新能源汽車概論實踐化教學模式探索

牛文旭　梁彩平

[摘 要]隨著新能源汽車產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，與新能源汽車產(chǎn)業(yè)相關(guān)的專業(yè)人才緊缺問題日益凸顯。新能源汽車概論作為一種多學科深度交叉融合的技術(shù)產(chǎn)物，涉及領(lǐng)域較為寬泛，且隨著未來技術(shù)的更替發(fā)展必將不斷融入更多內(nèi)容，在當前教材無法隨技術(shù)發(fā)展快速更新的情況下，若仍采用傳統(tǒng)的教學模式恐怕難以實現(xiàn)本門課程的教學目標。針對這一課程特點，本教學團隊嘗試采用“授課—觀摩—實踐”相結(jié)合的實踐化教學模式，對新能源汽車概論課程教學模式進行探索。

[關(guān)鍵詞]新能源汽車;教學模式;實踐化

[中圖分類號] G642 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2022）05-0099-03

汽車行業(yè)經(jīng)歷了這些年來的高速增長，形成了巨大的產(chǎn)業(yè)規(guī)模，汽車保有量穩(wěn)步上升。同時，當今社會也面臨著石油能源短缺和環(huán)境污染兩大嚴峻的問題。為了實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，越來越多的國家制定了更為嚴苛的排放、能耗法規(guī)，汽車行業(yè)的變革顯得刻不容緩。在這一背景下，以純電動汽車、燃料電池汽車為代表的純電驅(qū)動新能源汽車將成為今后發(fā)展的方向。自2009年以來，中國已成為全球最大的新車市場。 為了解決快速的汽車人口增長引起的能源安全和城市空氣污染問題，中國啟動了“千車萬城”計劃，以加速新能源汽車的商業(yè)化[1]。這表明，新能源汽車的發(fā)展是一種必然趨勢，教育必須為此發(fā)展趨勢提供具備專業(yè)技術(shù)的人才支持，從而有效促進我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)的良好發(fā)展[2]。

隨著新能源汽車產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，與新能源汽車產(chǎn)業(yè)相關(guān)的專業(yè)人才緊缺問題日益凸顯。同時，由于專業(yè)設(shè)置體系的滯后性，高校無法緊跟市場規(guī)律設(shè)立新能源汽車專業(yè)。因此，在原有車輛工程專業(yè)的基礎(chǔ)上，增設(shè)新能源汽車相關(guān)課程，成為各大高校的必然選擇。

一、新能源汽車概論課程設(shè)置調(diào)研

國內(nèi)車輛工程專業(yè)頭部院校在培養(yǎng)方案中率先設(shè)置了新能源汽車概論或相近課程。清華大學車輛工程專業(yè)根據(jù)新能源汽車相關(guān)內(nèi)容分別設(shè)立了車用能源概論、汽車工程概論、汽車電子電力學、汽車電機原理與控制、電化學工程等近10門專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)選修課[3]。同濟大學車輛工程專業(yè)的培養(yǎng)方案中設(shè)置了車輛工程導論課程，該課程為所有專業(yè)方向的專業(yè)基礎(chǔ)課，其中80%的授課內(nèi)容與新能源汽車直接相關(guān)。另外，同濟大學車輛工程專業(yè)還設(shè)立了新能源技術(shù)專業(yè)方向[4]。上海市相關(guān)高校也將新能源相關(guān)課程列入培養(yǎng)計劃，如上海理工大學、上海工程技術(shù)大學等。新能源汽車概論課程作為新能源汽車方向的專業(yè)基礎(chǔ)課程，對于學生了解認識新能源汽車知識體系，引導學生進入新能源汽車領(lǐng)域，促進學生就業(yè)，有著重要作用。在對上述高校師生的走訪和培養(yǎng)計劃調(diào)研中，新能源汽車系列課程存在以下特點。

1.體系性強。新能源汽車從技術(shù)路線上分為純電動汽車、混合動力汽車和燃料電池汽車，技術(shù)核心主要是“三電”，即電池、電機和電控。無論是技術(shù)路線還是技術(shù)核心，本課程都有一套較為完整的理論體系。

2.概論課程以講座為主。以同濟大學為例，新能源汽車概論由5～6位教授共同承擔，分別介紹新能源汽車“三電”相關(guān)知識和最新研究進展，主要包括動力電池概論、新能源車用電機概論、燃料電池動力系統(tǒng)概論等。

