Aktualnym problemem w dobie pandemii Coronavirusa  jest stan akumulatorów samochodowych, które nie są na bieżąco ładowane z powodu częstych postojów w garażu lub na parkingu. Ja również mam problem z akumulatorem, który wymaga doładowywania z powodu rzadkich wyjazdów spowodowanych ograniczeniami pandemii. Obecnie używam ładowarki mikroprocesorowej  ULGD 3,8 A z  Lidla, która ładuje mój akumulator raz w tygodniu do napięcia większego niż 12,5V.  Jak na razie ładowarka działa ale dopiero teraz uświadomiłem sobie, że mam akumulator AGM, który nie może być ładowany za pomocą starego kuprytowego prostownika, który mam w spadku po Ojcu z lat 70-tych.

EP1618643B2  Methods at a battery charger, CTEK Sweden AB, Maleus Borje, Data patentu: 20.03.2013.  Wynalazek dotyczy sposobu ładowania baterii kwasowo-ołowiowej  mającej wysoką rezystancję wewnętrzną z powodu zasiarczania podczas procesu  rozładowywania baterii oraz sposobu ładowania konserwacyjnego baterii. Podczas rozładowywania akumulatora wielokrotnego ładowania jony dwutlenku ołowiu i kwasu siarkowego są przekształcane w siarczan ołowiu na płycie dodatniej akumulatora, a jony ołowiu i kwasu siarkowego są przekształcane w siarczan ołowiu na płycie ujemnej. https://pl.wikipedia.org/wiki/Akumulator_kwasowo-o%C5%82owiowy .  Odpowiednio, podczas ładowania  akumulatora siarczan ołowiu jest przekształcany w materiał aktywny, tzn.: dwutlenek ołowiu  i  jony kwasu siarkowego na płycie dodatniej oraz jony ołowiu i kwasu siarkowego na płycie ujemnej.  Jednak  w mocno rozładowanym akumulatorze   siarczan ołowiu może tworzyć powłokę na płytach, co zwiększa rezystancję wewnętrzną akumulatora., to znaczy ilość materiału aktywnego spadła do bardzo niskiego poziomu, co może wystąpić, w przypadku zasiarczenia jego  płyt.

Fig.1 przedstawia schematycznie konstrukcję przykładu wykonania ładowarki baterii odpowiedniej do stosowania z niniejszym wynalazkiem; Fig.2a przedstawia schematycznie wykresy odpowiednio napięcia/prądu w funkcji czasu i ładowania w funkcji czasu podczas normalnego cyklu ładowania baterii; Fig.2b przedstawia schematycznie wykresy odpowiednio napięcia/prądu w funkcji czasu  ładowania, podczas cyklu ładowania baterii o zwiększonej rezystancji  wewnętrznej; Fig.2c przedstawia schematycznie wykresy odpowiednio napięcia/prądu w funkcji czasu ładowania podczas cyklu ładowania baterii mającej zwiększoną rezystancje wewnętrzne, z wykorzystaniem sposobu ładowania baterii zgodnie z niniejszym wynalazkiem; Fig.3 przedstawia schematycznie przykład wykonania sposobu ładowania akumulatora mającego wysokie napięcie wewnętrzne;  Fig.4 przedstawia schematycznie wykres napięcia/prądu w funkcji czasu podczas ładowania konserwacyjnego baterii przy użyciu sposobu ładowania konserwacyjnego baterii zgodnie z niniejszym wynalazkiem; Fig.5 przedstawia schematycznie przykład wykonania sposobu ładowania konserwacyjnego baterii zgodnie z niniejszym wynalazkiem;

Ładowarka akumulatorów pokazana na Fig.1 jest  klasyczną ładowarką impulsową z kluczowaniem obwodu  prądu   DC, 8, który można podłączyć do sieci. Obwód 8 prądu stałego zawiera  mostek diodowy  prostujący prąd AC  na wejściu (nie pokazano), kondensator wygładzający (nie pokazano). Ponadto ładowarka zawiera transformator 14 wysokiej częstotliwości mający uzwojenie pierwotne 14a  podłączone do obwodu prądu stałego 8 i uzwojenie wtórne 14b. Kondensator wygładzający przechowuje energię w postaci wysokiego napięcia stałego.  Transformator przekształca wysokie napięcie w napięcie ładowania akumulatora.   Jednostka sterująca 16 zawierająca, między innymi, przełącznik elektroniczny (niepokazany), taki jak tranzystor polowy FET, umieszczony w obwodzie kluczowania  prądu stałego  i  transformator impulsowy generujący impulsy prądowe o regulowanym wypełnieniu.  Po stronie wyjściowej transformatora 14  wysokiej  częstotliwości znajdują się dwie linie,  dodatnia 18  i ujemna 20, wyposażone w środki do podłączenia do baterii 21. Element prostowniczy (nie pokazany), taki jak dioda, jest umieszczony  na  linia dodatnia,  a  kondensator wygładzający (niepokazany) jest umieszczony między linią dodatnią i ujemną.

Układ  sterujące 29 przeznaczony jest  do sterowania procesem ładowania i procesem konserwacji  akumulatorów, które  są połączone z jednostką sterującą 16 oraz z obwodem pomiarowym i wzmacniającym 30, do pomiaru  i sprzężenia zwrotnego napięcie/prąd. Ponadto obwód pomiarowy i wzmacniający 30  jest połączony z linią dodatnią 18  i  linią ujemną 20. Linia sprzężenia zwrotnego 32 łączy  obwód pomiarowy i wzmacniający 30 z obwodem modulacji szerokości impulsu (PWM), zawartym w jednostce sterującej 16, który realizuje kluczowanie wyprostowanego napięcia stałego DC po stronie pierwotnej transformatora impulsowego.  Szczegóły układu modulacji nie będą tutaj szczegółowo opisywane, ponieważ nie stanowią one części niniejszego wynalazku, a jego funkcje i konstrukcja są dobrze znane specjaliście w tej dziedzinie, jako układu z modulacją szerokości impulsu (PWM).  Opcjonalnie, układ  sterujący 29 zawiera środki do uzyskiwania informacji o napięciu baterii i prądzie dostarczanym do baterii podłączonej do obwodu pomiarowego 30  w  celu  pomiaru napięcia/prądu.  Ponadto układ sterujący 29  jest  przystosowany   do nadzoru  jednostki sterującej 16  w trakcie działania lub odpowiadania na polecenia sterujące w oparciu o uzyskane informacje i środki pamięci (nie pokazano). Środki pamięci mogą zawierać nieulotny układ pamięci (np. układ pamięci EEPROM lub FLASH),  który jest zdolny do przechowywania danych. 

