CN116879389B - 液流电池气泡检测装置、检测方法、系统及存储介质 - Google Patents

液流电池气泡检测装置、检测方法、系统及存储介质 Download PDF

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Abstract

液流电池气泡检测装置、检测方法、系统及存储介质。液流电池包括：液罐、电堆单元、电解液进口管和电解液出口管，电解液进口管设置为使电解液从液罐流入电堆单元，电解液出口管设置为使电解液从电堆单元流入液罐；液流电池气泡检测装置包括：第一超声波传感器，设置在电解液进口管及电解液出口管的至少之一；控制装置，设置为发出第一控制信号以控制第一超声波传感器工作，以及接收第一超声波传感器的第一返回信号；根据第一返回信号获得电解液在第一超声波传感器位置处的气体含量。

Description

液流电池气泡检测装置、检测方法、系统及存储介质
技术领域
本文涉及但不限于电化学储能领域，尤其涉及液流电池气泡检测装置、检测方法、系统及存储介质。
背景技术
随着社会和经济的发展，对新能源的需求不断增大，促进了储能行业的发展。液流电池通过正、负极电解液活性物质发生可逆的氧化还原反应（即价态的可逆变化）实现电能和化学能的相互转化。由于液流电池具有良好的稳定性及安全性，已经成为储能领域主流的技术方案。
本申请发明人经过研究发现，液流电池电解液中的气体含量对液流电池的运行有极大影响，然而，目前尚且没有对电解液中的气体含量进行检测的手段。
发明内容
以下是对本文详细描述的主题的概述。本概述并非是为了限制权利要求的保护范围。
本申请实施例提供了一种液流电池气泡检测装置、检测方法、系统及存储介质，可以解决无法对液流电池电解液中的气体含量进行检测的问题。
第一方面，本申请实施例提供了一种液流电池气泡检测装置，液流电池包括：液罐、电堆单元、电解液进口管和电解液出口管，所述电解液进口管设置为使电解液从所述液罐流入所述电堆单元，所述电解液出口管设置为使电解液从所述电堆单元流入所述液罐；所述液流电池气泡检测装置包括：第一超声波传感器，设置在所述电解液进口管及所述电解液出口管的至少之一；控制装置，设置为发出第一控制信号以控制所述第一超声波传感器工作，以及接收所述第一超声波传感器的第一返回信号；根据所述第一返回信号获得电解液在所述第一超声波传感器位置处的气体含量。
一种示例性实施方式中，所述控制装置，设置为每经过第一时间段发出所述第一控制信号。
一种示例性实施方式中，所述第一控制信号在第二时间段内持续输出。
一种示例性实施方式中，所述控制装置包括机器学习模块，所述机器学习模块设置为根据所述第一返回信号获得电解液在所述第一超声波传感器位置处的空泡率。
一种示例性实施方式中，所述控制装置包括信号接收模块，所述信号接收模块设置为接收所述第一返回信号，并将所述第一返回信号转化为第一检测信号后发送给所述机器学习模块；所述机器学习模块包括空泡率计算模型，所述空泡率计算模型的输入数据包括所述第一检测信号的振幅和相位，所述空泡率计算模型的输出数据包括电解液在所述第一超声波传感器位置处的空泡率。
一种示例性实施方式中，所述液流电池气泡检测装置还包括流量检测装置，所述流量检测装置靠近所述第一超声波传感器且位于所述第一超声波传感器沿电解液流动方向的上游，设置为检测电解液的瞬时流量；所述控制装置还设置为发出第二控制信号以控制所述流量检测装置工作，以及接收所述流量检测装置的第二返回信号，根据所述第二返回信号计算电解液的所述瞬时流量及瞬时流速。
一种示例性实施方式中，所述流量检测装置包括至少两对超声波换能器，至少两对所述超声波换能器设置在所述电解液进口管的管壁外侧及所述电解液出口管的管壁外侧的至少之一。
一种示例性实施方式中，所述超声波换能器和所述管壁之间涂覆有声波传导耦合剂。
一种示例性实施方式中，空泡率计算模型的输入数据还包括电解液的所述瞬时流速。
一种示例性实施方式中，所述液流电池气泡检测装置还包括流量调节装置，设置为调节电解液的流速；所述控制装置还设置为发出第三控制信号以控制所述流量调节装置工作。
一种示例性实施方式中，所述控制装置还设置为向所述流量调节装置发出第四控制信号，以控制电解液的瞬时流量位于预设的第一阈值范围内。
第二方面，本申请实施例还提供了一种液流电池气泡检测系统，包括液流电池以及如上所述的液流电池气泡检测装置。
第三方面，本申请实施例还提供了一种液流电池气泡检测方法，液流电池包括：液流电池包括：液罐、电堆单元、电解液进口管和电解液出口管，所述电解液进口管设置为使电解液从所述液罐流入所述电堆单元，所述电解液出口管设置为使电解液从所述电堆单元流入所述液罐；所述方法包括：控制装置发出第一控制信号并接收第一返回信号；第一超声波传感器接收所述第一控制信号后工作，并返回所述第一返回信号；所述控制装置根据所述第一返回信号获得电解液在所述第一超声波传感器位置处的气体含量。
第四方面，本申请实施例还提供了一种计算机可读存储介质，存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于执行如上所述的液流电池气泡检测方法。
