電氣工程專業(yè)“電動(dòng)汽車新技術(shù)”課程設(shè)置思考

樊 英,程 明

(東南大學(xué)電氣工程學(xué)院,江蘇南京 210096)

0 引言

21世紀(jì),人類將面臨嚴(yán)峻的能源和環(huán)境挑戰(zhàn),研究開發(fā)節(jié)能、環(huán)保和安全的汽車是實(shí)現(xiàn)交通可持續(xù)發(fā)展的必由之路。其中,電動(dòng)汽車以其在使用過程超低排放/零排放、能源利用多元化和高效化、便于實(shí)現(xiàn)智能化控制等方面的技術(shù)優(yōu)勢備受重視,呈現(xiàn)加速發(fā)展態(tài)勢。世界各國政府、學(xué)術(shù)界、工業(yè)界正在加大對電動(dòng)車開發(fā)。

世界上第一輛電動(dòng)汽車誕生于1834年,這也是世界上第一輛機(jī)動(dòng)車[1-3]。從20世紀(jì)90年代開始,在能源和環(huán)境的雙重壓力下,電動(dòng)汽車的研究開發(fā)進(jìn)入了一個(gè)活躍期。在美國,通用、福特、克萊斯勒等汽車公司,在電動(dòng)汽車的發(fā)展中起著非常重要的作用。在日本,幾乎所有的汽車生產(chǎn)商都制定了各自的商業(yè)化電動(dòng)汽車發(fā)展規(guī)劃。歐洲的許多國家,尤其是法國、德國、意大利和英國都紛紛進(jìn)入電動(dòng)汽車市場。

中國電動(dòng)汽車的發(fā)展,在“八五”期間就已經(jīng)列入中國科技攻關(guān)計(jì)劃,重點(diǎn)開展電動(dòng)汽車關(guān)鍵技術(shù)的研究。“九五”期間,它正式列入中國重大科技產(chǎn)業(yè)工程項(xiàng)目,主要開展電動(dòng)概念車及相關(guān)技術(shù)研究、電動(dòng)改裝車開發(fā)、試驗(yàn)示范區(qū)建設(shè)、運(yùn)行機(jī)制和政策法規(guī)及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的研究[4-5]。2001年9月,中國科技部在“十五”期間的中國863計(jì)劃中,特別設(shè)立了電動(dòng)汽車重大專項(xiàng)。“十一五”期間的863計(jì)劃中,節(jié)能與新能源汽車被列為重大項(xiàng)目。國務(wù)院2009年2月頒布的“十大行業(yè)振興計(jì)劃”中,汽車業(yè)被列為十大產(chǎn)業(yè)之一,其中特別強(qiáng)調(diào)汽車產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整以節(jié)能減排為主導(dǎo),重點(diǎn)支持節(jié)能環(huán)保型汽車。該政策的出臺,為電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力電動(dòng)汽車、以及新能源汽車的快速發(fā)展提供了前所未有的機(jī)遇。

電氣工程領(lǐng)域隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,其涉及到的技術(shù)領(lǐng)域也發(fā)生了深刻的變化[6]。信息技術(shù)、電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)、自動(dòng)控制等技術(shù)在電氣工程領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用,使電氣設(shè)備和電力系統(tǒng)向數(shù)字化、信息化方向發(fā)展,電氣工程領(lǐng)域所涉及到的行業(yè)管理向高效益、市場化發(fā)展,這一切都要求高等學(xué)校培養(yǎng)具有廣博的基礎(chǔ)知識,開闊的視野,融會(huì)貫通的思維能力,熟知不同學(xué)科領(lǐng)域的知識,具有不斷調(diào)整知識結(jié)構(gòu)的能力。

電動(dòng)汽車涉及電機(jī)、自動(dòng)控制、電力電子、計(jì)算機(jī)等技術(shù)的應(yīng)用,為了適應(yīng)當(dāng)代科技發(fā)展對電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)高素質(zhì)人才的需求,有必要開設(shè)“電動(dòng)汽車新技術(shù)”課程。

1 課程結(jié)構(gòu)

本課程是面向大學(xué)四年級學(xué)生開設(shè)的專業(yè)任選課,2個(gè)學(xué)分,32學(xué)時(shí)。根據(jù)電動(dòng)車的主要特點(diǎn),回顧電動(dòng)車的發(fā)展歷史,深入淺出地介紹現(xiàn)代電動(dòng)車的力學(xué)和電磁學(xué)基礎(chǔ),分析現(xiàn)代電動(dòng)車的能源系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、智能化能量管理系統(tǒng)、充電系統(tǒng)、車載空調(diào)系統(tǒng)和變速系統(tǒng),討論電動(dòng)車的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)以及未來智能化交通系統(tǒng)的發(fā)展,使學(xué)生對現(xiàn)代電動(dòng)車的發(fā)展現(xiàn)狀、關(guān)鍵技術(shù)、發(fā)展戰(zhàn)略等有一個(gè)基本而全面的理解和認(rèn)識。