Wykresy odpowiednio napięcia/prądu w funkcji  czasu podczas „normalnego” cyklu ładowania akumulatora przedstawia Fig.2a. Linie 50 i 51 wskazują odpowiednio napięcie  i  prąd podczas cyklu ładowania akumulatora mającego „normalną” rezystancję wewnętrzną,  a  linia 52 wskazuje narastanie  lub wzrost ładunku,  czyli ilość  konwersji materiału aktywnego,  podczas tego cyklu ładowania.  Jak widać,  napięcie 50 rośnie  płynnie, a prąd 51 jest prawie stały,  gdy ładowanie jest inicjowane, a ładunek odpowiednio narasta w sposób płynny. Chociaż linia 51 wskazuje, że prąd jest prawie stały lub w rzeczywistości nieznacznie rośnie, w niektórych przypadkach prąd może spaść,   w  początkowym okresie czasu, oznaczonym przez t1.   Pierwszy okres jest określany jako okres zbiorczy, w tym okresie napięcie ładowania wzrasta do poziomu naładowania,   który zwykle wynosi około 14,0-14,9V,  a ładunek zawarty  w  akumulatorze  sukcesywnie narasta.  Następnie, gdy napięcie wzrośnie do poziomu naładowania,  inicjowany  jest  okres absorpcji  oznaczony przez t2,   podczas  którego napięcie jest utrzymywane na tym stałym poziomie, a  narastanie ładunku jest kontynuowane.  Aby doprowadzić ładunek do  prawie 100% teoretycznej pojemności akumulatora,  można zastosować podwyższenie napięcia, jak wskazuje t3,   podczas którego napięcie wzrasta,   na przykład, do około 16V.    Następnie. akumulator jest prawie w pełni naładowany  i  rozpoczyna się okres konserwacji,  wskazany przez t4. Przykładowy, okres t1 ma długość w zakresie od około 1h do około 20h, okres t2 ma długość w zakresie od około 1h do około 40h,  okres t3 ma długość w zakresie od około 15min. do około 6h, a okres t4 jest nieograniczony.

Dla porównania, wykresy odpowiednio napięci/prądu w funkcji czasu  ładowania,  podczas cyklu ładowania akumulatora o zwiększonej rezystancji  wewnętrznej pokazano na Fig.2b.   Linie 53 i 54 wskazują odpowiednio napięcie i prąd podczas cyklu ładowania,  a  linia 55 wskazuje narastanie ładunku.   Jak widać, czas narastania napięcia  53, jest bardzo krótki,  gdy napięcie ładowania jest przyłożone do akumulatora  o  zwiększonym napięciu wewnętrznym.   Innymi słowy, zanik wzrostu napięcia jest prawie natychmiastowy z powodu wysokiego napięcia wewnętrznego. W rzeczywistości czas narastania będzie rzędu kilkuset mikrosekund. Odpowiednio, napięcie 53  gwałtownie rośnie do maksymalnego poziomu akumulatora  i  odpowiednio prąd 52 gwałtownie spada. 

Kolejne przebiegi  na  Fig.2c  przedstawiają wykresy odpowiednio napięcia/prądu w  funkcji czasu podczas cyklu ładowania baterii  o  zwiększonym napięciu wewnętrznym z wykorzystaniem sposobu ładowania baterii zgodnie z niniejszym wynalazkiem.  Linie 56 i 57 wskazują odpowiednio napięcie i prąd podczas cyklu ładowania,  a  linia 58 wskazuje narastanie ładunku podczas cyklu ładowania.  Zgodnie ze sposobem ładowania akumulatora mającego wysoką rezystancję wewnętrzną z powodu zasiarczenia podczas rozładowywania akumulatora, pewna liczba kolejnych impulsów napięcia 56a  o  czasie trwania odpowiednio t5, t6 i t7, jest  podawana  na akumulator.    Na  Fig.2c  dostarczane  są  tylko trzy impulsy 56a,  ale  należy to traktować jedynie jako przykład,  a  w  praktycznym zastosowaniu może być konieczne dostarczenie dużej liczby impulsów 56a,  aby uczynić akumulator podatnym na normalną procedurę ładowania.  Jak widać na Fig.2c,  ładunek, jak wskazano w linii 58  akumulatora, sukcesywnie wzrasta  z każdym dostarczonym impulsem,  aż ostatecznie ładunek płyt akumulatora będzie  wystarczająco duży.   Oznacza to w praktyce, że dostateczna ilość ładunku została przekształcona, aby normalny cykl ładowania można było zastosować, wskazany przez okres czasu t8.    Równocześnie ze zmniejszaniem się rezystancji wewnętrznej baterii maleje również czasy narastania impulsów i sukcesywnie wydłuża się czas trwania impulsów.   Zatem t5 jest krótsze niż t6,  które  z kolei jest krótsze niż t7.  Każdy z okresów  t5-t7  może  mieć  długość  w  zakresie od około 50ms do kilku sekund.   Czas odstępów pomiędzy impulsami napięcia posiada z góry określoną długość,  przy czym odstępy mogą mieć również   sukcesywnie narastającą  lub malejącą długości. 

Odnosząc się teraz do Fig.3, zostanie opisany przykład wykonania sposobu ładowania akumulatora o wysokim napięciu wewnętrznym.  Na etapie 60 bateria jest podłączana do ładowarki baterii, na przykład ładowarki pokazanej na Fig.1. Następnie, w kroku 62, inicjowany jest cykl ładowania, ale z powodu dużej rezystancji wewnętrznej płytek elektrodowych akumulatora, napięcie na akumulatorze gwałtownie rośnie, co jest wykrywane przez środki sterujące 29, za pomocą pomiaru przez wykrywający obwód 30. To wyzwala  układ  sterujący 29, aby aktywować okres cyklu impulsów lub, innymi słowy, sekwencję kolejnych impulsów napięcia, w etapie 64, jak wskazano przez 56a,  na Fig. 2c. W rzeczywistości, każdy impuls jest początkiem „normalnego” ładowania, po którym następuje odłączenie napięcia, gdy prąd spadnie poniżej określonego poziomu, około 0,5 A. W ten sposób niewielka ilość ładunku jest dostarczana do akumulatora, tzn. niewielka ilość materiału aktywnego jest przekształcana podczas każdego cyklu impulsów. W konsekwencji ilość przetworzonego materiału aktywnego sukcesywnie rośnie. Następnie, w etapie 66,  pod warunkiem, że  ilość przekształconego materiału wzrosła do wystarczającego  stopnia, ​​można zastosować normalny cykl ładowania, przez  układ  sterujący 29. 

 Przechodząc teraz do Fig.4, zostanie pokazany wykres napięcia/prądu w funkcji czasu podczas ładowania konserwacyjnego baterii  z  wykorzystaniem metody ładowania podtrzymującego baterii.   Linie 80 i 82 wskazują odpowiednio napięcie i prąd podczas ładowania konserwacyjnego zgodnie z przykładem wykonania sposobu ładowania konserwacyjnego akumulatora według niniejszego wynalazku.  W pierwszym okresie t9, gdy akumulator jest ładowany konserwacyjnie po tym,   jak normalny okres ładowania został zakończony,  napięcie na akumulatorze jest utrzymywane  na  z  góry  określonym poziomie,  korzystnie około 13,2-13,9V.   Ponadto poziom napięcia baterii wynosi w tym okresie około  97-98%.   Ten poziom napięcia jest utrzymywany przez  z  góry określony czas, t9,  a  jeśli bateria  nie  jes t używana w tym okresie, zostanie zainicjowany stan impulsowy lub histerezy t10.   Oznacza to, że  jeśli napięcie spadnie poniżej z góry określonej wartości progowej  (co wynika z spadku  poziomu pojemności baterii),  która  jest  określana przez  napięcie wskazane jako V0  na Fig.4,  jeden lub więcej impulsów napięciowych zostanie dostarczonych do akumulatora w celu podniesienia napięcia powyżej  tego  z  góry określonego  poziomu progowego  V0, wskazanego przez okres  o czasie trwania t11.   Długość t11 zależy między innymi od wielkości ładowarki, typu baterii oraz stanu baterii.  Ogólnie  okres t11 wynosi  około 2-15 minut, a  poziom napięcia wynosi korzystnie 12,6-13V.   Prąd i napięcie w okresie t11 są w zasadzie podobne do „normalnego” cyklu ładowania.  Najpierw stały lub prawie stały prąd z rosnącym napięciem, a następnie stałe napięcie ze spadającym prądem.  Wartość  prądu stałego jest  mała, albo prawie nie istnieje. W alternatywnym przykładzie wykonania normalny  cykl  ładowania,  patrz  Fig.2a, jest inicjowany, gdy napięcie spadnie poniżej z góry określonego poziomu progowego parametru pojemności baterii.

