ES2246703B1 - Monitor de fibra optica para la determinacion del estado de carga de baterias electricas. - Google Patents
Monitor de fibra optica para la determinacion del estado de carga de baterias electricas.Info
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Abstract
Monitor de fibra óptica para la determinación del estado de carga de baterías eléctricas. Compuesto de un Sistema de Fibras Ópticas (1), una Fuente de Luz (3) y un Fotodetector/Analizador (4), mide el estado de carga de una batería que posee un medio de transferencia de carga que puede ser líquido, gelatinoso o sólido. Uno de los extremos del Sistema de Fibras Ópticas (1) se sumerge dentro del medio de transferencia de carga (2), los otros dos extremos se encuentran conectados a la Fuente de Luz (3) y al Analizador (4) en un lugar remoto. La luz emitida por (3) es trasmitida por el Sistema (1) saliendo por el extremo e interaccionando con el medio siendo recogida parcialmente por el mismo extremo propagándose hasta el analizador (4). Analizando la luz con (4) se determina el índice de refracción y/o la proporción del componente químico que caracteriza el estado de carga.
Description
Monitor de fibra óptica para la determinación
del estado de carga de baterías eléctricas.
Generación y almacenamiento de energía
eléctrica.
El conocimiento del estado de carga en baterías
eléctricas es de gran importancia para diferentes áreas de la
ingeniería que abarcan desde la automática y robótica hasta la
aerospacial pasando por aplicaciones en autopropulsión de sillas
para minusválidos y propulsión submarina solo por citar algunos
ejemplos. En todos estos casos la administración correcta de la
carga almacenada así como el control de los sistemas de carga para
alargar su vida útil hacen que el desarrollo de sensores y métodos
de medición del estado de carga sea un campo en constante
evolución.
El dispositivo propuesto se basa en la
determinación de ciertas propiedades
físico-químicas del medio de transferencia de carga
comúnmente denominado electrolito presente en todas la baterías
conocidas. La relación entre el estado de carga y composición
relativa del electrolito de una batería es ampliamente difundida,
basta citar como ejemplo que el método más confiable para medir el
estado de carga de una batería de Plomo-Ácido es a través de la
determinación de la densidad del su electrolito la que a su vez
está directamente relacionada con la concentración de ácido
sulfúrico en el mismo.
Los sistemas propuestos hasta el presente se
separan en dos claras categorías, los invasivos y los no
invasivos. Los invasivos se caracteriza por introducir dentro de la
batería sensores que miden diferentes propiedades que dependen del
estado de carga. El dispositivo propuesto corresponde a esta
clasificación. Los no invasivos tratan de determinar el estado de
carga utilizando sensores externos no tomando contacto directo con
ninguno de los componentes interiores de la batería.
La conveniencia de utilizar la composición del
electrolito como referencia para el monitor del estado de carga es
antigua ya existiendo una serie de patentes como la otorgada en los
Estados Unidos de América en 1938 a O.S. Beck [US 2,132,923] hasta
1982 en USA y Japón a Francis C. Peterson donde se presentan un
sensores basados en la determinación de la densidad del
electrolito de baterías de plomo-ácido por medio de sistemas de
flotación [U.S. 4,308,817].
Los esfuerzos por desarrollar sensores con otros
principios de medición menos directos como los realizados por James
H. Taylor, Alfred Thieme and Barry W. Johnson [IEEE Trans. Ind.
Electronics, Vol 39, 5, Oct. 1992]; por medio de la combinación de
determinaciones coloumbiométricas y de voltaje a circuito abierto;
así como Peter R. Stenvenson [US Patent 5,093,624 (1992)] y Ian R.
Hill and E. E. Adrukaitis [J. Power Sources, 103 (2001)] por medio
de sondas electromagnéticas externas y su respuesta en frecuencia
de excitación por corrientes de Eddy en el electrodo negativo, han
marcado los avances más significativos en el estado actual de la
técnica.
Solo en los Estados Unidos de América se han
registrado 46 patentes relacionadas con monitores de baterías desde
Octubre de 1999 hasta Julio de 2002, lo que indica el interés del
tema de desarrollo. Sin embargo en ninguna es utilizada la
tecnología de la exploración óptica por medio de fibras ópticas del
medio de transferencia de carga.