首先介紹電動(dòng)汽車的基本概念,回顧電動(dòng)車的發(fā)展歷史,分析其現(xiàn)狀以及未來的發(fā)展趨勢。講述各類電動(dòng)汽車的相似與不同之處;與傳統(tǒng)燃油汽車相比,電動(dòng)汽車的優(yōu)缺點(diǎn),以及電動(dòng)汽車對交通、能源、汽車工業(yè)、電力部門、環(huán)境保護(hù)、政治、經(jīng)濟(jì)等的影響。

其次,介紹電動(dòng)汽車的基本結(jié)構(gòu)與參數(shù),采用不同的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)方式和不同的能源系統(tǒng)可以構(gòu)成不同結(jié)構(gòu)形式的電動(dòng)汽車。根據(jù)電動(dòng)汽車參數(shù)、性能指標(biāo)以及行駛模式,分析電動(dòng)汽車系統(tǒng)的性能。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是電動(dòng)汽車的核心部分,包括電機(jī)、功率變換器和機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)。本課程分析電動(dòng)汽車對電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求,以及各種驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)行特性、可靠性、性能價(jià)格比等參數(shù);介紹目前已經(jīng)商業(yè)應(yīng)用的電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)的電機(jī)有傳統(tǒng)的直流電機(jī),交流異步電機(jī),以及新發(fā)展的永磁無刷電機(jī),永磁同步電機(jī)等的結(jié)構(gòu)和工作原理以及調(diào)速特性;講述電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)中的常用控制方法以及最近快速發(fā)展的輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)。

電動(dòng)汽車能源系統(tǒng)的體積、重量、形狀和技術(shù)參數(shù),決定了電動(dòng)汽車的行駛性能,是電動(dòng)汽車最重要的子系統(tǒng)。本課程介紹目前正在應(yīng)用或開發(fā)的具有一定前景的能量源有:蓄電池、超級電容、燃料電池和超高速飛輪及其組合等。電動(dòng)汽車的車載能源還比不上燃油汽車,為最大限度地利用電動(dòng)汽車所帶的能源,以增加行駛里程,需要對電動(dòng)汽車的能量管理系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。本課程講述電動(dòng)汽車的智能化能量管理系統(tǒng),通過把能源管理系統(tǒng)和電動(dòng)汽車導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)合起來,實(shí)現(xiàn)能源的最佳利用。

電動(dòng)汽車除了電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、能源系統(tǒng)、智能管理系統(tǒng)以及車體之外,通常還有許多輔助子系統(tǒng),包括充電器、空調(diào)器、輔助電源、動(dòng)力轉(zhuǎn)向及導(dǎo)航系統(tǒng)等。本課程重點(diǎn)介紹電動(dòng)汽車充電技術(shù),包括最新的V2G(Vehicle to Grid)“車輛到電網(wǎng)”技術(shù),汽車動(dòng)力電池作為智能電網(wǎng)的分布式儲能單元,實(shí)現(xiàn)電流在智能電網(wǎng)和電動(dòng)汽車間的雙向互動(dòng);V2G平臺可以在非高峰時(shí)段自動(dòng)充電,在高峰時(shí)段放電(售電),以替代效率較低的調(diào)峰電廠。

2 課程設(shè)置條件

我校是國內(nèi)較早對電動(dòng)汽車開展研究的高校之一,較早開設(shè)了“電動(dòng)汽車的新型驅(qū)動(dòng)技術(shù)”研究生課程,1997年以來,我校與香港大學(xué)開展合作,對新型高效、節(jié)能的電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)技術(shù)開展研究,通過互派學(xué)者交流,直接參與課題研究等形式,提高了電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)技術(shù)整體研究水平。2007年我校聘請香港大學(xué)國際電動(dòng)汽車研究中心主任鄒國棠教授為長江學(xué)者講座教授,并為電氣工程專業(yè)的本科生做了“電動(dòng)汽車新技術(shù)”的專題演講,在國家自然科學(xué)基金杰出青年基金(B)的資助下,成立了“東南大學(xué)清潔能源車輛研究中心”。目前,該中心正在對電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)技術(shù),混合動(dòng)力汽車電子無級調(diào)速系統(tǒng)、電動(dòng)汽車尾氣廢熱發(fā)電以及超級電容儲能技術(shù)等方面開展系統(tǒng)深入的研究。此外,“東南大學(xué)清潔能源研究中心”還與英國謝菲爾德大學(xué)以及美國俄亥俄州立大學(xué)等高校的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制課題組開展合作,共同合作研究電動(dòng)汽車最新驅(qū)動(dòng)技術(shù)。

可作為教材的出版物主要有《21世紀(jì)的綠色交通工具-電動(dòng)汽車》[7],《現(xiàn)代電動(dòng)汽車技術(shù)》[8],《先進(jìn)電動(dòng)汽車技術(shù)》[9]等,另外還有很多關(guān)于電動(dòng)汽車的中文和英文論文可作為課外閱讀文獻(xiàn),方便學(xué)生進(jìn)行課程內(nèi)容的拓展,擴(kuò)大知識面。