本申请实施例提供的液流电池气泡检测装置，控制装置通过控制第一超声波传感器工作，根据第一超声波传感器的第一返回信号能够得到电解液在第一超声波传感器位置处的气体含量，可以实现对电解液中的气体含量进行检测，从而获知电解液中溶解气体的多少，便于对液流电池的工作状态进行整体把控，在发生问题之前介入液流电池的运维，极大降低了液流电池的运维成本，延长了液流电池的使用寿命。解决了无法对液流电池电解液中的气体含量进行检测的问题。
本申请的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请而了解。本申请的其他优点可通过在说明书以及附图中所描述的方案来实现和获得。
在阅读并理解了附图和详细描述后，可以明白其他方面。
附图说明
附图用来提供对本申请技术方案的理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案，并不构成对本申请技术方案的限制。
图1为一种液流电池的示意图；
图2为示例性实施例中液流电池的气泡检测装置示意图；
图3为图2中液流电池气泡检测装置安装在电解液出口管的示意图；
图4为电解液出口管在第一超声波传感器处的截面示意图；
图5为液流电池气泡检测装置的信号传输原理示意图。
具体实施方式
本申请描述了多个实施例，但是该描述是示例性的，而不是限制性的，并且对于本领域的普通技术人员来说显而易见的是，在本申请所描述的实施例包含的范围内可以有更多的实施例和实现方案。尽管在附图中示出了许多可能的特征组合，并在具体实施方式中进行了讨论，但是所公开的特征的许多其它组合方式也是可能的。除非特意加以限制的情况以外，任何实施例的任何特征或元件可以与任何其它实施例中的任何其他特征或元件结合使用，或可以替代任何其它实施例中的任何其他特征或元件。
本申请实施例包括并设想了与本领域普通技术人员已知的特征和元件的组合。本申请已经公开的实施例、特征和元件也可以与任何常规特征或元件组合，以形成由权利要求限定的独特的发明方案。任何实施例的任何特征或元件也可以与来自其它发明方案的特征或元件组合，以形成另一个由权利要求限定的独特的发明方案。因此，应当理解，在本申请中示出和/或讨论的任何特征可以单独地或以任何适当的组合来实现。因此，除了根据所附权利要求及其等同替换所做的限制以外，实施例不受其它限制。此外，可以在所附权利要求的保护范围内进行各种修改和改变。
此外，在描述具有代表性的实施例时，说明书可能已经将方法和/或过程呈现为特定的步骤序列。然而，在该方法或过程不依赖于本文所述步骤的特定顺序的程度上，该方法或过程不应限于所述的特定顺序的步骤。如本领域普通技术人员将理解的，其它的步骤顺序也是可能的。因此，说明书中阐述的步骤的特定顺序不应被解释为对权利要求的限制。此外，针对该方法和/或过程的权利要求不应限于按照所写顺序执行它们的步骤，本领域技术人员可以容易地理解，这些顺序可以变化，并且仍然保持在本申请实施例的精神和范围内。
液流电池是将正、负极电解液分开，并各自循环的一种高性能蓄电池。电解液中包含有活性物质，活性物质随正、负极电解液流动并发生可逆的氧化还原反应，使液流电池完成充电和放电过程。根据电解液包含活性物质的不同，液流电池可以分为：全钒液流电池、铁铬液流电池、锌溴液流电池、多硫化钠/溴液流电池、锌/镍液流电池等。作为一种电化学储能技术，液流电池具有容量高、使用领域广、循环使用寿命长等特点。
图1为一种液流电池的示意图。如图1所示，液流电池包括正极液罐100、负极液罐200和电堆单元300。正极液罐100容纳有正极电解液，正极电解液经由正极管道101在正极液罐100和电堆单元300之间循环流动，正极液罐100、正极管道101和电堆单元300形成正极电解液的循环回路，正极电解液在循环回路内的流动方向可以如图1中正极管道101的箭头方向所示。负极液罐200容纳有负极电解液，负极电解液经由负极管道201在负极液罐200和电堆单元300之间循环流动，负极液罐200、负极管道201和电堆单元300形成负极电解液的循环回路，负极电解液在循环回路内的流动方向可以如图1中负极管道201的箭头方向所示。电堆单元300内可以设置有隔离膜301，以防止正极电解液和负极电解液发生混合。电堆单元300具有正极（+）和负极（-），可以与外界的电源或负载连接，进而实现充放电。电解液在流经电堆单元300的过程中会发生氧化或还原反应，液流电池在充电过程中，正极电解液发生氧化反应使活性物质价态升高，负极电解液发生还原反应使活性物质价态降低，放电过程则与之相反。液流电池实现了电化学反应场所（电堆单元）与储能活性物质在空间上的分离，电池功率与容量设计相对独立。相比于锂电池、抽水蓄能、空气压缩储能等储能手段，液流电池的载电量能力、长时放电能力及使用持久度等性能均更加优越，因此适合用于风能发电和光伏发电等大规模蓄电的储能系统。
