Тестируем литий-ионные аккумуляторы "батареечных" размерностей АА, ААА, Крона

Аккумуляторы в популярных "батареечных" форматах АА и ААА появились давно, но долгое время предложение ограничивалось образцами на основе NiCd со всеми присущими им недостатками, главные из которых - напряжение всего 1,2 В вместо 1,5 В, что в некоторых устройствах делает их применение невозможным, а также быстрый саморазряд и невысокая удельная ёмкость, да и ресурс оставляет желать лучшего. Затем были предложены никель-металлгидридные NiMH и другие типы вроде никель-цинковых NiZn, в которых кое-что было улучшено, но появились свои заморочки вроде несовместимости зарядных устройств для перечисленных типов.

Потом появилась замена на основе литий-ионной технологии, у таких саморазряд минимальный, а удельная ёмкость выше. Как известно, у li-ion аккумулятора номинальное напряжение слишком высокое - 3,7 В, поэтому для получения стандартного для гальванических элементов значения 1,5 В используется встроенный преобразователь DC-DC. Кроме того, имеется и встроенная BMS (Battery Management System), которая управляет зарядом и предотвращает как опасный глубокий разряд, так и перезаряд. Конечно, то и другое потребляет энергию даже при неиспользовании аккумулятора, то есть ускоряет саморазряд, но не слишком заметно - это показывает практика использования различных пауэрбанков, где также есть и преобразователи, и BMS, а в "полной боевой" (ну, или почти полной) готовности они остаются много месяцев.

Заряд производится не через торцевые контакты, как у NiCd, NiMH и других подобных аккумуляторов, а через дополнительный разъём (обычно USB-C на боковой поверхности) от 5-вольтового источника. В большинстве случаев это удобно - такие адаптеры сегодня есть у любого человека, но всё же порой ограничивает сферу их применения: так, они не годятся для светильников с солнечной панелью и устройств со встроенным ЗУ, в которых не только разряд, но и заряд ведутся через контакты на торцах.

Поначалу такие изделия были дорогими, использовать их в качестве альтернативы обычным батарейкам было нецелесообразно с экономической точки зрения, но с недавних пор китайские умельцы стали предлагать вполне доступные по цене li-ion аккумуляторы размерностей АА, ААА и "Крона".

В описаниях и на корпусах приводятся очень заманчивые параметры, прежде всего ёмкость - для одного из имеющихся АА заявлено целых 3800 мА·ч, что сразу вызывает сомнение: даже для гораздо более крупных li-ion аккумуляторов популярного формата 18650 такое является редкостью.

Поэтому возникло желание проверить, так ли всё сладко. Эти аккумуляторы часто продаются по 4 штуки (по одной дороже) в комплекте с таким вот кабелем, позволяющим подключить от 1 до 4 аккумуляторов к одному ЗУ.

У разных продавцов были куплены три комплекта - один АА с той самой фантастической заявленной ёмкостью 3800 мА·ч и два разных ААА, для одного тоже обозначено немало - 3000 мА·ч, для другого цифры более вменяемые: 1200 мВт·ч, что для 1,5-вольтового напряжения соответствует 800 мА·ч. Ещё приобретён аккумулятор в формате "Кроны", для него заявлено 1100 мА·ч.

Для проверки был куплен дешёвенький тестер HW-586 (точно такой же предлагается и как ZB2L3), позволяющий оценить ёмкость аккумулятора или батареи. Его главное достоинство (кроме низкой цены) - широкий диапазон входных напряжений: верхний предел 15 В, а напряжение окончания разряда можно выставить от 0,5 до 12 вольт с шагом 0,1 В. Это позволит исследовать самые разные элементы, аккумуляторы и батареи, но надо учитывать ограничение по току: максимальный составляет 3 А, чего для намеченных тестов более чем достаточно, а для больших батарей с высокой ёмкостью может быть мало.

Устройство умеет только разряжать с подсчётом миллиампер-часов и отображением текущих значений напряжения и тока. В качестве нагрузки используются резисторы, в комплекте есть два 7,5 Ом 5 Вт. И нагрузка, и исследуемый образец подключаются к колодке с винтовыми зажимами, поэтому для аккумуляторов АА и ААА нужны соответствующие "кроватки", а для "Кроны" двухконтактный коннектор; они тоже были куплены.

