在車輛工程專業(yè)中引入動力電池設計及管理課程的思考

【摘要】我國車輛工程專業(yè)現(xiàn)有課程設置與電動汽車發(fā)展需求無法有效銜接，需加大電動汽車及關鍵零部件相關課程的權重。本文探索了在車輛工程專業(yè)中引入動力電池設計及管理課程，從教學計劃、實踐教學設計、教學方式、考試考核方式及課程提升等方面進行了深入思考。

【關鍵詞】車輛工程 動力電池 課程引入

【Abstract】The present course architecture of vehicle engineering in China university now can not meet the requirement from the technology development of electric vehicles. To solve this problem， more courses regarding electric vehicles and the key components should be added into the architecture. This paper makes an explore to introduce the course of power battery design and management into the architecture， and the teaching program， practice teaching， teaching mode， exam mode and course enhancement are considered deeply.

【Keywords】vehicle engineering； power battery；course introducing

【中圖分類號】G64 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2018）37-0238-02

引言

我國的現(xiàn)有車輛工程專業(yè)一般建立在機械大學科基礎之上，并培養(yǎng)了一批又一批具備較好基礎知識沉淀的學生。我國汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，高校車輛工程專業(yè)的課程設置無疑功不可沒。在傳統(tǒng)汽車領域，高校車輛工程已有較為完備的課程體系[1]。隨著技術的發(fā)展以及人類對能源與環(huán)境問題的思考，新能源汽車成為世界汽車工業(yè)的發(fā)展方向，也成為我國的國家發(fā)展戰(zhàn)略。面對新能源汽車產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展態(tài)勢，我國高校一些汽車專業(yè)相繼開始新能源汽車課程[2]。但總體而言，車輛工程專業(yè)有關電動汽車及其關鍵零部件的專業(yè)課程設置權重過低，導致現(xiàn)有車輛工程專業(yè)畢業(yè)生在電動汽車及關鍵零部件方面的知識積累不足，對我國電動汽車的發(fā)展無法提供足夠的支撐作用。

作為電動汽車的核心部件，動力電池的技術發(fā)展具有舉足輕重的作用[3]，表現(xiàn)為：動力電池的能量密度決定了電動汽車的續(xù)駛里程；動力電池的功率密度決定了電動汽車的動力性及充電快速性；動力電池的安全性影響整車的安全性；動力電池的成本占到電動汽車整車成本的40%以上。另一方面，電動汽車電池系統(tǒng)實際是一個復雜的機-電-流耦合的復雜多物理場系統(tǒng)，其中包含了物理學、化學、電工電子學、力學、機械結構、自動控制原理等多門課程的基礎理論和知識，是上述基礎課程極好的專業(yè)應用。但由于傳統(tǒng)車輛工程專業(yè)建立于機械工程，在專業(yè)課程設置上，對上述基礎課程的融合略顯不足。

可見，在車輛工程專業(yè)中設置電池設計及管理技術相關課程具有明顯且重要的意義。

一、教學計劃設計及教材規(guī)劃

在對課程內(nèi)容進行深入研究之后，本課程規(guī)劃的總課時數(shù)為34課時，以每學期17教學周計算，則平均周學時為2。課程內(nèi)容分為五個章節(jié)：第一章為基礎理論及概念，介紹動力電池技術現(xiàn)狀、電池的基本結構及工作原理、電池主要性能參數(shù)及測試方法、電池基本特性及分析方法等；第二章為電池特性建模及狀態(tài)估計，介紹電池電-熱-壽命耦合建模及狀態(tài)估計；第三章為電池熱管理，介紹電池的熱特性及單體電池熱建模、電池熱管理系統(tǒng)的設計方法及基本流程、電池熱管理系統(tǒng)設計案例分析等；第四章為電池管理系統(tǒng)設計，介紹電池管理系統(tǒng)功能定義、基本架構及軟硬件設計；第五章為電池系統(tǒng)的測試及驗證，覆蓋從需求分析到系統(tǒng)設計及驗證方面的測試，以及相關的測試標準及規(guī)范分析。