US10328807 METHOD FOR OPERATING A BATTERY CHARGER, AND A BATTERY CHARGER,  CTEK Sweden AB, Eriksson et al. Data patentu:25.06.2019.  Wynalazek  dotyczy sposobu działania ładowarki do baterii,  który  obejmuje  etapy wyznaczania pojemności akumulatora,   określania początkowego prądu ładowania,  wyznaczania zmiany napięcia  w  czasie   ΔV/Δt   dla napięcia na akumulatorze  po  przyłożeniu  obliczonego  początkowego prądu ładowania akumulatora oraz dalsze regulowania prąd ładowania poprzez zmiany  ΔV/Δt w dalszym procesie ładowani akumulatora.

FIG.1 ilustruje ładowarkę połączona z  baterią;  FIG.2 ilustruje schemat blokowy ładowarki akumulatorów;  FIG.3 jest schematem blokowym ilustrującym sposób obsługi ładowarki akumulatorów;  FIG.4 jest schematem blokowym ilustrującym metodę określania pojemności podłączonej baterii; FIG.5A-B to wykresy ilustrujące metodę określania pojemności podłączonego akumulatora; FIG.6A-B to wykresy ilustrujące eksperyment  ładowania baterii dla trzech profili.

Ładowarka 101 baterii FIG.2  ma procesor 204(PC) skonfigurowany do sterowania przetwornikiem napięcia 202, który steruje  cyklem roboczym sygnału przełączającego  przetwornicy napięcia 202.  Może również zawierać  ogranicznik  prądu do sterowania maksymalnym prądem wyjściowym  z  przetwornika napięcia 202.  Procesor 204 jest ponadto połączony z obwodem wyjściowym 206, przy czym obwód wyjściowy 206 jest skonfigurowany do pomiaru prądu wyjściowego i napięcia wyjściowego na zaciskach wyjściowych 203.  Ładowarka 101 baterii zawiera ponadto pamięć 205, zawierającą program sterujący, który jest wykonywany przez procesor 204  podczas pracy ładowarki 101 baterii.  Program sterujący zawiera instrukcje obsługi  i  sterowania prostownikiem 101. Procesor 204 i  pamięć 205 mogą być zintegrowane w tak zwanym mikrokontrolerze, razem z innymi komponentami peryferyjnymi,   takimi jak konwertery DA/AD  i  porty   we/wy.

Algorytm procesu ładowania baterii przedstawia schemat, Fig.3,  według którego po określeniu pojemności akumulatora na etapie 302 wykonywany jest drugi etap 303,  który obejmuje określenie początkowego prądu ładowania.  Powszechną zasadą jest  używanie  prądu równego 10% pojemności akumulatora (współczynnik C/10h). Na przykład, jeśli pojemność wynosi 75Ah, odpowiedni początkowy prąd ładowania wyniesie 7,5A.   W trzecim etapie 304 następuje zadanie  początkowego prądu ładowania jako prądu ładowania do podłączonego akumulatora 104 oraz założenie czasu oczekiwania na odpowiedz akumulatora po przyłożeniu w/w prądu baterii, który mieści się w przedziale od 10 do 20 minut. (Znaczenie  tego czasu oczekiwania zostanie wyjaśniony  w odniesieniu do FIGA. 6B).   Wynikowe napięcie wyjściowe na zaciskach akumulatora  jest następnie mierzone w czwartym kroku 305,  przy czym  napięcie wyjściowe jest mierzone podczas  z  góry określonego czasu próbkowania,  aby uzyskać wiarygodne oszacowanie szybkości zmian napięcia wyjściowego.

W  etapie piątym  306, prąd ładowania jest regulowany w celu uzyskania  z góry określonej szybkości zmian napięcia wyjściowego ΔV/Δt.  Prąd ładowania może być kontrolowany przez regulator PID  lub regulator proporcjonalny  w celu uzyskania pożądanej szybkości zmian napięcia wyjściowego ΔV/Δt. Pożądaną szybkość zmian napięcia wyjściowego ΔV/Δt można przykładowo obliczyć  przy założeniu  napięcia początkowego  Vo  oraz  napięcie gazowania Vg akumulatora.  Na przykład akumulator kwasowo-ołowiowy ma napięcie otwartego obwodu Vo = 11,5V  i napięcie gazowania Vg = 14,34V (6 × 2,39V /ogniwo). Jeżeli wymagany jest 5-godzinny czas ładowania akumulatora, niezbędną zmianę napięcia w czasie ΔV/Δt  można obliczyć jako: ΔV/Δt = (14,34-11,5) / (5 × 60) = 10 mV/min.  Bardziej  agresywne ładowanie można uzyskać  za  pomocą  3-godzinnego tempa ładowania. 

W szóstym kroku 307 określa się,   czy podłączony akumulator osiągnął  z  góry określony poziom naładowania.  Jeżeli zostanie ustalone,  że poziom naładowania osiągnął z góry określony poziom ładunku, sposób według wynalazku kończy się w siódmym kroku 308.   Sposób pomiaru pojemności badanego akumulatora ilustruje przebieg Fig.5A  według, którego w czasie  t0   do baterii  przykładany jest stały impuls prądu 501.   Podczas tego impulsu prądu wzrasta napięcie 502 między biegunem dodatnim i biegunem ujemnym podłączonej baterii.   To   napięcie   jest mierzone   i   używane jako pierwsze napięcie  (V1),  tuż przed czasem t1,  gdy impuls prądowy jest wyłączony.  Drugie napięcie V2  mierzone jest na baterii  w chwili  t 2.   Ponieważ wszystkie pomiary potrzebne do obliczenia pojemności baterii zostały wykonane,  to  pozostałe  kroki  obliczania  przewodności   i pojemności  są  łatwe do wykonania.  W tym przykładzie wykonania zastosowano stały impuls prądowy o amplitudzie 3,8A i czasie trwania 30 s.

