ITTO20000490A1 - Dispositivo optoelettronico di rilevamento del livello di carica in una batteria. - Google Patents

Dispositivo optoelettronico di rilevamento del livello di carica in una batteria. Download PDF

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David Nowak
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Description

DESCRIZIONE
L'invenzione si riferisce ad un dispositivo optoelettronico per rivelare il livello di carica in una batteria.
Descrizione della tecnica precedente
Le batterie vengono comunemente usate in una varietà di applicazioni che richiedono energia, compreso l'impiego in veicoli per l'avviamento, l'illuminazione, l'accensione e vari altri accessori che richiedono un'alimentazione di energia. Le batterie al piombo-acido vengono comunemente usate nei veicoli e tipicamente si usa biossido di piombo come materiale attivo positivo e piombo metallico come materiale attivo negativo, il tutto in un elettrolita costituito da una soluzione di acido solforico. Man mano che la batteria passa dalla condizione caricata alla condizione scaricata, il peso specifico della soluzione di acido solforico diminuisce. Analogamente, quando la batteria è in una condizione di piena carica, il peso specifico della soluzione di acido solforico è corrispondentemente elevato.
Il cambiamento di peso specifico dell'acido solforico o altro elettrolita noto a chi ha un'esperienza ordinaria <‘>in questa tecnica, viene usato nei rilevatori di carica delle batterie della tecnica precedente, come nel dispositivo insegnato da Melone,·Brevetto U.S. 3.893.339. Il Brevetto di Melone descrive un dispositivo meccanico in cui una pallina colorata galleggia nel punto focale di una tubazione illuminata a seconda del peso specifico dell'elettrolita. L'estremità di uscita del tubo illuminato riflette quindi il colore della pallina quando la batteria è in condizione carica.
Tuttavia, oltre al cambiamento di peso specifico dell'elettrolita in funzione della condizione di carica, cambia pure l'indice di rifrazione dell'elettrolita. Man mano che la batteria passa dalla condizione carica a quella scaricata, l'indice di rifrazione dell'elettrolita diminuisce con la diminuzione del peso specifico. Analogamente, l'indice di rifrazione aumenta quando la batteria è carica. Facendo passare luce nell'elettrolita, una diminuzione dell'indice di rifrazione dell'elettrolita provoca una diminuzione della luce rifratta nell'elettrolita.
SOMMARIO DELL'INVENZIONE
Un dispositivo optoelettronico per misurare il livello di carica in una batteria comprende preferibilmente un alloggiamento disposto all'interno della batteria. L'alloggiamento comprende una cavità o porzione simile per contenere l'ottica necessaria e/oppure l'elettronica necessaria per la presente invenzione.
Una sorgente luminosa, come un LED, viene preferibilmente posizionata nella cavità dell'alloggiamento. Un dispositivo di ricezione della luce, come un fotodiodo, viene pure preferibilmente posizionato nella cavità dell'alloggiamento. Una superficie di rilevazione viene disposta in modo da dividere la cavità dall'interno della batteria tra la sorgente luminosa e l'interno della batteria. Almeno una superficie fotoriflettente viene preferibilmente posizionata presso la superficie di rilevazione. Il dispositivo fotoricevénte è posizionato in modo che la luce proiettata dalla sorgente luminosa viene trasmessa dalla superficie di rilevazione alla superficie riflettente ed infine al dispositivo fotoricevente. Una scatola viene preferibilmente formata rispetto all'alloggiamento per massimizzare la riflessione attraverso l'alloggiamento. La scatola è preferibilmente posizionata in modo che almeno una super ficie riflettente divida la scatola dalla cavità e in modo che la superficie riflettente sia disposta tra la scatola e la sorgente luminosa.
La superficie di rilevazione è preferibilmente distanziata dalla superficie riflettente per formare un vuoto ottico all'interno dell'alloggiamento. Il vuoto ottico dirige la luce secondo angoli non-desiderati fuori dall'alloggiamento allontanandola dalla superfìcie riflettente.
Un sensore di temperatura può inoltre essere posizionato all'interno della cavità dell'alloggiamento. Il sensore di temperatura rileva preferibilmente la temperatura all'interno della batteria.
Il dispositivo fotoricevente è preferibilmente in comunicazione con un computer, per esempio attraverso un controllore. Il controllore accetta il segnale proveniente dal dispositivo fotoricevente e/oppure dal sensore di temperatura e trasmette l'informazione appropriata al computer per l'elaborazione e la possibile reazione. Il controllore genera un segnale basato sul livello di carica e/oppure la temperatura interna e, se necessario, genera-un segnale al computer che stacca la batteria in una condizione specificata di carica, ottenendo in tal modo una vita ottimale per la batteria e condizioni di funzionamen to altrettanto ottimali.
