全钒液流储能系统的电量信息采集装置、方法及电量检测方法与流程

本申请涉及液流电池领域，特别地，涉及全钒液流储能系统的电量信息的采集和检测。

背景技术

全钒液流电池(vanadiumredoxflowbattery，vrb)是一种以钒为活性物质呈循环流动液态的氧化还原电池，1985年由澳大利亚新南威尔士大学的marriakacos提出，经过三十多年的研发，钒电池技术已经趋近成熟，大功率的钒电池储能系统已投入实用，目前是最成熟的液流电池技术。如图1所示，全钒液流电池主要由电极10、隔膜11、电解液储罐12、泵13等构成，14为负载或者充电电源，当14为负载时为放电状态，工作时在循环泵的作用下，正负极电解液流经对应的电极，正极电解液中的v2+被氧化为v3+，负极电解液中的v5+被还原为v4+。同时电子沿外电路从阳极迁移到阴极，从而将储存于电池中的能量释放出来供用户使用。当14为充电电源时是充电状态，相应地电解液各价态也对应地发生变化，将能量储存于电池中。电池运行的整个过程都是在常温常压下运行，电解液为水溶液，且反应过程只涉及钒离子价态的变化，电解液可以循环再生，没有有害物质的生成。因此，与常用的蓄电池和锂离子电池等相比，全钒液流电池是一种安全、环保、低成本的电化学储能技术。

由于单独的钒流体在不同价态下显示出不同的颜色，根据全钒液流储能技术的工作过程介绍，从颜色的识别上应该就能够区分出正极电解液和负极电解液，然而电解液不是完全纯粹的钒离子，其中含有硫酸等酸性液体，这使得实际系统中的电解液颜色难以直观地区分，由此导致无法实时地从这些电解液中判断出离子浓度，进而也无法实时地判断钒流体储能装置所含电量。

技术实现要素：

本申请解决的技术问题是提供一种全钒液流储能系统的电量信息采集装置、方法及电量检测方法，能够实时地检测全钒液流储能系统所含电量。

为解决上述技术问题，根据本发明的第一方面，提供了一种全钒液流储能系统的电量信息采集装置，其特征在于，包括一个或多个子装置，所述子装置包括外壳以及位于外壳中的比色皿、光源、颜色传感器、开关部件和通讯部件，所述储能系统中的电解液从位于比色皿一端的入口流入，从位于比色皿另一端的出口流出；

