新能源汽車概論實(shí)踐化教學(xué)模式探索

1、新豳的車概論實(shí)踐4激學(xué)衡他索摘要隨著新能源汽車產(chǎn)業(yè)的迅速開(kāi)展，與新能源汽車產(chǎn)業(yè)相關(guān)的專業(yè)人才緊缺問(wèn)題日益凸顯。新能源汽車概論 作為一種多學(xué)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(lái)技術(shù)的更替開(kāi)展必將不斷融入更多內(nèi)容，在 當(dāng)前教材無(wú)法隨技術(shù)開(kāi)展快速更新的情況下，假設(shè)仍采用傳統(tǒng)的教學(xué)模式恐怕難以實(shí)現(xiàn)本門課程的教學(xué)目標(biāo)。針對(duì)這一課 程特點(diǎn)，本教學(xué)團(tuán)隊(duì)嘗試采用“授課一觀摩一實(shí)踐”相結(jié)合的實(shí)踐化教學(xué)模式，對(duì)新能源汽車概論課程教學(xué)模式進(jìn)行探索。關(guān)鍵詞新能源汽車;教學(xué)模式;實(shí)踐化汽車行業(yè)經(jīng)歷了這些年來(lái)的高速增長(zhǎng)，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(shí)，當(dāng)今社會(huì)也面臨著 石油能源短缺和環(huán)境

2、污染兩大嚴(yán)峻的問(wèn)題。為了實(shí)現(xiàn)可持續(xù)開(kāi)展，越來(lái)越多的國(guó)家制定了更為嚴(yán)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(dòng)汽車、燃料電池汽車為代表的純電驅(qū)動(dòng)新能源汽車將成為今后 開(kāi)展的方向。自2009年以來(lái)，中國(guó)已成為全球最大的新車市場(chǎng)。為了解決快速的汽車人口增長(zhǎng)引起的能源平安和城市 空氣污染問(wèn)題，中國(guó)啟動(dòng)了“千車萬(wàn)城”計(jì)劃，以加速新能源汽車的商業(yè)化。這說(shuō)明，新能源汽車的開(kāi)展是一種必然趨 勢(shì)，教育必須為此開(kāi)展趨勢(shì)提供具備專業(yè)技術(shù)的人才支持，從而有效促進(jìn)我國(guó)新能源汽車產(chǎn)業(yè)的良好開(kāi)展2。隨著新能源汽車產(chǎn)業(yè)的迅速開(kāi)展，與新能源汽車產(chǎn)業(yè)相關(guān)的專業(yè)人才緊缺問(wèn)題日益凸顯。同時(shí)，由于專業(yè)設(shè)置

3、體 系的滯后性，高校無(wú)法緊跟市場(chǎng)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(guó)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(xué)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(xué)、汽車電機(jī)原理與控制、電化學(xué)工程等近 10門專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)選修課3。同濟(jì)大學(xué)車輛工程專業(yè)的培養(yǎng)方案中設(shè)置了車輛工程導(dǎo)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(jì)大學(xué)車輛工程專業(yè)還設(shè)立了新能源技術(shù)專 業(yè)方向4。

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(jì)劃，如上海理工大學(xué)、上海工程技術(shù)大學(xué)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(duì)于學(xué)生了解認(rèn)識(shí)新能源汽車知識(shí)體系，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入新能源汽車領(lǐng)域， 促進(jìn)學(xué)生就業(yè)，有著重要作用。在對(duì)上述高校師生的走訪和培養(yǎng)計(jì)劃調(diào)研中，新能源汽車系列課程存在以下特點(diǎn)。.體系性強(qiáng)。新能源汽車從技術(shù)路線上分為純電動(dòng)汽車、混合動(dòng)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(jī)和電控。無(wú)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。.概論課程以講座為主。以同濟(jì)大學(xué)為例，新能源汽車概論由56位教授共同承當(dāng)，分別介紹新能源汽車“三電” 相關(guān)知識(shí)和

