CN108886178B - 用于电池监测系统的液位传感器 - Google Patents

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Abstract

提供一种用于液体电解质电池的液位传感器。该液位传感器包括具有参考电极和电极阵列的探测器。电极阵列包括在探测器的纵向方向上连续地设置的多个电极。参考电极电容耦合到电极阵列内的每个电极，使得探测器提供电容，该电容在探测器浸入相对于探测器变化的液位时变化。液位传感器可以提醒用户需要再填充电池或提醒用户在不久的将来需要再填充电池。液位传感器可以包括一系列LED，其选择性地发亮以向用户指示各个这样的状况。

Description

用于电池监测系统的液位传感器
技术领域
本发明涉及液位(液体水平)传感器，并且更具体地，涉及用于液体电解质电池监测系统的液位传感器。
背景技术
液体电解质电池，包括铅酸电池，借助于电化学反应提供电能。电化学反应涉及酸(例如硫酸)与电池电极的反应。通过电化学反应还可以使液体电解质电池再充电，在该电化学反应中水被转化成氢和氧。然而，由于再充电反应和由热诱导的水蒸发，液体电解质电池经历水的损失，并且必须定期再填充水。
因此，已经开发了各种用于再填充液体电解质电池的供水系统。一种这样的系统包括单点供水系统，其中单个水源被引导到液体电解质电池内的多个电池单元。传统的单点供水系统包括关闭阀，该关闭阀永久地替换用于液体电解质电池内的每个电池单元的现有通气盖。当电池单元被基本上充满时，关闭阀自动终止到电池单元的水流。
尽管现有的单点供水系统得到广泛接受，但现今的供水系统不会提醒或警示用户何时向电池添加水。因此，市场上存在许多不同的电解质水平(或液面)指示器。普通的电解质指示器使用突出到电池单元中的传导性(导电)材料。普通的电解质水平指示器确定探测器(探针)是否接触电解质。普通的电解质水平指示器不能确定超出接触点的单元中的电解质的量。因此，仍然持续需要改进的电池电解质水平指示器，其准确地测量用于铲车、前移式叉车、备用电源和其他应用的液体电解质电池内的水位。
发明内容
提供了用于电池监测系统的液位传感器。液位传感器包括具有电容传感器的探测器。电容传感器提供输出，该输出随着液位相对于探测器的增高或增加而变化。液位传感器可以用于提醒用户需要再填充电池或用于提醒用户在不久的将来需要再填充电池。例如，液位传感器可以包括一系列LED，其选择性地发亮以向用户指示各个这样的状况。
在一个实施例中，电容传感器包括电极阵列和参考电极。电极阵列包括在探测器的纵向方向上连续地(串联)设置的多个电极。参考电极电容耦合到电极阵列内的每个电极，使得电容耦合可以随着液位相对于探测器的增高而变化。电极阵列和参考电极安装到公共介质基片或基板，例如印刷电路板。印刷电路板被包覆成型或灌封以保护电极免受电池单元内的电解质溶液的影响。
在另一实施例中，电容传感器包括适于测量参考电极与电极阵列之间的电容耦合的控制器。控制器的输出可以用于控制液体流动到电池单元或多个电池单元。例如，流动装置可以基于检测到的液位而减慢或停止将液体流动到电池单元。流动装置在一些实施例中可以包括泵，并且在其他实施例中可以包括阀。进一步举例来说，流动装置可以包括安装到电池中的每个电池单元的电动阀。电动阀可以响应于电解质达到所需水平而关闭。探测器可以另外包括热敏电阻，该热敏电阻电耦合到控制器，用于测量电池单元内的电解质溶液的温度。
在另一实施例中，提供了一种用于测量电池中的液位的方法。该方法包括提供探测器，该探测器包括参考电极和具有多个电极的电极阵列，该多个电极电容耦合到参考电极。该方法还包括测量每个电容耦合，基于每个电容耦合来确定电池单元内的液位。确定的液位与远程服务器共享以用于存储和分析，并且可选地用于控制液体流动进入电池单元。测量每个电容耦合可以包括测量参考电极与电极阵列内的每个电极之间的电容。确定液位可以包括检测沿着探测器的纵向方向的电容的变化，可选地对应于电池单元内的液位。
因此，本发明可以提供一种用于液体电解质电池(例如铅酸电池)的改进的液位传感器。液位传感器可以提供实时液位信息和温度信息，在电池再填充操作期间，同时还有监测在再填充之间的多个电池单元或(一)电池单元内的液位。液位读数和温度读数可以无线传送到托管在远程装置例如智能手机、平板电脑、膝上型电脑或台式计算机上的应用程序。