在液流电池初次运转时候，需要先控制电解液在各自的循环回路内不断流动，以排出管道内及电堆单元内积存的空气，随后，液流电池可以正常运行。在正常运行的状态下，电解液的循环回路需要维持一定的真空度环境。然而，在实际应用中，管道内及电堆单元内积存的空气并不容易排除干净，并且，在电堆单元与正、负极电解液的反应界面处，往往会发生析氢、析氧等反应，反应产生的氢气及氧气一部分会吸附在固液界面上，另一部分会溶解在电解液中，随着电解液不断循环流动，导致液流电池的真空度环境发生变化。
本申请发明人在实践中发现，液流电池电解液中的气体含量对液流电池的运行有极大影响。发生析氢反应后，电解液中氢离子的含量会降低，导致充放电过程中氢离子缺失，造成液流电池容量衰减；而吸附在固液界面上的氢气及氧气会占用电解液充放电的反应面积，导致电池的库伦效率及能量效率下降。对于溶解在电解液中的气体，该部分气体在管道中以气泡的形式存在，在气体含量过高的情况下，会对电解液正常运行的真空度造成影响，产生气蚀现象，气蚀会导致液流电池运行过程中产生噪声和震动，导致电解液的流量及充放电的反应效率降低，导致与电解液接触的金属材料锈蚀，在电解液由电堆单元进入液罐的管道中，由于管道内压力升高导致部分气泡溶解，气泡凝结后放热，容易引起化学腐蚀。部分溶解在电解液中的气体在进入液罐后会从电解液中析出，聚集在液罐上方，如果氢气聚集过多，浓度达到临界值，容易产生安全事故。然而，目前并没有对电解液中的气体含量进行检测的装置，也就无法得知电解液中溶解气体的多少，只能在液流电池出现问题后进行补救，而不能防止这些问题出现，不能及时对液流电池的运行作出有针对性的调整措施。
本申请实施例提供了一种液流电池气泡检测装置，液流电池包括：液罐、电堆单元、电解液进口管和电解液出口管，电解液进口管设置为使电解液从液罐流入电堆单元，电解液出口管设置为使电解液从电堆单元流入液罐；液流电池气泡检测装置包括：第一超声波传感器，设置在电解液进口管及电解液出口管的至少之一；控制装置，设置为发出第一控制信号以控制第一超声波传感器工作，以及接收第一超声波传感器的第一返回信号；根据第一返回信号获得电解液在第一超声波传感器位置处的气体含量。
本申请实施例提供的液流电池气泡检测装置，控制装置通过控制第一超声波传感器工作，能够得到电解液在第一超声波传感器位置处的气体含量，根据第一超声波传感器的第一返回信号可以实现对电解液中的气体含量进行检测，从而获知电解液中溶解气体的多少，便于对液流电池的工作状态进行整体把控，在发生问题之前介入液流电池的运维，极大降低了液流电池的运维成本，延长了液流电池的使用寿命。
在示例性实施方式中，第一超声波传感器包括至少一对超声波换能器，至少一对超声波换能器设置在电解液进口管的管壁外侧或者电解液出口管的管壁外侧。
在本实施方式中，可以根据需要设置至少一对超声波换能器的位置，以对电解液中的气体含量进行检测，对某一对超声波换能器的连续两次或多次测试结果进行分析，可以得到电解液中气体含量的变化情况。可以在电解液进口管的管壁外侧以及电解液出口管的管壁外侧均设置至少一对超声波换能器，通过比较不同位置处的超声波换能器的测试结果，可以得到电解液在进入电堆单元前后的气体含量变化。
在示例性实施方式中，第一超声波传感器包括第一超声波发射换能器和第一超声波接收换能器。
在示例性实施方式中，第一超声波传感器和管壁之间涂覆有声波传导耦合剂。
在示例性实施方式中，控制装置还设置为每经过第一时间段发出第一控制信号。
在示例性实施方式中，第一控制信号在第二时间段内持续输出，以控制第一超声波传感器在第二时间段内持续工作。
在本实施方式中，可以每间隔第一时间段，控制至少一对超声波换能器工作第二时间段，以对第二时间段内电解液中的气体含量进行检测。或者，可以控制至少一对超声波换能器持续工作，以对电解液中的气体含量进行实时监测。或者，可以控制位于不同位置处的超声波换能器以不同的工作模式进行工作，以实现更加灵活的监控模式。可以根据需要设置第一时间段和第二时间段，本申请对超声波换能器的工作模式不作限制。
在示例性实施方式中，控制装置包括机器学习模块，机器学习模块设置为根据第一返回信号获得电解液在第一超声波传感器位置处的气体含量。
在示例性实施方式中，机器学习模块设置为根据第一返回信号获得电解液在第一超声波传感器位置处的空泡率。
在示例性实施方式中，控制装置包括信号接收模块，信号接收模块设置为接收第一返回信号，并将第一返回信号转化为第一检测信号后发送给机器学习模块；机器学习模块包括空泡率计算模型，空泡率计算模型的输入数据包括第一检测信号的振幅和相位，空泡率计算模型的输出数据包括电解液在第一超声波传感器位置处的空泡率。
在示例性实施方式中，液流电池气泡检测装置还包括流量检测装置，流量检测装置靠近第一超声波传感器且位于第一超声波传感器沿电解液流动方向的上游，设置为检测电解液的瞬时流量；控制装置还设置为发出第二控制信号以控制流量检测装置工作，以及接收流量检测装置的第二返回信号，根据第二返回信号计算电解液的瞬时流量及瞬时流速。
在示例性实施方式中，流量检测装置包括至少两对超声波换能器，至少两对超声波换能器设置在电解液进口管的管壁外侧或者电解液出口管的管壁外侧。