5、最新研究進(jìn)展，主要包括動(dòng)力電池概論、新能源車用電機(jī)概論、燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)概論等。.深入學(xué)習(xí)代價(jià)大，難度高。從技術(shù)核心角度來(lái)說(shuō)，以電控系統(tǒng)為例，需要學(xué)習(xí)的核心課程包括自動(dòng)控制原理、 信號(hào)與系統(tǒng)、汽車電子控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)、系統(tǒng)仿真等，這對(duì)于學(xué)時(shí)和教學(xué)資源有限的一般高校來(lái)說(shuō)難度較大。.與實(shí)踐結(jié)合密切。新能源汽車相關(guān)課程的開(kāi)設(shè)與汽車產(chǎn)業(yè)的開(kāi)展密切相關(guān)，授課內(nèi)容也緊貼新能源汽車開(kāi)展的 大潮流，與實(shí)踐結(jié)合十分密切。隨著國(guó)家政策對(duì)于新能源汽車的傾斜，以及新能源汽車產(chǎn)業(yè)鏈的開(kāi)展，該類課程與實(shí)踐 的結(jié)合必然會(huì)更加緊密。受學(xué)分學(xué)時(shí)和教學(xué)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(kāi)設(shè)

6、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(xué)生了解新能源汽車的第一途徑。如何在有限的課時(shí)中系統(tǒng)介紹新能源汽 車有關(guān)知識(shí)，并密切結(jié)合實(shí)踐，是普通高校車輛工程專業(yè)需要思考的冏題。二、新能源汽車概論教學(xué)模式探索新能源汽車概論作為一種多學(xué)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(lái)技術(shù)的更替開(kāi)展必將 不斷融入更多內(nèi)容。在當(dāng)前教材無(wú)法隨技術(shù)開(kāi)展快速更新的情況下，假設(shè)仍采用傳統(tǒng)的教學(xué)模式恐怕難以到達(dá)本門課程的 教學(xué)目標(biāo)5-6。針對(duì)這一課程特點(diǎn)，本教學(xué)團(tuán)隊(duì)嘗試采用“授課一觀摩一實(shí)踐”相結(jié)合的實(shí)踐化教學(xué)模式，如圖1所示。在該教學(xué)模式體系中，授課環(huán)節(jié)是本課程的基礎(chǔ)。教師通過(guò)授課環(huán)節(jié)，系統(tǒng)介

7、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(xué)生掌握和了解新能源汽車的基本理論知識(shí)和開(kāi)展趨勢(shì)，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(zhǔn)備。現(xiàn)階段在教學(xué)實(shí)踐中，學(xué)生對(duì)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(shí)和應(yīng)用 實(shí)踐較少，學(xué)生對(duì)新能源汽車各個(gè)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(rèn)知。授課階段的關(guān)鍵是使學(xué)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(gè)技術(shù)路線目前的關(guān)鍵技術(shù)和“卡脖子”問(wèn)題，包括混合動(dòng)力汽車能量分配 與制動(dòng)能量回收、驅(qū)動(dòng)電機(jī)新技術(shù)、動(dòng)力電池?zé)峁芾砑夹g(shù)、燃料電池動(dòng)態(tài)響應(yīng)與衰減、燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)等。在觀摩環(huán)節(jié)中，由教師演示某款新能源汽車

