新能源汽車動力電池機械安全教學(xué)案例庫建設(shè)與研究

潘勇軍，王小龍，李佳承

（1.重慶大學(xué)機械與運載工程學(xué)院 重慶 400044；2.重慶弗迪電池研究院有限公司 重慶 402761）

動力電池是新能源汽車的動力源，它類似于新能源汽車的心臟，其成本占整車成本的30%―40%。動力電池作為電動汽車的“三電系統(tǒng)”之一，是用戶最關(guān)心的一個系統(tǒng)，它直接決定了整車的續(xù)航里程。而且，動力電池的質(zhì)量、安全以及可靠性直接影響整車的駕乘體驗。作為新能源汽車最核心的部件以及動力源，動力電池系統(tǒng)不僅重量大，而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，它由多達幾十個電芯模組組成，每個模組又由幾個到十幾個不等的電芯構(gòu)成。電芯之間、模組之間以及電池管理系統(tǒng)內(nèi)部的電流等信號傳輸需要各式連接與電壓、電流、溫度等實時監(jiān)控，電池對外輸能需要采用高壓連接器。因此，電芯連接、模塊連接、高低壓接口、電流及溫度等信號監(jiān)測的可靠性十分關(guān)鍵。

2024 年1 月9 日，韓國研究機構(gòu)SNE Research 發(fā)布的動力電池統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，去年前11 個月全球動力電池裝機總量為624.4 GWh，同比增長41.8%。寧德時代裝車量達233.4 GWh，全球市占率為37.4%，較2022 年同期擴大1.7 個百分點，繼續(xù)穩(wěn)居榜首。比亞迪去年前11 個月動力電池裝車量98.3 GWh，市場份額為15.7%，較2022 年同期增長了1.8 個百分點，位居全球第二。除寧德時代和比亞迪外，四家中國電池企業(yè)，中創(chuàng)新航、國軒高科、億緯鋰能、孚能科技也出現(xiàn)在榜單前十位。我國在新能源汽車動力電池的全球競爭中取得了明顯的市場與技術(shù)優(yōu)勢。全球汽車工業(yè)電動化加速推進，電池企業(yè)不斷擴大投入，加之電池產(chǎn)業(yè)與技術(shù)升級，企業(yè)間競爭不斷加劇，這些都對電池領(lǐng)域人才的質(zhì)量提出了更高的要求。但是，由于電池工業(yè)的技術(shù)復(fù)雜性以及專業(yè)人才培養(yǎng)的長周期性等因素制約，電池領(lǐng)域當前面臨較大的人才供需結(jié)構(gòu)性矛盾。

因此，為滿足新能源汽車行業(yè)對動力電池人才的迫切需求，面向機械領(lǐng)域?qū)I(yè)型研究生構(gòu)建“電動汽車鋰離子電池模組及系統(tǒng)動力學(xué)與控制案例庫”十分必要。這有利于研究生更好地掌握鋰離子電池模組及系統(tǒng)的動力學(xué)建模方法、分析與優(yōu)化手段、主動安全控制策略以及智能測試評價等相關(guān)專業(yè)知識，為培養(yǎng)新能源汽車復(fù)合型精英人才奠定扎實的理論與實踐基礎(chǔ)，這也是目前機械工程人才培養(yǎng)中迫切需要完成的任務(wù)之一[1-3]。

1 動力電池機械安全教學(xué)案例庫的建設(shè)目標

電動汽車鋰離子電池模組及系統(tǒng)動力學(xué)與控制案例庫的建設(shè)目標是使研究生熟練掌握鋰離子電池動力學(xué)的基本研究內(nèi)容和方法，掌握與理解電動汽車的最新研究前沿與動態(tài)，開闊專業(yè)學(xué)位研究生的視野，為進入接下來的項目與研究打好基礎(chǔ)。本文將從鋰離子電池模組及系統(tǒng)動力學(xué)建?；A(chǔ)，電池系統(tǒng)優(yōu)化、分析與設(shè)計，電動汽車動力學(xué)控制與測試評價等角度建設(shè)一系列的教學(xué)案例，為培養(yǎng)新能源汽車人才奠定堅實的基礎(chǔ)。

在案例庫的建設(shè)過程中密切結(jié)合新能源汽車行業(yè)工程實踐以及科研項目，融合理論知識與實踐運用，實現(xiàn)科學(xué)與工程的有機結(jié)合，提高專業(yè)學(xué)位研究生的工程實踐能力。同時在案例教學(xué)庫的建設(shè)過程中，結(jié)合研究生的研究方向充分發(fā)揮他們的主觀能動性與積極性，鼓勵他們在教學(xué)案例的基礎(chǔ)上延伸或拓展[4]，從而探索研究生課程教學(xué)的新模式，創(chuàng)新專業(yè)學(xué)位研究生課堂教學(xué)方法。

