем узнать об этом во время работы).

О основных функциях я рассказал, все остальное - есть в руководстве:

Тестирование функции восстановления:

Очень «удачно» на распродаже в компьютерном магазине я наткнулся на новую упаковку аккумуляторов GP2700 за 200 рублей. Купив, вставив в зарядку я понял, что не зря они стоили так дешево:

«Не гонялся бы ты поп, за дешевизной...» Вместо обозначенных 2700mAh аккумуляторы показали совсем иные цифры - два около 1000mAh, а два остальных - всего 100mAh. Может хранили неправильно, может они сами от саморазряда скончались. Терять мне было нечего, обратно распродажный товар не принимали, и я не особо надеясь включил режим Refresh, положил зарядку на полку и забыл про нее.
Через три дня, когда мне понадобилось зарядить комплект аккумуляторов из вспышки, я взял зарядку с полки, и увидел совсем другие цифры:

Вот так. Аккумулятор показавший результат 984mAh, превратился в 2150mAh, 117mAh - в 2040mAh, 116mAh - в 2200mAh, а 1093mAh в 2390mAh.
Конечно, не указанная производителем емкость, но я не поручусь, что измеренная емкость у совершенно новых аккумуляторов будет равна заявленной - все врут.
Главное - что функция восстановления работает отлично. Пойду пройдусь по знакомым фотографам, заберу у них кучу «дохлых» аккумуляторов. Наверняка часть из них окажется вполне рабочей:)

Стоимость:

В магазине la-crosse.ru это зарядное устройство стоит 1300 рублей .

Вывод:

Удобное, хорошо собранное устройство для для заряда аккумуляторов. Думаю, цена устройства быстро окупится удобством работы и несколькими восстановлениями аккумуляторов, вместо покупки новых.

Посмотреть все фотографии, включая не вошедшие в обзор, в оригинальном разрешении можно в Picasa-альбоме . Там же можно задать вопрос или оставить комментарий.

Если у вас нет аккаунта на Хабрахабре, вы можете читать и комментировать наши статьи на сайте BoxOverview.com

Только зарегистрированные пользователи могут участвовать в опросе. Войдите , пожалуйста.

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 .
Во второй — (без мультиметра и USB-тестера).
В завершении статьи приведен небольшой .

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.

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 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

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.
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.

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 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:

Аккумуляторы используются во многих аспектах повседневной жизни человека: автотранспорт, электроинструмент, системы бесперебойного питания, смартфоны, ноутбуки и прочее.

Общая информация о емкости АКБ

Главной целью проверочных мероприятий по состоянию любого типа АКБ является выяснение ёмкости аккумулятора и определение прочих характеристик. Однако существующими средствами измерения можно точно определить лишь силу электротока и напряжение в аккумуляторной батарее, а также замерить плотность электролитного вещества.

Емкость же измеряется косвенно по конкретной для каждого типа АКБ методике либо, применяя прибор для измерения емкости аккумулятора, который дает лишь приблизительный результат.

Важно! На точность результатов любых измерений в аккумуляторной батарее могут влиять внешние факторы, например, температура воздуха.

Единственным достоверным способом для определения емкости аккумулятора является его многочасовая полная разрядка, сопровождающаяся постоянной фиксацией многих параметров. Но не каждый человек готов проделывать такую продолжительную процедуру, ведь для установления приблизительных данных о емкости батареи может быть достаточно и краткосрочных измерений.

Способы определения емкости АКБ автомобиля:

традиционный метод – контрольный разряд (долгий и объемный по процедурам процесс);
замер плотности и уровня электролитной жидкости в автоаккумуляторе;
посредством воздействия нагрузочной вилки на батарею;
тестер емкости.

Интересно. Емкость популярных литий-ионных, никель-кадмиевых и никель-металлгидридных аккумуляторов измерить можно тем же контрольным разрядом (АКБ может выйти из строя при несоблюдении всех правил) либо покупкой на китайских торговых площадках специальных USB-тестеров, точность и правильность измерений которых находятся под большим вопросом.

Контрольный разряд

Длительный контрольный разряд – традиционный лабораторный метод установления емкости аккумулятора. Суть метода состоит в том, что полностью заряженную АКБ разряжают воздействием постоянных электротоков, сила которого зависит от параметров изделия.

Между тем ежечасно проводят замеры разряда аккумуляторной батареи и вольтажа, которые фиксируются. Емкость АКБ вычисляется по формуле: произведение силы электротока на прошедшее конкретное время. Такой замер может занять до суток постоянного наблюдения за аккумулятором, что не очень удобно для многих обывателей.

Нагрузочная вилка

Нагрузочная вилка – устройство для проверки АКБ при помощи контролируемой нагрузки, оснащенное вольтметром, нагрузочным резистором и двумя щупами. Такие приборы бывают различных видов: с аналоговым или цифровым вольтметром, простая схема с одним нагрузочным элементом или усложненные устройства с несколькими спиралями нагрузки и амперметром, также есть нагрузочные вилки для тестирования напряжения в отдельных банках АКБ.