El presente invento se refiere a un dispositivo
que consiste en un sistema electro-óptico que permite la
determinación remota del estado de carga de una batería a través
de la exploración óptica de su medio de transferencia de carga o
electrolito. Usando este concepto es posible medir la
concentración de la sustancia más representativa del estado de
carga y/o los cambios en el índice de refracción del electrolito. Un
ejemplo es la aplicación a baterías de Plomo-Ácido donde es
posible determinar de manera simple los cambios del índice de
refracción de la mezcla H_{2}O + SO_{4}H_{2} que responden a
los diferentes grados de concentración de ácido sulfúrico durante
los procesos de carga y descarga de la batería.
El dispositivo consta principalmente de tres
elementos constitutivos, a saber:
- Sistema de fibras ópticas (1)
- Fuente de luz (3)
- Sistema fotodetector/analizador de luz (4)
La exploración óptica del medio se realiza por
medio de un sistema de fibras ópticas que permite la inyección y el
retomo de luz por dos canales de fibra diferentes como se muestra
en la figura 1. Este sistema puede adoptar cualquiera de la cuatro
configuraciones que se detallan a continuación dependiendo del tipo
especifico de batería donde se aplique el monitor.
a) El sistema de fibras puede estar compuesto de
un conjunto de fibras denominado "bundle" en la jerga de la
tecnología óptica, dicho sistema lo forma un conjunto de fibras
delgadas (cada una de un diámetro típico de 100 micrones) que se
empaquetan paralelas dentro de una funda flexible de material
plástico produciendo un conjunto de unos 5 mm de diámetro
exterior.
Dicho arreglo espacial de fibras permite que la
mitad de las fibras del bundle sean utilizadas para llevar la luz
hasta el lugar de exploración y la otra mitad sea utilizada para
recogerla luego de haber interaccionado con el medio a estudiar.
Esto último se logra separando los dos conjuntos
de fibras en un punto de su longitud a partir del cual cada
subconjunto de fibras se dirige a la fuente de luz (3) y analizador
(4) respectivamente.
El sistema de fibras utilizado en nuestro
invento es producido comercialmente por la empresa Ocean Optics
bajo la denominación
T300-VV-VIS.
b) El sistema de fibras puede estar compuesto de
solo dos fibras ópticas delgadas monomodo o multimodo. Una de las
fibras transporta la luz desde la fuente (3) hasta el electrolito
(2) y la otra recoge la luz en (2) y trasmitiéndola hasta el
analizador (4).
c) El sistema de fibras puede estar compuesto de
un sistema acoplador de fibras ópticas 2x2 del tipo provisto por
la empresa Thorlabs Inc. bajo el modelo 10202-50.
Este sistema consta de cuatro entradas ópticas donde cualquiera sea
la usada para inyectar luz se obtiene una división del 50/50% o
1/99% en dos de los extremos opuestos.
d) El sistema de fibras ópticas puede estar
compuesto de un circulador de fibra óptica de tres vías del tipo
provisto por la empresa Thorlabs Inc. Bajo el modelo
6015-3 que transporta la luz solo en una dirección
entre cualquiera de dos de sus tres entradas/salidas.
La fuente de luz puede ser de tres tipos de
acuerdo a la aplicación específica a distintos tipos de
batería.
a) Una lámpara de filamento de tungsteno de 6,5
W de potencia de salida con su respectiva fuente de alimentación de
12 V, 2,5 A. La utilizada en nuestro dispositivo es provista en el
mercado por la empresa Ocean Optics Inc., bajo el modelo
LS-1. Sus curvas espectrales están disponibles a
solicitud de los usuarios incluyendo la aplicación de diferentes
filtros.
b) Una lámpara de descarga gaseosa de emisión
multilínea por ejemplo de vapor de mercurio como la provista en el
mercado por la empresa Ocean Optics Inc. bajo el modelo
HG-1.
c) Una fuente láser en general como por ejemplo
un diodo láser visible o infrarrojo de acuerdo a las necesidades
específicas de la aplicación.