在示例性实施方式中，超声波换能器和管壁之间涂覆有声波传导耦合剂。
在本实施方式中，通过涂覆声波传导耦合剂，可以排出超声波换能器和电解液管路之间的空气，有助于减少超声波传导的损耗，提高检测的准确性。
在示例性实施方式中，控制装置根据至少两对超声波换能器的第二返回信号，采用相关法计算电解液的瞬时流量。
在示例性实施方式中，机器学习模块设置为根据第一返回信号以及电解液的瞬时流速获得电解液在第一超声波传感器位置处的空泡率。
在示例性实施方式中，液流电池气泡检测装置还包括显示装置，设置为显示电解液在第一超声波传感器位置处的气体含量。
在本实施方式中，显示装置还可以显示不同超声波换能器的工作状态，液流电池的工作及运维状态等信息，例如，可以显示当前液流电池为正常工作、排气中或停机维修等内容，本申请对此不作限制。
在示例性实施方式中，液流电池气泡检测装置还包括流量调节装置，设置为调节电解液的流速；控制装置还设置为发出第三控制信号以控制流量调节装置工作。
在示例性实施方式中，控制装置还设置为向流量调节装置发出第四控制信号，以控制电解液的瞬时流量位于预设的第一阈值范围内。所述“位于预设的第一阈值范围内”可以包括电解液的瞬时流量等于第一阈值范围的最大值和最小值的情况。
在示例性实施方式中，控制装置还设置为在空泡率大于或等于第二阈值时，控制电解液进入气泡去除装置进行除气。
在示例性实施方式中，控制装置还设置为在空泡率小于或等于第三阈值时，关闭气泡去除装置。
在示例性实施方式中，液罐包括正极液罐和负极液罐，电解液进口管包括正极电解液进口管和负极电解液进口管，电解液出口管包括正极电解液出口管和负极电解液出口管；液流电池还包括：正极液体泵和负极液体泵；
正极电解液进口管连接正极液罐的出口和电堆单元的正极电解液入口，正极电解液出口管连接正极液罐的入口和电堆单元的正极电解液出口，以在所述正极液罐和所述电堆单元之间形成正极电解液的循环回路；
正极液体泵与正极电解液进口管及正极电解液出口管中的至少之一连接，设置为使所述正极电解液在所述正极液罐和所述电堆单元之间循环流动；
负极电解液进口管连接负极液罐的出口和电堆单元的负极电解液入口，负极电解液出口管连接负极液罐的入口和电堆单元的负极电解液出口，设置为在所述负极液罐和所述电堆单元之间形成负极电解液的循环回路；
负极液体泵与负极电解液进口管及负极电解液出口管中的至少之一连接，设置为使所述负极电解液在所述负极液罐和所述电堆单元之间循环流动。
在示例性实施方式中，正极液体泵与负极液体泵可以具有调节电解液压力和流速的作用，例如可以为变频水泵，本申请实施例对正极液体泵与负极液体泵的种类不作限制。
在示例性实施方式中，电堆单元设置为分别向所述正极电解液、所述负极电解液提供电化学反应场所。
图2为示例性实施例中液流电池的气泡检测装置示意图，对液流电池进行了简化示意。如图2所示，液流电池包括液罐、电堆单元1、电解液进口管2和电解液出口管3，电解液进口管2设置为使电解液从液罐进入电堆单元1，电解液出口管3设置为使电解液从电堆单元1进入液罐。液罐可以包括正极液罐和负极液罐，电解液进口管2可以包括正极电解液进口管和负极电解液进口管，正极电解液进口管和正极液罐连接，负极电解液进口管和负极液罐连接，电解液出口管3可以包括正极电解液出口管和负极电解液出口管，正极电解液出口管和正极液罐连接，负极电解液出口管和负极液罐连接，图2中仅以一条电解液进口管2和一条电解液出口管3为例进行示意。液流电池气泡检测装置4包括：第一超声波传感器，设置在电解液出口管3的管壁外侧；控制装置，设置为发出第一控制信号以控制第一超声波传感器工作，以及接收第一超声波传感器的第一返回信号；控制装置包括机器学习模块，机器学习模块设置为根据第一返回信号获得电解液在第一超声波传感器位置处的气体含量。图2中对液流电池气泡检测装置进行了简化示意，在其它实施方式中，第一超声波传感器可以设置在电解液进口管2的管壁外侧，本申请对此不作限制。
在示例性实施方式中，电解液进口管2可以包括主管道和至少两条分支管道，主管道的一端与液罐连接，主管道的另一端与分支管道连接，电解液可以通过至少两条分支管道进入电堆单元1。气泡检测装置4可以设置在主管道上，也可以设置在至少一条分支管道上，本申请对此不作限制。
在示例性实施方式中，电解液出口管3可以包括主管道和至少两条分支管道，主管道的一端与液罐连接，主管道的另一端与分支管道连接，电解液可以通过至少两条分支管道从电堆单元1中流出，气泡检测装置4可以设置在主管道上，也可以设置在至少一条分支管道上，本申请对此不作限制。
空泡率（void fraction）也可以称为截面孔隙率、孔隙率或截面含气率，指两相混合物流经任一截面时气相所占的面积与通道截面积之比，能够反应在任意截面上气相占有的流道截面份额。空泡率是一个瞬时量，使用符号εins来表示瞬间状态的空泡率。本申请中通过检测电解液进口管2或电解液出口管3内的空泡率，可以掌握电解液中的气体含量情况。在其它实施方式中，可以采用其它参数体现电解液中的气体含量，本申请对此不作限制。
