Народный измеритель ёмкости батареек и аккумуляторов BatteryTest v2.0

Я завершил разработку новой версии прибора для измерения ёмкости любых батареек и аккумуляторов.

Прибор прост в использовании, точен и универсален — с помощью него можно измерить ёмкость любого элемента питания — от самой маленькой часовой батарейки до автомобильного аккумулятора.

Любой желающий может собрать такой прибор из доступных модулей.

О первой версии прибора я рассказывал весной 2024 года. Для тех, кто знаком с ней и, возможно, собрал прибор, начну со списка изменений.

Отличия новой версии

— четырёхпроводное подключение для повышения точности измерения на больших токах;
— калибровка измерения напряжения и тока с сохранением во flash-память;
— сохранение данных на карту MicroSD;
— поддержка четырёх номиналов измерительного шунта для обеспечения измерения тока в диапазонах (0.08-8 мА, 0.8-80 мА, 8-800 мА, 0.08-8 А);
— возможность вручную менять напряжение окончания теста;
— возможность отключения нагрузки при завершении теста (необходимо для аккумуляторов);
— сохранение результата предыдущего теста во flash-память, возможность продолжения теста при его случайном прерывании;
— формат данных на MicroSD карте или в терминале на PC, позволяющий вставлять данные в Excel через буфер;
— возможность использовать прибор, как точный мультиметр, измеряющий напряжение и ток;
— модульная конструкция, позволяющая устанавливать только нужные компоненты.

Назначение

Я тестирую батарейки и аккумуляторы в проекте Batterytest, но все модели, имеющиеся в продаже, протестировать невозможно, к тому же одни и те же батарейки из разных партий могут отличаться.

С помощью моего прибора каждый сможет протестировать любые батарейки и сравнить их между собой. Кроме того прибор поможет компаниям, выбирающим поставщика батареек и не доверяющим испытательным лабораториям.

Возможно у вас возник вопрос, зачем разрабатывать новый прибор, ведь в продаже можно встретить множество приборов для измерения ёмкости элементов питания. К сожалению все они либо очень дорогие, либо неточные, либо не универсальные, либо неудобные. Я постарался сделать простой, дешёвый, универсальный и точный прибор.

Возможности BatteryTest v2.0

— запуск теста без каких-либо манипуляций и нажатий кнопок;
— измерение ёмкости любых батареек и аккумуляторов (AA, AAA, CR2032, LR44, Крона, 18650 и других);
— постоянный резистор в качестве нагрузки, возможность подключения внешней электронной нагрузки;
— ток нагрузки от 0.1 мА до 8 А (зависит от номинала сменного резистора и измерительного шунта);
— напряжение батареи или аккумулятора от 0.5 до 36 вольт;
— время теста от 10 секунд до 1000 часов (около 42 суток);
— измеряемая энергия от 1 до 99999 мВтч;
— измеряемая ёмкость от 1 до 99999 мАч;
— постоянное отображение на экране напряжения, тока, ёмкости (мАч), энергии (мВтч) и времени;
— автоматическое определение напряжения окончания теста в зависимости от типа элемента питания;
— возможность ручного изменения напряжения окончания теста;
— передача на компьютер данных тестирования (можно сохранять их и строить графики разряда);
— сохранение данных тестирования на карту MicroSD;
— бесконечное отображение результатов после завершения теста;
— четыре диапазона измерения тока (8 мА, 80 мА, 800 мА, 8 А) за счёт сменных измерительных шунтов;
— четырёхконтактное подключение измеряемого элемента питания для более высокой точности измерения;
— калибровка измерения напряжения и тока с сохранением во Flash-память;
— возможность отключения нагрузки при завершении теста (необходимо для аккумуляторов);
— сохранение результата предыдущего теста во flash-памяти, возможность продолжения теста при его случайном прерывании;
— возможность использовать прибор, как точный вольтметр и миллиамперметр;
— модульная конструкция, позволяющая устанавливать только нужные компоненты.

Особенности прибора

Измерение напряжения и тока производится с помощью модуля на микросхеме Texas Instruments INA226, имеющей высокую точность измерения (погрешность измерения тока и напряжения не более 0.15%).

В процессе теста батарейка или аккумулятор полностью разряжается, поэтому протестированные батарейки придётся утилизировать, аккумулятор снова зарядить.

Работа прибора

При включении прибора на экране отображается заставка, версия и напоминание о необходимости подключить нагрузку, батарейку или аккумулятор. Логотип для прибора нарисовал Дмитрий Белов, за что ему большое спасибо!