Тестер питается от внешнего 5-вольтового источника через разъём microUSB, потребляемый им ток очень мал - до 70 мА, поэтому годится любая "зарядка", даже самая дешёвая 5 В / 1 А. Она будет нужна и для заряда аккумуляторов, но не прямо в тестере (такое его конструкцией не предусмотрено), а отдельно.

В отличие от более продвинутых тестеров, в HW-586/ZB2L3 милливатт-часы не подсчитываются, время разряда тоже. Во всех недорогих тестерах в качестве нагрузки используется резистор, и когда по мере разряда напряжение снижается, соответственно уменьшается и ток, что вносит в замер погрешность: производители аккумуляторов в datasheet указывают ёмкость при разряде вполне определённым постоянным током (имеются в виду нормальные производители, а безымянные китайские такими "мелочами" не заморачиваются). Но эта погрешность не столь уж велика: если замер покажет ёмкость в разы ниже заявленной, то можно с уверенностью сказать, что это вовсе не из-за такого изменения тока в процессе разряда.

Надо не забывать, что резисторы эти греются; у пятиваттных при работе с 1,5-вольтовым элементом и токах до 400 мА нагрев слабый, хотя палец его чувствует, но в других условиях можно обжечься или испортить поверхность, которой касаются резисторы.

И нужно понимать, что тесты будут длительными, многочасовыми.

Теперь надо определиться с условиями тестирования - током разряда и напряжением его окончания. Для того и другого разные источники предлагают существенно разные значения: для АА ток и 250 мА, и 750 мА, и даже 1 А, напряжение от 0,7 до 1,0 В.

На сайте BatteryTest.ru собраны результаты тестирования огромного количества гальванических элементов, аккумуляторов и батарей разных размерностей и типов. Батарейки АА и ААА автор этого сайта разряжает дважды: сначала до напряжения 0,9 В постоянным током 100 мА, считая результат максимальной отдаваемой энергией, а затем на резистор 3,9 Ом для АА (т.е. начальный ток около 370 мА) и 5,1 Ом для ААА (280 мА) для проверки работы с мощной нагрузкой.

Аккумуляторы автор разряжает только током 0,2С (С - заявленная ёмкость, т.е. "пятичасовой разряд") до 1,0 В, но пока речь у него идёт лишь о нескольких NiMH экземплярах форматов АА и ААА, причём автор тестирует "фирменные" аккумуляторы, обозначенным параметрам которых можно верить (конечно, плюс-минус - иначе ни к чему было бы их тестировать), а в нашем случае с безымянными "китайцами" фактическая ёмкость как раз под большим вопросом, соответственно и значение тока 0,2С тоже.

К тому же нам интересно уточнить именно целесообразность замены батареек недорогими аккумуляторами li-ion соответствующих форматов, поэтому всё же будем использовать "батареечную" методику. При этом отдадим должное трудолюбию автора указанного сайта: накопленная им база результатов тестирования очень внушительная, а поиск по ней удобный.

Но если с токами определились, ориентируясь на BatteryTest.ru, то с конечным напряжением дело обстоит иначе: свою роль сыграло наличие преобразователя DC-DC и BMS. Если у "чистого" элемента любого типа сразу после подключения нагрузки напряжение просаживается, а затем постепенно и медленно спадает до очень низких величин, то здесь после начальной просадки напряжение почти до конца теста держится на стабильном уровне, затем резко снижается процентов на 25-30, а через несколько минут аккумулятор отключается совсем: на торцевых выходах ноль вольт. То есть задавать рекомендованное на BatteryTest.ru конечное напряжение в 0,9 В бессмысленно - отключение что у АА, что у ААА происходит при более высоком значении.

Тестер ёмкости аккумуляторов и батарей HW-586 / ZB2L3

Сначала рассмотрим сам тестер. Его описаний в инете хватает, но вкратце рассказать нужно, раз уж девайс использован.

Это совсем небольшая платка 50х37 мм с 4-разрядным семисегментным светодиодным индикатором красного цвета и тремя управляющими кнопками. Слева расположена колодка с винтовыми зажимами, к двум средним подключается исследуемый аккумулятор (батарея) с обязательным соблюдением полярности, к двум крайним - нагрузочный резистор (или резисторы). Справа - разъём microUSB для подключения к 5-вольтовому источнику питания.