超声波能够在气体、液体、固体中传播，但是超声波在不同介质中传播时的声阻抗是不同的。由于不同介质的声阻抗差别非常大，同一种超声波传感器一般不能用于不同的介质。基于声波在不同介质中传播速度的差异，以及声波受声阻抗差异影响而发生反射、折射等现象，可以通过测量超声波在物质中传播的速度来确定物质的性质和状态。具体来说，超声波在传播过程中会受到介质密度、压缩模量、剪切模量、粘性等因素的影响，从而导致超声波在不同介质中传播速度的差异，通过在介质中发射超声波信号，然后测量该信号在该介质中的传播时间和距离，就可以计算出超声波在该介质中的传播速度，而通过比较不同介质中的传播速度，就可以确定该介质的密度、压缩模量、剪切模量、粘性等性质。本申请中利用这一原理，可以实现对管道中电解液的空泡率εins进行检测，利用超声波进行测量的方法是非接触式测量，超声波仪器不需要直接接触电解液，从而简化了测量布置、同时也能够避免电解液带来的腐蚀损害。
图3为图2中液流电池气泡检测装置安装在电解液出口管的示意图。如图3所示，电解液11在电解液出口管3内沿箭头方向流动，Vins表示电解液11的瞬时流速。第一超声波传感器包括一对超声波换能器，为在电解液出口管3的管壁12上相对设置的第一超声波发射换能器9和第一超声波接收换能器10，第一超声波发射换能器9可以在接收到第一控制信号后，根据第一控制信号发出第一超声波信号T1（t），第一超声波信号T1（t）穿过电解液出口管3后到达第一超声波接收换能器10，第一超声波接收换能器10获取到接收信号，即第一返回信号，并将第一返回信号回传给控制装置。
在示例性实施方式中，第一超声波发射换能器9内可以设置有压电陶瓷，能够将接收到的第一控制信号转化为超声波发射出去，第一超声波接收换能器10可以将接收到的超声波信号转化为电信号传给控制装置。在其它实施方式中，可以采用其它发声原理的超声波发射换能器，本申请对此不作限制。
图4为电解液出口管在第一超声波传感器处的截面示意图。如图4所示，第一超声波发射换能器9和第一超声波接收换能器10在电解液出口管3的管壁12上相对设置，第一超声波发射换能器9可以发射第一超声波信号T1（t），第一超声波信号T1（t）穿过管壁12、电解液11以及对侧管壁12后到达第一超声波接收换能器10，第一超声波接收换能器10的第一返回信号为z（t）。第一超声波信号T1（t）以及第一返回信号z（t）均为与时间相关的函数。在电解液11中不存在气泡时，第一超声波接收换能器10的第一返回信号z（t）的振幅和相位维持在一稳定水平，当有气泡13经过第一超声波传感器时，第一返回信号z（t）的振幅和相位会发生变化，空泡率与接收信号z（t）的振幅和相位之间的函数关系可以记录为m（T）。一般来说，电解液11中的气泡越多、体积越大，第一返回信号z（t）的振幅和相位的衰减或偏移程度越大，根据第一返回信号z（t）的振幅和相位变化情况，可以获知电解液11中包含气泡的情况。
在示例性实施方式中，控制装置可以包括信号发射模块和信号接收模块；信号发射模块可以发出第一控制信号，信号接收模块可以将第一返回信号转化为第一检测信号后传给机器学习模块，以获得电解液在第一超声波传感器位置处的空泡率。第一检测信号可以为数字信号，将第一返回信号转化为第一检测信号的过程，例如可以包括放大、解调、检波等操作。
在示例性实施方式中，机器学习模块可以设置为利用空泡率计算模型得到空泡率数值。空泡率计算模型包括空泡率εins和第一检测信号的振幅及相位关系的算法程序，能够体现第一检测信号的振幅及相位与空泡率数值的对应关系，空泡率计算模型的输入数据可以包括第一检测信号，输出数据可以为电解液在第一超声波传感器位置处的空泡率。
在示例性实施方式中，空泡率计算模型可以为神经网络模型，例如卷积神经网络，神经网络模型的输入数据可以是第一检测信号的振幅及相位，神经网络模型的输出数据可以是电解液在第一超声波传感器位置处的空泡率。神经网络模型的样本数据可以是标注有空泡率的输入数据，例如，样本数据可以是利用光学相机获取的第一超声波传感器位置处电解液出口管3的截面图像，从该截面图像可以计算得到当前空泡率的具体数值。在神经网络模型的训练过程中，可以通过将神经网络模型输出的空泡率计算值与样本数据中标注的空泡率进行比较，在损失函数不满足收敛条件时调节神经网络中的参数设置，通过利用多组样本数据对神经网络模型不断进行训练，使得神经网络模型输出的空泡率计算值与样本数据中标注的空泡率越来越接近，从而实现将神经网络模型的损失函数降到最低，得到更准确的空泡率数值结果。在其它实施方式中，损失函数可以为均方差损失函数、交叉熵损失函数等，可以根据需要进行选择，空泡率计算模型可以为其它类型的神经网络模型或其它类型的机器学习模型，本申请对此不作限制。
在示例性实施方式中，空泡率计算模型可以保存在云端，机器学习模块可以随时进行调用，或者，空泡率计算模型可以保存在控制装置的指定位置，供机器学习模块读取。
在示例性实施方式中，空泡率计算模型的输入数据还可以包括电解液11的瞬时流速Vins。