所述光源位于比色皿的一侧，用于照射比色皿中的电解液；

所述颜色传感器位于比色皿的另一侧，用于根据通过电解液和比色皿后的光线生成颜色数据，并将所述颜色数据发送至通讯部件；

所述开关部件与光源连接，用于控制所述光源的开启和关闭；

所述通讯部件与颜色传感器连接，用于接收所生成的颜色数据并向外发送。

可选地，所述外壳采用非透光材料；所述光源为led光源；所述比色皿为玻璃器皿。

可选地，所述开关部件还用于连接外部电源，将外部电源转化为给定功率电源并提供给光源；所述通讯部件还用于为颜色传感器提供工作电源。

可选地，所述开关部件还用于生成光源强度数据并发送至所述通讯部件；所述通讯部件还与开关部件连接，用于接收所述光源强度数据并向外发送。

可选地，所述子装置为多个，且分为串联连接的多个组，每个组中包括并联连接的多个子装置。

可选地，不同组的子装置之间具有不同的光源强度或者不同的比色皿厚度，同组的子装置具有相同的光源强度和比色皿厚度。

根据本发明的第二方面，提供了一种使用第一方面所述的装置采集电量信息的方法，包括：

在每个子装置中，开关部件开启光源；

光源照射比色皿中的电解液；

颜色传感器采集通过电解液和比色皿后的光线，生成颜色数据，发送至通讯部件；

开关部件生成光源强度数据，发送至通讯部件；

通讯部件接收所生成的颜色数据和光源强度数据并发送。

根据本发明的第三方面，提供了一种全钒液流储能系统，包括根据第一方面所述的电量信息采集装置。

根据本发明的第四方面，提供了一种全钒液流储能系统的电量检测方法，包括：

接收根据第一方面所述的电量信息采集装置发送的数据，所述数据包括所述储能系统中电解液的颜色数据和光源强度数据；

获取比色皿厚度数据；

将所述颜色数据、光源强度数据和比色皿厚度数据与标准数据样本进行对比分析，得到分析结果；

根据所述分析结果得到电量信息。

可选地，在接收所述电量信息采集装置发送的数据之前还包括：基于已知钒离子浓度的电解液建立标准数据样本；

所述分析结果为电解液中的钒离子浓度。

本申请的电量信息采集装置和方法通过设置光源照射比色皿中的电解液，并使用颜色传感器感测穿过电解液和比色皿的光线的颜色参数，从而能够实时地监控电解液中的离子浓度情况，即实时采集到全钒液流系统的电量信息。进一步地，本申请的电量信息采集装置还可以提供与颜色数据相关联的光源强度数据，从而提升离子浓度监控的准确性；进一步地，本申请的电量检测方法利用标准数据样本与采集到的颜色数据和光源强度数据对比分析，可以实时、快速地得到电量信息；进一步地，利用大数据的思想，本申请的电量信息采集装置设置串联的多个子装置分组，每个分组包括多个子装置，可以采集得到不同光源强度和比色皿厚度条件下的颜色数据，从而扩大了数据空间，能够实现更为精确地电量检测。

本发明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，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，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发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。

图1为全钒液流电池的结构图；

图2为本申请的电量信息采集装置中子装置的示意图；

图3为使用本申请的装置采集电量信息的方法流程图；

图4为本申请的电量检测方法的流程图；

图5为实施例一的电量信息采集装置示意图；

图6为实施例二的电量信息采集装置示意图；

图7为本发明一个实施例的标准数据样本获取方法；

图8为本发明一个实施例的电量检测方法的流程图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

本申请提供了一种全钒液流储能系统的电量信息采集装置，包括一个或多个子装置。图2示出了所述子装置的结构，其包括外壳24以及位于外壳中的比色皿22、光源21、颜色传感器23、开关部件25和通讯部件26，电解液从位于比色皿22一端的入口流入，从位于比色皿22另一端的出口流出；所述光源21位于比色皿22的一侧，用于照射比色皿22中的电解液；所述颜色传感器23位于比色皿22的另一侧，用于采集通过电解液和比色皿22后的光线，生成颜色数据，并将所述颜色数据发送至通讯部件26；所述开关部件25与光源21连接，用于控制所述光源21的开启和关闭；所述通讯部件26与颜色传感器23连接，用于接收所生成的颜色数据并对外发送。

可选地，由于该系统对于光源比较敏感，因此外壳采用非透光材料；

可选地，所述光源21为led光源，其供电电压在3-10v可调；

可选地，由于电解液需从比色皿22中流过，所述比色皿22采用耐腐蚀材质，例如玻璃器皿，比色皿22可以为管道形状，管道的出入口横截面面积可以小于管道其它部分的横截面积；

可选地，各种颜色是由不同比例的三原色(红、蓝、绿)混合而成的。因此颜色传感器将会采集到每个子装置实时的三原色数据，即颜色数据包括r\g\b三个值(红\绿\蓝)。

可选地，所述开关部件25还用于连接外部电源，例如外部交流220v/380v或者直流供电，并将外部电源转化为给定功率电源并提供给光源21；

可选地，所述通讯部件26还用于为颜色传感器23提供工作电源。

可选地，所述开关部件25还用于生成电源强度数据并发送至通讯部件26，所述电源强度数据例如电压和电流数据、光源21的输出功率等；所述通讯部件26还与开关部件25连接，用于接收电源强度数据并对外发送。

可选地，其中通讯部件26的通讯方式采用无线方式，包括蓝牙、wifi、gprs和nb-iot等；

可选地，所述通讯部件将颜色数据和电源强度数据发送至控制系统(未示出)，所述控制系统典型地为笔记本、电脑或者服务器等，用于根据接收到的电量信息数据进行分析。

可选地，开关部件25还具备可被控制开启和关闭的功能，通讯部件26用于接收工作指令，并将指令传递给开关部件25。所述工作指令可以来自于控制系统，包括启动指令和关闭指令。例如，当开始使用全钒液流储能系统时，控制系统生成启动指令并将其传输至通讯部件26，通讯部件26将该指令发送至开关部件25，以开启开关部件25，从而电源供应至光源21，使得光源21被打开；当不再使用全钒液流储能系统时，控制系统生成关闭指令并将其传输至通讯部件26，通讯部件26将该指令发送至开关部件25，以关闭开关部件25，从而关闭电源供应，使得光源21也关闭。