Uno scopo della presente invenzione consiste nel provvedere un dispositivo per misurare la carica in una batteria; in cui ogni componente ottico ed elettronico necessario è completamente autocpntenuto in un alloggiamento.
Un altro scopo dell'invenzione consiste nel provvedere un dispositivo per la misurazione della carica in una batteria in cui la luce trasmessa viene persa per rifrazione in base al peso specifico di un fluido all'interno della batteria.
Un altro scopo ancora della presente invenzione consiste nel provvedere un dispositivo per misurare la carica in una batteria, di dimensioni simili ai dispositivi esistenti ed utilizzabile con batterie di varie forme e dimensioni.
Un altro scopo della presente invenzione consiste nel provvedere un dispositivo per misurare la carica in una batteria che compensi i cambiamenti di temperatura all'interno della batteria.
Un ulteriore scopo ancora della presente invenzione consiste nel provvedere un dispositivo per misurare la carica in una batteria, in cui almeno una superficie riflettente è collegata rispetto ad una scatola.
BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI
Le caratteristiche summenzionate ed altre caratteristiche e scopi della presente invenzione verranno meglio comprese dalla seguente descrizione dettagliata fatta con riferimento ai disegni allegati, in cui:
la Figura 1 è una vista prospettica laterale di un dispositivo secondo una realizzazione preferita della presente invenzione;
la Figura 2 è una vista prospettica dal fondo del dispositivo illustrato nella Figura 1;
la Figura 3 è una sezione trasversale del dispositivo illustrato in Figura 1, comprendente una vista laterale schematica di componenti interni del dispositivo secondo una realizzazione preferita dell'invenzione;
la Figura 4 è una rappresentazione schematica del percorso di trasmissione della Ilice all'interno di un alloggiamento quando una batteria si trova in condizione di carica bassa secondo una realizzazione preferita dell'invenzione; e
la Figura 5 è una rappresentazione schematica del percorso di trasmissione della luce entro un alloggiamento quando la batteria si trova in una condizione caricata secondo una realizzazione preferita dell'invenzione.
DESCRIZIONE DELLE REALIZZAZIONI PREFERITE
Le Figure 1 e 2 mostrano un dispositivo optoelettronico 10 per misurare il livello di carica di una batteria) L'alloggiamento 20 del dispositivo 10 ha una conformazione ed una dimensione preferibilmente simile a quella dei sensori per carica di batteria esistenti.
Il dispositivo 10 comprende preferibilmente l'alloggiamento 20 posizionato entro l'interno 30 della batteria. La batteria contiene tipicamente una soluzione di acido solforico che può contaminare e deteriorare molti materiali convenzionali. Quindi, l'alloggiamento 20 è preferìbilmente stampato da stirene-acrilonitrile (SAN) o materiale simile avente elevate proprietà di resistenza chimica. L'alloggiamento 20 può essere costruito con qualsiasi materiale noto a chi ha un'ordinaria esperienza nel settore, che abbia elevata resistenza chimica, sia lavorabile e fotoriflettente.
L'alloggiamento 20 comprende preferibilmente una cavità 25 o una porzione interna simile per contenere i componenti ottici e/oppure elettronici necessari per la presente invenzione. La cavità 25 può essere sigillata rispetto all'esterno dell'alloggiamento per impedire la contaminazione dei componenti contenuti da parte di acqua, sporco, acido della batteria ed altri potenziali contaminanti. Alternativamente, la cavità 25 può essere non sigillata poiché soltanto circa 0,001" 'di aria sono necessari all'interno della scatola 45 per ottimizzare la riflessione sulla superficie riflettente 55.
Come si vede nelle Figure 3-5, la sorgente luminosa 35 è preferibilmente posta entro la cavità 25. La sorgente luminosa 35 comprende preferibilmente un diodo fotoemittente (LED) o altra sorgente di luce simile in grado di generare una luce costante di intensità da bassa a media, che richiede una bassa alimentazione di corrente. Secondo una realizzazione preferita della presente invenzione, la superficie di rilevazione 50 è posizionata all'interno della cavità 25. Come si vede nelle Figure 3-5, la superficie di rilevazione 50 divide la cavità 25 dall'interno 30 della batteria. Inoltre, la superficie di rilevazione 50 è preferibilmente posizionata tra la sorgente luminosa 35 e l'interno 30 della batteria. La superficie di rilevazione 50 è preferibilmente, in generale, translucida, oppure ha una transluminosità predeterminata. Quindi, l'interno 30 della batteria è otticamente visibile dalla cavità 25 del dispositivo 10 attraverso la superficie di rilevazione 50.