3 演示和現(xiàn)場教學(xué)

教學(xué)過程中,除正常的課堂教學(xué)外,采用電動(dòng)汽車仿真軟件Advisor,利用Matlab強(qiáng)大的數(shù)值仿真和數(shù)據(jù)處理能力,可以對由車身、電動(dòng)機(jī)、能量管理和能量存儲(電池組)等模塊組成的系統(tǒng)進(jìn)行電動(dòng)汽車的加速性能、爬坡能力、行駛車速和燃料經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行仿真分析;同時(shí),可以對電動(dòng)機(jī)特性和能量存儲(電池組)及能量管理特性進(jìn)行了仿真分析。有利于學(xué)生綜合能力的培養(yǎng),也會(huì)引起學(xué)生的重視和興趣。

目前該中心計(jì)劃購買奇瑞汽車公司的純電動(dòng)汽車一輛,學(xué)生可以到該中心參觀一些現(xiàn)場演示,并有機(jī)會(huì)近距離接觸電動(dòng)汽車,這使他們對電動(dòng)汽車的構(gòu)造和運(yùn)行特性有更直觀的認(rèn)識,如怎樣安放電池組、如何安排電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、如何充電等等。除此之外,他們還可以上車體驗(yàn)電動(dòng)汽車運(yùn)行時(shí)的特性,如無噪聲、變速平穩(wěn)、剎車和啟動(dòng)迅速等特點(diǎn)。通過這樣的親身經(jīng)歷,學(xué)生對電動(dòng)汽車的感性認(rèn)識加深,在理論學(xué)習(xí)中目的就會(huì)變得明確,清楚地認(rèn)識到哪些地方需要改進(jìn)以及如何進(jìn)行改進(jìn)。

4 課后作業(yè)及課程考核

為充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作,要求學(xué)生以作小項(xiàng)目的形式擴(kuò)展課堂知識。

近幾年,利用互聯(lián)網(wǎng)搜索最新的信息已被廣泛接受。可充分利用這個(gè)信息系統(tǒng),探討關(guān)于電動(dòng)汽車的發(fā)展和技術(shù)。學(xué)生首先分成了2至3名成員一組,選擇關(guān)于電動(dòng)汽車的項(xiàng)目主題,例如可建議主題為歐洲/美國/日本的最新電動(dòng)汽車技術(shù),最新的混合電動(dòng)汽車,最新的電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),新能源電動(dòng)汽車等,學(xué)生也可以提出新的主題,但須經(jīng)過老師批準(zhǔn)。一個(gè)月后,學(xué)生提交小組報(bào)告,并以seminar形式進(jìn)行課堂交流,學(xué)生可以自由根據(jù)報(bào)告者的內(nèi)容提問,老師啟發(fā)學(xué)生如何考慮問題,從哪些方面解決問題。

根據(jù)學(xué)生提交的小組報(bào)告,以及seminar課堂交流情況和平時(shí)課堂學(xué)習(xí)情況,進(jìn)行課程成績的綜合評定。

5 結(jié)語

通過開設(shè)“電動(dòng)汽車新技術(shù)”課程,使學(xué)生能夠及時(shí)了解電動(dòng)汽車領(lǐng)域的最新發(fā)展動(dòng)態(tài),掌握電動(dòng)汽車關(guān)鍵技術(shù),并加深對電氣工程學(xué)科專業(yè)知識的理解,對提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力,進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的科研能力,具有很好的效果。

[1]Chan C.C.,Chau K T.Modern electric vehicle technology.Oxford:Ox ford University Press,2001

[2]Chan C.C.,An overview of electric vehicle technology.Proceedings of IEEE,1993,81(9):1201-1213

[3]Chau K.T.,Chan C.C.,Emerging energy-efficient technologies for hybrid electric vehicles.Proceedings of IEEE,2007,95(4):821-835

[4]陳清泉.電動(dòng)汽車的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢.科技導(dǎo)報(bào),2005,23(4):24-28

[5]曹秉剛,張傳偉,白志峰等.電動(dòng)汽車技術(shù)進(jìn)展和發(fā)展趨勢.西安交通大學(xué)學(xué)報(bào),2004,38(1):1-5

[6]胡敏強(qiáng),程明,李楊.新形勢下電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)人才培養(yǎng)模式與知識體系框架.電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào),2003,25(2):44-46

[7]陳清泉,詹宜巨.21世紀(jì)的綠色交通工具-電動(dòng)汽車.北京:清華大學(xué)出版社,2000

[8]陳清泉,孫逢春,祝嘉光.現(xiàn)代電動(dòng)汽車技術(shù).北京:北京理工大學(xué)出版社,2002

[9]陳全世.先進(jìn)電動(dòng)汽車技術(shù).北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2007