8、研究測(cè)試平臺(tái)的主要功能，包括動(dòng)力系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、“三電”的運(yùn)行機(jī) 理、故障的產(chǎn)生與消除等。該觀摩環(huán)節(jié)可使學(xué)生直觀了解授課環(huán)節(jié)所學(xué)理論知識(shí)，進(jìn)一步掌握新能源汽車核心部件的結(jié) 構(gòu)與功能。實(shí)踐環(huán)節(jié)主要為參觀局部新能源汽車企業(yè)，對(duì)新能源汽車核心部件的研發(fā)制造與產(chǎn)業(yè)化進(jìn)行深入的了解，為學(xué)生 在新能源汽車領(lǐng)域?qū)嵙?xí)和就業(yè)打下基礎(chǔ)。基于與局部新能源汽車產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)的校企合作協(xié)議，教師可帶著學(xué)生參觀合作 企業(yè)的動(dòng)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(xué)過(guò)程為：教師針對(duì)每個(gè)知識(shí)模塊（以動(dòng)力電池的能量管理與能量回收為例）設(shè)計(jì) 適用于本知識(shí)模塊的“授課一觀摩一實(shí)踐”體系。在課前，教師將預(yù)備知

9、識(shí)和相關(guān)線上課程資源（如網(wǎng)易公開(kāi)課鋰離子 電池是怎么工作的）向?qū)W生發(fā)布，引導(dǎo)學(xué)生提前對(duì)知識(shí)模塊進(jìn)行預(yù)習(xí)。該過(guò)程可利用線上平臺(tái)（如學(xué)習(xí)通）與學(xué)生進(jìn) 行交流。在授課過(guò)程中，教師有針對(duì)性地對(duì)學(xué)生的預(yù)習(xí)知識(shí)進(jìn)行小結(jié)和鞏固，并且適當(dāng)加入學(xué)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)字李生、利用大數(shù)據(jù)的電池健康狀態(tài)估計(jì)和診斷算法等。在授課結(jié)束后，利 用學(xué)習(xí)通平臺(tái)發(fā)布課后作業(yè)，與學(xué)生進(jìn)行交流討論。在觀摩環(huán)節(jié)進(jìn)行之前，教師針對(duì)授課環(huán)節(jié)知識(shí)模塊，結(jié)合觀摩環(huán)節(jié) 的演示平臺(tái)，設(shè)計(jì)假設(shè)干項(xiàng)演示實(shí)例（如動(dòng)力電池的荷電狀態(tài)檢測(cè)、動(dòng)力電池故障檢測(cè)與排除等）。在觀摩過(guò)程中，教師 按照實(shí)例手冊(cè)，操作演示平臺(tái)，

10、對(duì)每個(gè)步驟進(jìn)行講解與演示，學(xué)生可在此過(guò)程中對(duì)每個(gè)步驟和涉及的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行提問(wèn)和 討論。在觀摩過(guò)程結(jié)束后，學(xué)生可在學(xué)習(xí)通平臺(tái)上對(duì)演示過(guò)程中仍存在的疑問(wèn)與教師溝通討論。在實(shí)踐環(huán)節(jié)進(jìn)行之前， 教師與合作企業(yè)充分溝通，對(duì)參觀計(jì)劃進(jìn)行詳細(xì)研討。在參觀過(guò)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(huì)等方式，向?qū)W生講解在企業(yè)實(shí)踐中該知識(shí)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(gè)知識(shí)模塊的學(xué)習(xí)結(jié)束，學(xué)生根據(jù)在授課環(huán)節(jié)所學(xué)知識(shí)點(diǎn)、觀摩環(huán)節(jié)的演示內(nèi)容、實(shí)踐環(huán)節(jié) 的認(rèn)知體驗(yàn)，形成階段性學(xué)習(xí)小結(jié)。三、新能源汽車概論觀摩環(huán)節(jié)探索電動(dòng)汽車是新能源汽車的重要類型，電力

