基于電驅(qū)動實訓項目的進化過程對職業(yè)本科學生實訓要求的分析

楊淵博 曹 林 謝敬堯

西安汽車職業(yè)大學新能源汽車學院，陜西 西安 710000

職業(yè)教育在全世界范圍內(nèi)有很悠久的歷史，最早的系統(tǒng)性職業(yè)教育出現(xiàn)于美國，經(jīng)過不斷變化，形成了具有一定特色的教學制度，即社區(qū)學院和技術學院。這種教學模式既讓學生完成了專業(yè)技能和知識的學習，又達到了通識教育的培養(yǎng)目標。同時，有一個很重要的特點是，社區(qū)大學和技術學院對于招生范圍有很大程度上的放寬［1］。在日本職業(yè)教育對學生的定位不僅僅滿足于掌握一種技能，而是關注對一個技能的掌握程度，更強調(diào)打造頂尖人才，承擔著將高等專門學校畢業(yè)生培養(yǎng)成更高層次、更高水平的技術人才的職責和使命［2］。各國的職業(yè)教育都各有特色，但是職業(yè)教育的核心理念從來沒有變過，即通過實踐教育培養(yǎng)技能型人才。因此，在職業(yè)教育的學習過程中實踐過程扮演著重要的角色，《國務院關于印發(fā)國家職業(yè)教育改革實施方案的通知》［3］中指出，職業(yè)本科培養(yǎng)方案必須滿足實訓內(nèi)容達到課程總量50%以上，說明關于職業(yè)教育實訓課程的重要性，各方面達成了一致認可。

由于我國初次實踐職業(yè)本科教育，整個社會對于職業(yè)本科的認識處于一種缺失狀態(tài)，尤其是職業(yè)本科的實訓項目該怎么開展才能達到“層次上屬于本科教育，類型上屬于職業(yè)教育”的屬性特征［4］。因此本文將通過電驅(qū)動實訓項目的進化過程對職業(yè)本科實訓要求進行分析。

一、電驅(qū)動實訓項目

與燃油車相同，電動汽車行駛過程中同樣需要克服滾動阻力、爬坡阻力、空氣阻力和加速阻力。在燃油車系統(tǒng)中，為了克服啟動加速階段的較大阻力，同時滿足汽車的較高車速需求，利用變速裝置對內(nèi)燃機的輸出特性進行調(diào)整以達到“低速高扭矩輸出，高速高功率輸出”的特點，而電動機的輸出特性恰巧具備這樣的屬性。上述只從動力性能對電動機的需求進行了分析，電動機非常適合作為汽車的動力單元，但是考慮到實際路況時的動力特性要求［5］，電動汽車不僅要應對市區(qū)的中速形式，還需要應對較好路況下的高速行駛。這就要求電動汽車的牽引電機不僅要有較寬的工作范圍，還要在工作區(qū)域內(nèi)有較高的效率。因此電動汽車測試系統(tǒng)，需要對牽引電機在整個工作范圍進行測試［6］。

電機作為電動汽車三電系統(tǒng)的之一，電機的性能對于整車的經(jīng)濟性、動力性、操控性和平順性等多種性能產(chǎn)生影響。電機測試臺架是用于完成電機外特性測試的重要實驗設備，在實際生產(chǎn)中用于繪制電機Map 圖，用于測試電機耐久性等一系列測試工作［1］。對于新能源汽車專業(yè)的教學，要求學生們能掌握電機的測試和性能分析方法，因此在教學中需要用到電機測試實訓臺，完成電機性能的測試練習。

（一）第一代電驅(qū)動測試實訓設備

第一代電驅(qū)動實訓臺架為蘭菱Y78008 型電驅(qū)動測試一體式臺架，該試驗臺全套主要部件包括動力電池、電池管理系統(tǒng)、電機、電機控制器、充電機、DC-DC、儀表、電池監(jiān)視器、電動制動系統(tǒng)、電機測試臺、加載控制器、轉矩轉速功率測量儀等，電機性能參數(shù)如表1 所示。電源系統(tǒng)采用了72V 系統(tǒng)，電機最高轉速6800rpm，電渦流機提供最大負載5000N.m，電渦流機在運行時會產(chǎn)生大量的熱，系統(tǒng)采用了外部循環(huán)水泵對電渦流機進行冷卻。