Как только нагрузочный резистор будет подключён, а батарейка установлена в держатель, на экране появится картинка «свежей» батарейки, затем отобразится напряжение окончания разряда и параметры калибровки датчика напряжения и тока. Если в приборе есть модуль карты памяти и карта установлена, будет также показано имя файла, в который будет записываться лог.



Через четыре секунды прибор перейдёт в режим отображения информации о тестировании: сверху время теста, в левой части экрана текущее напряжение и ток, в правой части экрана — отданная на текущий момент энергия в мВтч и заряд в мАч. Если идёт запись на карту памяти, в правом верхнем углу экрана отображается кружок.



Когда тест закончится, прибор покажет на экране «дохлую батарейку», затем её изображение будет сменяться результатами: временем теста, отданной энергией и ёмкостью.


При наличии кнопок долгим нажатием первой кнопки можно перезапустить прибор, это можно также сделать кнопкой Reset на плате микроконтроллера.

В процессе теста каждые 5 секунд данные передаются в компьютер через кабель USB и виртуальный COM-порт (скорость обмена 9600) и записываются на карту MicroSD при её наличии.

На экране напряжение отображается с двумя знаками после запятой, если оно меньше 10 В и с одним знаком после запятой, если больше. Ток отображается в миллиамперах с одним знаком после запятой, если он меньше 10 мА или в целых миллиамперах, если больше. На карту MicroSD и в COM-порт значения напряжения и тока передаются с тремя или четырьмя знаками после запятой, значения емкости (мАч) и энергии (мВтч) передаются с одним знаком после запятой.


Данные разделяются символами табуляции, благодаря чему весь массив данных после теста можно скопировать из окна терминала или из файла с карты MicroSD в буфер и вставить в Excel, при этом данные правильно расставятся по ячейкам. Кроме того в Excel можно открывать файлы лога с карты MicroSD, не указывая каких-либо параметров преобразования. В пару кликов можно строить графики падения напряжения в процессе разряда.



При первом включении каждому прибору присваивается случайный номер от 11 до 99, с него начинается имя файла на карте, содержащее также номер теста, увеличивающийся на единицу после каждой успешной записи файла на карту. Имя текущего файла передаётся в COM-порт в начале теста, кроме того его всегда можно посмотреть, длительно нажав первую кнопку по время теста.

Подключения

На корпусе прибора установлены две трёхконтактные колодки (слева минусовая, справа плюсовая). Нагрузочный резистор подключается по центру (к правому контакту левой колодки и левому правой). Туда же может подключаться внешняя электронная нагрузка.

Минус от держателя измеряемого элемента питания подключается двумя проводами к первому и второму контактам левой колодки, плюс двумя проводами к третьему и второму контактам правой колодки (ближе к краю корпуса контакты измерения напряжения, ближе к центру контакты измерения тока).

Если тестовые токи небольшие (менее 100 мА), а провода от держателей до колодок не очень тонкие, в четырёхпроводном подключении особого смысла нет — можно установить перемычки между 1 и 2 контактами перовой колодки и 3 и 2 контактами второй, подключив держатели двумя проводами.

Если достаточно одного диапазона с тестовым током 8-800 мА, в приборе можно использовать модуль INA226 со стандартным шунтом 0.1 Ом, установленным на нём. Если нужны разные диапазоны (для тестирования на малых, или, наоборот, больших токах), резистор шунта необходимо снять с модуля INA226. Внешний резистор шунта (0.01, 0.1, 1 или 10 Ом) подключается к первому и второму контакту правой (плюсовой) колодки.

Для тестирования некоторых распространенных элементов питания используются следующие номиналы резисторов:

12 Ом — тест максимальной ёмкости батареек AA и AAA (75-130 мА);
3.9 Ом — тест батареек AA с повышенной нагрузкой (230-410 мА);
5.1 Ом — тест батареек AAA с повышенной нагрузкой (176-310 мА), тест NiMh аккумуляторов (176-235 мА);
1 кОм — тест батареек CR2032 (2-3 мА).

Для получения точных результатов очень важно использовать качественные держатели элементов питания (при использовании дешёвых держателей батареек AA и AAA с пружинками погрешность измерения может быть очень высокой). Идеальный держатель для большинства батареек и аккумуляторов — четырёхпроводной тестовый раздвижной держатель, для дисковых и других маленьких батареек — держатель-прищепка.