当根据附图和所附权利要求来查看时，本发明的这些和其他特征和优点将从本发明的以下描述中变得显而易见。
附图说明
图1是包括根据本发明的一个实施例的液位传感器的单点供水系统的立体图。
图2是用于液体电解质电池的电池单元开口上方的液位传感器探测器的立体图。
图3是沿图1的线3-3截取的液位传感器探测器的剖视图。
图4是根据本发明的实施例的液位传感器探测器的立体图。
图5是根据本发明的实施例的液位传感器的示意图。
图6是包括电极阵列和参考电极的电容传感器的顶层。
图7是电容传感器的底层，该电容传感器包括微控制器，该微控制器电连接到电极阵列，以及参考电极。
图8是示出了根据本发明的实施例的液位传感器的校准的流程图。
图9是示出了根据本发明的实施例的液位传感器的操作的流程图。
具体实施方式
如本文所设想和公开的本发明包括用于电池监测系统的液位传感器。如下所述，液位传感器包括具有电容传感器的探测器。电容传感器提供输出，该输出随着液位相对于探测器的增高而变化，从而感测多个非零液位。液位传感器可以用于监测和提醒用户电解质水平，从而改善电池操作和液体电解质电池(包括铅酸电池)的寿命。
现在参考图1，示出了单点供水系统并且通常标记为10。单点供水系统10包括用于铅酸电池100的每个电池单元的再填充控制阀12。再填充控制阀12由一段可弯曲的或柔性的管14连结。柔性的管14为水提供从入口16到再填充控制阀12中的每个的流体流动路径。铅酸电池100还包括用于电池单元中的至少一个的液位传感器20。液位传感器20通常包括在电池单元外侧可见的头部22和延伸到电池单元中的开口18中的探测器24。在一个实施例中，头部22包括LED以指示电解质液位。如下面更详细讨论的，探测器24容纳电容传感器，该电容传感器提供随着电池单元内的液位相对于探测器24增高或降低而变化的输出。如下面还讨论的，液位传感器20与通信模块26电通信，该通信模块还可以包括LED以指示电解质液位。液位传感器20的输出被提供给通信模块26，其继而输出检测到的液位以改进对电池再填充操作的控制，可选地通过ZigBee网络或其他无线网络，例如蓝牙低能耗(LE)或Wi-Fi。
图2-4中进一步示出了液位传感器20。如上所述，液位传感器20包括从电池单元的外部可见的头部22。头部22相对于探测器24以直角延伸，并包括从头部22延伸到通信模块26的数据/电力线缆28。探测器24从头部22向下延伸并包括柔性密封垫圈30，以确保牢固地适配在电池100中的开口18内。密封垫圈30与探测器24一体形成，可以包括大于开口18的直径的外直径，以防止酸从电池100逸出。如图3中所示，当探测器24穿过电池100中的开口18就位时基本上垂直定向，使得电池液位可以相对于液位传感器探测器24增高或降低。探测器24包括中心构件32和侧构件34、36，其加固探测器24并保护中心构件32免受损坏。中心构件32和侧构件34、36在长度上共同延伸并且包括I形剖面，使得中心构件32的宽度正交于侧构件34、36的宽度。如下面所解释的，中心构件32容纳电容液位传感器40(例如，在气密密封内)，用于实时测量电池内的液位。
现在参考图5，示出了用于液位传感器20的示意图。液位传感器20包括内部控制器42和多个电极44。例如，控制器42在本实施例中是微控制器，但是在其他实施例中可以包括专用集成电路(ASIC)或现场可编程门阵列(FPGA)。电极44包括一个或多个主电极46(焊盘1至焊盘10)和一个或多个副电极48(参考电极)。一个或多个主电极46电容耦合到一个或多个副电极48以在它们之间限定电容。在电极44附近液体(例如电解质溶液)的存在改变了一个或多个主电极46与一个或多个副电极48之间的电容耦合。电容的这种变化由微控制器42检测，其将该变化与液位相关联。然后提醒用户低液位，可选地在一个实施例中经由LED或在其他实施例中经由智能手机或平板电脑上的应用程序。而在其他实施例中，液位可以用于控制液体流动到电池单元。例如，流动装置可以基于检测到的液位而减慢或停止将液体流动到电池单元。流动装置在一些实施例中可以控制泵，并且在其他实施例中可以控制阀。进一步举例来说，流动装置可以包括安装到每个电池单元的电动阀。电动阀可以响应于电解质达到所需水平而关闭。