3.深入學習代價大，難度高。從技術(shù)核心角度來說，以電控系統(tǒng)為例，需要學習的核心課程包括自動控制原理、信號與系統(tǒng)、汽車電子控制技術(shù)、計算機硬件技術(shù)、系統(tǒng)仿真等，這對于學時和教學資源有限的一般高校來說難度較大。

4.與實踐結(jié)合密切。新能源汽車相關(guān)課程的開設(shè)與汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展密切相關(guān)，授課內(nèi)容也緊貼新能源汽車發(fā)展的大潮流，與實踐結(jié)合十分密切。隨著國家政策對于新能源汽車的傾斜，以及新能源汽車產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展，該類課程與實踐的結(jié)合必然會更加緊密。

受學分學時和教學資源的限制，非頭部院校的車輛工程專業(yè)難以直接設(shè)立新能源方向，也難以開設(shè)與新能源相關(guān)的系列課程。因此，新能源汽車概論課程成為學生了解新能源汽車的第一途徑。如何在有限的課時中系統(tǒng)介紹新能源汽車有關(guān)知識，并密切結(jié)合實踐，是普通高校車輛工程專業(yè)需要思考的問題。

二、新能源汽車概論教學模式探索

新能源汽車概論作為一種多學科深度交叉融合的技術(shù)產(chǎn)物，涉及領(lǐng)域較為寬泛，且隨著未來技術(shù)的更替發(fā)展必將不斷融入更多內(nèi)容。在當前教材無法隨技術(shù)發(fā)展快速更新的情況下，若仍采用傳統(tǒng)的教學模式恐怕難以達到本門課程的教學目標[5-6]。針對這一課程特點，本教學團隊嘗試采用“授課—觀摩—實踐”相結(jié)合的實踐化教學模式，如圖1所示。

在該教學模式體系中，授課環(huán)節(jié)是本課程的基礎(chǔ)。教師通過授課環(huán)節(jié)，系統(tǒng)介紹新能源汽車組成分類、技術(shù)路線、技術(shù)核心內(nèi)容，使學生掌握和了解新能源汽車的基本理論知識和發(fā)展趨勢，特別是“三電”相關(guān)內(nèi)容，為之后的觀摩環(huán)節(jié)做好理論準備?，F(xiàn)階段在教學實踐中，學生對新能源汽車了解得不夠全面。前期授課涉及新能源汽車的理論知識和應(yīng)用實踐較少，學生對新能源汽車各個技術(shù)路線的區(qū)別以及關(guān)鍵技術(shù)缺乏系統(tǒng)性的概念認知。授課階段的關(guān)鍵是使學生掌握不同新能源汽車技術(shù)路線的區(qū)別，并且熟悉各個技術(shù)路線目前的關(guān)鍵技術(shù)和“卡脖子”問題，包括混合動力汽車能量分配與制動能量回收、驅(qū)動電機新技術(shù)、動力電池熱管理技術(shù)、燃料電池動態(tài)響應(yīng)與衰減、燃料電池發(fā)動機冷啟動等。

在觀摩環(huán)節(jié)中，由教師演示某款新能源汽車研究測試平臺的主要功能，包括動力系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)、“三電”的運行機理、故障的產(chǎn)生與消除等。該觀摩環(huán)節(jié)可使學生直觀了解授課環(huán)節(jié)所學理論知識，進一步掌握新能源汽車核心部件的結(jié)構(gòu)與功能。

實踐環(huán)節(jié)主要為參觀部分新能源汽車企業(yè)，對新能源汽車核心部件的研發(fā)制造與產(chǎn)業(yè)化進行深入的了解，為學生在新能源汽車領(lǐng)域?qū)嵙暫途蜆I(yè)打下基礎(chǔ)。基于與部分新能源汽車產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)的校企合作協(xié)議，教師可帶領(lǐng)學生參觀合作企業(yè)的動力電池封裝系統(tǒng)、功率電子模塊生產(chǎn)環(huán)節(jié)等。