В комплекте, кроме самого тестера и двух резисторов 7,5 Ом 5 Вт, есть четыре небольших латунных стоечки (их надо прикрепить к плате имеющимися винтами) - они служат ножками.

Вот спецификация (по данным продавцов):

• Напряжение питания: DC 4,5 - 6 В
• Потребляемый ток: ≤70 мА
• Диапазон измерения напряжения: 1,0-15,0 В (реально шире), разрешение отображения 0,01 В
• Погрешность измерения напряжения: 1% ±0,02 В
• Максимальный ток: 3,0 А, разрешение отображения 0,001 А
• Погрешность измерения тока: 1.5% ±0,008 A
• Максимальная ёмкость батареи: 9999 А·ч (1 А·ч = 1000 мА·ч).

Параметры и комплектация могут немного отличаться у разных вариантов тестера.

Во время тестирования на индикатор поочерёдно с интервалом в пару секунд выводятся текущие значения напряжения, тока и ёмкости, при этом мигает один из трёх расположенных справа от цифрового индикатора светодиодов с пометками V, A или Ah соответственно. Ёмкость отображается со сдвигом десятичной точки: если меньше 10 А·ч - будет отображаться "X.XXX" , если больше 10 А·ч - "ХХ.ХХ", и так далее.

После подключения нагрузочных резисторов и аккумулятора/батареи нажатиями кнопок "+" и "–" задаём напряжение окончания разряда в диапазоне от 0,5 до 12 вольт с шагом 0,1 В.

Затем нажимаем кнопку "ОК", на индикаторе появляется "Р00.5" (пример для установки конечного напряжения 0,5 В), несколько раз мигает, затем начинается тест.

Во время тестирования нажатиями кнопки "ОК" можно вручную выбрать отображаемый параметр, он зафиксируется на 8-10 секунд, потом продолжится поочерёдный показ. Если тест ещё не начат, то отображается только напряжение.

Также могут отображаться ошибки:

• Err1 - напряжение аккумулятора выше 15 В (при замере может отображаться и больше, но при запуске теста будет выдана эта ошибка),
• Err2 - напряжение аккумулятора ниже установленного порога окончания разряда,
• Err3 - слишком высокое сопротивление линии (неисправен аккумулятор либо плохой контакт),
• Err4 - чрезмерный ток (более 3 ампер),
• Err5 - тестер неисправен.

При таком диапазоне токов и напряжений с помощью HW-586 / ZB2L3 тестировать можно не только "мелкие" аккумуляторы и батарейки (включая солевые, щелочные, литий-ионные, литий-железо-фосфатные, никель-кадмиевые, никель-металлгидридные), но даже многие свинцово-кислотные для ИБП. Надо только понимать, что чем больше заявленная ёмкость, тем больше времени будет длиться тест. И, конечно, выбирать соответствующие сопротивление и мощность нагрузочных резисторов, а также сечение соединительных проводов.

Тест аккумуляторов AA

На первом этапе используем два последовательно соединённых резистора по 7,5 Ом, то есть нагрузка 15 Ом. Значения тока и напряжения приведены по показаниям самого тестера. Аккумуляторы предварительно полностью заряжены.

У всех образцов без маркировки с бело-зелёной окраской напряжение на холостом ходу 1,53-1,54 В, после запуска теста снижается до 1,43-1,45 В (ток 97-99 мА) и не меняется почти до самого конца, потом быстро спадает до 1,05-1,07 В и держится 9-11 минут, затем сразу отключается совсем. Продолжительность тестов 9-11 часов.

У четырёх образцов ёмкость получилась от 850 до 905 мА·ч, их внутреннее сопротивление (замер на AC измерителем RC3563) 18,2-20,5 мОм.

Сразу после отключения любого из аккумуляторов встроенный в него светодиод несколько раз мигает.

Второй этап - повышенный ток: резистор 3,9 Ом. Опробован один аккумулятор, после запуска теста его напряжение снижается до 1,41-1,43 В (ток ~360 мА) и не меняется почти до самого конца, потом быстро спадает до 1,03-1,05 В и держится около 3 минут, затем сразу отключается совсем. Тест длился 2 часа 57 минут.

