一种锂电池系统教学装置的制作方法

本实用新型涉及一种锂电池系统教学装置，特别是用于纯电动车的锂电池系统教学装置。

背景技术：

下面的背景技术用于帮助读者理解本实用新型，而不能被认为是现有技术。

动力锂电池目前已经在储能、电动汽车及智能电网中广泛应用，然而却未有一款自动化程度高，性能演示全面的锂电池教学演示系统引入课堂教学与实验过程中。

目前的锂电池教学演示装置常需教师临时搭建，装置简陋，自动化程度低，并且功能简单，只能演示锂电池的充放电曲线、容量测定等性能，而锂电池的其他重要特性，包括温度特性、倍率特性、内阻特性、不同正极材料锂电池特性比较等方面却未有涉及，从而导致无法展示锂电池的完整特性。

技术实现要素：

本实用新型针对现有技术的不足提出了一种锂电池系统教学装置，该装置除演示锂电池的充放电曲线、容量标定外，还可以实现不同温度、不同倍率下的锂电池特性演示，锂电池内阻测量演示，不同材料的锂电池特性演示等功能，实现锂电池特性的完整演示。

具体来说，本实用新型的一种锂电池系统教学装置，用于介绍锂电池系统时的教学演示，其中，锂电池系统教学装置包括锂电池系统和显示板，所述显示板连接在锂电池系统上；所述显示板上包括人机交互显示屏，锂电池示意图，控制开关；所述锂电池系统包括锂电池组，电池管理系统，充电机，负载和温度控制系统；其中，电池管理系统分别与充电机、显示屏和温度控制系统之间通信交互。

一些实施方式中，电池管理系统用于采集电池单体电压、温度、电流参数，监测荷电状态，对电池的过充、过放、过温故障控制。

另一些实施方式中，电池管理系统还用于实现不同倍率、不同温度下的电压曲线描绘，电池容量标定，电池内阻测量以及对不同电池正极材料的电压、电流、温度的特性比较。

整个教学装置采用分布式架构的电池管理系统(Battery Management System，BMS)管理，主要负责电池单体电压、温度、电流等基本参数采集，荷电状态(State-of-Charge，SOC)等的状态估计，过充、过放、过温等故障控制，与充电机、显示屏等的通信交互，温控系统的控制等，主要实现不同倍率、不同温度下的电压曲线描绘，电池容量标定，电池内阻测量，不同电池正极材料的电压、电流、温度特性比较等功能。

装置中，充电机采用PFC锂电充电机，与BMS进行信息交互，并通过市电为锂电池充电，负载采用大功率电阻。

一些实施方式中，温度控制系统由PTC加热带和风扇组成；温度控制系统制热时，PTC加热带与风扇同时开启；温度控制系统制冷时仅风扇开启。通过显示屏设定温度后，BMS通过开启PTC加热带或风扇改变锂电池温度。

一些实施方式中，显示屏用于接收电池管理系统信息，以及设定电池管理系统状态保护参数、温控参数、电池测量流程。

一些实施方式中，控制开关包括强行切断开关和电池充放电开关。强行切断开关可以实现系统强制保护功能，电池充放电开关完成电池的充放电手动控制。

一些实施方式中，电池示意图包括电池原理图和锂电池成组方式示意图。电池原理图通常包括圆柱形卷绕式与方形叠片式电池原理图，锂电池成组方式示意图显示锂电池串并联成组方式。电池示意图供讲解演示。

一些实施方式中，显示板上还包括电池测量点；所述电池测量点将锂电池及电池管理系统中需要测量的参数通过导线引到显示板上；所述电池测量点连接万用表或者示波器。

一些实施方式中，锂电池组包括磷酸铁锂电池与锰酸锂电池；磷酸铁锂与锰酸锂均为12串，串联后组成24串锂电池组。为了比较不同锂电池特性，电池部分采用磷酸铁锂与锰酸锂两种正极材料。

另一方面，本实用新型还提供一种锂电池系统教学演示方法，包括锂电池系统教学装置，该装置包括具有锂电池组，电池管理系统，充电机，负载和温度控制系统的锂电池系统和连接在锂电池系统上的显示板，显示板上包括人机交互显示屏，锂电池示意图和控制开关，其中，电池管理系统分别与充电机、显示屏和温度控制系统之间通信交互；其步骤如下：

a启动锂电池系统教学装置，对锂电池充电，锂电池充满电后，静置30分钟；

b在充电及静置的过程中，打开显示板上的电池示意图，查阅并演示电池原理图和锂电池成组方式示意图；

c通过显示屏设定锂电池工作温度、放电截止电压、放电电流等参数后，电池管理系统通过多个温度传感器测量锂电池组温度；若温度不符合设定要求，则控制PTC加热带及风扇进行加热或降温，使温度达到设定值；

