動力電池訓練“包”設計

李伯勇　黃紹金　賴城賢　林藝華

摘 要：隨著動力電池更換期的到來，人們發現動力電池更換價格趕上了傳統汽車，而動力電池的維修人員缺失，動力電池訓練“包”就應運而生，動力電池訓練“包”主要是模擬新能源汽車動力電池維修，由動力電池訓練包以及線上課程組成，其課程內容自由選取訓練包中的配件進行元器件識別，以及在實訓過程中可根據實訓指導書及電氣原理圖進行電池成組。動力電池訓練“包”由30cell磷酸鐵鋰電池、車規級分布式電池管理系統、散熱式負 載、功率電阻、國標交流充電口、車載充電機、接觸器，熔斷器、直流數顯表、水泥電阻、薄膜電容、平板電腦、原廠級上位軟件等放置拉桿式鋁塑箱內，箱內置泡沫卡托可保證放置所有配件不會在移動過程中產生碰撞。發生觸電時，訓練箱內置緊急制動開關保證使用者安全，使維修人員的安全得到充分的保障，可以快速解決當下新能源維修人才市場空缺。

關鍵詞：新能源電動汽車 動力電池 培訓教學 動力電池系統

1 引言

目前，在我國汽車制造業快速轉型升級的背景下對于汽車職業技能人才的需求日益劇增，在這樣的市場需求下，本產品在一定程度上滿足了各類院校、4S店及汽車新能源技能培訓機構對于人才培養實訓的需求。在這種環境下，新能源電動汽車逐漸得到民眾的認可和接受[1]。新能源電動汽車不僅減少了對燃油的消耗，與此同時也杜絕了燃油燃燒時產生的尾氣污染。新能源電動汽車以電力作為驅動能源，一旦電力耗盡，汽車也就無法再運行，因此給電動汽車進行充換電至關重要。

隨著科學技術不斷的更新迭代，高校實驗設備亟待更新，實驗室設備及裝備行業市場需求巨大，國內不斷有新企業瞄準這塊“蛋糕”，很多外國生產設備商也紛紛跟緊腳步進入國內市場，搶占先機。但是現在新能源汽車動力電池維修的市場會維修的特別少，車主對汽車維修廠（維修難度大，不放心）、4S店（價格昂貴耗時長）、返廠維修（太麻煩，異地維修，且耗時長）；并且現在維修新能源汽車動力電池并不安全，存在著高壓及維修“后遺癥”的危險。

據國內領先的汽車產品信息收集平臺車質網的統計數據顯示，2021年國內純電動車動力電池故障總投訴量上漲30.9%。由此可見在現代新能源汽車發展的趨勢下動力電池故障頻頻發生，市場需要一款可以快速培養維修動力電池人才的產品。

現在實訓教學是高校培養人才必不可少的一部分；在基礎教育階段，新能源汽車實驗室、電池檢測實驗室在教學中的應用，可以發揮學生的創作力，激發學習熱情。

2 訓練包結構組成

新能源動力電池訓練“包”的整體組成設計：電源模塊：車載充電機、72V電池組、12V蓄電池；控制模塊：主控模塊、從控模塊；執行模塊：放電負載、維修開關、組裝臺；其他模塊：導線、CAN導線。如圖1所示。

3 硬件電路設計

我們根據電源模塊、控制模塊、執行模塊、其他模塊來實現新能源汽車動力電池模塊的模擬，可以讓維修人員在后續的維修時提高安全性，可以讓維修新能源汽車的人員增多，更好的推進新能源汽車的政策要求。

3.1 維修單元

維修單元主要負責車輛電池信息讀取、故障碼查詢、故障點查詢。根據該單元所負責的內容，該單元硬件設備包括：車載充電機、72V電池組、12V蓄電池、主控模塊、從控模塊、放電負載、維修開關、組裝臺、導線、CAN導線。

（1）車載充電機是一種固定安裝在電動汽車上的充電機，具有為電動汽車動力電池，安全、自動充滿電的能力，充電機依據電池管理系統（BMS）提供的數據，能動態調節充電電流或電壓參數，執行相應的動作，完成充電過程[2][3]。如圖2所示。

（2）72V電池組主要用于給動力電池訓練“包”提供足夠電力，保證在培訓和維修時保持電力供給，主要由6個12V蓄電池串聯而成。

（3）12V蓄電池主要用于給非高壓設備的其他設備供電，主要包括：主控模塊、從控模塊、CAN導線等等。

（4）主控模塊主要作用是控制整個訓練包的電路和故障查詢、設置故障點等等，是整個設備的核心，可以更好配合培訓人員完成操作。

（5）從控模塊主要用途是輔助主控模塊完成故障查詢、設置故障點等等，同時控制其他設備與主控模塊進行交互。更好完成教學。

（6）放電負載是一個執行元件，可以通過主、從控制模塊的設置故障點，主要用途是給蓄電池組深度放電維護和容量檢測的儀器，具有功率大、安全性高、使用壽命長等特點，在測試過程中能實時顯示電壓、電流等數據；經過參數設定后，自動恒流或恒阻控制完成動力電池容量試驗。如圖3所示。

（7）維修開關主要用途是在維修動力電池時候給維修人員安全，在拔開維修開關時整個電路斷路。

（8）組裝臺可以讓整體更整潔、方便、輕松，使維修人員的操作更加規范舒適；可以任意設計，可以模擬多種車輛的動力電池，設置故障點方便，能大大提高培訓質量。

（9）導線是連接各設備的重要元件，也是最容易設置故障點的地方，導線的規格主要看電壓、電流的大小。

（10）CAN導線的作用就是將執行器、控制模塊、各種傳感器等多個控制單元連接在一起，實現信息的實時同步。

3.2 設置故障點單元

故障點單元包括兩個部分：故障點設置、故障點監控。

故障點設置：根據教學目的，結合教學內容，選擇合適的故障點進行設置，本產品通過對電池進行檢測，設置故障點；由于電池出現的問題會影響到車輛的動力性能、安全性能、續駛里程等。本產品通過設置不同的故障點，讓學員可以了解不同的故障情況，并且在規定的時間內完成對應的動作；通過對電池進行檢測，確定電池是否存在問題。