Według opisu sposób  określenie pojemności baterii, polega na: 1-  generowaniu impulsu elektrycznego podawanego następnie  między biegunami  akumulatora ; 2 – pomiarze pierwszego napięcia (V1) na w/w biegunach podczas zadanego impulsu; 3 – pomiarze drugiego napięcia (V2) na  w/w  biegunach  po  raz drugi  po zakończeniu wspomnianego impulsu; 4 – obliczenie różnicy napięcia (ΔV12) między wspomnianym pierwszym napięciem, a  wspomnianym drugim napięciem; 5- obliczenie przewodności (G) akumulatora zgodnie z: G = Ipulse / ΔV12,   gdzie Ipulse to natężenie prądu  impulsu elektrycznego;  6 – obliczenie pojemności (Q) baterii zgodnie  z : Q = q (G),  gdzie :  q(G) jest funkcją pojemności, która wyznacza  pojemność (Q) baterii dla danej przewodności (G).  Z  góry  określony czas trwania  impulsów może na  przykład mieścić  się w   przedziale od 15sek do 90sek.  Etap  regulacji  prądu  ładowania  może  wystąpić,  jeżeli stwierdzi się, że zmiana napięcia  w  czasie  ΔV/Δt  jest mniejsza od zadanej szybkości zmian, co wymusza  zwiększenie prądu ładowania. Jeżeli natomiast zostanie ustalone, że zmiana napięcia  w  czasie ΔV/Δt  jest  większa  niż  z  góry określona szybkość zmian,  należy zmniejszyć   prąd  ładowania.  Z góry określona szybkość zmian  może, na przykład, znajdować się  w przedziale od 5 mV/min do 50 mV/min. Obliczenie początkowego prądu ładowania może obejmować podzielenie określonej pojemności akumulatora przez stałą wartość pradu  ładowania.  Eksperymentalne przebiegi prądu wyjściowego z ładowarki 101  dla  trzech różnych profili ładowania  baterii  pokazuje Fig.6A, podczas  gdy przebiegi  wynikowego napięcia wyjściowego dla odpowiednich krzywych prądu pokazuje  Fig.6B.  Pierwsza krzywa prądu 601A pokazuje,  że  ładowarka 101  akumulatora  ustaliła  początkowy   prąd ładowania 15A. Odpowiada to stałej czasowej C = 5 godzin i określonej pojemności 75Ah.  Wartość zadana szybkości zmian napięcia wyjściowego  ΔV/Δt  wynosi dla tej krzywej 25 mV/min.  Maksymalny prąd wyjściowy 34A można zobaczyć na pierwszej krzywej prądowej 601A.   Druga krzywa prądu 602 A o dpowiada  normalnemu  profilowi  ​​ładowania. Początkowy prąd ładowania wynosi 7,5A, a  szybkość  zmian napięcia wyjściowego  ΔV/Δt  jest  dla  tej  drugiej  krzywej  napięcia 602 B, 15mV/min.

US10830824 SYSTEM AND A METHOD FOR DETERMINING STATE-OF-CHARGE OF A BATTERY, CTEK SWEDEN AB, Heige Andersson, Data patentu: 10.11.2020.  Wynalazek dotyczy sposobu i systemu do obliczania całkowitego stanu naładowania akumulatora, przy czym sposób obejmuje obliczanie całkowitego stanu naładowania poprzez  zliczania kulombów (jednostek ładunku elektrycznego 1C= 1Ax1sek) podczas ładowania baterii. Określenie okresu wyłączenia, czyli okresu czasu, w którym bateria nie jest już ładowana. Obliczenie całkowitego stanu naładowania jako stałego stanu naładowania równego sumie  zliczonych kulombów, po ustaleniu, że okres wyłączenia jest krótszy niż pierwszy przedział czasu Obliczenie stanu naładowania w funkcji  stanu naładowania i stan napięcia w obwodzie otwartym, określanym na podstawie napięcia na biegunach akumulatora, po ustaleniu, że okres wyłączenia jest krótszy niż drugi przedział czasu,  ale  jednocześnie okres wyłączenia jest dłuższy niż pierwszy przedział czasu.  Sposób obejmuje ponadto obliczanie całkowitego stanu naładowania za pomocą stanu naładowania napięcia w obwodzie otwartym, po określeniu, że okres wyłączenia jest dłuższy niż drugi przedział czasu.

FIG.1 jest widokiem perspektywicznym systemu ilustrującym przykład wykonania wynalazku;  FIG.2 jest schematem blokowym ilustrującym przykład wykonania metody pomiarowej pojemności baterii;  FIG.3 to  linia czasu ilustrująca przykład wykonania w/w metody pomiarowej;  FIG.4 jest diagramem stanu ilustrującym przykład wykonania w/w metody pomiarowej;  FIG.5 jest wykresem z eksperymentu ilustrującym dopasowanie między czujnikiem referencyjnym,  a przykładem wykonania metody;  FIG.6(a – c) to wykresy z powiększonym przedziałem czasowym względem FIG.5; FIG.7(a – c) to wykresy  z  dalszym  powiększeniem  przedziału czasowego względem, FIG.5,  ilustrujące przykład wykonania sposobu. 

Stan naładowania definiuje się jako pozostały poziom ładunki elektrycznego w baterii,  przy czym stan naładowania jest podawany w procentach (%), gdzie 100% odpowiada w pełni naładowanej baterii. Napięcie akumulatora to napięcie zmierzone na biegunach akumulatora. Napięcie obwodu otwartego, OCV, jest napięciem mierzonym na biegunach akumulatora, przy czym akumulator nie jest rozładowany, tzn.do akumulatora nie jest podłączone obciążenie lub jest  bardzo małe.

Pojazd 100 zawierający  akumulator 101, który może służyć do uruchamiania głównego silnika spalinowego,  lub do jego napędzania wyposażony  jest  w  system do pomiaru stanu naładowania akumulatora SoC (state of charge) Fig.1.  Pojazd zawiera również urządzenie ładujące 102,  które może być generatorem, jeśli głównym silnikiem jest silnik spalinowy.  Jeżeli silnik główny jest silnikiem elektrycznym,  urządzenie ładujące może być obwodem ładującym skonfigurowanym do podłączenia do sieci elektrycznej w celu ładowania akumulatora 101.  Urządzenie rejestrujące dane 103  jest połączone między biegunami baterii 101 w celu pomiaru napięcia baterii.  Urządzenie rejestrujące dane 103  zawiera procesor 105, pamięć 104  i  powiązane obwody 106 do pomiaru napięcia baterii, takie jak np. przetwornik analogowo-cyfrowy. Urządzenie rejestrujące dane 103 jest skonfigurowane do pomiaru napięcia baterii w określonych momentach, lub w regularnych odstępach czasu, lub w określonych stanach.   Zmierzone napięcia baterii są przechowywane w pamięci 104, przy czym pamięć jest dostatecznie duża, aby pomieścić co najmniej 30000 pomiarów napięcia baterii z powiązanymi znacznikami czasu, jeśli interwał pomiaru jest nieregularny. Jeśli interwał pomiaru jest regularny, może nie być potrzeby przechowywania informacji o czasie pomiarów. Rejestrator danych 103 zawiera ponadto obwód komunikacyjny  107 skonfigurowany do przesyłania zmierzonych napięć baterii w pamięci 104 do zewnętrznego sprzętu użytkownika  108,  (external user equipment-EU),  za pomocą, na przykład, komunikacji radiowej, takiej jak Bluetooth,  Jednak transmisja danych może być również przeprowadzona za pomocą, na przykład, komunikacji szeregowej, takiej jak USB,  do transmisji między rejestratorem danych 103, a UE 108.  UE 108 zawiera również procesor  i  pamięć,  korzystnie UE 108  może być na przykład smartfonem lub tabletem.  Schemat blokowy sposobu pomiaru SoC, do określania całkowitego stanu naładowania baterii 101, poprzez pomiar  napięć baterii mierzonych za pomocą rejestratora danych 103,  a  następnie przesyłanych   z  niego  do  UE 108   przedstawia Fig.2.

Znanym  miernikiem  dostępnej pojemności akumulatora jest tzw. licznik Kulombów. Kulomb (C) to jednostką ładunku elektrycznego – prąd 1 A płynący w ciągu jednej sekundy odpowiada ładunkowi 1 C.  Łatwo zgadnąć, że licznik kulombów po prostu mierzy wartość prądu wpływającego i wypływającego z akumulatora w jednostce czasu.