表1 電機性能參數(shù)

為了進行電機機械特性測試，宋強等人［6］指出為了測試電機及控制器在各個工作點的效率，需要在工作范圍內(nèi)掃描測試。但是單次實訓過程只有九十分鐘，八人一組，包括課前準備和課后的數(shù)據(jù)處理過程，實際的實訓時間不能滿足上述要求，因此實際實訓過程如下：

1.將點火開關打至ON，打開冷卻水箱水循環(huán)系統(tǒng)，打開轉矩轉速功率采集儀，打開加載控制器，將加載控制器上的切換開關打至“手動”，將手動調(diào)節(jié)旋鈕逆時針旋轉到頭，可以觀察到LED顯示表顯示值接近0A。

2.旋轉加載控制器上的手動調(diào)節(jié)旋鈕，使得LED 顯示表上的顯示值為0.6A。將檔位開關打至“D”檔。

3.控制加速踏板，使轉速從500rpm 到3700rpm，增量100rpm，觀察轉矩轉速功率采集儀并記錄相關數(shù)據(jù)。

4.旋轉加載控制器上的手動調(diào)節(jié)旋鈕，使得LED 顯示表上的顯示值為0.8A。將檔位開關打至“D”檔。

5.控制加速踏板，使轉速從500rpm到3700rpm，增量100rpm，觀察轉矩轉速功率采集儀并記錄相關數(shù)據(jù)。

上述過程要求電機轉速從500rpm 到3700rpm，按照增量100rpm 進行增加。電機的轉速通過加速踏板的深度進行控制，加速踏板的行程為6cm，包含2cm 的虛位移，則加速踏板的有效行程為4cm。假設轉速變化隨著踏板深度線性變化，電機轉速隨踏板深度的變化率為170rpm/mm。測試過程中要觀察轉速、轉矩和功率三個數(shù)據(jù)，同時控制踏板深度達到上述精度，對于測試人員的操作造成一定困難。

（二）第二代電驅(qū)動測試實訓設備

在上述第一代的實訓臺架基礎上，針對測試人員不能通過手動控制加速踏板的方式將電機轉速穩(wěn)定的特點，研制了第二代電驅(qū)動測試一體式臺架。第二代電驅(qū)動測試實訓臺架的結構圖如圖1 所示，使用上位機對整個系統(tǒng)進行控制。上位機在系統(tǒng)中的作用主要有以下三點：一、通過發(fā)送電機控制信號給電機控制器，取代了原有的加速踏板；二、接受轉速扭矩信號完成數(shù)據(jù)的采集工作；三、控制負載大小，可以實現(xiàn)橫向數(shù)據(jù)采集（保持轉速不變，變化負載）。

圖1 第二代電驅(qū)動實訓臺結構圖

上位機的編寫是基于LabView 軟件，根據(jù)測試任務的需要。測試軟件主要包含扭矩補償命令發(fā)送、保存數(shù)據(jù)、負載信息發(fā)送、加速信息發(fā)送和采集數(shù)據(jù)等子程序。

上述程序有效解決了電機轉速精確調(diào)控的功能，通過8 位的數(shù)字信號組成的0 ～255 個數(shù)字，使電機的轉速控制精度可以達到±26rpm。較加速踏板控制方式提高了很多。整個系統(tǒng)在數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞缴隙疾捎昧嘶贓SP8266 的物聯(lián)網(wǎng)無線傳輸方式，在極低的功耗下實現(xiàn)了無線傳輸，簡化了傳輸線路。

（三）硬件的進化

根據(jù)不同層次的教育對實訓項目提出的要求，實訓項目必須在硬件上進行升級，主要體現(xiàn)在數(shù)據(jù)集采和數(shù)據(jù)記錄，以及設備的控制方面。升級前的設備為了讓學生能夠更好地和實際產(chǎn)生聯(lián)系，在電機的轉速控制方面只采用了加速踏板這種直接的方式，該方法確實可以很好地讓學生理解實際駕駛過程中加速的感覺，但是在控制精度上面有了一定的難度。

本次硬件的升級從以上三個方面入手。首先進行了控制裝置的升級，引入了平行控制的方法，在加速踏板的基礎上增加了數(shù)字控制的方式，通過上位機直接將控制信號發(fā)送給電機控制器。控制信號使用一個字節(jié)的數(shù)字量，使電機的控制信號從行程2.6cm 的加速踏板運動改成0 ～256 的數(shù)字量，電機最后的精度可以達到±26rpm。