2 動力電池機械安全教學(xué)案例庫的內(nèi)容

電動汽車鋰離子電池模組及系統(tǒng)動力學(xué)與控制案例庫共包括22 個項目。充分考慮到案例的目的性、典型性、真實性、內(nèi)容完整性、可讀性等要求[5]，圍繞以下兩個模塊展開：電動汽車鋰離子電池模組動力學(xué)以及電動汽車鋰離子電池系統(tǒng)動力學(xué)與控制。內(nèi)容涉及電動汽車鋰離子電池設(shè)計與動力學(xué)的方方面面，包括動力學(xué)建?；A(chǔ)、系統(tǒng)優(yōu)化與設(shè)計、系統(tǒng)仿真與分析、前沿技術(shù)與測試評價等。

2.1 模塊一：電動汽車鋰離子電池模組動力學(xué)與控制案例庫

主要分析研究電動汽車鋰離子電池模組的建模仿真、動力學(xué)與控制以及梯次利用等問題，具體包括：電動汽車動力電池碰撞安全設(shè)計方法，電池模組側(cè)面碰撞仿真響應(yīng)特性和安全性分析，新能源動力電池機械沖擊測試使用安全性能，方殼電池機械濫用變形損傷的方向相關(guān)性與早期診斷等。所對應(yīng)的專業(yè)課程包括新能源汽車設(shè)計、有限元分析技術(shù)、汽車主被動安全設(shè)計、電動汽車動力系統(tǒng)能量管理、新能源與智能網(wǎng)聯(lián)汽車前沿技術(shù)等。

2.2 模塊二：電動汽車鋰離子電池系統(tǒng)動力學(xué)與控制案例庫

主要分析研究電動汽車鋰離子電池模系統(tǒng)的建模、機械安全性、動力學(xué)與控制、優(yōu)化設(shè)計以及檢測與性能評價等問題，具體包括：鋰離子電池包系統(tǒng)振動仿真分析，鋰離子電池包系統(tǒng)縱向/側(cè)向模擬碰撞仿真分析，鋰離子電池包系統(tǒng)縱向/側(cè)向擠壓仿真分析，鋰離子電池包系統(tǒng)低矮障礙物碰撞仿真分析，鋰離子電池包系統(tǒng)底部剮蹭仿真分析，鋰離子電池包系統(tǒng)低矮障礙物碰撞參數(shù)化分析，鋰離子電池包系統(tǒng)底部剮蹭參數(shù)化分析，電池包系統(tǒng)及模組蜂窩吸能結(jié)構(gòu)仿真分析，電池包系統(tǒng)及模組基于草優(yōu)化蜂窩參數(shù)化分析等。所對應(yīng)的專業(yè)課程包括新能源汽車設(shè)計、多體系統(tǒng)動力學(xué)、沖擊動力學(xué)、汽車優(yōu)化設(shè)計等。

3 案例庫在研討式教學(xué)中的應(yīng)用

案例教學(xué)最早始于醫(yī)學(xué)教學(xué)，醫(yī)學(xué)教師將各種病癥的診斷與治療詳細記錄生成案例用于課堂教學(xué)，以期培養(yǎng)學(xué)生的推理與診斷能力。本文的電動汽車鋰離子電池模組及系統(tǒng)動力學(xué)與控制案例庫以鋰離子電池領(lǐng)域的基礎(chǔ)知識點為對象建設(shè)一批知識點案例，要求研究生牢固掌握相關(guān)基礎(chǔ)知識。結(jié)合工程實踐、前沿技術(shù)建設(shè)單一課程案例和綜合課程案例，深入分析課程案例，要求研究生根據(jù)各自的研究方向重點理解或掌握。按照這一建設(shè)思路，圍繞電動汽車鋰離子電池的動力學(xué)問題為研究生提供較為全面的案例和學(xué)習(xí)資料。

授課前，研究生先行搜集電動汽車熱失控或起火等典型事故，并簡單分析事故產(chǎn)生的原因。課堂由教師引導(dǎo)他們對案例內(nèi)容進行詳細分析，以此引入所構(gòu)建的案例庫中類似的案例，并探討事故的真實原因，分析產(chǎn)生事故的關(guān)鍵因素。這種由研究生主動搜集熱點事故的模式，可以引導(dǎo)他們由被動學(xué)習(xí)過渡到主動學(xué)習(xí)，有助于激發(fā)他們的學(xué)習(xí)熱情，使教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)形式更加生動活潑而且與時俱進。授課后，教師為研究生提供案例庫的使用手冊，并布置啟發(fā)思考題，進一步提升研究生對知識掌握的熟練程度，以期他們能夠做到舉一反三，融會貫通。

為了創(chuàng)新案例庫在研討式教學(xué)中的應(yīng)用，案例教學(xué)還常常與其他方法或技術(shù)手段相結(jié)合。比較典型的問題式呈現(xiàn)方法是以問題的方式把案例展示在課堂上，激發(fā)研究生的好奇心，調(diào)動他們參與討論的熱情，使研究生積極思考問題并尋找解決方法。問題式呈現(xiàn)對案例質(zhì)量的要求比較高，它在案例教學(xué)中效果十分明顯。教師選取的案例情境越真實豐富，研究生對構(gòu)成案例的諸多因素感受就越充分，對案例進行研究的興趣就越濃厚。