La superficie di rilevazione 50 è preferibilmente angolata secondo un angolo da circa 59° a 63° rispetto alla normale della luce incidente. Tale angolo ottimizza la'rifrazione della luce dal materiale dell'alloggiamento, come SAN, all'elettrolita, come acido solforico.
Come si vede nelle Figure 3-5, almeno una superficie riflettente 55 è preferibilmente disposta presso la superficie di rilevazione 50. La superficie riflettente 55 è preferibilmente posizionata e configurata in modo da riflettere la massima quantità di luce proveniente dalla sorgente luminosa 35 e/oppure dalla superficie di rilevazione 50. Uno specchio ottimale per la riflessione della luce viene creato quando la superficie riflettente 55 è adiacente ad un vuoto d'aria. La luce viene persa durante la trasmissione quando la superficie riflettente 55 è contigua all'interno 30 della batteria o quando la superficie riflettente è adiacente al materiale solido dell'alloggiamento 20. Secondo un'altra realizzazione preferita della presente invenzione, nessuna superficie riflettente è disposta presso la superficie di rilevazione 50.
Quindi, come si vede nelle Figure 1-5, la scatola 45 è preferibilmente formata rispetto all'allog giamento 20. La scatola 45 è di preferenza posizionata in modo che almeno una superficie riflettente 55 divide la scatola 45 dalla cavità cosicché la superficie riflettente 55 si trova tra la scatola 45 e la sorgente luminosa 35. Secondo una realizzazione preferita della presente invenzione, la scatola 45 è riempita con gas 42, come aria, e quindi sigillata usando il tappo 47 o una chiusura simile nota a chi ha un'ordinaria esperienza nel settore. Il tappo 47 o altra chiusura simile impedisce la contaminazione della scatola 45 dall'interno 30 della batteria.
Il dispositivo fotoricevente 40 è preferibilmente posizionato all'interno della cavità 25 dell'alloggiamento 20. Il dispositivo fotoricevente 40 è posizionato in modo che la luce proiettata dalla sorgente luminosa 35 venga trasmessa dalla superficie di rilevazione 50 ad almeno una superficie riflettente 55 ed infine al dispositivo fotoricevente 40. La sorgente luminosa 35 è preferibilmente non direttamente esposta al dispositivo fotoricevente 40, ma invece separata dal dispositivo fotoricevente all'interno della cavità 25 dell'alloggiamento 20. .
Secondo una realizzazione preferita dell'invenzione, il dispositivo fotoricevente 40 comprende un fotodiodo. I dispositivo fotoricevente 40 può com7 prendere una fotocellula o qualsiasi altro dispositivo che generi un segnale in risposta alla luce e sia di dimensione sufficiente per essere inserito nell'alloggiamento 20. Alternativamente, il dispositivo fotoricevente 40 può comprendere un cavo a fibra ottica o altro mezzo per trasmettere la luce ad un'altra posizione.
Contenendo tutti i componenti elettronici ed ottici necessari all'interno dell'alloggiamento 20, si evita di perdere luce per motivi diversi dalla rifrazione. Quindi, si ottiene una lettura più accurata e prevedibile. In una realizzazione preferita della presente invenzione illustrata schematicamente nelle Figure 4 e 5, la superficie riflettente 55 comprende tre superfici separate che comporterebbero perdite di luce elevate al cubo se tutte le superfici riflettenti necessarie non fossero contenute entro la scatola 45.
Come si vede nelle Figure 4 e 5, secondo una realizzazione preferita della presente invenzione, la superficie di rilevazione 50 è distanziata dalla superficie riflettente 55 per formare un vuoto ottico 70 all'interno dell'alloggiamento 20. Il vuoto ottico 70 dirige la luce indesiderata entro un campo di angoli predeterminato fuori dall'alloggiamento 20 allontanandola dalla superficie riflettente 55.