數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)記錄方面主要是將原有系統(tǒng)通過數(shù)碼管顯示的方式，升級為通過上位機曲線顯示的方式，可以方便學生們直接觀察曲線的變化趨勢，對控制電機的各項參數(shù)有更好的指導作用。因為采集數(shù)據(jù)的方式改變了，相應的數(shù)據(jù)記錄方式也從原來的人工記錄方式改為上位機自動保存，節(jié)省了數(shù)據(jù)記錄花費的時間，可以有更多的時間去設計怎么完成實訓任務。以實現(xiàn)培養(yǎng)更高層次人才的目標。

（四）操作系統(tǒng)的進化

操作系統(tǒng)的進化是和硬件進化同步進行的，根據(jù)硬件的升級，基于LabVIEW 設計了上位機。將三個控制旋鈕用虛擬控件所替代，將驅(qū)動電機的運行命令也通過上位機上的虛擬按鈕去控制。對操作系統(tǒng)升級以后，操作的便利性大大提高，結合數(shù)據(jù)顯示方式的進化，整個系統(tǒng)的可控性有了改進［7］。

二、實訓要求分析

電驅(qū)動實訓項目作為《電動機結構和原理》課程的課內(nèi)實訓項目之一，是為了讓學生能更好地理解電動機的機械特性，并能繪制出電動機的特性曲線［8］。

（一）高職專科層次要求

職業(yè)教育在我國已經(jīng)有了很長時間的實踐了，從最早的中專、中職到高職一直以培養(yǎng)一線技術工作者為目標。電驅(qū)動實訓項目對高職專科提出的要求也是能滿足第一線的設備操作和數(shù)據(jù)采集等工作，即可達到培養(yǎng)目標。

因此，在針對高職專科進行的實訓報告設計中主要強調(diào)動手能力，實訓報告中為高職專科的學生制定了電池包電壓電流檢測、電機轉速扭矩采集和數(shù)據(jù)后處理三項工作，同時也說明了上述工作內(nèi)容的具體步驟，同學們只需按照流程完成操作。

（二）職業(yè)本科層次要求

對于職業(yè)本科而言，和職業(yè)本科一樣都是以一線技術人員為培養(yǎng)目標，但在實際的工作能力上，對職業(yè)本科提出了更高的要求。要充分發(fā)揮職業(yè)本科作為高層次職業(yè)教育橋頭堡的作用，要讓學生在掌握實操能力的基礎上，具備一定的理論知識。這體現(xiàn)在實際的實訓過程中，就要求職業(yè)本科的學生能夠按照實訓目標自主完成操作流程的設計［9］。

在本次實訓過程中要求學生深刻理解純電動汽車驅(qū)動電機在不同工況下的效率變化情況，還需要去檢測各種工況變化過程中，電池包輸出電流和端電壓的變化情況。通過上述兩個實訓能使學生理解電機匹配工作的原理和重要性，同時對電池管理系統(tǒng)的作用有更深刻的認識［10-11］。

三、總結

本文以電驅(qū)動實訓平臺的進化過程為研究對象，說明了職業(yè)本科教育不同層次的培養(yǎng)目標對實訓過程的不同需求，體現(xiàn)了不同層次人才之間的技能側重點不同。對于高職專科層次，實訓項目的設計應該更貼近實際生產(chǎn)過程，并且是成熟的生產(chǎn)過程，因為相比之下高職專科理論知識儲備不充足，對于職業(yè)本科層次，實訓項目的設計在保證一定的實際操作訓練的同時，應該保證有一定量的自主思考過程。具體的就是不再為學生們制定統(tǒng)一的實訓流程，將實訓內(nèi)容設置為以目標為導向的任務。讓學生結合自己所掌握的理論知識先完成實訓過程的設計再去進行實訓過程，這就要求我們的實訓設備具備易操作和數(shù)據(jù)處理方便的特點，才能讓學生將更多的時間投入到思考和設計實訓流程中。

以上是基于電驅(qū)動實訓平臺進化過程對職業(yè)本科學生實訓要求的分析，希望本文可以為更多的實訓平臺建設和開發(fā)提供思路。