本發明涉及一種鋰電池系統教學裝置和鋰電池系統教學演示方法，特別是用于純電動車的鋰電池系統教學裝置和鋰電池系統教學演示方法。

背景技術：

下面的背景技術用于幫助讀者理解本發明，而不能被認為是現有技術。

動力鋰電池目前已經在儲能、電動汽車及智能電網中廣泛應用，然而卻未有一款自動化程度高，性能演示全面的鋰電池教學演示系統引入課堂教學與實驗過程中。

目前的鋰電池教學演示裝置常需教師臨時搭建，裝置簡陋，自動化程度低，并且功能簡單，只能演示鋰電池的充放電曲線、容量測定等性能，而鋰電池的其他重要特性，包括溫度特性、倍率特性、內阻特性、不同正極材料鋰電池特性比較等方面卻未有涉及，從而導致無法展示鋰電池的完整特性。

技術實現要素：

本發明針對現有技術的不足提出了一種鋰電池系統教學裝置，該裝置除演示鋰電池的充放電曲線、容量標定外，還可以實現不同溫度、不同倍率下的鋰電池特性演示，鋰電池內阻測量演示，不同材料的鋰電池特性演示等功能，實現鋰電池特性的完整演示。

具體來說，本發明的一種鋰電池系統教學裝置，用于介紹鋰電池系統時的教學演示，其中，鋰電池系統教學裝置包括鋰電池系統和顯示板，所述顯示板連接在鋰電池系統上；所述顯示板上包括人機交互顯示屏，鋰電池示意圖，控制開關；所述鋰電池系統包括鋰電池組，電池管理系統，充電機，負載和溫度控制系統；其中，電池管理系統分別與充電機、顯示屏和溫度控制系統之間通信交互。

一些實施方式中，電池管理系統用于采集電池單體電壓、溫度、電流等參數，監測荷電狀態，對電池的過充、過放、過溫等故障控制。

另一些實施方式中，電池管理系統還用于實現不同倍率、不同溫度下的電壓曲線描繪，電池容量標定，電池內阻測量以及對不同電池正極材料的電壓、電流、溫度的特性比較。

整個教學裝置采用分布式架構的電池管理系統(Battery Management System，BMS)管理，主要負責電池單體電壓、溫度、電流等基本參數采集，荷電狀態(State-of-Charge，SOC)等的狀態估計，過充、過放、過溫等故障控制，與充電機、顯示屏等的通信交互，溫控系統的控制等，主要實現不同倍率、不同溫度下的電壓曲線描繪，電池容量標定，電池內阻測量，不同電池正極材料的電壓、電流、溫度特性比較等功能。

裝置中，充電機采用PFC鋰電充電機，與BMS進行信息交互，并通過市電為鋰電池充電，負載采用大功率電阻。

一些實施方式中，溫度控制系統由PTC加熱帶和風扇組成；溫控系統制熱時，PTC加熱帶與風扇同時開啟；溫控系統制冷時僅風扇開啟。通過顯示屏設定溫度后，BMS通過開啟PTC加熱帶或風扇改變鋰電池溫度。

一些實施方式中，顯示屏用于接收電池管理系統信息，以及設定電池管理系統狀態保護參數、溫控參數、電池測量流程等。

一些實施方式中，控制開關包括強行切斷開關和電池充放電開關。強行切斷開關可以實現系統強制保護功能，電池充放電開關完成電池的充放電手動控制。

一些實施方式中，電池示意圖包括電池原理圖和鋰電池成組方式示意圖。電池原理圖通常包括圓柱形卷繞式與方形疊片式電池原理圖，鋰電池成組方式示意圖顯示鋰電池串并聯成組方式。電池示意圖供講解演示。

一些實施方式中，顯示板上還包括電池測量點；所述電池測量點將鋰電池及電池管理系統中需要測量的參數通過導線引到顯示板上；所述電池測量點連接萬用表或者示波器。

一些實施方式中，鋰電池組包括磷酸鐵鋰電池與錳酸鋰電池；磷酸鐵鋰與錳酸鋰均為12串，串聯后組成24串鋰電池組。為了比較不同鋰電池特性，電池部分采用磷酸鐵鋰與錳酸鋰兩種正極材料。

另一方面，本發明還提供一種鋰電池系統教學演示方法，包括鋰電池系統教學裝置，該裝置包括具有鋰電池組，電池管理系統，充電機，負載和溫度控制系統的鋰電池系統和連接在鋰電池系統上的顯示板，顯示板上包括人機交互顯示屏，鋰電池示意圖和控制開關，其中，電池管理系統分別與充電機、顯示屏和溫度控制系統之間通信交互；其步驟如下：

a啟動鋰電池系統教學裝置，對鋰電池充電，鋰電池充滿電后，靜置30分鐘；

b在充電及靜置的過程中，打開顯示板上的電池示意圖，查閱并演示電池原理圖和鋰電池成組方式示意圖；

c通過顯示屏設定鋰電池工作溫度、放電截止電壓、放電電流等參數后，電池管理系統通過多個溫度傳感器測量鋰電池組溫度；若溫度不符合設定要求，則控制PTC加熱帶及風扇進行加熱或降溫，使溫度達到設定值；