El sistema fotodetector analizador puede adoptar
tres diferentes esquemas:
a) Sistema de fotodiodo que produce una señal de
voltaje proporcional a la intensidad luminosa recibida. Este
esquema es especialmente adecuado usado en combinación con un
arreglo de lente, espejo y/o pantalla en el extremo de la fibra que
toma contacto con el electrolito permitiendo medir los cambios de
índice de refracción del mismo. El utilizado en nuestro
dispositivo es el provisto en el mercado por la empresa Thorlabs
bajo el modelo DET 210.
b) Sistema de fotodiodo que produce una señal de
voltaje proporcional a la intensidad luminosa recibida con un
filtro interferencia) colocado adelante del mismo. Este esquema es
especialmente adecuado cuando se desea medir la intensidad luminosa
de solo una longitud de onda correspondiente a la banda de
absorción de la sustancia más significativa del electrolito
relacionada con el estado de carga de la batería. El filtro
interferencial es un pasabanda óptico muy estrecho (típicamente
menor de 0.1 nm) que permite filtrar todo el espectro óptico menos
la línea espectral que se ha seleccionado.
c) Sistema analizador de espectros para fibra
óptica compuesto de una red de difracción o prisma más el
correspondiente arreglo de fotodiodos y convertidor A/D. Este
sistema permite obtener el espectro de absorción en un amplio rango
de longitudes de onda y comparar la absorciones relativas a
diferentes longitudes de onda caracterizando el estado del
electrolito. El utilizado en nuestro dispositivo es el provisto en
el mercado por la empresa Ocean Optics Inc. Bajo el modelo S1024
DW.
- 1.-
- Sistema de fibras ópticas.
- 2.-
- Medio de transferencia de carga de la batería.
- 3.-
- Fuente de Luz.
- 4.-
- Sistema fotodetector/analizador de luz.
- 5.-
- Núcleo central del Bundle de fibras ópticas que ilumina.
- 6.-
- Grupo periférico de fibras ópticas.
- 7.-
- Funda metálica del Bundle de Fibras ópticas.
- 8.-
- Separador.
- 9.-
- Soporte exterior de Lente y Pantalla.
- 10.-
- Ventanas de acceso para el electrolito.
- 11.-
- Lente convergente.
- 12.-
- Pantalla de Teflón.
- 13.-
- Cierre hermético de goma tipo o'ring.
- 14.-
- Eje Óptico.
Gráfica de los valores obtenidos en el ejemplo
de aplicación sobre una batería de Plomo-Ácido de 45 A/h. Se
muestran en forma gráfica los datos de corriente y carga
pertenecientes a la Tabla I. La curva de carga se obtuvo integrando
la corriente.
Gráfica de los valores obtenidos en el ejemplo
de aplicación sobre una batería de Plomo-Ácido de 45 A/h. Se
muestran en forma gráfica los datos de carga y lectura de monitor
pertenecientes a la Tabla I.
Gráfica de los valores obtenidos en el ejemplo
de aplicación sobre una batería de Plomo-Ácido de 45 A/h. Se
muestran en forma gráfica los datos de densidad de electrolito y
lectura obtenida del monitor pertenecientes a la Tabla I.
Aplicación a una batería de Plomo Ácido de las
utilizadas en los vehículos automotores corrientes tipo turismo
compuesta de seis celdas, con un voltaje nominal de 12 voltios y
una capacidad de carga de 45 amperios/hora. Las placas de esta
batería están formadas por óxido de plomo para los electrodos
positivos y plomo metálico para los negativos siendo el
electrolito una solución de ácido sulfúrico en agua con
proporciones típicas que varían entre el 8% y el 25% en volumen
dependiendo del estado de carga de la batería.
En este ejemplo se utilizaron los siguientes
elementos constitutivos del sistema correspondientes con los
mostrados en la figura 1.
\newpage
Sistema de fibras ópticas (1): Sonda tipo
bundle producido comercialmente por la empresa Ocean Optics bajo la
denominación T300-UV-VIS. Esta sonda
utiliza las fibras que componen la parte central (6) para
trasmitir la luz hasta el medio y la parte exterior para recolectar
la luz (5).
Fuente de Luz (3): Una lámpara de
filamento de tungsteno de 6,5 W de potencia de salida con su
respectiva fuente de alimentación de 12 V, 2,5 A. provista en el
mercado por la empresa Ocean Optics Inc., bajo el modelo
LS-1.