La Fig. 4 e 5 mostra schematicamente la trasmissione della luce secondo due diverse condizioni di carica della <‘>batterìa. La luce è indicata dalle linee emesse dalla sorgente luminosa 35. La Figura 4 mostra una batteria in condizione di carica bassa. La luce proiettata dalla sorgente luminosa 35 viene trasmessa ad una superficie di rilevazione 50 ove una parte assai piccola o nulla, della luce viene rifratta fuori dell'alloggiamento 20. Come si vede la maggior parte della luce viene riflessa sulle superfici riflettenti 55 per effetto del basso indice di rifrazione dell'elettrolita nell'interno 30 della batteria scarica. La maggior parte della luce rimanente viene riflessa al dispositivo fotoricevente 40. Il livello di carica viene così determinato in base alla grande quantità di luce rilevata dal dispositivo fotoricevente 40.
La Figura 5 mostra una batterìa in condizione di carica completa. La luce proiettata dalla sorgente luminosa 35 viene trasmessa alla superficie di rilevazione 50, ove la maggior parte della luce viene rifratta. Come si vede, solo poca della luce viene riflessa alle superfici riflettenti 55, per effetto dell'alto indice di rifrazione presente nell'elettrolita che si trova nell'interno 30 della batteria to.7 talmente carica. La luce rimanente viene riflessa al dispositivo fotoricevente 40. Il livello di carica viene in tal modo determinato in base alla piccola quantità di 'luce rilevata dal dispositivo fotoricevente 40.
Secondo una realizzazione preferita della presente invenzione, il dispositivo fotoricevente 40 è in comunicazione con un computer (non illustrato), quale un computer di bordo di un automobile. Come illustrato schematicamente in Figura 3, il dispositivo fotoricevente 40 è collegato rispetto al controllore 65 che si trova entro l'alloggiamento 20. In una realizzazione preferita della presente invenzione, il controllore 65 accetta un segnale proveniente dal dispositivo fotoricevente 40 e trasmette l'informazione appropriata attraverso l'uscita 75 al computer per l'elaborazione e la possibile reazione.
Come si vede in Figura 3, secondo un'altra realizzazione preferita della presente invenzione, il sensore di temperatura 60 è disposto entro la cavità 25. Oltre al dispositivo fotoricevente 40, il sensore di temperatura 60 è preferibilmente pure in comunicazione con il computer. Un tipico regolatore di tensione di un automobile stabilizza le linee approssimativamente a 13,5 V quando si raggiunge la normale temperatura operativa. Una batteria completamente caricata richiede generalmente soltanto circa 12,7 V per mantenere uno stato normale di carica. Eventuale tensione in eccesso applicata alla batteria provocherà passaggio di corrente. Tale corrente comporta una elevata gasificazione con conseguente generazione di calore interno nella batteria.
La durata della batteria può venire ridotta quando la batteria carica ad alta temperatura. In condizioni ottimali, la batteria non deve caricare quando è esposta a tali alte temperature. Il sensore di temperatura 60 ed il dispositivo fotoricevente 40 comunicano quindi preferibilmente con il controllore 65 per leggere la temperatura interna della batteria insieme al livello di carica della batteria. Il controllore 65 genera preferibilmente un segnale basato sulla temperatura interna e sul livello di carica e, se necessario, invia un segnale al computer attraverso l'uscita 75 che stacca la batteria ad una condizione di carica specificata. Questo .sistema comporta quindi una durata ottimale e condizioni di carica ottimali della batteria.
Secondo una realizzazione preferita dell'invenzione, l'uscita 75 comprende un conduttore a 5 V, un conduttore di massa, un conduttore del segnale dello stato di carica ed un conduttore del segnale di temperatura. Quindi l'uscita 75 è preferibilmente l'unico componente del dispositivo 10 che è esterno all'alloggiamento 20. L'interfaccia tra l'uscita 75 e l'alloggiamento 20 è preferibilmente sigillata per mantenere l'integrità dei componenti interni nella cavità 25 dell'alloggiamento 20.
Mentre nella descrizione precedente la presente invenzione è stata descritta con riferimento a certe sue realizzazioni preferite, e molti dettagli sono stati indicati a titolo di illustrazione, gli esperti del settore comprenderanno che il dispositivo secondo la presente invenzione può essere realizzato in altri modi ed alcuni dei dettagli descritti in questa sede possono venire considerevolmente variati senza allontanarsi dai principi fondamentali dell'invenzione.

Claims (22)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo optoelettronico per misurare il livello di carica in una batteria, il dispositivo comprendente: un alloggiamento disposto all'interno della batteria, l'alloggiamento avente una cavità; una sorgente luminosa disposta all'interno della cavità; una superficie di rilevazione disposta all'interno della cavità, la superficie di rilevazione dividendo la cavità dall'interno della batteria; almeno una superficie riflettente adiacente la superficie di rilevazione; una scatola formata rispetto all'alloggiamento, l' almeno una superficie riflettente dividendo la scatola dalla cavità; e un dispositivo fotoricevente disposto entro la cavità in modo che la luce proiettata dalla sorgente luminosa venga trasmessa dal dispositivo di rilevazione all'almeno una superficie riflettente e al dispositivo fotoricevente.