Sposób (200) obliczania całkowitego stanu naładowania baterii, zobrazowany na schemacie funkcjonalnym Fig.2  obejmuje cztery warianty algorytmu obliczeniowego:  Wariant I – obliczenie (201) całkowitego stanu naładowania baterii jako stanu naładowania zliczającego kulomby (SoC (CC)), po ustaleniu (202), że bateria jest ładowana;  Wariant II–  obliczenie (208) całkowitego stanu naładowania baterii  za pomocą stanu naładowania wyznaczonego  za pomocą  napięcia otwartego obwodu (SoC (OCV)), po ustaleniu (207), że okres wyłączenia (dtoff) jest większa niż drugi przedział czasu (dt2);  Wariant III – obliczenie (206) całkowitego stanu naładowania baterii  w funkcji stałego stanu naładowania (SoC)  i  stanu naładowania otwartego obwodu (SoC (OCV)) określonego za pomocą napięcia na bieguny akumulatora (101),  po ustaleniu (207),  że okres wyłączenia (dtoff)  jest krótszy niż drugi przedział czasu (dt2),  a  okres wyłączenia (dtoff)  jest dłuższy niż pierwszy przedział czasu (dt1);  Wariant IV – obliczenie (204) całkowitego stanu naładowania jako stałego stanu naładowania (SoC) równego zliczanym ładunkiem w kulombach, stanu naładowania (SoC (CC)),  po ustaleniu (205), że okres wyłączenia (dtoff) jest krótszy niż pierwszy przedział czasu (dt1).  Etap 201 polega na wyznaczeniu stanu naładowania w wyniku  zliczania ładunku w kulombach SoC (CC), dodając poprzednie obliczenia stanu naładowania,  lub stanu  częściowego  naładowania np. 50% amperogodzin (Ah) do   szacunkowego iloczynu prądu ładowania pomnożonego przez określony z góry okres czasu, np.  wyznaczony przez podzielenie  maksymalnej pojemność akumulatora  w Ah, przez zadaną wartość prądu ładowania.

Etap 204 obejmuje obliczenie całkowitego stanu naładowania jako stałego stanu naładowania równego stanowi naładowania określonemu w kroku 201. W ten sposób całkowity stan naładowania będzie równy stanowi naładowania określonemu w kroku 201 za pomocą zliczania ładunku w kulombach,  co oznacza,  że ​​ w pierwszym przedziale czasu całkowity stan naładowania będzie stały i równe ostatniemu stanowi naładowania, określonemu w/w  metodą zliczania. W ten sposób stany nierównowagi w pierwszym przedziale czasu nie wpływa na całkowity stan naładowania. Przyjmuje się, że po pierwszym przedziale czasowym akumulator stopniowo znajduje się coraz bardziej w stanie równowagi i następuje etap  206 obliczania stanu naładowania w funkcji stałego stanu naładowania i stanu napięcia otwartego obwodu. Ładowanie określone za pomocą napięcia na biegunach baterii jest realizowane po ustaleniu 207, że okres wyłączenia, który  jest większy niż pierwszy przedział czasu, a okres wyłączenia jest krótszy niż drugi przedział czasu. W miarę upływu czasu od końca pierwszego przedziału czasowego całkowity stan naładowania jest coraz bardziej zależny od obliczania stanu naładowania za pomocą pomiaru napięcia w obwodzie otwartym.

Etap 206 obliczania całkowitego stanu naładowania jako funkcji stałego stanu naładowania i stanu  napięcia w obwodzie otwartym może w przykładzie wykonania opierać się na sumie: SoC = (1-W)* SoC(CC) + W.* SoC(OCV), gdzie SoC to stan naładowania, gdzie  parametr W jest równy 0 na końcu pierwszego przedziału czasu  i  równy 1 na końcu drugiego przedziału czasu, a między  przedziałami W jest liniowo zależny od czasu.  SoC(CC) to stan naładowania określony metodą zliczania ładunku w kulombach, a SoC(OCV) to stan naładowania określany za pomocą napięcia otwartego obwodu. Na koniec, po drugim przedziale czasu, wykonywany jest etap 208 obliczania całkowitego stanu naładowania za pomocą stanu  napięcia w obwodzie otwartym, po ustaleniu 207, że okres wyłączenia jest dłuższy niż drugi przedział czasowy.  Od tego momentu stan naładowania jest określany wyłącznie przez napięcie w obwodzie otwartym.  Sposób (200) obliczania całkowitego stanu naładowania baterii można przeprowadzić, gdy wymagany jest pomiar stanu  jej naładowania, natomiast ciągła iteracja może być preferowana w  metodzie 200,  jeśli wymagane jest monitorowanie bieżące  stanu naładowania baterii. Inny widok algorytmu  sposoby pomiaru naładowania baterii  przedstawia diagram stanu  400,  zobrazowany  na  Fig.4,  który  zawiera  cztery różne stany:

 S1: Stan, w którym stan naładowania jest określany przez zliczanie kulombowskie.

 S2: Stan, w którym stan naładowania jest równy stanowi naładowania określonemu w stanie S1, tzn. za pomocą zliczania kulombowskiego. Okres wyłączenia rozpoczyna się po wejściu w stan S2.

 S3: Stan, w którym stan naładowania jest określony przez sumę stanu naładowania określoną za pomocą zliczania kulombowskiego pomnożonego przez pierwszą funkcję czasu i stanu naładowania określonego  za pomocą napięcia jałowego akumulatora pomnożonego przez drugą funkcję czasu.

 S4: Stan, w którym stan naładowania jest określany za pomocą napięcia biegu jałowego baterii.

Przejście ze stanu S1 do stanu S2 następuje, gdy zostanie wykryte, że akumulator nie ładuje się. Przejście ze stanu S2 do stanu S3 następuje po wykryciu, że okres wyłączenia jest równy lub dłuższy niż pierwszy przedział czasu dt1,  np.: 5 h. Przejście ze stanu S3 do stanu S4 następuje po wykryciu, że okres wyłączenia jest równy lub dłuższy niż drugi przedział czasu dt2,  np.: 10h.  Kiedy którykolwiek ze stanów od S2 do S4 jest aktywny i wykrywane jest ładowanie akumulatora, stan S1 staje się aktywny, a stan naładowania jest określany za pomocą zliczania kulombowskiego, przy czym wykrywanie, czy bateria jest ładowana, jest wykonywane przez pomiar napięcia baterii  i  jeśli napięcie baterii jest powyżej z góry określonego napięcia, zakłada się, że bateria jest ładowana. Ponadto po wykryciu, że napięcie  bateria jest powyżej z góry określonej wartości, zakłada się liniowy prąd ładowania. To zgrubne oszacowanie prądu ładowania daje zaskakująco dobre wyniki, które zostaną pokazane poniżej w odniesieniu do wykonanego eksperymentu przedstawionego na wykresach Fig.5. Ten wykres  obejmuje zarejestrowane dane z 1000 godzin użytkowania akumulatora w konwencjonalnym samochodzie z silnikiem spalinowym (tzn. 12V akumulator kwasowo-ołowiowy).   Linia ciągła 501 ilustruje szacowany stan naładowania za pomocą ujawnionego powyżej sposobu, a linia przerywana 502 przedstawia stan naładowania określony przez czujnik odniesienia,  który wykorzystuje bocznik prądowy. Całkowity oszacowany stan naładowania  jest  zaskakująco równy stanowi naładowania oszacowanemu przez czujnik odniesienia. Bardziej szczegółowe wykresy zmian napięcia 603 na baterii oraz prądu ładowania 604  przedstawia Fig.6a,b,c , które obejmują przedział czasowy od 180 do 280 godzin użytkowania akumulatora, przy czym przedział próbkowania napięcia na baterii wynosi 5min. 