在上述教學計劃中，可以看出本課程與前導基礎課程之間的關系。第一章是整個課程體系的基礎，將涉及到物理、化學、力學、電工電子學和自動控制原理等相關基礎知識。第二章關注電池特性建模與狀態(tài)估計，將大量用到自動控制原理及物理學相關基礎知識。第三章關注電池熱管理，涉及到物理、熱力學、機械結構、流體力學等相關基礎知識。第四章關于電池管理系統(tǒng)設計，涉及到電工電子學、自動控制原理等相關知識。

二、實踐教學探討

電動汽車及動力電池技術發(fā)展迅速，因此，本課程是一門注重理論聯(lián)系實際的課程。在本課程的教學中，會引入相應的實踐教學環(huán)節(jié)[4，5]。

（1）在第三章中，實踐教學以企業(yè)參觀為主。在講解風冷、水冷電池系統(tǒng)設計，以及電池系統(tǒng)的機械設計的時候，為了讓學生能有更直接的認識，一方面會在課堂教學中展示電池系統(tǒng)的三維數(shù)模設計，另一方面，聯(lián)系動力電池企業(yè)，創(chuàng)造企業(yè)參觀的機會，讓學生能直接以第一視角接觸到不同冷卻方式的電池系統(tǒng)設計，從而加深對電池系統(tǒng)熱-機-電-流耦合設計的理解。

（2）在第四章中，實踐教學以實驗臺架操作為主。在講解電池管理系統(tǒng)軟硬件設計的時候，將結合現(xiàn)有《嵌入式系統(tǒng)》課程，在汽車電子教學實驗室中，讓學生參與實際電池管理系統(tǒng)的軟硬件設計，并利用控制器演示臺架進行功能演示。由于電池管理系統(tǒng)與傳統(tǒng)車用控制器存在不同，在這部分實踐教學中，將重點突出電池均衡、高壓采樣、絕緣檢測、繼電器驅(qū)動等部分的設計。

（3）在第五章中，實踐教學以實驗室參觀為主。由于其測試與傳統(tǒng)車輛中的機械部件測試有較大不同，在講解電池管理系統(tǒng)、電池系統(tǒng)的測試驗證技術時， 為了讓學生更容易理解測試原理，將在電動汽車實驗室中對實際測試平臺及臺架進行講解。重點關注充放電測試、硬件在環(huán)測試等部分。

通過上述的實踐教學環(huán)節(jié)，激發(fā)學生對本課程的學習熱情，提高學生學習的主動性和積極性，有效地提高學生的實踐能力。更重要的是，通過實物，讓學生能切身體會動力電池系統(tǒng)設計及開發(fā)的具體過程，從而加深對基礎概念及基本設計方法的理解。

三、教學方式、教學手段的思考

由于本課程所涉及對象（即動力電池）相應于傳統(tǒng)車輛工程專業(yè)課程講解對象有較大不同，這對于機械大背景下培養(yǎng)的學生而言，在教學方式和教學手段方面也要有所考慮。選擇合適的教學方式，能提高教學質(zhì)量和課堂效率。

（1）基于問題的啟發(fā)式教學在課程中的實踐。動力電池技術的快速發(fā)展和應用，使得本課程的教學采用基于問題的啟發(fā)式教學模式，激發(fā)學生的探索欲望。例如：在講述電池工作原理的時候，首先從思路上講清楚鋰離子動力電池在充放電過程中內(nèi)部發(fā)生物理、化學變化過程。其次，通過多媒體技術直觀、清晰地向?qū)W生展示動力電池的結構和組成，充放電過程的動畫演示，使學生增強感性認識，加深概念理解。然后，利用問題來對學生進行啟發(fā)式教學：鋰離子動力電池的正負極材料有什么特性？在充放電過程中不同各階段，正負極材料會發(fā)生怎么樣的變化？這些變化對于電池的外部表現(xiàn)特征有何影響？在不正常充放電下，正負極材料會發(fā)生哪些異常？這些異常會導致什么后果？如何避免上述異常？上述問題讓學生深入思考，并通過上述問題的思考，從最根本的地方理解電池管理及設計的基本原理，從而在后續(xù)的電池建模、狀態(tài)估計、熱管理等部分學習的過程中，更容易理解設計思路和原理。