本申请发明人经过研究发现，在对空泡率进行计算时，电解液11的瞬时流速会对空泡率的计算结果造成影响，本申请可以通过将电解液11的瞬时流速也作为空泡率计算模型的输入数据，在对空泡率计算模型进行训练后，可以得到更加准确的空泡率，极大提升了空泡率的准确性，具体训练过程可以参照上述实施例的描述，在此不再赘述。
在示例性实施方式中，气泡检测装置4还可以包括流量检测装置，设置为检测电解液11的瞬时流速，流量检测装置可以靠近第一超声波传感器设置且位于第一超声波传感器沿电解液流动方向的上游。在第一超声波传感器设置于电解液出口管3的情况下，流量检测装置沿电解液出口管3的轴向位于第一超声波传感器更靠近电堆单元1的一侧。在第一超声波传感器设置在电解液入口管2的情况下，流量检测装置沿电解液出口管3的轴向位于第一超声波传感器更靠近液罐的一侧。由于流量检测装置和第一超声波传感器靠近设置，得到的瞬时流速可以更贴近于第一超声波传感器处的实际情况。
在示例性实施方式中，控制装置还设置为发出第二控制信号以控制流量检测装置工作，以及接收流量检测装置的第二返回信号，根据第二返回信号计算电解液的瞬时流量及瞬时流速。
在示例性实施方式中，如图3所示，流量检测装置可以包括第二超声波换能器和第三超声波换能器。第二超声波换能器可以包括第二超声波发射换能器5和第二超声波接收换能器6，第二超声波发射换能器5和第二超声波接收换能器6在电解液出口管3的管壁外侧相对设置。第三超声波换能器可以包括第三超声波发射换能器7和第三超声波接收换能器8，第三超声波发射换能器7和第三超声波接收换能器8可以在电解液出口管3的管壁外侧相对设置。第三超声波发射换能器7和第三超声波接收换能器8可以位于第二超声波发射换能器5和第二超声波接收换能器6靠近第一超声波传感器的一侧。
在示例性实施方式中，在接收到第二控制信号后，第二超声波发射换能器5可以发射第二超声波信号T2（t），第二超声波信号T2（t）穿过管壁12、电解液11以及对侧管壁12后到达第二超声波接收换能器6，第二超声波接收换能器6将接收到的超声波信号转换为第二返回信号R1（t）并回传给处理装置。在接收到第二控制信号后，第三超声波发射换能器7可以发射第三超声波信号T3（t），第三超声波信号T3（t）穿过管壁12、电解液11以及对侧管壁12后到达第三超声波接收换能器8，第三超声波接收换能器8将接收到的超声波信号转换为第三返回信号R2（t）并回传给处理装置。第二超声波信号T2（t）、第二返回信号R1（t）、第三超声波信号T3（t）以及第三返回信号R2（t）均为与时间相关的函数。处理装置的信号接收模块在将第二返回信号R1（t）进行放大、解调、检波等处理后，得到第二检测信号X（t）。处理装置的信号接收模块在将第三返回信号R2（t）进行放大、解调、检波等处理后，得到第三检测信号Y（t）。随后，处理装置可以分别对第二检测信号X（t）和第三检测信号Y（t）采用二次抛物线差值算法进行运算，得到差值后的信号x（t）和y（t）；随后，处理装置可以采用零点穿越法对差值后的信号x（t）和y（t）进行相关运算，得到传输时间T。
已知第二超声波发射换能器5和第三超声波发射换能器7之间的距离为L，在得到传输时间T后，可以利用公式一计算电解液的瞬时流速Vins：
Vins=L/T 公式一
随后，已知电解液出口管3的截面积为Sstack，可以利用公式二计算得到电解液的瞬时流量Qins：
Qins= Sstack* Vins 公式二
在示例性实施方式中，利用超声波测量流量的方法包括传播速度差法（包括：时差法、相位差法、频差法）、多普勒法、相关法、波束偏移法等，上述实施例所示为采用相关法测量电解液的流量。这种测量方法具有抗干扰性强、精度高等优点。在其它实施方式中，测量电解液流量的具体算法可以与上述实施例不同，也可以采用其它方式检测电解液11的瞬时流速，例如可以采用非超声波体系的测量方法，本申请对此不作限制。
在示例性实施方式中，液流电池气泡检测装置还包括流量调节装置，设置为调节电解液的流速；控制装置还设置为发出第三控制信号以控制流量调节装置工作。
在示例性实施方式中，控制装置还设置为向流量调节装置发出第三控制信号，以控制电解液的瞬时流量位于预设的第一阈值范围内。可以根据需要设置第一阈值范围，本申请对此不作限制。
本申请发明人经过研究发现，电解液进入电堆单元的流量大小直接影响到电堆单元的反应效率，电堆单元能够为电解液提供的反应界面的面积是一定的，在电解液流量过小的情况下，反应界面不能得到充分利用，会降低液流电池的工作效率。而在电解液流量过大的情况下，会有一部分活性物质未参加充放电反应即返回到液罐，使得活性物质不能得到充分利用，也会降低液流电池的工作效率。可见，电解液的流量过大或过小均不利于液流电池的工作效率。另外，电解液的流量过大会对整个循环管路、电堆单元内部的机械结构带来巨大的运行压力，会降低电堆单元的使用寿命。