Na Fig.7 zilustrowano kolejny powiększony przedział czasu między 190 a 225 godzinami eksperymentu. W pierwszym punkcie 701  na   Fig.7a rozpoczyna się ładowanie akumulatora   i   jest to wykrywane przez monitorowanie napięcia akumulatora, które wzrasta powyżej progu napięcia ładowania, które w tym przykładzie wykonania jest równe 13,2V, co pokazano na Fig.7b, pkt 701’.   Odpowiedni prąd ładowania pokazano na Fig.7c w punkcie 701 „,  który jest obliczany za pomocą stanu naładowania w poprzedniej próbce oraz punktu przecięcia i nachylenia liniowej zależności między prądem ładowania a stanem naładowania.  Ładowanie trwa do 207,5 godziny, kiedy silnik pojazdu jest zatrzymany, a ładowanie zostaje przerwane 702 ”, co jest wykrywane przez pomiar napięcia akumulatora poniżej progu napięcia ładowania. Upływający czas między punktem 702 a punktem 703 jest równy pierwszemu przedziałowi czasu, który w tym przykładzie wykonania wynosi 5 godzin. Po punkcie 703 stan naładowania jest określany za pomocą przedstawionego powyżej sposobu ważenia stanu naładowania określonego przez zliczanie kulombów podczas ładowania i stanu naładowania określonego za pomocą napięcia w obwodzie otwartym. W punkcie 704 akumulator jest ładowany i całkowity stan naładowania jest określany za pomocą zliczania kulombowskiego. Opcjonalnie, system może być zintegrowany z urządzeniem w pojeździe tak, że kierowca w sposób ciągły otrzymuje informacje o stanie naładowania akumulatora.

RU2732901C1 СПОСОБ ЗАРЯДКИ АККУМУЛЯТОРА, Земский Владимир Наумович, Опубликовано: 24.09.2020. Sposób ładowania akumulatora według wynalazku, polega na tym, że ładunek jest dostarczany do akumulatora za pomocą dwóch zsynchronizowanych, przeciw-fazowych, symetrycznych sekwencji impulsów, które nie przerywają interakcji z naładowanymi cząstkami podczas ładowania akumulatora, przy czym  jedna sekwencja podawana jest na anodę akumulatora a drugi na katodę akumulatora, dodatkowo  tryb ładowania akumulatora jest realizowany jednoetapowo z możliwością doboru parametrów sekwencji impulsów dla konkretnego typu  i pojemności akumulatora, a regulowane  sekwencje impulsów nie mają przerwy czasowej podczas ładowania akumulatora.

Ładowarka według wynalazku posiada dwubiegunowe źródło 1 stałego napięcia +/- od 3V do 8V (zasilacz 1 bipolarny), o prądzie obciążenia 5A,  przy czym  napięcie „-” U jest stabilizowane i dostarczane przez stabilizator napięcia 9 do głównego oscylatora 10 oraz  wyzwalanego  multiwibratora 12, z  elementem regulacji  czasu trwania impulsów 13. Główny oscylator 10 (wykonany na mikroukładzie serii E555 lub podobnym) jest podłączony do elementu  sterowania częstotliwością 11, który reguluje  częstotliwość generowanych impulsów w zakresie 10-150Hz (wyprowadza serię ciągłych impulsów). Ponadto wyzwalany multiwibrator 12 (wykonany na mikroukładzie serii E555 lub tym podobnym) generuje dodatnie impulsy o czasie trwania w zakresie 10μs -10ms, które są podawane jednocześnie do dwóch kanałów zasilacza 7,8. W pierwszym kanale 8 impulsy są podawane przez sterownik 3 (wykonany na mikroukładzie TC4420 lub tym podobnym), do wzmacniacza mocy 4 (wykonany na dwóch komplementarnych tranzystorach KT816, KT817 lub tym podobnych), a następnie podawane są poprzez opornik 5 na  katodę akumulatora 14.  Wzmacniacz mocy 4 objęty jest pętlą sprzężenia zwrotnego 6  z sygnałem błędu z opornika 5.  Równocześnie  impulsy z multiwibratora 12 podawane są do drugiego kanału 7 przez transoptor 2 (transoptor jest izolowany na mikroukładzie PC817 lub podobnym)  gdzie są już odwracane przez sterownika 3 (TC4420) i po wzmocnieniu we wzmacniaczu mocy 4 trafiają poprzez opornik 5 na anodę ładowanego akumulatora 14.  Podobnie jak   dla kanału 8 . wzmacniacz mocy 4 objęty jest pętlą sprzężenia zwrotnego 6  z sygnałem zwrotnym  z opornika 5. Dobierając parametry: częstotliwość, czas trwania impulsów ładowania-rozładowania, napięcie, prąd i czas, można zapewnić optymalny tryb ładowania dla danego akumulatora. Według opisu, metoda ta pozwala na regulację ilości naładowanych cząstek spadających na anodę oraz ilości naładowanych cząstek „uwalnianych” z katody, co zwiększa sprawność baterii i skraca czas ładowania baterii. Dodatkowo w/w metoda  zwiększa równomierność rozkładu naładowanych cząstek na powierzchni anody, gdyż odpowiednia (ograniczona) ilość naładowanych cząstek trafia do anody, co nie tworzy pola hamowania dla kolejnych naładowanych cząstek, natomiast zwiększa się pojemność akumulatora i skraca się czas ładowania akumulatora. Dodatkowo opisana ładowarka  ma możliwość ładowania baterii w sposób klasyczny, dostarczając dodatnie i ujemne potencjały do ​​anody i katody.

US9537342B2   Method and device for charging batteries by linearly increasing the charging voltage, Fronius International GmbH, BINDER JUERGEN et al. Data patentu: 3.01.2017.  Przedmiotem wynalazku jest sposób i urządzenie do ładowania baterii, w szczególności baterii kwasowo-ołowiowej, za pomocą których zwiększa się wydajność ładowania, a tym samym wydajność i żywotność baterii. Zamiast ładowania akumulatora stałym prądem ładowania, niezależnie od stanu naładowania akumulatora, sposób według wynalazku uwzględnia rzeczywisty stan naładowania akumulatora i możliwy czas ładowania oraz dostosowuje ładowanie do tych dwóch parametrów, odpowiednio. Ponieważ wzrost napięcia ładowania między napięciem początkowym i końcowym ładowania akumulatora w czasie ładowania odbywa się poprzez odpowiednie sterowanie prądem ładowania lub napięciem ładowania, uwzględnia się pośrednio aktualna rezystancja wewnętrzna akumulatora. W rezultacie akumulator jest ładowany stopniowo, co pozwala na optymalne wykorzystanie dostępnego czasu ładowania. W rezultacie następuje tylko minimalne nagrzewanie się akumulatora, a tym samym minimalne starzenie się, dlatego żywotność akumulatora można zwiększyć.