Fotodetector/Analizador (4): Sistema de
fotodiodo que produce una señal de voltaje proporcional a la
intensidad luminosa recibida. El utilizado en nuestro dispositivo
es el provisto en el mercado por la empresa Thorlabs bajo el modelo
DET 210.
La figura 2 muestra el diseño del extremo de la
sonda utilizada para explorar ópticamente el electrolito, el
esquema tiene simetría cilíndrica. La sonda se compone de dos
cámaras estancas separadas por la lente (11) y un sello hermético de
goma tipo o'ring (13). En la cámara inferior se encuentra el
extremo del conjunto de fibras ópticas (5) y (6) soportado por una
funda metálica (7) que a su vez se encuentra sostenida por un
pieza separadora (8) que mantiene centrado todo el sistema respeto
del eje óptico (14) y del soporte exterior (9) de la lente (11) y
la pantalla (12). La cámara inferior se encuentra llena de aire a
presión atmosférica, mientras que la cámara superior lo está de
electrolito que ingresa a la misma a través de las seis ventanas
(10) practicadas en forma de orificios circulares en el soporte
exterior (9).
La distancia entre extremo de las fibras (5) y
(6) y la lente (11) es igual a la distancia entre la lente (11) y
la pantalla de teflón (12). La distancia focal de la lente (11) es
la mitad de la distancia anterior. Dadas estas condiciones
geométricas, la lente (11) forma una imagen de la superficie
emisora de luz en el extremo de las fibras (6) sobre la pantalla
(12) aproximadamente de las mismas dimensiones que (6). Esta imagen
es recogida nuevamente por la lente (11) y proyectada hacia atrás
sobre la superficie emisora. En el caso de que la cámara superior
se encuentre llena de aire la imagen proyectada hacia atrás tiene
aproximadamente las mismas dimensiones de la zona (6) y
prácticamente no incide luz sobre la zona de recolección de las
fibras (5) no registrándose señal en el sistema
fotodetector/analizador (4). Cuando la cámara superior es inundada
con el electrolito, el cambio de índice de refracción produce un
cambio en la imagen proyectada de forma tal que parte de las fibras
de recolección (5) son iluminadas trasmitiendo la luz hasta el
fotodetector/analizador (4) el que produce una señal de tensión. A
medida que cambia el estado de carga de la batería, varia la
concentración de ácido sulfúrico del electrolito y también lo hace
el índice de refracción del mismo. Estos cambios en el índice de
refracción producen cambios apreciables en la trayectoria de los
rayos de luz que atraviesan el electrolito modificando el nivel de
iluminación sobre (5). Estas variaciones son detectadas por (4) y
permiten medir el estado de carga.
La Tabla I muestra los valores obtenidos durante
una prueba de descarga y carga de la batería de 45 A/h utilizada en
este ejemplo de aplicación.
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
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(Tabla pasa a página
siguiente)
La prueba tuvo una duración total de 19 horas
partiendo del estado de carga al 100%. Se considera la corriente de
descarga con signo negativo y la de carga positiva. Durante las
primeras seis horas de la prueba se descargó la batería a un valor
de corriente constante de 6 amperios, luego se dejó descansar el
sistema durante una hora para comenzar la carga con un cargador cuya
corriente máxima de carga fue limitada a 10 amperios. Luego de la
primera hora de carga la corriente disminuye a medida que se
completa la carga de la batería. Simultáneamente con las mediciones
de corriente le midieron los valores de densidad del electrolito y
lectura del monitor de fibra óptica. La corriente circulante fue
medida por medio de un amperímetro digital. La carga en
amperios/hora fue estimada por integración de la curva de corriente.
La densidad del electrolito en la cuba donde se colocó el monitor
fue realizada tomando un muestra de 50 cm^{3} y pesándola en una
balanza digital. Obteniendo de esta forma una medición directa
precisa hasta el tercer decimal como se muestra en la tabla. La
lectura del monitor fue hecha por medio de un voltímetro digital
conectado al fotodiodo. El porcentaje de carga fue establecido
usando la densidad del electrolito de acuerdo a lo publicado por
David Linden and Thomas B. Reddy en su libro Handbook of Batteries,
3rd Edition. Mc. Graw-Hill Handbooks. Capitulo 23,
pag 11. Tabla 23.6.