d溫度達到設定值后，電池管理系統閉合放電開關，鋰電池放電；鋰電池放電過程中，電池管理系統實時監控鋰電池單體電壓、溫度、電流、荷電狀態等信息，并將它們顯示在顯示屏上；

e當鋰電池達到設定的放電截止電壓時，電池管理系統切斷放電開關，停止放電；在此過程中，電池管理系統同時將數據保存在內部SD卡中；

f設定不同溫度，重復a、b、c、d步驟；

g設定不同溫度，通過混合動力脈沖特性實驗(HPPC)來測試不同溫度下的鋰電池的內阻特性；

h通過顯示屏設定放電過程停止，并要求顯示放電電壓曲線，鋰電池的內阻特性曲線；

i電池管理系統對保存在SD卡中的數據進行處理，并描繪出不同溫度下的單體電壓曲線，并比較其電壓和容量差異；以及描繪不同溫度下的鋰電池的內阻特性曲線；

j也可通過連接在顯示板上的電池測量點手動測量電池數據，描繪不同溫

度下不同鋰電池的電壓曲線、容量曲線、內阻特性曲線等。

有益效果

該發明的有益效果體現在：

本發明除了可演示電池的充放電曲線外，還可演示鋰電池的溫度特性、內阻特性、倍率特性等鋰電池完整特性。本發明中采用磷酸鐵鋰與錳酸鋰兩種鋰電池，可演示不同正極材料鋰電池之間的特性差異。本發明以電池管理系統為總控裝置，架構合理，自動化程度高，并且通過顯示屏顯示和設定部分參數，人機交互性強。

附圖說明

圖1為本發明的鋰電池系統教學裝置的結構示意圖；

圖2為鋰電池系統教學裝置的連接原理圖；

圖3為錳酸鋰電池放電特性曲線圖；

圖4為磷酸鐵鋰電池放電特性曲線圖；

圖5為不同溫度下鋰電池特性曲線圖；

圖6為方形疊片電池原理圖；

圖7為圓柱形卷繞電池原理圖。

圖8為鋰電池內阻特性圖

附圖標記說明：

鋰電池系統教學裝置800，顯示板100，鋰電池系統200，電池示意圖130,顯示屏110,電池組測量點120，控制開關140,充電機及負載210，溫度控制裝置220，PTC加熱帶221，風扇222，鋰電池組240，磷酸鐵鋰電池241，錳酸鋰電池242，電池管理系統230，通信交互300

具體實施方式

下面對本發明涉及的結構或這些所使用的技術術語做進一步的說明。在下面的詳細描述中，圖例附帶的參考文字是這里的一個部分，它以舉例說明本發明可能實行的特定具體方案的方式來說明。我們并不排除本發明還可以實行其它的具體方案和在不違背本發明的使用范圍的情況下改變本發明的結構。

如圖1所示，本發明的鋰電池系統教學裝置800主要由兩大部分組成，即鋰電池系統部分200和顯示板部分100，鋰電池系統部分200主要是通過內部的系統控制和管理實現電池的特性分析等功能，而顯示板部分100則主要用于連接和連通鋰電池系統200與外部，實現人機互動的功能，比如，查閱和顯示信息，設定信息，檢測信息以及控制和操作鋰電池系統200，從而實現該裝置800的教學演示功能。

具體來說，如圖2所示，鋰電池系統200中包括鋰電池組240，電池管理系統230，充電機和負載210，以及溫度控制系統220，其中，充電機210與電池管理系統230之間通信交互300，充電機210在電池管理系統230的控制下對鋰電池組240進行充電和放電，電池管理系統230對鋰電池240進行各項參數的檢測和監控，比如：電池單體電壓、溫度、電流等基本參數采集，荷電狀態(State-of-Charge，SOC)等的狀態估計，過充、過放、過溫等故障控制，以及對鋰電池240進行特性分析，如：實現不同倍率、不同溫度下的電壓曲線描繪，電池容量標定，電池內阻測量，不同電池正極材料的電壓、電流、溫度特性比較等功能。與此同時，電池管理系統230還控制溫度控制系統220，將設定的溫度值傳送至溫度控制系統220，并且池管理系統230通過溫度傳感器測量鋰電池組240溫度后，分析后反饋并操控溫度控制系統220進行溫度的調節。具體來說，溫度控制系統220主要有PTC加熱帶221和風扇222組成，需要加熱時，PTC加熱帶221與風扇222同時開啟；需要降溫時僅風扇222開啟，從而使鋰電池240達到需要的溫度值。此外，風扇222還在鋰電池240溫度過高時開啟以降低溫度。

本發明中，鋰電池組240為了比較不同鋰電池特性，電池部分采用磷酸鐵,241與錳酸鋰242兩種正極材料的鋰電池，兩種電池均為12串，串聯后組成24串鋰電池組。其中，圖3為錳酸鋰電池放電特性曲線，圖4為磷酸鐵鋰電池放電特性曲線。

