新能源汽車動力電池的虛擬仿真教學實驗項目設計

摘要：在講解《新能源汽車動力電池技術》課程中的電池模型、電池容量、荷電狀態（SOC）等基本概念后，發現學生理解不夠深入，難以利用所學知識解決復雜工程問題。為幫助學生深入理解動力電池的基本概念，并能用于解決復雜工程問題，設計了動力電池的虛擬仿真教學實驗項目。該實驗項目包含動力電池的簡單模型、進階模型和擴展模型。研究發現，在虛擬仿真教學實驗項目的教學過程中，學生能認真聽講，并積極參與討論，對所講內容有了深入理解。

關鍵詞：動力電池；復雜工程問題；虛擬仿真教學實驗；輔助教學

中圖分類號：G642 收稿日期：2023-02-05

1前言

《新能源汽車動力電池技術》作為車輛工程、智能車輛工程和新能源汽車工程等專業核心課程或者重要的個性拓展課程，著重講解了動力電池的類型、工作原理、材料及特點等。該課程為同學們畢業后從事動力電池的研究和設計奠定了理論基礎。近年來，大力發展新能源汽車已經成為普遍共識，新能源汽車產銷量逐年遞增，新能源汽車的動力電池如同燃油汽車的發動機，為新能源汽車提供動力，是新能源汽車的核心零部件。因此，在進行《新能源汽車動力電池技術》教學時有必要對動力電池的基本知識做詳細的介紹，并對書中內容進行適當擴展。本課程在人才培養方案中，一般開設在第四學年，此時，學生已經學習完《高等數學》等公共基礎課程以及與汽車相關的專業課程。但是由于學生對電化學、電工電子和控制類課程學習的不夠深入，導致教師在對電池的一些基本概念如電池模型、電池容量、荷電狀態（SOC）等進行講解時，學生普遍對概念理解不夠深入，不能解決與其相關的復雜工程問題。為了讓學生能深入掌握相關的概念，并利用電池模型解決復雜工程問題，在教學過程中引入Amesim軟件設計了虛擬仿真實驗。

Ameslm是一款多學科領域的仿真軟件，可以對液壓系統、動力系統、儲能系統以及機電系統等進行仿真分析，其版本一直在更新，應用庫也越來越豐富，在其應用庫中提供了大量的工程元件，可以利用這些基本的工程元件直接搭建物理系統，而不需要專門編寫代碼去進行數值計算。對應用型高校學生而言，直接搭建物理系統，不用專注于數學建模，并開發仿真算法，將使學習難度大大降低，學生更容易接受。除了課堂上所講的電池模型及應用，學生在液壓與氣動課程搭建的液壓系統、自動控制原理課程搭建的運動控制系統等，均可以通過該軟件進行驗證。

研究能力以及使用現代工具能力是當代工程實踐對工程師很重要的能力要求。研究能力具體來說就是能夠對相關工程領域復雜工程問題進行研究。使用現代工具的能力具體來說就是能夠針對相關工程領域復雜工程問題，開發、選擇現代工具，對復雜工程問題進行預測和模擬。

通過課堂仿真實驗教學，可以提高學生運用軟件解決動力電池相關復雜工程問題的能力，同時在運用軟件的過程中，要求學生自主分析和解釋仿真結果，培養了學生的研究以及使用現代工具的能力。在仿真項目講解完畢后，讓學生按照分組進行分組討論，通過學生之間的互相答疑，可以更容易掌握課堂內容。此外，電池模型的應用具有一定的難度，需要學生提前預習，可留1-2個知識點讓學生在課堂上進行講解，進一步激發學生的學習興趣。

2鋰離子動力電池的仿真模型

在AMESIM軟件中，電池模型包括電化學模型和等效電路模型。電化學模型主要是研究電池的內部微觀現象及其機理，由于包含大量的電化學、熱力學等知識，且模型以非線性特征方程為主，學生理解起來非常困難。等效電路模型則忽略了電池內部復雜的化學反應，僅僅是利用了電感、電容和電阻等電氣元件，根據測試出的外部變量（電壓、電流等）估計電池的內部狀態變量（內阻、荷電狀態等）。等效電路模型簡單實用，物理意義明確，由于學生已經學習過高等數學、大學物理、電工電子技術、線性代數等課程，學生在學習等效電路模型時，很容易理解。所以，在進行鋰離子動力電池的仿真教學設計時，選用等效電路模型進行講解。