在本实施方式中，通过事先设置第一阈值范围，在电解液的瞬时流量位于第一阈值范围内的情况下，可以保证反应界面和活性物质均得到充分利用，液流电池的工作效率保持最高，且不会对机械结构造成过大的冲击。在检测到电解液的流量位于第一阈值范围之外时，可以通过流量调节装置调节电解液的流量，有助于保持液流电池的工作效率，也能够延长电堆单元的使用寿命，提前对液流电池的运行状态进行调整，有助于降低液流电池的运维成本。
在液流电池正常运行的状态下，电堆单元能够提供的反应面积是一定的，理论上能够得到单位反应面积所对应的最佳电流密度，根据该最佳电流密度以及液流电池的化学反应公式可以确定参与反应所需活性物质的量，而单位体积的电解液所包含的活性物质的量也是一定的，据此可以得出液流电池的最佳电解液流量，在实际应用中，由于电解液包含的活性物质可能存在浓度波动，可以预先设置电解液的效率系数值，该效率系数值与最佳电解液流量的乘积即为本液流电池的电解液流量理论值。可以对电解液流量理论值进行适度扩大或缩小后，得到上述第一阈值范围，本申请对第一阈值范围的计算方式及具体数值设置不做限制。在示例性实施方式中，控制装置还设置为在空泡率大于或等于第二阈值时，对液流电池的运维进行干预，具体的干预手段包括：调节电解液流速以冲刷掉附着在电堆单元反应界面的气泡，或者，控制电解液进入气泡去除装置以去除气泡，气泡去除装置例如可以通过超声波震荡、真空增压等手段去除电解液中的气泡，本申请对具体的运维调节方式不作限制。
在示例性实施方式中，第二阈值例如可以为1.5%，在检测到空泡率大于或等于1.5%时，启动气泡去除装置对电解液进行除气，在检测到空泡率小于或等于第三阈值时，可以判断完成除气，关闭气泡去除装置。第三阈值例如可以设置为0.5%。在实际应用中，可以根据需要设置第二阈值和第三阈值，本申请对此不作限制。
本申请实施例提供的液流电池气泡检测装置可以布置在电堆单元出口处的管壁上，沿电解液流动方向可以依次布置有三对超声波换能器，超声波换能器是产生、发射及接受超声波的装置，利用前两对超声波换能器可以通过相关法计算出电解液的瞬时流量，并可以进一步得到电解液的瞬时流速，利用后面一对超声波换能器的返回数据及电解液的瞬时流速可以确定电解液中的气体体积含量。
可以通过超声波实时检测电解液进出电堆单元的瞬时流量，以掌握电堆单元的运行情况，控制装置可以利用检测到的瞬时流量，通过预设的运算与控制策略，闭环控制流量调节装置（如循环泵），从而能够实时的、动态的调整电解液进出电堆单元的瞬时流量，使瞬时流量可以一直稳定在电堆单元产生反应所需的理想流量，从而保持电堆单元持续高效率运行，且电堆单元的内部各零部件受到电解液的冲击力度不会过大，有助于延长电堆单元的机械寿命。
可以通过超声波实时检测电解液中的空泡率εins ，能够对电解液的状态进行实时监测与掌握，同时空泡率εins 也能够反应出电堆充放电的瞬时状态，能够看到是否有析氢等反应产生，可以通过一定的算法，利用不间断的空泡率检测对电堆单元的运行趋势、剩余寿命、健康状况等进行科学预测，从而能够提前介入运维，以免事故问题扩大化，有助于降低运维成本。
图5为液流电池气泡检测装置的信号传输原理示意图。如图5所示，控制装置可以为单片机，例如可以为ARM处理器STM32，超声波发射换能器的型号可以为UCM40T、超声波接受换能器的型号可以为UCM40R，信号发射模块50可以包括超声波驱动电路，信号接收模块60可以包括滤波电路、放大电路、解调电路等电路。机器学习模块可以存储在程序存储器，程序存储器能够与ARM处理器STM32进行数据传输，数据存储器可以存储信号接收模块接收到的数据以及机器学习模块的输出数据等。ARM处理器STM32可以与显示装置连接，以便于将需要显示的数据输出给显示装置。ARM处理器STM32可以通过通信接口与外界进行通信，可以与flash存储器连接，以便于在液流电池气泡检测装置断电后数据不会丢失。
在控制装置控制超声波传感器（包括第一超声波传感器及流量检测装置的超声波换能器）工作时，单片机ARM处理器STM32通过内部时钟震荡产生脉冲信号，通过DAC+DMA配置输出频率为3MHz的正弦波，该正弦波作为激励信号在经过超声波驱动电路50的功率放大后传递给超声波发射换能器，超声波发射换能器利用内置的压电陶瓷将电信号转化为超声波发射出去，超声波接受换能器接收到相应信号。具体信号的处理过程可以参照上述实施例中的描述，在此不再赘述。
本申请实施例还提供了一种液流电池气泡检测系统，包括液流电池和上述实施例中所述的液流电池气泡检测装置。
本申请实施例还提供了一种液流电池气泡检测方法，液流电池包括：液罐、电堆单元、电解液进口管和电解液出口管，电解液进口管设置为使电解液从液罐流入电堆单元，电解液出口管设置为使电解液从电堆单元流入液罐；所述方法包括：
控制装置发出第一控制信号并接收第一返回信号；
第一超声波传感器接收第一控制信号后工作，并返回第一返回信号；
控制装置根据第一返回信号获得电解液在第一超声波传感器位置处的气体含量。
本申请实施例提供的液流电池气泡检测方法，控制装置通过控制第一超声波传感器工作，根据第一超声波传感器的第一返回信号能够得到电解液在第一超声波传感器位置处的气体含量，可以实现对电解液中的气体含量进行检测，从而获知电解液中溶解气体的多少，便于对液流电池的工作状态进行整体把控，在发生问题之前介入液流电池的运维，极大降低了液流电池的运维成本，延长了液流电池的使用寿命。