新能源汽車概論課程具體的教學過程為：教師針對每個知識模塊（以動力電池的能量管理與能量回收為例）設(shè)計適用于本知識模塊的“授課—觀摩—實踐”體系。在課前，教師將預備知識和相關(guān)線上課程資源（如網(wǎng)易公開課《鋰離子電池是怎么工作的》）向?qū)W生發(fā)布，引導學生提前對知識模塊進行預習。該過程可利用線上平臺（如學習通）與學生進行交流。在授課過程中，教師有針對性地對學生的預習知識進行小結(jié)和鞏固，并且適當加入學術(shù)界和企業(yè)界最新研究成果的介紹，如云電池管理系統(tǒng)、電池系統(tǒng)數(shù)字孿生、利用大數(shù)據(jù)的電池健康狀態(tài)估計和診斷算法等。在授課結(jié)束后，利用學習通平臺發(fā)布課后作業(yè)，與學生進行交流討論。在觀摩環(huán)節(jié)進行之前，教師針對授課環(huán)節(jié)知識模塊，結(jié)合觀摩環(huán)節(jié)的演示平臺，設(shè)計若干項演示實例（如動力電池的荷電狀態(tài)檢測、動力電池故障檢測與排除等）。在觀摩過程中，教師按照實例手冊，操作演示平臺，對每個步驟進行講解與演示，學生可在此過程中對每個步驟和涉及的知識點進行提問和討論。在觀摩過程結(jié)束后，學生可在學習通平臺上對演示過程中仍存在的疑問與教師溝通討論。在實踐環(huán)節(jié)進行之前，教師與合作企業(yè)充分溝通，對參觀計劃進行詳細研討。在參觀過程中，合作企業(yè)的工程師利用參觀生產(chǎn)線（如功率電子模塊生產(chǎn)線）、小型研討會等方式，向?qū)W生講解在企業(yè)實踐中該知識模塊的具體作用方式、現(xiàn)階段存在的技術(shù)難題和發(fā)展方向。在參觀結(jié)束后，整個知識模塊的學習結(jié)束，學生根據(jù)在授課環(huán)節(jié)所學知識點、觀摩環(huán)節(jié)的演示內(nèi)容、實踐環(huán)節(jié)的認知體驗，形成階段性學習小結(jié)。

三、新能源汽車概論觀摩環(huán)節(jié)探索

電動汽車是新能源汽車的重要類型，電力驅(qū)動及控制系統(tǒng)是電動汽車的核心，主要包括驅(qū)動電機、控制器、動力電池。動力電池、驅(qū)動電機及控制器的性能對整個電動汽車的性能起到至關(guān)重要的作用。電動汽車動力系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示。

前序課程對于電力驅(qū)動及控制系統(tǒng)涉及較少，因此如何在較短時間內(nèi)完成教學任務(wù)，是本課程教學的重大挑戰(zhàn)。本教學團隊設(shè)置的觀摩環(huán)節(jié)，可有效強化動力系統(tǒng)核心知識，具有十分重要的實踐指導意義。該觀摩環(huán)節(jié)利用新能源汽車研究測試平臺進行教學，如圖3所示。該平臺以電動汽車真實采用的核心部件為基礎(chǔ)，集成完整的驅(qū)動模擬系統(tǒng)、高性能的電機與驅(qū)動分析儀，能夠進行驅(qū)動系統(tǒng)效率測試、變頻系統(tǒng)性能測試、動力系統(tǒng)性能測試，驅(qū)動運行工況測試、CAN總線通信分析等工作，能夠直觀真實地模擬電動汽車整車的實際組成結(jié)構(gòu)和運行工況，并能夠?qū)φ麄€系統(tǒng)進行測試分析。

動力系統(tǒng)平臺可實現(xiàn)以下功能：

·基于 CAN-bus 的驅(qū)動控制系統(tǒng)，能夠完成對驅(qū)動系統(tǒng)的控制和監(jiān)測;

·基于 CANopen 網(wǎng)絡(luò)的驅(qū)動控制系統(tǒng);

·可以集成基于 CAN-bus 總線的 BMS 系統(tǒng);

·驅(qū)動系統(tǒng)效率測試;

·變頻系統(tǒng)性能測試;

·動力系統(tǒng)性能測試;

·驅(qū)動運行工況測試;

·CAN-BUS 從協(xié)議層到應(yīng)用層等多層次、全方位的測試分析。

以動力電池知識模塊為例，動力系統(tǒng)平臺可完成制動能量回收實驗、單體電池監(jiān)測實驗、電池管理系統(tǒng)（BMS）控制實驗、電池系統(tǒng)部件故障實驗、電池充電效率實驗、電池組放電實驗等。制動能量回收實驗的主要目的是了解新能源汽車電機的制動能量回收原理與實踐操作，同時可觀察制動能量回收對動力電池的影響。通過制動能量回收實驗，學生可以充分了解動力電池與電機在制動能量回收過程中的能量流動狀態(tài)，對制動能量回收算法有一定的認識。單體電池監(jiān)測實驗的主要目的是對單體電池的電壓和電流進行模擬實驗，使得學生對動力電池組的組成部分——單體電池的運行和監(jiān)測流程有所了解。電池管理系統(tǒng)（BMS）控制實驗的主要目的是測試新能源平臺電池管理系統(tǒng)（BMS）的運行狀態(tài)及監(jiān)控信息，通過該實驗，可使學生對BMS的運行機制和算法有一定了解。電池系統(tǒng)部件故障實驗的主要目的是測試新能源平臺電池系統(tǒng)部件的運行狀態(tài)及監(jiān)控信息，完善部分故障注入功能，使學生了解電池系統(tǒng)部件故障產(chǎn)生的原因和處理方法。電池充電效率實驗的主要目的是熟悉新能源汽車電池的充電步驟，這不僅能使學生了解實驗平臺的充電注意事項，也能進一步對學生進行安全用電教育。電池組放電實驗的主要目的是了解新能源汽車電池組的放電操作步驟和注意事項。通過一系列觀摩教學，學生可初步掌握新能源汽車動力系統(tǒng)中動力電池的組成結(jié)構(gòu)、運行方式、故障檢測等知識。