尽管上述实施例包括参考电极48，但在其他实施例中，电极44将不包括参考电极48。在这些实施例中，电极44仅包括主电极46，例如在探测器的纵向方向上连续地布置的电极阵列。主电极46包括由控制器42测量的自电容。控制器42将每个电极的自电容与电解质的存在或不存在相关联，从而确定电解质液位。
返回到图6中所示的实施例，一个或多个主电极46包括电极阵列，并且一个或多个副电极48包括参考电极。参考电极48关联到参考电压，例如接地。关于电极阵列46，每个电极电耦合到微控制器42。电极阵列46内的每个电极电容耦合到参考电极48，在它们之间限定互电容。在电极对附近液体(例如电解质溶液)的存在引起互电容的变化。互电容的变化由微控制器42检测，作为相对于当不存在液体时的电压增加。
在一个实施例中，微控制器42顺序地选通电极阵列46内的每个电极并测量其到参考电极48的电容耦合。因为电解质溶液是电地电容性的，所以电解质溶液的存在将引起电极阵列46与参考电极48之间的电容耦合的变化。电极阵列46的具有标称电容的部分由微控制器42确定为高于液位，并且电极阵列46的具有增加的电容的部分由微控制器42确定为低于液位。例如，如果焊盘1至焊盘5具有标称电容，同时焊盘6至焊盘10具有提高的电容，则微控制器42可以确定液位在焊盘5与焊盘6之间。类似地，如果焊盘1至焊盘7具有标称电容，同时焊盘8至焊盘10具有提高的电容，则微控制器42可以确定液位在焊盘7与焊盘8之间。再进一步举例来说，如果焊盘1至焊盘10具有标称电容，则微控制器42可以确定液位低于焊盘10。
微控制器42可以根据任何期望的技术来确定近似液位。在一些实施例中，微控制器42通过将每个测量的电容与存储到计算机可读存储器的阈值电容进行比较来确定液位。在其他实施例中，微控制器42通过将每个测量的电容与最上面的电极(例如，焊盘1)处的电容进行比较来确定液位。而在其他实施例中，微控制器42通过比较电容随时间的变化(例如，同一电极的连续读数上的电容的变化)与存储到计算机可读存储器的阈值变化来确定液位，使得电容尖峰对应于电解质溶液的存在。
再次参照图5，液位传感器20另外包括编程接口50、串行调试器接口52、板载热敏电阻54、板载指示器56和四引脚线对线连接器58。编程接口50接收用于执行上述液位测量的计算机可读指令。串行调试器接口52支持数据传输以在包装和运输之前验证液位传感器20(是否)正常工作。板载热敏电阻54提供温度测量以输出到微控制器42。如图7所示，热敏电阻54位于探测器24的最低区间处，与参考电极48相对。通过测量热敏电阻的电阻，可选地使用分压器，微控制器42可以确定电池100内的电解质温度(如果热敏电阻低于检测到的液位)或空气温度(如果热敏电阻电极高于检测到的液位)。板载指示器56提供关于检测到的液位的即时反馈。在一些实施例中，板载指示器56包括三个LED：稳定的绿色LED、稳定的红色LED和闪烁的红色LED。稳定的绿色LED可以指示液位在可接受的范围内。闪烁的红色LED可以指示液位低于可接受的范围。稳定的红色LED可以指示液位高于可接受的范围。尽管描述为存在于液位传感器20上，但是板载指示器56也可以或可替代地存在于别处，例如通信模块26、手持单元或台式单元。最后，在本实施例中线对线连接器58包括四个引脚，两个到微控制器(5V和接地)，并且两个到串行调试器接口52(传输和接收)。
现在参考图6-7，示出了根据一个实施例的用于液位传感器20的电路板。更具体地，图6描绘了包括电极阵列46和参考电极48的印刷电路板。电极阵列46包括在探测器24的纵向方向上连续地设置的多个阵列电极。在本实施例中阵列电极46由铜形成，并以0.1”的增量间隔开。如本文所使用的术语，“阵列”包括以有序的关系(例如行或列)布置的两个或多个元件。尽管在本实施例中示出了十一个阵列电极或“电容焊盘”，但是在其他实施例中可以包括更多或更少的阵列电极。每个阵列电极与其余的阵列电极以及与参考电极48电隔离。电极阵列46从参考电极48侧向偏移并且与参考电极48在长度上共同延伸。电极阵列46和参考电极48沿着探测器24的公共纵向表面延伸，被安装到公共介质基片60。参考电极48是细长的，具有基本上(大幅地)大于其宽度的长度，并且耦合到接地平面62。图6中还示出了四引脚连接器58，其包括接地引脚64、5V引脚66以及两个串行连接68和70。图7中描绘了电路板的反面。特别地，微控制器42是可见的，微控制器42被电连接到电极阵列46内的每个阵列电极。热敏电阻54也是可见的，被设置在电路板的最低区间。图7中还示出了四引脚连接器58，其包括接地引脚64、5V引脚66以及两个串行引脚68和70。电路板60通常包覆成型或灌封在图2-4的探测器24内，以保护电极44免受腐蚀。