为了尽可能的排除掉外界干扰，光源21、比色皿22和颜色传感器23的摆放要采用贴触式，即光源21的灯罩紧贴在比色皿22的一侧，颜色传感器23紧贴在比色皿22的另一侧；比色皿22的长度要大于光源21的灯罩与其贴合的长度；颜色传感器23的位置要参考光源21的位置，尤其是传感器芯片要与光源21内部灯源的位置对应。

根据本发明的一个实施例，提供了一种全钒液流储能系统，包括上述的电量信息采集装置。按照图1的结构，采集装置的位置可以选择在“电解液储罐”部件与“泵”部件之间，也可以选择在“电极”部件与“泵”部件之间，也可以选择在“电极”部件与“电解液储罐”部件之间，无论装置放在哪两个部件之间，电解液均通过装置对外的接口流入及流出。

根据本申请的一个实施例，提供了使用上述的装置采集电量信息的方法，包括：

s31、在每个子装置中，开关部件开启光源；

所述开关部件控制光源开启可以通过手动的方式，或者开关部件还具备可被控制开启和关闭的功能。例如由通讯部件接收工作指令，并将指令传递给开关部件，所述工作指令可以来自于控制系统，包括启动指令和关闭指令。例如，当开始使用全钒液流储能系统时，控制系统生成启动指令并将其传输至通讯部件，通讯部件将该指令发送至开关部件以开启开关部件，从而电源供应至光源，使得光源被开启。

s32、光源照射比色皿中的电解液；

s33、颜色传感器采集通过电解液和比色皿后的光线，生成颜色数据，发送至通讯部件；开关部件生成光源强度数据，发送至通讯部件；

所述光源强度数据也可以在开关部件开启时即生成并发送至通讯部件；或者是在工作一段时间后生成光源强度数据。

s34、通讯部件接收所生成的颜色数据和光源强度数据并发送。

图4示出了根据本申请的电量检测方法的流程，该方法可选地由控制系统实施，包括：

s41、接收所述电量信息采集装置发送的数据，所述数据包括所述储能系统中电解液的颜色数据和光源强度数据；

s42、获取比色皿厚度数据；

所述比色皿厚度数据对于每个子装置是固定的，其可以预先存储在电量信息采集装置中或控制系统中。当预先存储在电量信息采集装置中时，可以由通讯部件将子装置的比色皿厚度数据与其颜色数据、电源强度数据一起发送至控制系统；当预先存储在控制系统中时，可以由通讯部件发送该子装置的唯一编号，根据编号查找得到与颜色数据、电源强度数据对应的子装置的比色皿厚度数据。

s43、将所述颜色数据、光源强度数据和比色皿厚度数据与标准数据样本进行对比分析，得到分析结果；

在标准数据样本中，已经记载有特定光源强度数据和比色皿厚度数据条件下，颜色数据与电解液中钒离子浓度的对应关系。标准数据样本可以为多个数据表单，在获得所述颜色数据、光源强度数据和比色皿厚度数据后，首先根据比色皿厚度数据和光源强度数据查找对应的表单，再根据该表单中记载的颜色数据与钒离子浓度的对应关系，确定接收到的颜色数据对应的钒离子浓度。

s44、根据所述分析结果得到电量信息。

可选地，将钒离子浓度变换为百分比形式的电量信息，以便实时地呈现与监控。

可选地，在接收所述电量信息采集装置发送的数据之前还包括：基于已知钒离子浓度的电解液建立标准数据样本；所述分析结果为电解液中的钒离子浓度。

实施例一

图5示出了本发明的电量信息采集装置的一个实施例。该实施例中的电量信息采集装置包括一个子装置，电量信息采集装置的入口和出口分别连接子装置中比色皿的入口和出口。当使用时，开关部件打开光源，电解液流入电量信息采集装置后，流经比色皿，再从装置的出口流出。当电解液流过比色皿的时候，光源发出的光线穿过电解液和比色皿，照射到比色皿另一侧的颜色传感器上，颜色传感器生成颜色数据，传送至通讯部件，同时开关部件生成供应给光源的电压、电流数据并计算输出功率，将上述数据作为光源强度数据也传送至通讯部件，通讯部件将接收到的颜色数据和光源强度数据均发送至控制系统，控制系统将所述数据与标准数据样本相比较，判断该液流储能系统的电量情况。其中标准数据样本存储有特定光源强度下，颜色数据与钒离子浓度的对应关系。