另外，針對CAN總線這部分知識在前期教學過程中的缺失，以及現(xiàn)在CAN總線廣泛應(yīng)用的現(xiàn)狀，該平臺可完成CANOPEN 報文格式實驗、BMS 報文監(jiān)測實驗、扭矩控制報文發(fā)送實驗、硬件自動存儲緊急報文實驗、CAN報文收發(fā)實驗、實時保存CAN報文操作實驗等。其中，CANOPEN 報文格式實驗可使學生掌握電動汽車部件的CAN幀ID解碼方法，嘗試解碼發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)，了解解碼規(guī)律和協(xié)議。BMS 報文監(jiān)測實驗的主要目的是掌握CAN總線占有率和錯誤率的測量、分析方法，監(jiān)控CAN總線，分析CAN總線占有率和錯誤率。扭矩控制報文發(fā)送實驗可使學生了解新能源汽車電機的扭矩控制報文發(fā)送過程。硬件自動存儲緊急報文實驗可使學生了解報文的自動存儲功能。CAN報文收發(fā)實驗、實時保存CAN報文操作實驗可使學生初步掌握CANtest軟件CAN報文收發(fā)以及保存功能。通過一系列的觀摩教學，學生可初步掌握CAN總線報文的結(jié)構(gòu)、收發(fā)、存儲等知識。

本新能源汽車教學平臺系統(tǒng)設(shè)計了與實際電動汽車電力驅(qū)動及控制系統(tǒng)類似的組成部分，能夠直觀、真實地模擬電動汽車的實際組成結(jié)構(gòu)和運行工況，并能夠?qū)φ麄€系統(tǒng)進行測試分析，滿足新能源汽車領(lǐng)域的教學和科研需求。在小范圍的觀摩實踐中，該教學平臺能夠有效強化學生對新能源汽車動力系統(tǒng)相關(guān)知識的理解。

四、結(jié)語

新能源汽車概論作為高校車輛工程專業(yè)的專業(yè)必修課，是多學科深度交叉融合的技術(shù)產(chǎn)物，涉及領(lǐng)域較為寬泛，且隨著未來技術(shù)的更替發(fā)展必將不斷融入更多內(nèi)容，這一特點給課程教學帶來了一定的困難。為了解決這一問題，本教學團隊在課程大綱和原有教學模式的基礎(chǔ)上積極探索，采用“授課—觀摩—實踐”相結(jié)合的實踐化教學模式，在小范圍的觀摩實踐中，該教學模式能夠有效強化學生對新能源汽車動力系統(tǒng)的相關(guān)知識的理解。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] Gong H， Wang M Q， Wang H. New energy vehicles in China： policies， demonstration， and progress[J]. Mitigation & Adaptation Strategies for Global Change， 2013（2）：207-228.

[2] 耿會斌. 新能源汽車課程教學改革與探索[J]. 傳播力研究， 2018（25）：227.

[3] 清華大學車輛與運載學院.清華大學機械大類車輛工程專業(yè)本科培養(yǎng)方案[EB/OL]. [2020-09-25].http：//www.svm.tsinghua.edu.cn/essay/33/118.html .

[4] 同濟大學汽車學院.同濟大學車輛工程培養(yǎng)方案[EB/OL]. [2020-09-25].http：//auto.tongji.edu.cn/ .

[5] 李波， 周亭，貝紹軼，等.淺析新能源汽車原理與構(gòu)造課程教學改革[J]. 高教學刊， 2017（10）：36-37.

[6] 劉杰， 王慶偉， 范若尋. 《新能源汽車概論》課程混合式教學模式探索與研究[J]. 吉林化工學院學報， 2019（6）： 54-56.

[責任編輯：鐘 嵐]