d温度达到设定值后，电池管理系统闭合放电开关，锂电池放电；锂电池放电过程中，电池管理系统实时监控锂电池单体电压、温度、电流、荷电状态等信息，并将它们显示在显示屏上；

e当锂电池达到设定的放电截止电压时，电池管理系统切断放电开关，停止放电；在此过程中，电池管理系统同时将数据保存在内部SD卡中；

f设定不同温度，重复a、b、c、d步骤；

g设定不同温度，通过混合动力脉冲特性实验(HPPC)来测试不同温度下的锂电池的内阻特性；

h通过显示屏设定放电过程停止，并要求显示放电电压曲线，锂电池的内阻特性曲线；

i电池管理系统对保存在SD卡中的数据进行处理，并描绘出不同温度下的单体电压曲线，并比较其电压和容量差异；以及描绘不同温度下的锂电池的内阻特性曲线；

j也可通过连接在显示板上的电池测量点手动测量电池数据，描绘不同温度下不同锂电池的电压曲线、容量曲线、内阻特性曲线等。

有益效果

该实用新型的有益效果体现在：

本实用新型除了可演示电池的充放电曲线外，还可演示锂电池的温度特性、内阻特性、倍率特性等锂电池完整特性。本实用新型中采用磷酸铁锂与锰酸锂两种锂电池，可演示不同正极材料锂电池之间的特性差异。本实用新型以电池管理系统为总控装置，架构合理，自动化程度高，并且通过显示屏显示和设定部分参数，人机交互性强。

附图说明

图1为本实用新型的锂电池系统教学装置的结构示意图；

图2为锂电池系统教学装置的连接原理图；

图3为锰酸锂电池放电特性曲线图；

图4为磷酸铁锂电池放电特性曲线图；

图5为不同温度下锂电池特性曲线图；

图6为方形叠片电池原理图；

图7为圆柱形卷绕电池原理图。

图8为锂电池内阻特性图

附图标记说明：

锂电池系统教学装置800，显示板100，锂电池系统200，电池示意图130,显示屏110,电池组测量点120，控制开关140,充电机及负载210，温度控制装置 220，PTC加热带221，风扇222，锂电池组240，磷酸铁锂电池241，锰酸锂电池242，电池管理系统230，通信交互300

具体实施方式

下面对本实用新型涉及的结构或这些所使用的技术术语做进一步的说明。在下面的详细描述中，图例附带的参考文字是这里的一个部分，它以举例说明本实用新型可能实行的特定具体方案的方式来说明。我们并不排除本实用新型还可以实行其它的具体方案和在不违背本实用新型的使用范围的情况下改变本实用新型的结构。

如图1所示，本实用新型的锂电池系统教学装置800主要由两大部分组成，即锂电池系统部分200和显示板部分100，锂电池系统部分200主要是通过内部的系统控制和管理实现电池的特性分析等功能，而显示板部分100则主要用于连接和连通锂电池系统200与外部，实现人机互动的功能，比如，查阅和显示信息，设定信息，检测信息以及控制和操作锂电池系统200，从而实现该装置800的教学演示功能。

具体来说，如图2所示，锂电池系统200中包括锂电池组240，电池管理系统230，充电机和负载210，以及温度控制系统220，其中，充电机210与电池管理系统230之间通信交互300，充电机210在电池管理系统230的控制下对锂电池组240进行充电和放电，电池管理系统230对锂电池240进行各项参数的检测和监控，比如：电池单体电压、温度、电流等基本参数采集，荷电状态(State-of-Charge，SOC)等的状态估计，过充、过放、过温等故障控制，以及对锂电池240进行特性分析，如：实现不同倍率、不同温度下的电压曲线描绘，电池容量标定，电池内阻测量，不同电池正极材料的电压、电流、温度特性比较等功能。与此同时，电池管理系统230还控制温度控制系统220，将设定的温度值传送至温度控制系统220，并且池管理系统230通过温度传感器测量锂电池组240温度后，分析后反馈并操控温度控制系统220进行温度的调节。具体来说，温度控制系统220主要有PTC加热带221和风扇222组成，需要加热时，PTC加热带221与风扇222同时开启；需要降温时仅风扇222开启，从而使锂电池240达到需要的温度值。此外，风扇222还在锂电池240温度过高时开启以降低温度。

本实用新型中，锂电池组240为了比较不同锂电池特性，电池部分采用磷酸铁,241与锰酸锂242两种正极材料的锂电池，两种电池均为12串，串联后组成24串锂电池组。其中，图3为锰酸锂电池放电特性曲线，图4为磷酸铁锂电池放电特性曲线。