可选地，虽然该实施例中仅有一个子装置，但其中光源强度是可以在控制下改变的，例如首先以第一光源强度照射电解液，得到第一颜色数据，再以第二光源强度照射电解液，得到第二颜色数据，以此类推可以得到多组光源强度数据和颜色数据，从而避免一组数据可能存在检测的误差。但由于电解液中钒离子浓度也在变化，应在短时间内(例如10秒内)获取多组数据。

虽然实施例一以包括一个子装置的电量采集装置为例进行了说明，但电量采集装置可以包括多个子装置，该多个子装置可以串联地连接、并联地连接或者部分串联、部分并联地连接。在具有多个子装置的情况下，不同子装置可以具有不同的参数，例如为光源提供的电力强度不同、比色皿的厚度不同，不同的光源强度下，颜色传感器的采样值是不一样的，对于同一种浓度的液体，在光源强度基本一致下，不同的比色皿厚度也会使得颜色传感器采样出不同的值；电解液的流动是通过部件“泵”来实现的，泵的流量在实际中是可设计的已知量，在多个子装置具有不同的连接方式情况下，流经比色皿的液体流速也会不同。在多个子装置的情况下，可以提供更多类型的数据信息，从而有助于更为准确地判断电量情况。

实施例二

图6示出了本发明的电量信息采集装置的另一个实施例。该实施例中的电量信息采集装置包括多个子装置，其被划分为串联连接的多个组a、b、c……，每个组中包括并联连接的多个子装置，如a1、a2、a3等。各组中子装置的数量可以不同，每一次电解液从汇聚到分流的分支数量可以相同也可以不同。不同组的子装置之间具有不同的光源强度和/或不同的比色皿厚度，例如a1与b1的光源强度相同，而比色皿厚度分别设为不同值，或者a1与b1的光源强度不同，而比色皿厚度为相同值；而同组的子装置具有相同的光源强度和比色皿厚度，例如a1和a2具有完全相同的属性，这样，在同组内得到的多个数据可以相互比较以减少误差，提高监控精度；当然，同组的子装置也可以具有不同的光源强度和/或比色皿厚度，这样就能够在有限的装置空间内进一步增加了用于分析的数据量，兼顾装置尺寸与监控准确性的要求。

下面结合实施例二，对本发明进行进一步阐释。

全钒液流储能系统中，电解液的流动是通过部件“泵”来实现的，泵的流量在实际中是可设计的已知量，我们用l(a)(升)/(分钟)来表示流过a组子装置时的总流速，相应的流过每一组子装置时的总流速都由l(子装置组的标示)(升)/(分钟)来表示。

任何一组的子装置比色皿的厚度是已知量，因此我们可以根据数量和厚度来计算每个子装置来分担的流量，此时流量的确定计算与光源无关，只考虑总流量和厚度即可。这里考虑两种情况：如果一组的子装置的厚度是一致的，那么每个子装置内部电解液的流速＝l(子装置的标示)(升)/(分钟)/子装置的数量；如果一组子装置的厚度不一致，那么根据总装置图可知，为了保证进出流量一致，总流量将根据不同厚度进行比例分配，即流过某个子装置的流速＝l(子装置的标示)(升)/(分钟)×(某个子装置的厚度)/(所有子装置厚度总和)；因此，根据我们提出的装置总图，流过每一个子装置的流速可以表示为g(u,v),其中u表示子装置组的标示(例如a,b,…,z)；v表示子装置在该子装置组的位置，如图6所示，对于a组，v的取值范围是[1,a]的整数。同样的，对于每一个子装置，我们可以用p(u,v)表示其厚度。

在考虑流速g(u,v)和厚度p(u,v)的基础之上，我们对于光源强度的设定可以根据提供的电压和流过的电流来确定，即对于每一个子装置，我们有光源强度表示f(u,v)。为了安装和设计生产便利，对于每一个发光部件，我们都设置了同样数量和类型的led，这样通过变化供电电压就能够改变其供电强度，进而改变其发光能力的特性，所以光源强度f(u,v)可以近似的表示为与供电电压相对应的函数(led的发光启动与其供电电压特性相关)。