下表為兩種鋰電池的性能數據表：

顯示板100通常連接在鋰電池系統200上，并且，設計的結構方便操作者操作，比如，鋰電池系統200置于一個柜子里，而顯示板100則位于柜子的上方。顯示板100上包括顯示屏110，該顯示屏110與鋰電池系統的電池管理系統230通信交互300，從而，顯示屏110可以顯示電池管理系統230中監控的各項參數以及檢測分析結果，并且，還可以通過顯示屏110來操作設定各個電池管理系統230的狀態保護參數、溫控參數、電池測量流程等。充分實現人機互動的功能，同時也實現教學演示的功能。顯示板100上還包括電池示意圖130，該示意圖130是將鋰電池系統200內關于鋰電池240設定好的各項參數直接存儲并顯示，用于演示鋰電池240的具體原始性能，方便教學演示，同時也方便操作者了解鋰電池240的基礎知識，電池示意圖130具體包括括電池原理圖和鋰電池成組方式示意圖。并且，電池原理圖通常包括圓柱形卷繞式(圖7)與方形疊片式電池原理圖(圖6)，鋰電池成組方式示意圖顯示鋰電池串并聯成組方式。此外，同樣位于顯示板100上的控制開關140，用于手動控制本發明的鋰電池系統教學裝置800的部分部件，具體來說，控制開關140包括強行切斷開關，電池充放電開關等，其中，強行切斷開關用于鋰電池系統200強制保護的功能，一旦發現整個裝置系統200異常，通過強行切斷開關來切斷相關的信息連通，實現強制保護的功能；而電池充放電開關可以手動控制電池240的充電和放電。

在顯示板100上，還包括電池測量點120，該電池測量點120通過導線分別與電池管理系統230和鋰電池組240連接。將一些檢測用具連接到測量點120上即可測量鋰電池240和鋰電池組的一些性能參數，如用萬用表連接在電池測量點129上測量鋰電池240的電壓等。

本發明的裝置800通過電池管理系統230和與之連接的顯示屏110，可以設定不同的溫度值，再通過溫度控制系統220來使鋰電池240或鋰電池組達到各個不同的溫度值，再通過電池管理系統230檢測不同溫度下的鋰電池240的各項特性數據，并進行對比分析，最后將結果顯示在顯示屏110上，從而實現了自動化程度高的教學演示過程，并且實現了實現不同溫度、不同倍率下的鋰電池特性演示，如圖5所示為不同溫度下的鋰電池特性曲線；圖8為鋰電池內阻測量演示，以及不同材料的鋰電池特性(圖3，圖4)演示等功能，實現鋰電池特性的完整演示。

下面就本發明的裝置800進行教學演示的方法進行詳細的說明。具體演示步驟如下：

a啟動鋰電池系統教學裝置800，對鋰電池240充電，鋰電池240充滿電后，靜置30分鐘；

b在充電及靜置的過程中，打開顯示板上的電池示意圖130，查閱并演示電池原理圖，如圖6和圖7；和鋰電池成組方式示意圖：采用磷酸鐵,241與錳酸鋰242兩種正極材料的鋰電池，兩種電池均為12串，串聯后組成24串鋰電池組；

c通過顯示屏110設定鋰電池240工作溫度、放電截止電壓、放電電流等參數后，電池管理系統230通過多個溫度傳感器測量鋰電池組240溫度；若溫度不符合設定要求，則控制PTC加熱帶221及風扇222進行加熱或降溫，使溫度達到設定值；

d溫度達到設定值后，電池管理系統230閉合放電開關，鋰電池240放電；鋰電池240放電過程中，電池管理系統230實時監控鋰電池240單體電壓、溫度、電流、荷電狀態等信息，并將它們顯示在顯示屏110上；

e當鋰電池240達到設定的放電截止電壓時，電池管理系統230切斷放電開關，停止放電；在此過程中，電池管理系統230同時將數據保存在內部SD卡中；

f設定不同溫度，重復a、b、c、d步驟；

g設定不同溫度，通過混合動力脈沖特性實驗(HPPC)來測試不同溫度下的鋰電池240的內阻特性；

h通過顯示屏110設定放電過程停止，并要求顯示放電電壓曲線,鋰電池240的內阻特性曲線；

i電池管理系統230對保存在SD卡中的數據進行處理，并描繪出不同溫度不同鋰電池241,242的單體電壓曲線，如圖3是錳酸鋰電池241放電特性曲線，圖4是磷酸鐵鋰電池242放電特性曲線；并比較其電壓和容量差異，如圖5所示；以及描繪不同溫度下的鋰電池240的內阻特性曲線，如圖8所示；所有曲線圖都顯示在顯示屏110上。

j也可通過連接在顯示板100上的電池測量點120手動測量電池數據，即在測量點120上連接萬用表，對鋰電池240進行電壓、電容的測量，然后描繪不同溫度下不同鋰電池241,242的電壓曲線、容量曲線、內阻特性曲線等。