Суть измерений проста и описана в инструкции к прибору. Полученные данные по вольтажу необходимо сопоставить с нижеследующей таблицей.

Таблица соответствия вольтажа с емкостью АКБ

Замер плотности электролита

Измерить ёмкость составных частей АКБ (банок) можно, применяя прибор под названием «ареометр». Суть метода сводится к тому, что плотность электролита, находящегося в каждой банке аккумулятора, напрямую связана с его емкостной характеристикой.

Для измерения необходимо вскрыть все крышки банок автоаккумулятора и поочередно набирать электролит из каждого сосуда, записывая данные о плотности с прибора. Далее плотность этого вещества сравнивается с таблицей соответствия плотности и емкости.

Таблица соответствия плотности электролита и емкости

Измерения посредством специальных приборов

Идея нагрузочный вилки была использована и усовершенствована в электронных портативных устройствах Кулон, которые созданы специально для проведения проверочных мероприятий по разным спектрам над свинцово-кислотными аккумуляторами.

Такими приборами можно быстро измерить вольтаж, определить примерную емкость АКБ, не прибегая к контрольному разряду, а также сохранять полученные измерения в памяти устройства.

Особенности приборов семейства «Кулон»:

питаются от АКБ, у которого берутся замеры;
в комплектацию устройств входят провода с клещами-крокодилами, что обеспечивает качественный зажим проводов на всех клеммах аккумулятора;
специальная методика определения емкости АКБ, которая не имеет аналогов;
рекомендуется для увеличения точности измерений произвести самостоятельно калибровку изделия на новом аккумуляторе схожего типа (процедура описана производителем в инструкции по эксплуатации).

Важно! Этот тестер емкости нужно использовать для установления емкости только в аккумуляторе, который полностью заряжен.

Также существуют и иные устройства от других производителей для этих же целей, методика установления емкости АКБ у которых отличается друг от друга. Например, приборы SKAT-T-AUTO, тестеры PITE, анализаторы Fluke, приспособления Vencon. Всеми этими приборами можно косвенно или напрямую измерить разнообразные параметры.

Зная состояние своего аккумулятора, а именно его емкость, можно избежать неприятных ситуаций на дорогах. Также вовремя среагировав на несоответствие измеренных показателей к заявленным производителем, можно реанимировать или продлить жизнь АКБ, проведя разнообразные мероприятия.

Видео

В персональных устройствах с аккумуляторным питанием может быть от одной аккумуляторной ячейки, как, например, в мобильных телефонах, до нескольких, как в электромобилях. Тревожное ожидание приближающегося разряда аккумулятора (в английском языке это называется range anxiety) характерно для работы со всеми автономными электронными устройствами. Пользователей беспокоит, смогут ли они досмотреть до конца фильм, прежде чем разрядится аккумулятор планшета, или доедут ли они на электромобиле до следующей зарядной станции, не встав посреди шоссе. Система измерения заряда представляет собой компонент, отвечающий за определение оставшейся в аккумуляторе энергии. В этой статье описана система измерения заряда, используемая в устройствах с одной аккумуляторной ячейкой. Рассматриваются различные алгоритмы определения емкости аккумулятора, используемые в подобных системах, а также плюсы и минусы этих алгоритмов. Статья затрагивает также некоторые факторы, которые необходимо принимать во внимание при выборе системы измерения заряда для потребительских приложений с батарейным питанием.

На Рисунке 1 показана блок-схема стандартного измерителя заряда. Он состоит, по меньшей мере, из двух АЦП, один из которых предназначен для измерения тока аккумулятора. Второй АЦП мультиплексирован и может использоваться для измерения напряжения и температуры аккумулятора или выполнять функцию АЦП общего назначения. Измеренные напряжение, ток и температура подаются в микропроцессор, в котором реализован алгоритм определения заряда. В энергонезависимой памяти микропроцессора содержится определенная информация о специфических характеристиках аккумулятора, таких как импеданс или зависимость емкости ячейки от напряжения. Встроенный или внешний стабилизатор обеспечивает микропроцессор, АЦП и другие цепи регулируемым напряжением питания. Измеритель заряда взаимодействует с остальной частью системы с помощью стандартных протоколов, например, I 2 C.