因此，构建了一个三维数据，即f(u,v)，p(u,v)和g(u,v)，其可构建一个三维数据空间，我们用d(f(u,v)，p(u,v),g(u,v))来表示该空间。该空间对应的实际系统的意义可以被表述为在一定的光照条件f(u,v)下，电解液按照流速g(u,v)流过厚度为p(u,v)的采集系统。从该空间的表述可知，其三维数据空间构建了整个分析的“条件空间”。

此时考虑子装置的颜色传感器，将会采集到每个子装置在“条件空间”下实时的三原色数据，即r\g\b三个值(红绿蓝)，用rgb(u,v)来表示，这个数据就是整个分析的“结论空间”。

在整个全钒液流系统运行过程当中，只有电解液的浓度在充放电过程中不断地进行变化，所以其变化将构建出“条件空间”与“结论空间”之间的映射关系。因此，最终能够得到如下的函数关系：rgb(u,v)＝j(d(f(u,v)，p(u,v),g(u,v)),α),j表示在考虑钒离子实时浓度α情况下的条件空间d(f(u,v)，p(u,v),g(u,v))与结论空间rgb(u,v)的映射关系。

根据设计的系统结构和函数关系：rgb(u,v)＝j(d(f(u,v)，p(u,v),g(u,v)),α)可以按照如下方式训练数据样本：针对已知浓度的电解液，搭建有限个不同厚度的子装置，针对每个子装置分别模拟不同的流量变化、不同的光源变化，进而对已知浓度的电解液进行数据样本的建立，改变电解液浓度继续重复该过程，从而完成全钒液流正负极两侧不同钒离子价态比例的大数据样本的建立，该大数据样本即作为检测电量信息的标准数据样本。

图7示出了本发明一个实施例的标准数据样本获取方法，一般来讲我们最开始选取的是厚度最大的子模块；将已知浓度电解质送入最小化的循环装置，光源设定为最小值，流量设定为最大值；在此基础之上开始采集数据，如果此时rgb的值差距明显，没有接近数据划分的极限值，例如颜色划分为整数在很多传感器是整数0至65536，如果三个值都接近极限，那么就等久颜色被遮挡，系统采样的数值没有识别出来。此时开始加大光源强度，如果加大依然没有明显改善的话，在达到最大光源的前提下，减少流量值，但是如果达到设定的最小流量也无法区分的话，就只能用更薄的子模块重新对该浓度的液流进行数据采集。当所有不同浓度液流采集结束之后，系统的数据样本也构建完毕。

图8示出了本发明一个实施例的电量信息检测方法的流程，该方法是建立在作为标准数据样本的大数据样本已经获得的基础之上，包括：

首先控制系统会判断工作状态是否正常(s81)，因此在启动阶段的初始化时控制系统会采集每个子模块的状态，用以判断是否能够进入正常的工作流程。如果发现采集的各子模块中有工作状态不正常的情况，那么系统将报警并识别出具体工作不正常的模块。当发现整个系统的运行状态正常时，则开始进行实际运行采集(s82)，接收所述电量信息采集装置发送的电解液的颜色数据和光源强度数据，获取比色皿厚度数据。接下来将采集的数据与已经建立好的大数据样本库进行数据对比(s83)，根据电解液中离子浓度变化的趋势和曲线，得到正负极的钒离子浓度(s84)，即根据函数rgb(u,v)＝j(d(f(u,v)，p(u,v),g(u,v)),α)，可以求出离子浓度α的值，该离子浓度与剩余电量是对应的，根据离子浓度α的值可以得出百分比形式的剩余电量并显示(s85)。当剩余电量判断接近0或者接近100％，那么系统将报警，并关闭整个系统用以防止过充或者过放导致的系统损伤(s86)。否则，将继续步骤s82，持续实时监控电量信息。

通过上述实施例，本申请的电量检测方法利用标准数据样本与采集到的颜色数据和光源强度数据对比分析，可以实时、快速地得到电量信息；进一步地，利用大数据的思想，可以采集得到不同光源强度和比色皿厚度条件下的颜色数据，从而增加了用于分析的数据量，实现更为精确地电量检测。

在本申请的描述中，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“具体实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

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，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。