  2. 2. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, in cui la superficie di rilevazione è orientata secondo un angolo approssimativamente da 59° a 63° rispetto alla normale della luce incidente.
  3. 3. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, in cui la scatola è sigillata per impedire la contamina7 zione dall'interno della batteria.
  4. 4. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, comprendente inoltre un computer in comunicazione con il dispositivo fotoricevente.
  5. 5. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, comprendente inoltre un sensore di temperatura disposto all'interno della cavità.
  6. 6. Dispositivo secondo la rivendicazione 5, comprendente inoltre un computer in comunicazione con il sensore di temperatura ed il dispositivo fotoricevente.
  7. 7. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, in cui la sorgente luminosa comprende un LED.
  8. 8. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, in cui il dispositivo fotoricevente comprende un fotodiodo.
  9. 9. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, comprendente inoltre un controllore disposto entro l'alloggiamento, il controllore essendo in comunicazione con il dispositivo fotoricevente.
  10. 10. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, in cui la superficie di rilevazione e la superficie riflettente sono distanziate per creare un vuoto ottico all'interno dell'alloggiamento.
  11. 11. Dispositivo per misurare il livello di ca7 rica in una batteria, il dispositivo comprendendo: un alloggiamento disposto all'interno della batteria; una sorgente luminosa disposta entro l'alloggiamento; e un dispositivo fotoricevente disposto entro l'alloggiamento, il dispositivo fotoricevente·rilevando la luce riflessa attraverso l'alloggiamento e non la luce rifratta all'interno della batteria.
  12. 12. Dispositivo secondo la rivendicazione 11, comprendente inoltre una superficie di rilevazione disposta tra la sorgente luminosa e l'interno della batteria.
  13. 13. Dispositivo secondo la rivendicazione 11, comprendente inoltre una scatola posizionata rispetto all'alloggiamento.
  14. 14. Dispositivo secondo la rivendicazione 13, comprendente inoltre almeno una superficie riflettente posizionata tra la scatola e la sorgente luminosa.
  15. 15. Dispositivo secondo la rivendicazione 12, comprendente inoltre almeno una superficie riflettente posizionata presso la superficie di rilevazione.
  16. 16. Dispositivo secondo la rivendicazione 15, in cui l'almeno una superficie riflettente e la superficie di rilevazione sono distanziate per formare un vuoto ottico all'interno dell'alloggiamento.
  17. 17. Metodo per misurare la carica di una batteria comprendente: ricavare un alloggiamento all'interno della batteria; trasmettere luce da una sorgente luminosa attraverso l'alloggiamento; rifrangere una porzione della luce dall'alloggiamento all'interno della batteria; riflettere la parte rimanente della luce in un dispositivo fotoricevente all'interno dell'alloggiamento; e misurare la carica della batteria in base alla quantità di luce misurata dal dispositivo fotoricevente.
  18. 18. Metodo secondo la rivendicazione 17, comprendente inoltre il controllo di un regolatore di tensione per la batteria, basato sullo stato di carica della batteria.
  19. 19. Metodo secondo la rivendicazione 17, comprendente inoltre la misurazione della temperatura all'interno della batteria.
  20. 20. Metodo secondo la rivendicazione 19, comprendente inoltre il controllo di una uscita della batteria in base alla temperatura interna della batj teria ed al suo stato di carica.
  21. 21. Dispositivo optoelettronico di misurazione del livello di carica di una batteria, il dispositivo comprendendo; un alloggiamento ricavato all'interno della batteria, l'alloggiamento avendo una cavità; una sorgente luminosa disposta entro la cavità; una superficie di rilevazione disposta entro la cavità, la superfìcie di rilevazione dividendo la cavità dall'interno della batteria; un dispositivo fotoricevente disposto all'interno della cavità, in modo che la luce proiettata dalla sorgente luminosa venga trasmessa dalla superficie di rilevazione al dispositivo fotoricevente.
  22. 22. Dispositivo optoelettronico secondo la rivendicazione 21, comprendente inoltre una scatola formata rispetto all'alloggiamento tra la superficie di rilevazione ed il dispositivo fotoricevente.
IT2000TO000490A 1999-06-03 2000-05-26 Dispositivo optoelettronico di rilevamento del livello di carica inuna batteria. IT1320377B1 (it)

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