Измеренная ёмкость составила 938 мА·ч - в предыдущем случае у него было 898 мА·ч, а по данным BatteryTest.ru у батареек при повышенном токе нагрузки ёмкость получается заметно меньше.
Поэтому, зарядив аккумулятор, замер повторили и получили 935 мА·ч (продолжительность 2 часа 54 минуты).

Через 8-10 минут после отключения напряжение на контактах аккумулятора всё же появляется, но заниженное - 1,1 В без нагрузки. "Выжимать последние капли" нет смысла: работа на нагрузку 3,9 Ом продолжается не дольше полминуты.

Справочно: ток заряда такого аккумулятора 0,38-0,4 А, время 1 час и 5-10 минут.

Тест аккумуляторов AAA

Первый этап - нагрузка 15 Ом.

У всех образцов напряжение на холостом ходу 1,53-1,54 В, после запуска теста снижается до 1,43-1,45 В (ток 97-99 мА) и не меняется почти до самого конца, потом быстро спадает до 1,05-1,06 В и держится 14-15 минут, затем сразу отключается совсем. Каждый тест длился около 4 часов.

Четыре образца с маркировкой JOUYM показали ёмкость от 350 до 400 мА·ч, их внутреннее сопротивление 19,2-19,8 мОм.

У четырёх образцов без маркировки с бело-зелёной окраской ёмкость от 360 до 395 мА·ч, их внутреннее сопротивление 20,3-21,8 мОм.

Через 12-14 минут после отключения напряжение на контактах аккумулятора также появляется, и тоже заниженное - 1,1 В без нагрузки. Работа на нагрузку 15 Ом продолжается не дольше 1,5-2 минут.

Сразу после отключения любого из аккумуляторов его светодиод тоже мигает.

Второй этап - повышенный ток: резистор 5,1 Ом. Опробован один аккумулятор JOUYM, после запуска теста его напряжение снижается до 1,38-1,39 В (ток ~275 мА) и не меняется почти до самого конца, потом быстро спадает до 1,05-1,06 В и держится 14-15 минут, затем сразу отключается совсем.
Измеренная ёмкость составила 404 мА·ч - в предыдущем случае у него было 390 мА·ч,.
Тест длился полтора часа.

Справочно: ток заряда такого аккумулятора 0,23-0,24 А, время 55-58 минут.

Подводим итоги для АА и ААА

Для NiMH аккумуляторов из числа не самых дорогих заявляется ёмкость 400-850 мА·ч для ААА и 1000-2000 мА·ч для АА; вроде бы получается противоречие: всегда декларируется, что удельная энергоёмкость хоть по массе, хоть по объёму у li-ion существенно выше, чем у NiMH, а у нас наоборот - объём одинаковый (он определяется типоразмером), при этом измеренная для наших образцов ёмкость в мА·ч ниже. Но не надо забывать, что никель-металлгидридный элемент занимает весь объём батарейки, а литий-ионный делит этот объём с преобразователем DC-DC, да ещё и BMS вместе с разъёмом USB-C female помещается.
К тому же речь про ЭНЕРГОёмкость, то есть не об ампер-часах, а о ватт-часах, да ещё надо учитывать более высокий номинал напряжения на контактах - 1,5 В вместо 1,2 В у NiMH, тогда разница с недорогими аккумуляторами NiMH или минимальная, или вообще никакая.

Энергию в милливатт-часах тестер HW586 / ZB2L3 не подсчитывает, но её можно оценить, умножая полученное значение миллиампер-часов на напряжение, которое действительно на протяжении почти всего теста - последние минуты можно не учитывать.
Получаем около 500 мВт·ч для ААА и 1200 мВт·ч для АА, и вот эти значения можно сравнивать с базой тестов батареек сайта BatteryTest.ru, где речь идёт как раз об энергии, то есть о ватт-часах, а не о пресловутых ампер-часах.

Что видим: щелочные батарейки лучше в расчёт не принимать, для них в формате АА 3000-3500 мВт·ч - это норма (у лучших ещё больше), а менее 1500 мВт·ч бывает у самых плохоньких, в формате ААА - 1400-1500 мВт·ч у лучших и 600-700 мВт·ч у отстающих, но всё это заметно выше полученного нами.
Зато с солевыми сравнивать можно вполне, для них 1000 мВт·ч для АА и 450 мВт·ч для ААА - очень хорошие показатели, нормальные соответственно 600-700 и 300-350 мВт·ч, а плохонькие 350-500 и 200-250 мВт·ч.