现在参考图8，流程图示出了独立液位传感器20的操作。当在步骤72操作算法开始时，稳定的绿色LED在步骤74被点亮。在步骤76，微控制器42通过读取每个阵列电极46处的电容并将测量值存储到计算机可读存储器来启动新的采样。在决策步骤78，微控制器42或者重新采样或者继续到步骤80。在步骤80，微控制器42对每个阵列电极46的测量值求平均值，并将平均值存储到计算机可读存储器。在决策步骤82，微控制器42将每个阵列电极的平均值与存储到计算机可读存储器的预定范围进行比较。如果阵列电极中的任何一个的平均值高于预定范围，则微控制器在步骤84点亮稳定的红色LED并关闭所有其他LED。如果阵列电极的所有的平均值都在预定范围内，则微控制器在步骤86点亮稳定的绿色LED并关闭所有其他LED。如果阵列电极中的任何一个的平均值低于预定范围，则微控制器在步骤88点亮闪烁的红色LED并关闭所有其他LED。在步骤90，微控制器42在适当时并基于可配置的采样率来启动新的采样。
现在参考图9，流程图示出了液位传感器系统的操作。在步骤102测量算法开始之后，微控制器42等待直到系统控制器(“系统微控制器”)在步骤104经由串行连接52请求数据。采样率可以由微控制器42来确定，可选地每10秒一次。在决策步骤106，微控制器42确定系统微控制器是否已请求数据。如果尚未请求数据，则微控制器42等待另一采样周期(例如，10秒)。如果已经请求了数据，则微控制器42在决策步骤108确定数据是液位数据还是温度数据。如果请求液位数据，则微控制器42在步骤110对所有阵列电极46(或电容焊盘)进行采样，并将数据存储到存储器。如果请求温度数据，则微控制器42在步骤112对从热敏电阻54读取的电压进行采样，可选地经由分压器。在步骤114，微控制器42经由串行连接52将测量的数据发送到系统微控制器，可选地使用通信模块26。数据包的大小可以取决于最初的数据请求，例如，液位或温度或液位和温度两者。系统微控制器可以托管在远程装置例如智能手机、平板电脑、膝上型电脑或台式计算机上。
重申，上面讨论的实施例提供了用于电池监测系统的液位传感器和对应的操作方法。液位传感器在本实施例中保持永久地附着到电池100，但是在其他实施例中可以在再填充操作之间移除。操作方法通常包括测量参考电极48与每个阵列电极(即电极阵列46内的每个电极)之间的电容，并基于电容测量值来确定电池100内的液位。该方法可以另外包括将检测到的液位传送到远程装置，例如手持单元或台式单元，经由通信模块26。在与此同日提交的题为“Intelligent Monitoring Systems for Liquid Electrolyte Batteries(用于液体电解质电池的智能监测系统)”的美国申请No.________中阐述了检测到的液位的传送，其内容通过引用其整体并入。通信模块26可以通过ZigBee网络或其他无线网络例如蓝牙、蓝牙智能(BLE)或Wi-Fi而与远程装置通信。通信模块26可以另外根据图9的流程图将温度数据传送到远程装置。在再填充操作期间，本实施例的方法可以另外包括响应于液位测量而控制水流动到电池单元。例如，流动装置，可选地泵或阀，可以基于所确定的电池100内的液位来减慢或停止将水流动到电池100。进一步举例来说，流动装置可以基于所确定的电池100内的液位来启动或增加将水流动到电池100。液位读数和温度读数还可以通过通信模块26来无线传送到托管在智能手机、平板电脑、膝上型电脑或台式计算机上的应用程序。液位传感器20可以在电池再填充操作期间提供实时信息，同时还确保在电池再填充操作之间保持每个电池单元内的适当液位。
以上描述是本发明的当前实施例的描述。在不脱离所附权利要求限定的本发明的精神和更广泛的方面的情况下，可以进行各种改变和变化，所附权利要求将根据包括等同原则的专利法的原理来理解。对单数的元件的任何引用，例如，使用冠词“a”、“an”、“the”或“said”，不应被解释为将该元件限制为单数。