（2）案例引導式教學。近年來電動汽車得到極大發(fā)展，國內(nèi)外關于電動汽車的車型呈現(xiàn)出多樣化，保有量也逐年遞增。在電動汽車發(fā)展的同時，不同類型的電池材料、電池結構設計、電池管理方案被開發(fā)并被應用，同時，不同的技術問題也開始逐漸暴露出來。鑒于此，在教學過程中，穿插一些電動汽車動力電池系統(tǒng)設計實例，例如，可以重點介紹目前比較熱門的比亞迪唐、榮威E50、日產(chǎn)Leaf、GM Volt、Tesla Models、豐田Prius等。上述不同車型采用了不同的電池系統(tǒng)設計方案，在電池管理及電池熱設計方面都有相應的特色。通過上述案例的引導式教學，使課程內(nèi)容直觀化，從而提高教學質(zhì)量和教學效果。

（3）多媒體及網(wǎng)絡的應用。由于該課程的專業(yè)知識具有跨學科特點，有些知識點學生難以掌握，有些原理較為抽象。如電池充放電過程中的內(nèi)部變化等都比較抽象，在沒有實物演示的前提下，學生不容易理解。因此在講授課程內(nèi)容時，采用多媒體動畫和視頻演示的方式，簡單形象直觀地展示零部件結構與工作原理，加深學生的理解，使學生更快更易地掌握課程內(nèi)容。

（4）互動環(huán)節(jié)設計。在課程教學中，適當加入互動環(huán)節(jié)。對某些知識點，為學生推薦必要參考文獻，讓學生課后自行查閱資料，引導學生對未來技術趨勢的思考和判斷，從而激發(fā)學生參與課程學習的主動性。例如：在動力電池技術現(xiàn)狀的時候，提出目前國內(nèi)外不同的電池材料體系特性、不同電池封裝特性的現(xiàn)狀，并給學生提出一個問題，及對未來電池材料體系及封裝形式發(fā)展趨勢的思考，讓學生在規(guī)定時間內(nèi)查閱相關資料，撰寫課題研究報告并上交。在隨后的課程教學中，對報告進行點評。一方面加強學生的課程參與感，還能達到“授人以漁”的教學目的。

四、考試考核方法

基于上面的課程規(guī)劃設計，為了全面評價學生，將本課程的考試考核方法定為平時表現(xiàn)、實踐環(huán)節(jié)和期末考試相結合的方式綜合評定學生成績，取平時表現(xiàn)、實踐環(huán)節(jié)和期末考試比例分別為25%，25%和50%。平時成績主要是將學生的出勤、課堂回答問題、課后作業(yè)、調(diào)研報告等納入考核，實踐成績是取實踐教學出勤和實驗報告各占50%。期末考試以論述題為主，重點考察學生對基本概念的掌握、對實際應用設計的理解以及對未來趨勢的判斷。

五、與研究生課程的銜接

在現(xiàn)在某些高校的車輛工程專業(yè)，研究生階段會有電動汽車技術相關的課程設置，本課程可以成為上述研究生課程的先導課程。本課程針對動力電池設計及管理的講解偏基礎和綜述，旨在通過課程教學，讓學生對動力電池系統(tǒng)有全局認識，對電池系統(tǒng)的關鍵基礎和技術有通識性了解。而在研究生階段的課程中，應加深對其中某些部分的講解，比如加深對電池系統(tǒng)建模及狀態(tài)估計算法的講解，重點突出電池特性的非線性、時變特性、單體不一致等問題，從而將課程難度提升；另一方面，應加入一些具有前瞻性的技術內(nèi)容，如電池參數(shù)在線辨識算法、電池內(nèi)部溫度估計、電池安全管理、大數(shù)據(jù)全生命周期管理等的講解。

總結

本文對在車輛工程學科中引入動力電池設計及管理課程進行了深入思考，本課程教學的主要目的是讓學生對動力電池系統(tǒng)有全局認識，對電池系統(tǒng)的關鍵基礎和技術有通識性了解。從課程教學計劃、實踐教學設計、教學方式、考試考核方式及課程提升等幾個方面，詳細規(guī)劃了課程的教學。通過上述問題的研究和探索，提高課程的教學質(zhì)量和教學效果，并為車輛工程專業(yè)的課程體系建設提供了一個方向。

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作者簡介：

戴海峰（1981年6月-），男，漢族，上海人，同濟大學汽車學院副教授，博士，研究方向：汽車電子。