FIG.1 przedstawia schemat blokowy urządzenia do ładowania baterii;  FIG.2 przedstawia zwyczajowy profil rezystancji wewnętrznej akumulatora kwasowo-ołowiowego jako funkcję stanu naładowania i wieku akumulatora; FIG. 3 przedstawia schematyczny wykres czasowy procesu ładowania według wynalazku; FIG.4 przedstawia profile prądu ładowania, napięcia ładowania i rezystancji wewnętrznej baterii jako funkcję stanu naładowania dla konwencjonalnego procesu ładowania, w którym występuje prąd stały; FIG.5 przedstawia profile prądu ładowania,  napięcia ładowania  i rezystancji wewnętrznej baterii w funkcji stanu naładowania w procesie ładowania według wynalazku; FIG. 6 przedstawia wariant procesu ładowania narastającym napięciem  o różnych gradientach; FIG.7 przedstawia profile prądu ładowania, napięcia ładowania i rezystancji wewnętrznej baterii w funkcji stanu naładowania w przypadku różnych stanów starzenia baterii; FIG.8 przedstawia alternatywę procesu ładowania za pomocą impulsów prądowych; FIG. 9 przedstawia profile czasowe prądu ładowania i napięcia ładowania baterii w przykładzie procesu ładowania według wynalazku.

Urządzenia 1 do ładowania baterii 10, którego schemat blokowy przedstawiony jest na rysunku FIG.1, zawiera zaciski 2 i 3 do podłączenia do baterii 10, która ma być ładowana, oraz przyłącze do źródła zasilania prądem przemiennym 4, którego zmienne napięcie jest przetwarzane  w przetworniku prądu stałego 5.  Prąd ładowania IL  i  napięcie ładowania UL  wymagane dla baterii 10  są  generowane w obwodzie ładowania 6, który może być skonfigurowany na różne sposoby.  Urządzenie sterujące 7, które może być utworzone na przykład przez mikroprocesor, przejmuje sterowanie obwodem ładowania 6, wprowadzaniem niezbędnych parametrów oraz wydawaniem lub wyświetlaniem informacji o procesie ładowania za pomocą urządzenia wejścia/wyjścia 8, które może mieć na przykład kształt ekranu dotykowego. Dane mogą być odczytywane lub ładowane do urządzenia 1 za pośrednictwem interfejsu 9,  który jest połączony z urządzeniem sterującym 7.  Na przykład, interfejs 9 może być utworzony przez interfejs USB (uniwersalna magistrala szeregowa), za pośrednictwem którego można również przeprowadzać aktualizacje oprogramowania dla urządzenia sterującego 7. FIG.2 przedstawia typowy profil rezystancji wewnętrznej Ri akumulatora kwasowo-ołowiowego w funkcji stanu naładowania i wieku akumulatora. Krzywa A przedstawia rezystancję wewnętrzną  Ri  akumulatora kwasowo-ołowiowego jako funkcję stanu naładowania nowego akumulatora, który charakteryzuje się minimalna rezystancja wewnętrzna Ri przy średnim stanie naładowania (w tym przypadku około 40%).  Zarówno w przypadku stosunkowo niskiego stanu naładowania, jak i  stosunkowo wysokiego stanu naładowania, rezystancja wewnętrzna Ri rośnie z powodu różnych reakcji chemicznych w akumulatorze. Jeśli akumulator jest ładowany stałym prądem, jak to jest zwykle, bez uwzględnienia w każdym przypadku rezystancji wewnętrznej Ri akumulatora, to podczas procesu ładowania występują stosunkowo duże straty i akumulator jest w większym stopniu nagrzewany. Nagrzewanie się baterii prowadzi z kolei do większej korozji baterii i do skrócenia jej żywotności (prawo Arrheniusa). Krzywa B przedstawia profil rezystancji wewnętrznej Ri starszej baterii w funkcji stanu naładowania, która to  krzywa jest umieszczona  powyżej  krzywej  A  nowej baterii,  ponieważ opór wewnętrzny Ri rośnie wraz z wiekiem baterii. Ponadto istnieje silna korelacja między rezystancją wewnętrzną Ri baterii  a  jej nagrzewaniem  w  każdym przypadku, co oznacza, że wraz ze wzrostem temperatury rezystancja wewnętrzna Ri baterii zwykle spada. 

Schematyczny wykres czasowy prądu ładowania IL  i  napięcia ładowania  UL  podczas  procesu  ładowania  akumulatora według wynalazku przedstawia wykres Fig.3. Proces ładowania składa się z czterech faz, które są oznaczone cyframi rzymskimi od I do IV. W fazie I stan naładowania akumulatora jest określany na przykład przez wyznaczenie napięcia obwodu otwartego ULL, co oznacza, że podczas procedury testowej sprawdza się, czy urządzenie do ładowania akumulatora jest rzeczywiście zdolne do zapewnienia prądu ładowania IL potrzebnego do ładowania akumulatora w zadanym lub zalecanym czasie ładowania tcharging. Polega to na zastosowaniu narastającego napięcia przed rozpoczęciem III fazy ładowania. Narastające napięcie może być powtarzane raz lub wiele razy, a na jego końcu realizowany jest pomiar prądu, na podstawie którego można oszacować maksymalny prąd ładowania IL podczas III fazy ładowania. Jeżeli zadany prąd ładowania IL nie może być dostarczony przez urządzenie do ładowania akumulatora, należy odpowiednio zwiększyć całkowity czas ładowania tcharging. Przed właściwą III fazą ładowania (główna faza ładowania) można przeprowadzić depolaryzację akumulatora zgodnie z fazą II która jest przeprowadzana, gdy  napięcie jałowego  obwodu akumulatora ULL jest poniżej określonej wartości progowej ULLG.  Podczas II fazy depolaryzacji do akumulatora przykładane są impulsy narastającego napięcia, w wyniku których można przywrócić równowagę przesuniętego potencjału elektrody akumulatora. Czas trwania fazy depolaryzacji II jest wybrany jako ułamek rzeczywistego czasu ładowania t’ładowania. Napięcie akumulatora powstałe po drugiej fazie depolaryzacji jest wówczas napięciem początkowym ULA fazy III  ładowania.  Jeśli nie zostanie przeprowadzona faza II depolaryzacji, jako napięcie początku ładowania ULA zostanie użyte napięcie jałowe ULL akumulatora.  W przedstawionym przykładzie napięcie ładowania UL jest zwiększane w sposób ciągły  i  liniowy pomiędzy napięciem początku ładowania ULA  a  końcowym napięciem ładowania ULS, podczas zadanego czasu ładowania tcharging. W celu uzyskania tego rodzaju narastającego liniowo profilu napięcia ładowania UL, prąd ładowania IL lub napięcie ładowania UL muszą być odpowiednio regulowane, aby uzyskać pożądany profil napięcia ładowania UL, jak pokazano na rysunku.   Poprzez odpowiednie sterowanie brana jest pośrednio pod uwagę zmieniająca się rezystancja wewnętrzna Ri baterii, co można znacznie zmniejszyć straty ładowania, a tym samym nagrzewanie się akumulatora.  W rezultacie można odpowiednio zwiększyć żywotność baterii.  Pod koniec głównego procesu ładowania w fazie III można przejść  do fazy IV procesu ładowania w celu osiągnięcia pełnego naładowania, którą można zrealizować przez różne znane metody ładowania.  Przebieg procesu ładowania akumulatora według wynalazku ilustruje FIG.5, która przedstawia przebiegi prądu ładowania IL, napięcia ładowania UL i rezystancji wewnętrznej Ri  baterii w  funkcji  jego  stanu  naładowania.  Po przeprowadzeniu procedury testowej i ewentualnej depolaryzacji, napięcie ładowania UL zwiększa się od napięcia początkowego ładowania ULA do napięcia końca ładowania ULS.  Aby uzyskać taki profil napięcia ładowania UL, należy odpowiednio regulować prąd ładowania IL, w wyniku czego automatycznie uwzględniana jest zmieniająca się rezystancja wewnętrzna Ri.     W związku  z  tym powstaje profil  prądu ładowania IL, który osiąga maksimum, gdy  występuje zasadniczo średni stan naładowania (w tym przypadku około 30-40%). Straty podczas ładowania można zmniejszyć dzięki temu procesowi ładowania, a tym samym można również zmniejszyć nagrzewanie akumulatora, co ma pozytywny wpływ na żywotność akumulatora, mimo,  że podczas ładowania nie  jest mierzona wewnętrzna rezystancja  Ri  akumulatora.  Podczas ciągłego wzrostu napięcia ładowania UL, może również zostać zastosowane impulsowe ładowanie prądowe, podczas którego rezystancja wewnętrzna Ri  akumulatora jest  mierzona lub obliczana między impulsami prądu, co  pozwala  na  dostosowanie  amplitudy w/w impulsów prądowych do zmieniającej się rezystancji wewnętrznej Ri, FIG.8. Modyfikacje procesu ładowania akumulatora polegające na zmianie gradientu nachylenia napięcia ładowania UL oraz regulacji prądu IL w zależności od zmian rezystancji wewnętrznej Ri,  zużytego  akumulatora,  przedstawiają  odpowiednio  przebiegi  na  FIG.6 i FIG.7.