下表为两种锂电池的性能数据表：

显示板100通常连接在锂电池系统200上，并且，设计的结构方便操作者操作，比如，锂电池系统200置于一个柜子里，而显示板100则位于柜子的上方。显示板100上包括显示屏110，该显示屏110与锂电池系统的电池管理系统230通信交互300，从而，显示屏110可以显示电池管理系统230中监控的各项参数以及检测分析结果，并且，还可以通过显示屏110来操作设定各个电池管理系统230的状态保护参数、温控参数、电池测量流程等。充分实现人机互动的功能，同时也实现教学演示的功能。显示板100上还包括电池示意图130，该示意图130是将锂电池系统200内关于锂电池240设定好的各项参数直接存储并显示，用于演示锂电池240的具体原始性能，方便教学演示，同时也方便操作者了解锂电池240的基础知识，电池示意图130具体包括括电池原理图和锂电池成组方式示意图。并且，电池原理图通常包括圆柱形卷绕式(图7)与方形叠片式电池原理图(图6)，锂电池成组方式示意图显示锂电池串并联成组方式。此外，同样位于显示板100上的控制开关140，用于手动控制本实用新型的锂电池系统教学装置800的部分部件，具体来说，控制开关140包括强行切断开关，电池充放电开关等，其中，强行切断开关用于锂电池系统200强制保护的功能，一旦发现整个装置系统200异常，通过强行切断开关来切断相关的信息连通，实现强制保护的功能；而电池充放电开关可以手动控制电池240 的充电和放电。

在显示板100上，还包括电池测量点120，该电池测量点120通过导线分别与电池管理系统230和锂电池组240连接。将一些检测用具连接到测量点120 上即可测量锂电池240和锂电池组的一些性能参数，如用万用表连接在电池测量点129上测量锂电池240的电压等。

本实用新型的装置800通过电池管理系统230和与之连接的显示屏110，可以设定不同的温度值，再通过温度控制系统220来使锂电池240或锂电池组达到各个不同的温度值，再通过电池管理系统230检测不同温度下的锂电池240 的各项特性数据，并进行对比分析，最后将结果显示在显示屏110上，从而实现了自动化程度高的教学演示过程，并且实现了实现不同温度、不同倍率下的锂电池特性演示，如图5所示为不同温度下的锂电池特性曲线；图8为锂电池内阻测量演示，以及不同材料的锂电池特性(图3，图4)演示等功能，实现锂电池特性的完整演示。

下面就本实用新型的装置800进行教学演示的方法进行详细的说明。具体演示步骤如下：

a启动锂电池系统教学装置800，对锂电池240充电，锂电池240充满电后，静置30分钟；

b在充电及静置的过程中，打开显示板上的电池示意图130，查阅并演示电池原理图，如图6和图7；和锂电池成组方式示意图：采用磷酸铁,241 与锰酸锂242两种正极材料的锂电池，两种电池均为12串，串联后组成24 串锂电池组；

c通过显示屏110设定锂电池240工作温度、放电截止电压、放电电流等参数后，电池管理系统230通过多个温度传感器测量锂电池组240温度；若温度不符合设定要求，则控制PTC加热带221及风扇222进行加热或降温，使温度达到设定值；

d温度达到设定值后，电池管理系统230闭合放电开关，锂电池240放电；锂电池240放电过程中，电池管理系统230实时监控锂电池240单体电压、温度、电流、荷电状态等信息，并将它们显示在显示屏110上；

e当锂电池240达到设定的放电截止电压时，电池管理系统230切断放电开关，停止放电；在此过程中，电池管理系统230同时将数据保存在内部 SD卡中；

f设定不同温度，重复a、b、c、d步骤；

g设定不同温度，通过混合动力脉冲特性实验(HPPC)来测试不同温度下的锂电池240的内阻特性；

h通过显示屏110设定放电过程停止，并要求显示放电电压曲线,锂电池 240的内阻特性曲线；

i电池管理系统230对保存在SD卡中的数据进行处理，并描绘出不同温度不同锂电池241,242的单体电压曲线，如图3是锰酸锂电池241放电特性曲线，图4是磷酸铁锂电池242放电特性曲线；并比较其电压和容量差异，如图5所示；以及描绘不同温度下的锂电池240的内阻特性曲线，如图8所示；所有曲线图都显示在显示屏110上。

j也可通过连接在显示板100上的电池测量点120手动测量电池数据，即在测量点120上连接万用表，对锂电池240进行电压、电容的测量，然后描绘不同温度下不同锂电池241,242的电压曲线、容量曲线、内阻特性曲线等。