Выбор шунта и калибровка

Прибор поддерживает четыре диапазона за счёт сменных измерительных шунтов. По умолчанию задана величина шунта 0.1 Ом (это стандартный шунт, установленный на модуле INA226, обеспечивающий измерение тока в диапазоне 8-800 мА, конечно можно измерять и меньшие токи, но точность будет ниже). Если резистор шунта с платы модуля снят и используются внешние шунты, необходимо выбрать номинал установленного шунта. Для этого в режиме заставки нужно долго нажать на вторую кнопку, короткими нажатиями кнопок выбрать нужный номинал шунта (0.01 — 0.1 — 1 — 10 Ом) и снова продолжительно нажать вторую кнопку.



Так как в модулях INA226 часто устанавливаются резисторы шунта, имеющие погрешность 5%, да и любые резисторы имеют отклонения, прибор перед использованием необходимо откалибровать. Режим калибровки запускается долгим нажатием первой кнопки в режиме стартового экрана. В режиме калибровки можно менять калибруемый параметр, перемещая символ * долгим нажатием второй кнопки, короткие нажатия кнопок увеличивают и уменьшают текущий параметр на единицу. При долгом нажатии первой кнопки результаты сохраняются во flash-память и происходит выход из режима. Для каждого номинала шунта значение тока калибруется отдельно и отдельно сохраняется во flash-память.


Войдя в режим калибровки, сначала подключите к контактам измерения напряжения лабораторный источник питания и мультиметр в режиме измерения напряжения (минус к первому контакту левой колодки, плюс к третьему контакту правой). Желательно использовать современный мультиметр, имеющий не менее 6000 отсчётов. Подайте на прибор среднее напряжение для той батарейки, которую хотите тестировать, например 1.2 В для AA/AAA. Меняя кнопками калибровочный коэффициент, добейтесь, чтобы напряжение, отображаемое на экране прибора было максимально близким к показаниям мультиметра. Замечу, что исправные модули INA226 измеряют напряжение очень точно и скорее всего коэффициент калибровки будет в диапазоне от -3 до 3. Если напряжение, отображаемое прибором, отличается существенно, вам попался бракованный модуль INA226. Его можно попытаться откалибровать, но после этого нужно проверить, какое отклонение будет во всём необходимом диапазоне напряжения.

Затем, установите нагрузочный резистор и подключите к контактам измерения тока (вторые контакты обеих колодок) источник питания и мультиметр в режиме измерения постоянного тока в mA последовательно: минус источника питания к минусу прибора (второй контакт левой колодки), плюс источника питания к плюсу мультиметра, минус мультиметра к плюсу прибора (второй контакт правой колодки). Установите среднее напряжение теста (опять же, 1.2В для AA/AAA), переключитесь на калибровку тока, долго нажав вторую кнопку, чтобы символ * перепрыгнул на нижнюю строку и меняя кнопками калибровочный коэффициент добейтесь, чтобы показания прибора были как можно ближе к показаниям мультиметра. Выйдите из режима калибровки и сохраните калибровочные значения, долго нажав первую кнопку.

Если используется несколько шунтов, откалибруйте измерение тока для каждого из них, физически меняя шунт, выбирая его величину в настройках и заново заходя в режим калибровки.

Просмотр предыдущих результатов, продолжение прерванного теста

При успешном завершении теста прибор сохраняет результат во flash-память. Если во время отображения заставки нажать первую кнопку, можно посмотреть на результаты предыдущего теста (даже если прибор выключался). Есть возможность продолжить прерванный тест, при этом время теста будет идти заново, а результаты mAh и mWh будут суммироваться с результатами предыдущего теста, для этого во время отображения результатов предыдущего теста длительно нажмите вторую кнопку.
Обратите внимание, что результаты сохраняются только при успешном завершении теста. Если во время теста у прибора пропадёт питание или случайно будет нажата кнопка Reset на контроллере, результаты теста будут потеряны (ресурс flash-памяти контроллера всего 10 000 записей и если сохранять результаты каждую секунду, память выйдет из строя менее, чем за три часа работы прибора).

Режим мультиметра

Если во время отображения заставки нажать вторую кнопку, прибор войдёт в режим мультиметра, в котором отображается напряжение, ток, мощность, накопленная энергия в mAh и mWh с момента запуска режима.



Измеряемое напряжение подаётся на крайние контакты колодок (первый контакт левой колодки минус, третий контакт правой колодки плюс), измерение тока — второй контакт правой колодки плюс (вход), первый контакт второй колодки минус (выход).

Количество знаков после запятой у значений тока и мощности зависит от величин этих параметров.

Для выхода из режима нужно длительно нажать вторую кнопку.