La Figura 3 muestra una gráfica que ilustra los
valores de corriente y carga mostrados en la tabla I a lo largo de
la prueba.
La figura 4 muestra la carga vs. Lectura de
monitor pudiéndose observar la buena correlación que existe entre
ambos conjuntos de datos.
Finalmente la figura 5 nuestra la correlación
entre los valores medidos de densidad de electrolito vs. lectura de
monitor, indicando una excelente correlación durante toda la prueba
realizada.
La invención es susceptible de aplicación
industrial tanto en la industria de baterías propiamente dicha como
en industrias subsidiarias que utilicen baterías como partes de sus
equipos de producción.
Las industrias automotrices de vehículos
especiales tanto terrestres como marinos y submarinos pueden hacer
uso de este invento dada la simplicidad y economía de medios a la
hora de la implementación práctica.
Cualquier sistema eléctrico donde se utilicen
baterías como fuente de alimentación y donde se considere de
importancia conocer el estado de carga de cada una de las celdas
puede utilizar esta invención como método confiable de medición y
control.
Claims (10)
1. Dispositivo monitor de fibra óptica para la
determinación del estado de carga de una batería eléctrica
caracterizado porque utiliza un sistema de fibras ópticas (1)
con al menos dos canales ópticos diferentes para realizar un sondeo
óptico del medio de transferencia de carga (2) determinando el
índice de refracción del mismo
2. Dispositivo monitor de fibra óptica para la
determinación del estado de carga de una batería eléctrica según
reivindicación 1 caracterizado porque el sistema de fibras
ópticas (1) transmite la luz desde una fuente de luz (3) hasta el
medio de transferencia de carga (2) por un canal óptico y recoge la
luz nuevamente por el otro canal transmitiéndola hasta un
fotodetector/analizador (4).
3. Dispositivo monitor de fibra óptica para la
determinación del estado de carga de una batería eléctrica según
reivindicación 1 y 2, caracterizado porque utiliza tanto un
conjunto de fibras ópticas en forma de bundle o simplemente dos
fibras monomodo o multimodo para transmitir la luz.
4. Dispositivo monitor de fibra óptica para la
determinación del estado de carga de una batería eléctrica según
reivindicación 1, 2 y 3 caracterizado porque utiliza un
sistema de fibras ópticas formado por un acoplador de fibra óptica
con factores de división de 50/50% o 1/99%.
5. Dispositivo monitor de fibra óptica para la
determinación del estado de carga de una batería eléctrica según
reivindicación 1, 2, 3 y 4 caracterizado porque utiliza un
sistema de fibras ópticas formado por un circulador de fibras
ópticas de tres vías.
6. Dispositivo monitor de fibra óptica para la
determinación del estado de carga de una batería eléctrica según
reivindicación 1, 2 3, 4 y 5 caracterizado porque utiliza un
sistema fotodetector/analizador de luz formado por un fotodiodo y un
filtro óptico interferencial.
7. Dispositivo monitor de fibra óptica para la
determinación del estado de carga de una batería eléctrica según
reivindicación 1, 2, 3, 4, 5 y 6, caracterizado porque
utiliza un sistema fotodetector/analizador de luz formado por un
espectrómetro de fibra óptica.
8. Dispositivo monitor de fibra óptica para la
determinación del estado de carga de una batería eléctrica según
reivindicación 1, 2, 3, 4, 5, 6 y 7 caracterizado porque
utiliza una fuente de luz formada por una lámpara de filamento de
tungsteno.
9. Dispositivo monitor de fibra óptica para la
determinación del estado de carga de una batería eléctrica según
reivindicación 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 y 8 caracterizado porque
utiliza una fuente de luz formada por una lámpara de descarga
gaseosa de emisión multi-línea espectral.
10. Dispositivo monitor de fibra óptica para la
determinación del estado de carga de una batería según
reivindicación 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 y 9 caracterizado
porque utiliza una fuente de luz formada por un emisor láser.
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-
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Non-Patent Citations (3)
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| ES2246703A1 (es) | 2006-02-16 |
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