WNIOSKI

W konwencjonalnej warsztatowej ładowarce akumulatorów, starej daty, często, typu prostownikowego,  prąd ładowania dobierało się  ręcznie,  a  praktyczna zasada obliczania prądu ładowania była  taka,  że prąd ładowania powinien  wynosić  C/10, czyli 10% pojemności akumulatora.  Oznacza to, że dla akumulatora 75 Ah prąd ładowania należy ustawić na 7,5A.   Aby w pełni naładować akumulator 75Ah, nie uwzględniając aktualnego stanu naładowanie baterii,  potrzeba 10 godzin przy 7,5A, stosując prostą praktyczną regułę do obliczeń.  Jeżeli serwisant przez pomyłkę podłączy ładowarkę przystosowaną do akumulatora samochodu ciężarowego, do znacznie mniejszego akumulatora może  dojść do  bardzo niebezpiecznej sytuacji, która w najlepszym przypadku może  doprowadzić do uszkodzenia akumulatora, a w najgorszym do pożaru w warsztacie lub w pojeździe.   Dlatego bardzo ważne jest znalezienie rozwiązania, które mogłoby zapobiec tej katastrofalnej sytuacji poprzez automatyczną regulację prądu i czasu ładowania. Znane są również  prostowniki impulsowe w których transformator z prostownikiem nie jest bezpośrednio podłączony do akumulatora, tak jak dzieje się to w urządzeniach standardowych.  Tym zajmuje się specjalny tranzystor kluczujący, który impulsami prądowymi doładowuje  akumulator. Częstotliwość tych impulsów jest regulowana i może się zmieniać w zakresie kilku kHz. To jeden z nowoczesnych sposobów na ładowanie baterii, który pozwoli na szybką regenerację rozładowanego  akumulatora,  oraz dzięki któremu  eliminowane są niepotrzebne straty mocy towarzyszące ładowaniu stało prądowemu.

Obecnie najbardziej bezpiecznymi są prostowniki mikroprocesorowe, które określane są mianem “inteligentnych”. Dzięki specjalnemu układowi sterującemu, prostownik mikroprocesorowy ładuje akumulator w maksymalnie bezpieczny sposób. Natężenie prądu i inne ustawienia są dobierane przez urządzenie tak, by zoptymalizować cały proces i zabezpieczyć akumulator. W dodatku taki prostownik automatycznie przestanie pracować, gdy poziom naładowania osiągnie 100 procent, jednocześnie włączając się, gdy wskaźnik zacznie nieco spadać. Oferowane szeroko nowoczesne ładowarki akumulatorów ze zintegrowanymi mikroprocesorami do sterowania procesami ładowania charakteryzują się rozbudowaną listą etapów ładowania, przykładowo prostownik POWERMAT PM-PM-60B, według instrukcji posiada następujące etapy:
ETAP 1: DIAGNOSTYKA: analiza akumulatora, jego stanu naładowania oraz poprawności połączeń pomiędzy akumulatorem a prostownikiem;
ETAP 2: ODSIARCZANIE: rozpoznanie zasiarczonego akumulatora, ładowanie prądem pulsującym o niskim napięciu i wysokim natężeniu umożliwia usunięcie siarczanu z płytek akumulatora, dzięki czemu zostaje przywrócona jego początkowa pojemność;
ETAP 3: ANALIZA: sprawdzenie czy akumulator nie jest uszkodzony i czy może przyjąć prąd ładowania - zapobiega ładowaniu uszkodzonego akumulatora;
ETAP 4: MIĘKKI START: jeśli akumulator nie jest uszkodzony rozpoczyna się ładowanie prądem o stosunkowo niskim natężeniu (ok 15%), stopniowo zwiększając jego wartość;
ETAP 5: ŁADOWANIE ZASADNICZE: ładowanie prądem maksymalnym o stałym natężeniu o wartości regulowanej automatycznie w zależności od stanu naładowania akumulatora, do czasu osiągnięcia 80% pojemności akumulatora;
ETAP 6: ŁADOWANIE KOŃCOWE: ładowanie prądem o malejącym natężeniu i stałym napięciu do osiągnięcia 100% pojemności akumulatora;
ETAP 7: ANALIZA: trwający około 2 minut test naładowania akumulatora – jeśli po zatrzymaniu ładowania poziom naładowania akumulatora nie spada, proces ładowania zostaje zakończony;
ETAP 8: PULSOWANIE: monitorowanie napięcia akumulatora i utrzymywanie optymalnego naładowania na poziomie 95-100% pojemności poprzez impulsy prądu ładowania. 

Ponadto w/w prostowniki zabezpieczają akumulator przed zwarciami i skokami napięcia, które mogą być powodowane różnymi wahaniami w sieci elektrycznej, do której podpina się urządzenie. Ładowanie jest proste i bezpieczne również dlatego, że zazwyczaj taki prostownik można podłączyć nawet do akumulatora, który nie został odłączony od instalacji elektrycznej pojazdu.

Reasumując, istotnym wnioskiem z przeprowadzonej analizy patentowej jest wszechobecność wyrobów chińskiej produkcji  na polskim rynku, co jest tym bardziej przykre, że prowadzi do braku polskiej myśli technicznej w każdej popularnej dziedzinie elektrotechniki. Według powszechnej  opinii polskich firm nikt nie wygra cenowo z importem z Chin, ale tu pojawia się problem  przyszłego rozwoju stanu techniki w kraju nad Wisłą. Jedyna nadzieja w  wysokim poziomie edukacji przyszłych techników i inżynierów, którzy zdobędą wiedzę techniczną na takim poziomie, że możliwe będzie konkurowanie w produkcji  z wyrobami z Chin. 

Zwięzły opis eksploatacyjny wymienionego prostownika zawiera artykuł  SP5MXF: Chiński prostownik a właściwie ładowarka PWM do impulsowego ładowania akumulatorów model PM-PM-60B http://sp5mxf.com/chinski-prostownik-a-wlasciwie-ladowarka-pwm-do-impulsowego-ladowania-akumulatorow-model-pm-pm-60b/

 Materiał filmowy ilustrujacy omawiane zagadnienia:  ULGD 5.0 A1 vs CTEK MXS 5.0 – Szybkie ładowanie 5Ah w trybie 5A AGM; która szybsza, która lepsza ? https://www.youtube.com/watch?v=6SbLK4qWP6I