本產品在設置故障點單元主要分為人為故障和自然故障；主要是讓培訓人員可以更好應對各種故障情況。

人為故障：汽車制造和維修過程中，由于零件存在瑕疵或裝配不規范或者使用不當等人為因素造成的故障。

自然故障：汽車在使用壽命期間，由于外部和內部不可抗拒的自然因素造成的故障。

故障點監控：通過對電池進行檢測，確定是否有問題，根據學員掌握情況來進行調整。本產品通過對電池進行檢測，確定是否存在問題；從而判斷電池是否存在問題。

4 軟件設計

本訓練包的軟件控制部分采用了 LabVIEW軟件，該軟件以其簡潔直觀的界面、強大的功能和豐富的命令集等特點，被廣泛應用于工業控制、人工智能、數據采集和信號處理等領域。LabVIEW是由美國國家儀器公司開發的一個面向對象的可視化編程環境，具有豐富的功能函數，強大的數據庫管理功能和友好的用戶界面，是工業控制領域中最流行也是最重要的工具之一。

LabVIEW作為一個虛擬儀器開發環境，已經被廣泛應用于儀器儀表、智能儀表、機器人、航空航天、石油化工等行業。LabVIEW可以將系統中所有變量均顯示在界面上，并提供統一的操作界面。LabVIEW采用了面向對象設計方法，與 VC++等傳統語言相比具有更強的靈活性和更多的功能。LabVIEW采用模塊化結構，能夠方便地進行程序修改和移植。

5 測試過程及結果分析

使用測試包模擬兩種不同的動力電池進行了自放電、動力電池對蓄電池情況、電池內部一致性、動力電池SOH情況，具體測試過程如下：

（1）自放電：我們可以根據兩款動力電池情況來模擬動力電池在斷路或短路情況下自放電，啟動測試包進自放電測試，自放電結果分別為6%和5%；

（2）動力電池對蓄電池情況：我們可以根據動力電池在工作時，DC/DC對蓄電池充電情況的模擬，啟動測試包后，給蓄電池進行放電操作，放電容量為800 mAh的動力電池放電容量為750 mAh；電池充電電壓為14.5V時，放電電壓為13.5V。

（3）電池包內部的一致性：通過軟件的設計我們可以控制動力電池內部電流、電壓、電容量，讓它可以和市場上動力電池達到一致性。

（4）動力電池SOH情況：測試包會根據需要模擬的動力電池從充滿狀態以一定倍率放電至截止電壓所放出的容量與其所對應的標稱容量的比值來模擬動力電池的健康情況。

6 結論

動力電池訓練包是一款用來進行動力電池充放電性能測試的專用設備，它具有結構簡單、易于操作、精度高、操作簡單等特點；在保證測試安全的前提下，該訓練包的精度高，能滿足不同電壓等級動力電池的測試要求。與傳統的實驗室方法相比，該訓練包具有操作簡單、測試范圍廣等特點；在保證測試安全的前提下，該訓練包能滿足不同電壓等級動力電池的測試要求。本論文通過對動力電池訓練包的設計與開發，為動力電池儲能系統和電動汽車等新能源車輛的研發提供了理論依據和數據支持，提高了設計效率。在實際應用中，該訓練包還可以用來對動力電池進行老化實驗、壽命試驗等。此外，該訓練包還可以用于電動車等新能源汽車的制造工藝研究、質量檢測等領域。在今后的工作中，我們將繼續進行研究工作，使之更好地為新能源汽車產業服務。

7 展望

近年來，隨著國家對新能源汽車產業的大力扶持，我國新能源汽車產業取得了飛速發展。與此同時，我國新能源汽車產業也面臨著巨大的挑戰，不僅表現在動力電池產能嚴重過剩，而且還表現在動力電池安全性差、使用壽命短、充電速度慢等諸多問題。為了解決這些問題，我國提出了“三縱三橫”新能源汽車發展戰略。“三縱”分別為純電動汽車（EV）、混合動力汽車（HEV）和燃料電池汽車（FCEV）；“三橫”分別為純電動汽車動力總成技術、插電式混合動力汽車技術和燃料電池汽車動力總成技術[4]。這些戰略的實施必將推動我國新能源汽車產業的快速發展，并極大地提升我國在國際新能源汽車市場上的競爭力。作為新能源汽車的重要組成部分，動力電池的研發生產對于推動我國新能源汽車產業的快速發展具有重要意義。本研究針對動力電池的特性，開發了一套動力電池訓練包，以提高測試效率和準確性，縮短測試時間。本研究成果可以為新能源汽車相關企業、研究機構提供相關數據和技術支持。

課題來源：福建省大學生創業創新訓練項目—動力電池訓練“包”設計，項目編號：S202212928022。

參考文獻：

[1]徐素秀，謝冰，秦威等.電動汽車充電與換電模式定價及投資策略[J].交通運輸系統工程與信息，2021，21（05）：183-189.

[2]黃彩娟.純電動汽車電路圖組成與識讀方法——以德系車型大眾ID4車型為例[J].專用汽車，2022，No.302（07）：76-78.

[3]劉太彪.車載充電機等電源類設備對信號類設備的干擾探究[J].內燃機與配件，2019，No.287（11）：206-207.

[4]趙福旺. 唐山地區電動汽車換電站建設方案研究[D].華北電力大學，2013.