Простейший алгоритм оценки заряда заключается в определения емкости аккумулятора по измеренному на нем напряжению с использованием графиков Рисунка 2. На Рисунке 2 показана стандартная зависимость напряжения литий-ионного аккумулятора от его емкости. Из графика можно получить значение емкости при данном напряжении. Рисунок 2 также показывает, как уменьшается емкость с увеличением количества циклов заряда-разряда. Метод, основанный на измерении напряжения, прост в реализации и позволяет узнать точное значение максимальной емкости аккумулятора (Q MAX) при отсутствии на нем нагрузки. Однако фактическая полезная емкость аккумулятора (Q USABLE) меньше максимальной емкости из-за внутреннего импеданса аккумулятора (Рисунок 3). Для оценки полезной емкости можно использовать среднее значение импеданса аккумулятора (R BAT), но эта оценка, скорее всего, будет содержать большие ошибки, поскольку R BAT является функцией температуры аккумулятора (T), его возраста (Age) и состояния заряда (SoC). Хотя, в принципе, для корректировки сопротивления аккумулятора может использоваться большая многомерная таблица, для расчета сопротивления требуется много информации об аккумуляторе и цепи.

Более совершенным решением является метод подсчета заряда. В этом случае для получения точной оценки текущей емкости интегрируется заряд, втекающий в аккумулятор и вытекающий из него. Данный метод хорошо работает при условии, что точно известно начальное состояние заряда. Если исходная емкость аккумулятора известна, интегрируя общий ток, можно получить текущую емкость. Основная проблема, связанная с этим методом, заключается в том, что здесь не учитывается саморазряд аккумулятора, поскольку ток саморазряда не протекает по внешней цепи. Это может привести к неточной оценке емкости. Саморазряд может быть смоделирован, но любые модели неточны, и, кроме того, уровень саморазряда зависит от температуры и возраста аккумулятора.

Чтобы решить проблемы обоих методов, для прогнозирования емкости можно использовать информацию о напряжении и токе, а также о температуре аккумулятора. В этом случае напряжение холостого хода измеряется при ненагруженном аккумуляторе, а измерение тока выполняется, когда аккумулятор заряжается или разряжается. Напряжение аккумулятора измеряется постоянно, даже при отсутствии нагрузки. Непрерывное измерение напряжения используется для обновления информации о текущем состоянии заряда на основе графика, изображенного на Рисунке 2.

Затем, когда нагрузка приложена, методом подсчета определяется результирующий заряд, втекающий в систему или вытекающий из нее. После снятия нагрузки батарее дают некоторое время на восстановление, и напряжение измеряется вновь. Используя данные двух измерений напряжения и результаты подсчета суммарного заряда, можно определить максимальную емкость аккумулятора . Также можно рассчитать текущий импеданс, основываясь на измеренном токе, напряжении холостого хода с поправками на температуру и состояние заряда, полученными из таблицы соответствия и на напряжении, измеренном под нагрузкой. Таким образом, зная максимальную емкость и значение импеданса аккумулятора, можно получить точную оценку оставшейся полезной емкости.

Выбор микросхемы для измерения заряда

Основное внимание при выборе микросхемы определения заряда следует уделить точности алгоритма, потребляемому току и количеству внешних компонентов, необходимых для ее нормальной работы, прежде всего, регуляторов напряжения и токочувствительных резисторов. Даже тогда, когда фактическая нагрузка отключена, микросхема остается включенной для периодического измерения напряжения холостого хода. Любая энергия, используемая измерителем заряда, сокращает время работы системы, поэтому микросхема должна иметь низкий ток покоя. Ей требуется регулируемый источник питания для АЦП, микропроцессора и других блоков, а также низкоомный резистор для измерения тока аккумулятора. В идеале все это должно быть интегрировано на одном кристалле, чтобы сократить число внешних компонентов и сэкономить место на плате. В качестве примера такого измерителя можно привести микросхему , содержащую LDO регулятор.

Факторами, рассматриваемыми на системном уровне, являются место установки измерителя (на стороне батареи или на стороне хоста), его инициализация и разработка алгоритма. В случае установки на стороне батареи измеритель размещается непосредственно на ней. Это позволяет ему быть все время синхронизированным с аккумулятором и предоставлять о нем мгновенную информацию. В случае установки на стороне хоста измеритель нужно правильно инициализировать каждый раз, когда устанавливается аккумулятор. При установке на батарее алгоритм разрабатывает производитель аккумулятора, поэтому системный интегратор просто должен запросить аккумулятор, соответствующий требуемым параметрам. Единственным недостатком такого метода является то, что микросхема будет выброшена вместе с аккумулятором, когда тот придет в негодность, что потенциально может привести к увеличению общей стоимости системы. При размещении на стороне хоста системный интегратор должен иметь опыт измерения заряда и в графике работ учесть время, необходимое для разработки алгоритма.

Заключение

Оценка емкости аккумулятора является сложной задачей, поскольку на эту емкость влияет множество взаимосвязанных параметров. Простые алгоритмы могут привести к неточным результатам, которые потенциально могут сократить время работы системы. Поэтому при конструировании устройств измерения заряда следует рассматривать компромиссы, как на уровне микросхем, так и на системном уровне.

Yevegen Barasukov, «Challenges and Solutions in Battery Fuel Gauging,» .
«Theory and Implementation of Impedance Track Battery Fuel-Gauging Algorithm in bq2750x Family,» Application Note (SLUA450), Texas Instruments, January 2008.