打開AMESIM軟件，找到“Electric Storage”模塊，在此模塊下，既有單個電池模型，也有電池組模型。

電池模型包含3個模型，分別為簡單的等效電路模型（simple equivalent circlut model of battery cell）、高級的等效電路模型（advanced equivalent circuit model of battery cell）和電化學模型（electrochemical Li-ion battery cell），具體選擇哪一種，只需要在AMESIM軟件中點擊“Submodel”，再點擊電池圖標，即可出現如圖1所示的模型選擇界面，以上三種模型均包含在內，需要用哪一種模型，直接點擊即可。

簡單的等效電路模型只考慮電壓源和內阻，沒有考慮極化現象，導致其仿真精度很低，應用較少。高級的等效電路模型，考慮了極化現象，如圖2所示。

對電池模型有所了解后，給同學們提出一個問題：“我們可以利用電池模型解決哪些問題？”利用軟件中的電池模型，可以解決的問題較多，利用5 min的時間將幾個典型問題如荷電狀態的估計、壽命的預測、電池模型的擬合等給同學們做簡單介紹，幫助同學們了解電池領域當前的科研熱點。由于問題較多，課堂中不可能一一涉及，所以本次仿真實驗教學，只重點講解如何利用軟件估計電池的荷電狀態，其他熱點問題同學們可以通過軟件自帶的幫助文件或者自行查閱文獻來了解。

對電動汽車而言，電池的荷電狀態soc值相當于傳統燃油汽車的油表示數，是對電動汽車進行能量管理最重要的參數之一。所以，對電動汽車動力電池荷電狀態的準確估計對電池的合理高效使用具有重要意義。

利用單個電池模型，建立如圖3所示的仿真模型。由于大部分學生對該軟件是初次接觸，上課前需要教師通過學習通、QQ群等媒介將該軟件的基礎教程發給學生，要求學生自學。在學生自學基礎教程后，可將該模型在課堂上直接展示，大部分學生都能理解模型的含義。該模型中，設置初始的SOC值為100%，電池容量為4.3A·h，設置仿真時間為3 600 s，K取值為-4.3，即電流始終為-4.3 A，相當于電池一直以4.3 A的電流在放電。初始條件設置完成后，一個簡單的求取電池soc值的仿真模型就建立起來了，點擊運行按鈕，即可得到隨時間變化的SOC值。

在展示仿真結果前，首先讓學生按照電池荷電狀態的定義，根據設置的初始條件，分小組計算并討論后得出soc值隨時間的變化趨勢。學生經過計算后，可以很容易得出soc值的變化趨勢：隨時間線性下降，th（3 600 s）后，soc值為零。然后展示仿真的soc值結果，如圖4所示，很顯然與學生得出的趨勢一致，這個過程讓學生有了一定的成就感，有了進一步學習的欲望，同時也幫助學生對soc的定義有了更深入地理解。

3電池模型仿真教學的進階

學生在掌握了以上基礎模型后，已經對sOc的計算有了一定的認識。但是電動汽車的運行工況非常復雜，soc計算難度遠遠超出基礎模型，很多情況需要借助計算機來進行計算，所以為了避免學生僅僅滿足于掌握基礎模型，設計了soc計算的進階模型，該模型為軟件自帶的案例，如圖5所示。圖5中磷酸鐵鋰電池的電池容量為2.3 A·h，soc的初始值為52.6%。

仿真時間設為10 000 s。圖6所示為仿真的電流曲線：前1 000 8，電流為0；1000 s開始，電流為2.3A，開始充電，一直到充滿為止；4 400-6 200 s，電流為-2.3A，電池放電，直到soc值為50%；6 200-8 000 s，電流為0，電池的狀態無變化；8 000 s以后是電動汽車或者混合動力汽車的道路動力需求電流（典型duty cycle工況）。在此電流作用下，soc值隨時間的變化曲線如圖7所示。