У наших аккумуляторов запас энергии получается на уровне лучших солевых батареек или самых плохих щелочных. Однако при умеренно повышенных токах аккумуляторы ведут себя иначе, чем батарейки: и у солевых, и у щелочных отдача заметно снижается, а у наших образцов остаётся на том же уровне или даже чуть выше. Наконец, стабильность напряжения у li-ion аккумуляторов очень высокая, чем не могут похвастать ни батарейки, ни аккумуляторы NiCd/NiMH.

Тест аккумулятора "Крона"

При выборе нагрузок также ориентировались на сайт BatteryTest.ru.

Первый этап - нагрузка 240 Ом, её набрали их трёх резисторов по 75 Ом, одного 7,5 Ом и одного 3,9 Ом - итого получилось 238 Ом по показаниям омметра с погрешностью ±0,5%.

На холостом ходу напряжение 9,15 В, с указанной нагрузкой 8,99 В (ток 38-39 мА), оно держится до самого конца, после исчерпания энергии аккумулятор отключается сразу. То есть управляющая электроника в этом экземпляре работает иначе, чем в предыдущих образцах: нет снижения напряжения незадолго до отключения и нет мигания сразу после отключения.
Ёмкость получилась 368 мА·ч, внутреннее сопротивление (на АС) 90 мОм.
Тест длился немного больше 9 часов.

Через 14-15 минут напряжение на выводах появилось - 9,15 В, при подключении той же нагрузки отключение произошло через пару минут.

Для второго этапа нагрузку выбрали в той же пропорции, что и для АА: чтобы ток был примерно в 2,5 раза больше - 90 Ом (резисторы 75 + 7,5 + 7,5 Ом).
Напряжение во время теста держалось на уровне 8,95-8,96 В (ток ~100 мА), после 3 часов 45 минут аккумулятор выключился, тестер показал ёмкость 375 мА·ч - то есть и тут немного больше, чем при меньшей нагрузке.

Ток заряда такого аккумулятора 0,32-0,33 А, время очень существенное: около 4 часов.

Мы получили энергоёмкость около 3300-3350 мВт·ч, тогда как по данным BatteryTest.ru у щелочных батареек "Крона" при разряде малым током получается 4000-5000 мВт·ч, у солевых - около 1000 мВт·ч. То есть li-ion образец такого формата занимает промежуточное положение, но ближе к посредственным щелочным.

Общий итог

Главный вывод вполне ожидаемый - обозначенной на дешёвых китайских аккумуляторах ёмкости верить нельзя. Совсем.
Вопрос был только в том, насколько высок полёт фантазии изготовителей, оказалось: для безымянных бело-зелёных ААА преувеличили в 7,5-8 раз (3000 мА·ч заявленных против 360-400 полученных в тестах), для АА в такой же расцветке наврали поменьше - в 4-4,5 раза (3800 мА·ч против 850-940), а самой "правдивой" оказалась надпись на аккумуляторах с обозначенной маркой JOUYM - привирает всего-то в два с небольшим раза (1200 мВт·ч против 520-560 мВт·ч, полученных как 370-400 мА·ч умножить на 1,4 В).

Для "Кроны" якобы с маркой Liitokala (её по нынешним временам можно считать известным брендом, но нарисовать для привлечения покупателя можно что угодно - вряд ли эта компания подозревает о такой "своей" продукции) заявленное больше действительного в три раза.

Тем не менее, все эти образцы рекомендовать для покупки и использования можно, но с пониманием: куда ставить допустимо, а куда лучше не надо, и чего можно и чего нельзя ожидать.
Так, автор поставил ещё один комплект бело-зелёных АА в тонометр (рассчитан на 4 батарейки такого типоразмера), служат уже месяца три без подзаряда - правда, использование отнюдь не ежедневное, а в среднем 2-3 раза в неделю. Вторая "Крона" нормально себя чувствует в пирометре, а участвовавшую в тестах планируется поставить в другой измерительный прибор.
Все прочие будут использованы в пультах ДУ, в брелоках сигнализаций, в электронных весах, то есть в устройствах с небольшим потреблением.

Илья