本申请实施例的液流电池气泡检测方法应用于上述实施例中所述的液流电池气泡检测装置，具体步骤和效果参见对上述液流电池气泡检测装置的描述，在此不再赘述。
本申请实施例还提供了一种计算机可读存储介质，存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于执行如上所述的液流电池气泡检测方法。
虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化。

Claims (10)

1.一种液流电池气泡检测装置，液流电池包括：液罐、电堆单元、电解液进口管和电解液出口管，所述电解液进口管设置为使电解液从所述液罐流入所述电堆单元，所述电解液出口管设置为使电解液从所述电堆单元流入所述液罐；所述液流电池气泡检测装置包括：
第一超声波传感器，设置在所述电解液进口管的管壁外侧及所述电解液出口管的管壁外侧的至少之一；
控制装置，设置为发出第一控制信号以控制所述第一超声波传感器工作，以及接收所述第一超声波传感器的第一返回信号；所述控制装置包括信号接收模块和机器学习模块，所述信号接收模块设置为接收所述第一返回信号，并将所述第一返回信号转化为第一检测信号后发送给所述机器学习模块；所述机器学习模块设置为根据所述第一返回信号以及电解液的瞬时流速获得电解液在所述第一超声波传感器位置处的空泡率；所述机器学习模块包括空泡率计算模型，所述空泡率计算模型的输入数据包括电解液的所述瞬时流速、所述第一检测信号的振幅和相位，所述空泡率计算模型的输出数据包括电解液在所述第一超声波传感器位置处的空泡率；
流量检测装置，所述流量检测装置靠近所述第一超声波传感器且位于所述第一超声波传感器沿电解液流动方向的上游，设置为检测电解液的瞬时流量；所述控制装置还设置为发出第二控制信号以控制所述流量检测装置工作，以及接收所述流量检测装置的第二返回信号，根据所述第二返回信号计算电解液的所述瞬时流量及所述瞬时流速。
2.根据权利要求1所述的液流电池气泡检测装置，其特征在于，所述控制装置，设置为每经过第一时间段发出所述第一控制信号。
3.根据权利要求2所述的液流电池气泡检测装置，其特征在于，所述第一控制信号在第二时间段内持续输出。
4.根据权利要求1所述的液流电池气泡检测装置，其特征在于，所述流量检测装置包括至少两对超声波换能器，至少两对所述超声波换能器设置在所述电解液进口管的管壁外侧及所述电解液出口管的管壁外侧的至少之一。
5.根据权利要求4所述的液流电池气泡检测装置，其特征在于，所述超声波换能器和所述管壁之间涂覆有声波传导耦合剂。
6.根据权利要求4所述的液流电池气泡检测装置，其特征在于，所述液流电池气泡检测装置还包括流量调节装置，设置为调节电解液的流速；
所述控制装置还设置为发出第三控制信号以控制所述流量调节装置工作。
7.根据权利要求6所述的液流电池气泡检测装置，其特征在于，所述控制装置还设置为向所述流量调节装置发出第四控制信号，以控制电解液的瞬时流量位于预设的第一阈值范围内。
8.一种液流电池气泡检测系统，其特征在于，包括液流电池以及如权利要求1至7中任一项所述的液流电池气泡检测装置。
9.一种液流电池气泡检测方法，其特征在于，液流电池包括：液罐、电堆单元、电解液进口管和电解液出口管，所述电解液进口管设置为使电解液从所述液罐流入所述电堆单元，所述电解液出口管设置为使电解液从所述电堆单元流入所述液罐；所述方法包括：
控制装置发出第一控制信号并接收第一返回信号，以及发出第二控制信号并接收第二返回信号，根据所述第二返回信号计算电解液的瞬时流量及瞬时流速；
第一超声波传感器接收所述第一控制信号后工作，并返回所述第一返回信号；
流量检测装置接收所述第二控制信号后工作，并返回所述第二返回信号；
所述控制装置包括信号接收模块和机器学习模块，所述信号接收模块设置为接收所述第一返回信号，并将所述第一返回信号转化为第一检测信号后发送给所述机器学习模块；所述机器学习模块设置为根据所述第一返回信号以及电解液的所述瞬时流速获得电解液在所述第一超声波传感器位置处的空泡率；所述机器学习模块包括空泡率计算模型，所述空泡率计算模型的输入数据包括电解液的所述瞬时流速、所述第一检测信号的振幅和相位，所述空泡率计算模型的输出数据包括电解液在所述第一超声波传感器位置处的空泡率；
所述第一超声波传感器设置在所述电解液进口管的管壁外侧及所述电解液出口管的管壁外侧的至少之一；所述流量检测装置靠近所述第一超声波传感器且位于所述第一超声波传感器沿电解液流动方向的上游，设置为检测电解液的所述瞬时流量。
10.一种计算机可读存储介质，存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于执行权利要求9所述的液流电池气泡检测方法。
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