Напряжение окончания теста

В начале теста прибор автоматически устанавливает напряжение окончания теста в зависимости от напряжения на тестируемом элементе питания:

менее 2 В — тест до 0.9 В (батарейки 1.5 В, аккумуляторы 1.2 В);
2-3.5 В — тест до 2.0 В (CR 2032, CR123A и пр.);
3.5 — 5.4 В — тест до 2.5 В если установлен шунт 0.1 или 0.01 Ом (литиевые аккумуляторы) или до 2 В, если шунт 1 или 10 Ом (литиевые батарейки ER);
5.4-10.5 В — тест до 5.4 В (Крона);
10.5-16 В — тест до 10.5 В (Свинцовые батареи 12 В);
16-20 В — тест до 10 В (LiIon 4S);
20-24 В — тест до 12.5 В (LiIon 5S);
24-28 В — тест до 15 В (LiIon 6S);
28-32 В — тест до 17.5 В (LiIon 7S);
более 32В — тест до 20 В (LiIon 8S).

В процессе теста автоматически установленное напряжение окончания теста можно изменить, для этого, когда на экране отображается ход теста, нужно длительно нажать первую кнопку. На открывшемся экране параметров тестирования можно менять напряжение окончания теста короткими нажатиями кнопок (0.1 — 36 В с шагом 0.1 В), затем, длительно нажав первую кнопку, можно вернуться к экрану отображения хода теста.

Нештатные ситуации

В программе, работающей в приборе, я постарался учесть все нюансы и нештатные ситуации: при отсутствии или сбое модуля измерения напряжения и тока на экране появится сообщение «Нет INA226», если батарейка подключена, а нагрузочный резистор нет, на экране появится сообщение «Напряжение > 0.5 В, но ток ниже 0.5 мА: отсутствует нагрузка», если за 10 минут после включения прибора батарейка и резистор так и не будут установлены, прибор сообщит «Долгий простой. Перезапуск» и перезапустится. Если время теста превысит предел, вместо времени появится надпись ">1000 часов". Через минуту отображения итога измерения яркость экрана снижается для защиты OLED-экрана от выгорания. При изменении параметров сделаны ограничения, не позволяющие установить параметры вне допустимых диапазонов.

Модульная конструкция прибора

Я назвал прибор народным потому, что его сможет повторить любой желающий, способный спаять десяток проводов.

В приборе используются недорогие компоненты: дешёвый микроконтроллер D1 mini на основе ESP8266, OLED-экран 0.96", готовый модуль INA226.

Прибор может работать без кнопок, модуля карты MicroSD, модуля реле, сменных шунтов, подключения к компьютеру. Все эти компоненты лишь добавляют прибору дополнительные возможности:

— при наличии кнопок можно калибровать прибор, менять напряжение окончания теста, смотреть режим тестирования в процессе теста, выбирать номинал шунта, смотреть результаты предыдущего теста и запускать продолжение тестирования, перезапускать прибор после окончания теста;

— при наличии модуля карты MicoSD и самой карты лог тестирования будет не только передаваться на компьютер через COM-порт, но и сохраняться на карте памяти;

— при наличии модуля реле, прибор будет отключать нагрузку при окончании теста. Для тестирования батареек это не нужно (батарейка и так разряжена, если она будет продолжаться разряжаться ещё сильнее, ничего плохого не случится), а вот для тестирования аккумуляторов это необходимо (аккумулятор может разрядится больше допустимого, если его вовремя не отключить);

— при наличии сменных шунтов, прибор может работать в разных диапазонах измерения тока и тестировать не только обычные батарейки и аккумуляторы, но и маленькие батарейки сверхмалыми токами, а также большие аккумуляторы, вплоть до автомобильных;

— при подключении к компьютеру, прибор будет каждые пять секунд передавать в COM-порт текущие данные тестирования, что позволяет рисовать графики разряда в реальном времени.

При одновременном наличии карты MicroSD и подключения к компьютеру прибор передаёт одни и те же данные на компьютер и сохраняет на карту.

Питание

При питании 5 В через разъём USB прибор потребляет 25 мА без карты MicroSD и реле. С картой MicroSD потребление возрастает до 40 мА. При подключении модуля реле после завершения теста (только тогда включается реле) прибор потребляет 110 мА.

Прибор может питаться через USB кабель от компьютера или от любого адаптера питания 5 вольт с разъёмом USB, а также от некоторых пауэрбанков, способных не отключаться при небольшом потреблении. Очень важно обеспечить прибору бесперебойное питание (особенно при длительных тестах). Самый простой «бесперебойник» — ноутбук с «живым» аккумулятором. Разумеется можно использовать и обычный ИБП и любой адаптер питания (главное, чтобы ИБП не отключал маленькую нагрузку, думая, что её нет).