Claims (15)

1.一种用于电池的电池电解质水平监测系统，所述电池具有多个含有液体电解质的单元，所述系统包括：
用于插入液体电解质电池的多个单元中的一个单元中的探针，所述探针包括：
参考电极，以及
电极阵列，所述电极阵列包括在所述探针的纵向方向上布置的多个阵列电极，其中所述参考电极电容耦合到每个阵列电极；以及
电耦合到所述电极阵列的控制器，所述控制器适于：
对于每个阵列电极，确定所述参考电极与该阵列电极之间的电容耦合的测量值，
存储每个阵列电极的测量值，
随着时间推移确定每个阵列电极的测量值的平均值，
存储每个阵列电极的平均值，
将每个阵列电极的平均值与和所述液体电解质电池的该一个单元内的液体电解质的水平的可接受范围对应的预定范围进行比较，以及
如果所述阵列电极的平均值中的任一平均值高于所述预定范围，则提供第一输出；如果所述阵列电极的平均值中的所有平均值在所述预定范围内，则提供第二输出；如果所述阵列电极的平均值中的任一平均值低于所述预定范围，则提供第三输出；所述第一输出、所述第二输出和所述第三输出彼此不同。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述电极阵列从所述参考电极侧向偏移并且与所述参考电极在长度上共同延伸。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述探针还包括在所述探针的端部上的温度传感器。
4.根据权利要求1所述的系统，还包括分别提供所述第一输出、所述第二输出和所述第三输出的第一板载指示器、第二板载指示器和第三板载指示器。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制器包括通信模块，所述通信模块可操作以传送所述第一输出、所述第二输出和所述第三输出。
6.根据权利要求1所述的系统，还包括电池供水系统，所述电池供水系统对所述控制器是响应性的并且可操作以控制水流动进入所述液体电解质电池。
7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述电池供水系统包括泵或阀。
8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制器包括微控制器、专用集成电路或现场可编程门阵列。
9.一种用于测量液体电解质电池的单元内的液位的电池电解质水平监测方法，所述方法包括：
提供包括参考电极和电极阵列的探针，所述电极阵列具有在所述探针的纵向方向上布置的多个阵列电极；
对于每个阵列电极，确定所述参考电极与该阵列电极之间的电容耦合的测量值，
存储每个阵列电极的测量值，
随着时间推移确定每个阵列电极的平均值，
存储每个阵列电极的平均值，
将每个阵列电极的平均值与和所述电池的单元内的液体电解质的水平的可接受范围对应的预定范围进行比较，以及
响应于所述阵列电极的平均值中的任一平均值高于所述预定范围，提供第一输出；响应于所述阵列电极的平均值中的所有平均值在所述预定范围内，提供第二输出；响应于所述阵列电极的平均值中的任一平均值低于所述预定范围，提供第三输出；所述第一输出、所述第二输出和所述第三输出彼此不同。
10.根据权利要求9所述的方法，还包括将所述第一输出、所述第二输出和所述第三输出传达给远程装置。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述传达步骤通过无线网络执行。
12.根据权利要求9所述的方法，还包括基于所述第一输出、所述第二输出和所述第三输出来控制液体流动进入电池单元。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，控制液体流动进入电池单元包括控制泵或控制阀。
14.根据权利要求9所述的方法，其中，所述电极阵列与所述参考电极相邻。
15.根据权利要求9所述的方法，其中，所述参考电极和所述电极阵列沿所述探针的公共纵向表面延伸。
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