11、驅(qū)動(dòng)及控制系統(tǒng)是電動(dòng)汽車的核心，主要包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)、控制器、動(dòng)力 電池。動(dòng)力電池、驅(qū)動(dòng)電機(jī)及控制器的性能對(duì)整個(gè)電動(dòng)汽車的性能起到至關(guān)重要的作用。電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 如圖2所示。前序課程對(duì)于電力驅(qū)動(dòng)及控制系統(tǒng)涉及較少，因此如何在較短時(shí)間內(nèi)完成教學(xué)任務(wù)，是本課程教學(xué)的重大挑戰(zhàn)。 本教學(xué)團(tuán)隊(duì)設(shè)置的觀摩環(huán)節(jié)，可有效強(qiáng)化動(dòng)力系統(tǒng)核心知識(shí)，具有十分重要的實(shí)踐指導(dǎo)意義。該觀摩環(huán)節(jié)利用新能源汽 車研究測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行教學(xué)，如圖3所示。該平臺(tái)以電動(dòng)汽車真實(shí)采用的核心部件為基礎(chǔ)，集成完整的驅(qū)動(dòng)模擬系統(tǒng)、高 性能的電機(jī)與驅(qū)動(dòng)分析儀，能夠進(jìn)行驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率測(cè)試、變頻系統(tǒng)性能測(cè)試、動(dòng)力系統(tǒng)性能測(cè)試，驅(qū)動(dòng)運(yùn)行工況測(cè)試、

12、CAN總線通信分析等工作，能夠直觀真實(shí)地模擬電動(dòng)汽車整車的實(shí)際組成結(jié)構(gòu)和運(yùn)行工況，并能夠?qū)φ麄€(gè)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試 分析。動(dòng)力系統(tǒng)平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)以下功能：,基于CAN-bus的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，能夠完成對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制和監(jiān)測(cè)；基于CANopen網(wǎng)絡(luò)的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)；可以集成基于CAN-bus總線的BMS系統(tǒng)；驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率測(cè)試；變頻系統(tǒng)性能測(cè)試；動(dòng)力系統(tǒng)性能測(cè)試；驅(qū)動(dòng)運(yùn)行工況測(cè)試；CAN-BUS從協(xié)議層到應(yīng)用層等多層次、全方位的測(cè)試分析。以動(dòng)力電池知識(shí)模塊為例，動(dòng)力系統(tǒng)平臺(tái)可完成制動(dòng)能量回收實(shí)驗(yàn)、單體電池監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)、電池管理系統(tǒng)（BMS） 控制實(shí)驗(yàn)、電池系統(tǒng)部件故障實(shí)驗(yàn)、電池充電效率實(shí)驗(yàn)、電池組放電實(shí)驗(yàn)等。制動(dòng)能量

13、回收實(shí)驗(yàn)的主要目的是了解新能 源汽車電機(jī)的制動(dòng)能量回收原理與實(shí)踐操作，同時(shí)可觀察制動(dòng)能量回收對(duì)動(dòng)力電池的影響。通過(guò)制動(dòng)能量回收實(shí)驗(yàn)，學(xué) 生可以充分了解動(dòng)力電池與電機(jī)在制動(dòng)能量回收過(guò)程中的能量流動(dòng)狀態(tài)，對(duì)制動(dòng)能量回收算法有一定的認(rèn)識(shí)。單體電池 監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)的主要目的是對(duì)單體電池的電壓和電流進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，使得學(xué)生對(duì)動(dòng)力電池組的組成局部單體電池的運(yùn)行 和監(jiān)測(cè)流程有所了解。電池管理系統(tǒng)（BMS）控制實(shí)驗(yàn)的主要目的是測(cè)試新能源平臺(tái)電池管理系統(tǒng)（BMS）的運(yùn)行狀態(tài) 及監(jiān)控信息，通過(guò)該實(shí)驗(yàn)，可使學(xué)生對(duì)BMS的運(yùn)行機(jī)制和算法有一定了解。電池系統(tǒng)部件故障實(shí)驗(yàn)的主要目的是測(cè)試 新能源平臺(tái)電池系統(tǒng)部件的運(yùn)行狀態(tài)及監(jiān)控信