При желании можно встроить в прибор аккумулятор и зарядное устройство для него. При этом, если не нужен модуль реле, можно подавать питание 3.3 В на соответствующий контакт всех модулей через повышающе-понижающий преобразователь, в этом случае одного аккумулятора 18650 2600 мАч должно хватить приблизительно на 50 часов работы прибора с картой MicroSD. Если модуль реле нужен, придётся подавать 5 В через повышающий преобразователь, в этом случае такого же аккумулятора хватит приблизительно на 35 часов.

Схема

В минимальной конфигурации прибор состоит из трёх модулей и двух колодок. Важно подключать провод от минусовой колодки к выводу GND именно на модуле INA226, а не в любой другой точке. Удобней всего подпаять провода к микроконтроллеру и модулю INA226, затем припаивать эти пары проводов к контактам экрана.



Можно не припаивать провода к микроконтроллеру, а купить провод с разъёмом для D1 и использовать его.



В максимальной конфигурации добавляются кнопки, модуль карты памяти и модуль реле. Для использования сменных шунтов нужно отпаять с платы INA226 резистор шунта.

Конструкция

Для удобства экран устанавливается вверх ногами, контактами вниз (в программе экран перевёрнут, при желании можно установить экран как обычно и убрать из программы две строки, переворачивающие экран).

Модуль INA226 устанавливается как можно ближе к плюсовой клеммной колодке. Вместо него можно использовать INA231 (вдвое дороже, в линии измерения тока есть сглаживающие помехи конденсаторы), но необходимости в этом нет.

Модуль карты памяти удобно разместить вторым этажом над контроллером.



Лучше сделать подключение разъёмным, припаяв к контроллеру и модулю контакты, идущие в комплекте.



В этом случае будет проблема с подключением к контроллеру проводов питания от экрана и модуля INA226. Проще всего использовать подключение проводом с разъёмом для D1, но можно обойтись и без него: я для этого устанавливаю на контроллере штырьки, а на модуле MicroSD гнезда, причём штырьки питания ставятся без пластиковой проставки, чтобы к их нижней части можно было подпаять провода.



Я рекомендую использовать версию микроконтроллера D1 MINI V4.0.0, так как у неё есть отверстия для крепления, дополнительный разъём и используется основной разъём Type C. Впрочем, прошивка работает и на любых других версиях плат D1 mini и NodeMCU.

Нагрузочные резисторы должны иметь большой запас по мощности, чтобы во время тестирования они не нагревались.

Корпус

Для прибора я разработал разные варианты корпуса из оргстекла (листового акрила) и фанеры.


Все детали крепятся к лицевой панели, сделана внешняя кнопка, нажимающая кнопку Reset на контроллере. В корпусе предусмотрено размещение модуля карты MicroSD на разъёмах. Фанерный корпус имеет габаритные размеры 99x40x26 мм, модуль реле в этот корпус не помещается, но если увеличить глубину корпуса до 31 мм, модуль реле, размещенный над платой INA226, поместится.

Сделан и увеличенный вариант корпуса для прибора с автономным питанием — внутри корпуса помещается аккумулятор формата 18650, плата зарядки и преобразователь напряжения.

Прошивка, детали

Прошивку, исходный текст программы и ссылки на все детали для сборки прибора я разместил на отдельной странице проекта ammo1.ru/btest2.

Прошивка бесплатна для частного некоммерческого использования. Модификация и использование фрагментов программы допускается только с разрешения автора.

Можно ли купить прибор?

В ближайшее время я смогу предложить готовые приборы только для бизнеса. Для тех, кто хочет сам собрать прибор, но не хочет покупать все детали, я смогу предложить наборы для сборки, включающие все детали, нагрузочные резисторы и шунты. Цены я пока не рассчитывал, но сделаю это в ближайшее время.

Заключение

В общей сложности для создания новой версии прибора мне понадобился целый год. Я постарался довести прибор до совершенства в рамках поставленной задачи. Сейчас прибор является одним из лучших решений для тестирования малогабаритных элементов питания (CR2032, LR44 и подобных), а также батареек «Крона», впрочем и для любых других элементов питания он во многом удобней и лучше, чем другие приборы. Большой плюс прибора — его может использовать неквалифицированный персонал (подключил любую батарейку — подождал — получил на экране результат).

Если найдутся энтузиасты, готовые тестировать батарейки и аккумуляторы с помощью этого прибора, подумаю о том, чтобы сделать на BatteryTest раздел с народными результатами, и конечно же таким энтузиастам я готов предоставить приборы бесплатно.

© 2025, Алексей Надёжин