還有一種結(jié)合視頻教學(xué)的案例教學(xué)法，即教師在授課時播放電動汽車發(fā)生熱失控或起火燃燒的短視頻，用真實的事故資料激發(fā)研究生的學(xué)習(xí)興趣，突破課堂教學(xué)空間與時間的限制，以期獲得良好的教學(xué)效果。虛擬仿真技術(shù)聯(lián)合案例教學(xué)也是一種創(chuàng)新的應(yīng)用，通過構(gòu)建理論教學(xué)－虛擬仿真教學(xué)－案例教學(xué)的研討模式，探索理論結(jié)合實踐的虛擬仿真與課堂推演融合的教學(xué)方式，充分利用技術(shù)優(yōu)勢與創(chuàng)新模式，以期提升專業(yè)知識內(nèi)化與應(yīng)用的效果。案例教學(xué)同時也對教師自身的知識儲備以及綜合素養(yǎng)等要求更高，這需要教學(xué)制度保障與教師積極探索有機融合，有效助推案例教學(xué)高質(zhì)量發(fā)展[6-7]。

4 案例庫對專業(yè)碩士研究生培養(yǎng)的促進作用

教師通過提煉現(xiàn)實中的典型事例和真實情景，向研究生講授事例背后所蘊含的專業(yè)理論知識，引導(dǎo)他們掌握基本理論并剖析解決方案，提高運用專業(yè)知識分析并解決實際問題的能力。開放式、互動式的案例教學(xué)將實踐問題用專業(yè)知識進行抽象，融合了高水平研究、教學(xué)以及實踐，推動了專業(yè)學(xué)位研究生培養(yǎng)模式的深層次改革，提升了實踐創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的質(zhì)量與綜合素質(zhì)[8-9]。

電動汽車鋰離子電池模組及系統(tǒng)動力學(xué)與控制案例庫圍繞鋰離子電池動力學(xué)的系統(tǒng)建模、仿真、優(yōu)化、設(shè)計、控制、測試、評價等專業(yè)知識和前沿動態(tài)，利用數(shù)值分析、動力學(xué)建模、信號處理、有限元分析等專門技術(shù)解決動力電池領(lǐng)域的具體工程問題，鍛煉研究生分析電池包系統(tǒng)動力學(xué)與控制問題的能力。案例庫的建設(shè)能夠極大地豐富新能源汽車設(shè)計、多體系統(tǒng)動力學(xué)理論、汽車優(yōu)化設(shè)計、有限元分析技術(shù)等專業(yè)學(xué)位研究生課程的教學(xué)內(nèi)容，也將有助于完善現(xiàn)有教學(xué)體系，對于機械專業(yè)學(xué)位研究生的培養(yǎng)將起到極大的促進作用，是推動專業(yè)學(xué)位研究生培養(yǎng)模式改革的重要手段。

電動汽車鋰離子電池模組及系統(tǒng)動力學(xué)與控制案例庫緊密結(jié)合新能源汽車設(shè)計中的實際問題與前沿?zé)狳c技術(shù)，在不同的教學(xué)案例中，或著重考查基礎(chǔ)知識能力、或注重新能源汽車研發(fā)中的實際問題、或側(cè)重前沿技術(shù)熱點，使得電動汽車鋰離子電池動力學(xué)與控制的教學(xué)案例既貼近工程實際，又具有一定的前瞻性。案例庫面向我國新能源汽車的前沿技術(shù)與發(fā)展趨勢，融合思政課堂，重點突出我國新能源汽車技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的巨大成就，提升研究生的國家榮譽感和民族自豪感。同時也啟迪了研究生的工程思維、質(zhì)量意識，培養(yǎng)他們的實踐創(chuàng)新能力和“大國工匠”精神。

5 結(jié)語

為了探索新能源汽車動力電池機械安全教學(xué)案例庫的建設(shè)思路與方法，本文在分析了新能源動力電池人才現(xiàn)狀與供需矛盾的基礎(chǔ)上，依托重慶市專業(yè)學(xué)位研究生教學(xué)案例庫項目的推進，構(gòu)建了電動汽車鋰離子電池模組及系統(tǒng)動力學(xué)與控制案例庫，彌補了目前課本“重理論、少實踐”的不足。本文詳細介紹了案例庫的建設(shè)目標與內(nèi)容構(gòu)成，討論了案例庫在研討式教學(xué)中的具體應(yīng)用，并分析了案例庫對專業(yè)碩士研究生培養(yǎng)的促進作用。案例庫的建設(shè)提升了專業(yè)學(xué)位研究生的創(chuàng)新能力，強化了研究生理論聯(lián)系實際解決工程問題的能力，培養(yǎng)了一批動力電池產(chǎn)業(yè)急需的高質(zhì)量人才，畢業(yè)生廣受企業(yè)好評。