14、息，完善局部故障注入功能，使學(xué)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(shí)驗(yàn)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(xué)生了解實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的充電注意 事項(xiàng)，也能進(jìn)一步對(duì)學(xué)生進(jìn)行平安用電教育。電池組放電實(shí)驗(yàn)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(xiàng)。通過(guò)一系列觀摩教學(xué)，學(xué)生可初步掌握新能源汽車動(dòng)力系統(tǒng)中動(dòng)力電池的組成結(jié)構(gòu)、運(yùn)行方式、故障檢測(cè)等知 識(shí)。另外，針對(duì)CAN總線這局部知識(shí)在前期教學(xué)過(guò)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(tái)可完成 CANOPEN報(bào)文格式實(shí)驗(yàn)、BMS報(bào)文監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)、扭矩控制報(bào)文發(fā)送實(shí)驗(yàn)、硬件自動(dòng)存儲(chǔ)緊急報(bào)文實(shí)驗(yàn)、CAN報(bào)文收

15、發(fā)實(shí)驗(yàn)、實(shí)時(shí)保存CAN報(bào)文操作實(shí)驗(yàn)等。其中，CANOPEN報(bào)文格式實(shí)驗(yàn)可使學(xué)生掌握電動(dòng)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(bào)文監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)的主要目的是掌握CAN關(guān)鼠線占有率和 錯(cuò)誤率的測(cè)量、分析方法，監(jiān)控CAN總線，分析CAN總線占有率和錯(cuò)誤率。扭矩控制報(bào)文發(fā)送實(shí)驗(yàn)可使學(xué)生了解新能 源汽車電機(jī)的扭矩控制報(bào)文發(fā)送過(guò)程。硬件自動(dòng)存儲(chǔ)緊急報(bào)文實(shí)驗(yàn)可使學(xué)生了解報(bào)文的自動(dòng)存儲(chǔ)功能。CAN報(bào)文收發(fā)實(shí) 驗(yàn)、實(shí)時(shí)保存CAN報(bào)文操作實(shí)驗(yàn)可使學(xué)生初步掌握CANtest軟件CAN報(bào)文收發(fā)以及保存功能。通過(guò)一系列的觀摩教 學(xué)，學(xué)生可初步掌握CAN總線報(bào)文的結(jié)構(gòu)、收發(fā)、存儲(chǔ)

16、等知識(shí)。本新能源汽車教學(xué)平臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了與實(shí)際電動(dòng)汽車電力驅(qū)動(dòng)及控制系統(tǒng)類似的組成局部，能夠直觀、真實(shí)地模擬 電動(dòng)汽車的實(shí)際組成結(jié)構(gòu)和運(yùn)行工況，并能夠?qū)φ麄€(gè)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試分析，滿足新能源汽車領(lǐng)域的教學(xué)和科研需求。在小 范圍的觀摩實(shí)踐中，該教學(xué)平臺(tái)能夠有效強(qiáng)化學(xué)生對(duì)新能源汽車動(dòng)力系統(tǒng)相關(guān)知識(shí)的理解。四、結(jié)語(yǔ)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(xué)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(lái)技術(shù)的更替開(kāi)展必將不斷融入更多內(nèi)容，這一特點(diǎn)給課程教學(xué)帶來(lái)了一定的困難。為了解決這一問(wèn)題，本教 學(xué)團(tuán)隊(duì)在課程大綱和原有教學(xué)模式的基礎(chǔ)上積極探索，采用“授課一觀摩一實(shí)踐”相結(jié)合的實(shí)踐化教學(xué)模式，在小范圍的 觀摩實(shí)踐中，該教學(xué)模式能夠有效強(qiáng)化學(xué)生對(duì)新能源汽車動(dòng)力系統(tǒng)的相關(guān)知識(shí)的理解。參考文獻(xiàn)1 Gong H, Wang M Q, Wang H. New energy vehicles in China： policies, demonstration, and progressJ. Mitigation & Adaptation Strategies for Global Change, 2013 (2) ： 207