在車輛工程專業(yè)中引入動(dòng)力電池設(shè)計(jì)及管理課程的思考

【摘要】我國(guó)車輛工程專業(yè)現(xiàn)有課程設(shè)置與電動(dòng)汽車發(fā)展需求無(wú)法有效銜接，需加大電動(dòng)汽車及關(guān)鍵零部件相關(guān)課程的權(quán)重。本文探索了在車輛工程專業(yè)中引入動(dòng)力電池設(shè)計(jì)及管理課程，從教學(xué)計(jì)劃、實(shí)踐教學(xué)設(shè)計(jì)、教學(xué)方式、考試考核方式及課程提升等方面進(jìn)行了深入思考。

【關(guān)鍵詞】車輛工程 動(dòng)力電池 課程引入

【Abstract】The present course architecture of vehicle engineering in China university now can not meet the requirement from the technology development of electric vehicles. To solve this problem， more courses regarding electric vehicles and the key components should be added into the architecture. This paper makes an explore to introduce the course of power battery design and management into the architecture， and the teaching program， practice teaching， teaching mode， exam mode and course enhancement are considered deeply.

【Keywords】vehicle engineering； power battery；course introducing

【中圖分類號(hào)】G64 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2018）37-0238-02

引言

我國(guó)的現(xiàn)有車輛工程專業(yè)一般建立在機(jī)械大學(xué)科基礎(chǔ)之上，并培養(yǎng)了一批又一批具備較好基礎(chǔ)知識(shí)沉淀的學(xué)生。我國(guó)汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，高校車輛工程專業(yè)的課程設(shè)置無(wú)疑功不可沒。在傳統(tǒng)汽車領(lǐng)域，高校車輛工程已有較為完備的課程體系[1]。隨著技術(shù)的發(fā)展以及人類對(duì)能源與環(huán)境問題的思考，新能源汽車成為世界汽車工業(yè)的發(fā)展方向，也成為我國(guó)的國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略。面對(duì)新能源汽車產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展態(tài)勢(shì)，我國(guó)高校一些汽車專業(yè)相繼開始新能源汽車課程[2]。但總體而言，車輛工程專業(yè)有關(guān)電動(dòng)汽車及其關(guān)鍵零部件的專業(yè)課程設(shè)置權(quán)重過(guò)低，導(dǎo)致現(xiàn)有車輛工程專業(yè)畢業(yè)生在電動(dòng)汽車及關(guān)鍵零部件方面的知識(shí)積累不足，對(duì)我國(guó)電動(dòng)汽車的發(fā)展無(wú)法提供足夠的支撐作用。

作為電動(dòng)汽車的核心部件，動(dòng)力電池的技術(shù)發(fā)展具有舉足輕重的作用[3]，表現(xiàn)為：動(dòng)力電池的能量密度決定了電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程；動(dòng)力電池的功率密度決定了電動(dòng)汽車的動(dòng)力性及充電快速性；動(dòng)力電池的安全性影響整車的安全性；動(dòng)力電池的成本占到電動(dòng)汽車整車成本的40%以上。另一方面，電動(dòng)汽車電池系統(tǒng)實(shí)際是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)-電-流耦合的復(fù)雜多物理場(chǎng)系統(tǒng)，其中包含了物理學(xué)、化學(xué)、電工電子學(xué)、力學(xué)、機(jī)械結(jié)構(gòu)、自動(dòng)控制原理等多門課程的基礎(chǔ)理論和知識(shí)，是上述基礎(chǔ)課程極好的專業(yè)應(yīng)用。但由于傳統(tǒng)車輛工程專業(yè)建立于機(jī)械工程，在專業(yè)課程設(shè)置上，對(duì)上述基礎(chǔ)課程的融合略顯不足。

可見，在車輛工程專業(yè)中設(shè)置電池設(shè)計(jì)及管理技術(shù)相關(guān)課程具有明顯且重要的意義。

一、教學(xué)計(jì)劃設(shè)計(jì)及教材規(guī)劃

在對(duì)課程內(nèi)容進(jìn)行深入研究之后，本課程規(guī)劃的總課時(shí)數(shù)為34課時(shí)，以每學(xué)期17教學(xué)周計(jì)算，則平均周學(xué)時(shí)為2。課程內(nèi)容分為五個(gè)章節(jié)：第一章為基礎(chǔ)理論及概念，介紹動(dòng)力電池技術(shù)現(xiàn)狀、電池的基本結(jié)構(gòu)及工作原理、電池主要性能參數(shù)及測(cè)試方法、電池基本特性及分析方法等；第二章為電池特性建模及狀態(tài)估計(jì)，介紹電池電-熱-壽命耦合建模及狀態(tài)估計(jì)；第三章為電池?zé)峁芾恚榻B電池的熱特性及單體電池?zé)峤?、電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的設(shè)計(jì)方法及基本流程、電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)設(shè)計(jì)案例分析等；第四章為電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)，介紹電池管理系統(tǒng)功能定義、基本架構(gòu)及軟硬件設(shè)計(jì)；第五章為電池系統(tǒng)的測(cè)試及驗(yàn)證，覆蓋從需求分析到系統(tǒng)設(shè)計(jì)及驗(yàn)證方面的測(cè)試，以及相關(guān)的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范分析。

在上述教學(xué)計(jì)劃中，可以看出本課程與前導(dǎo)基礎(chǔ)課程之間的關(guān)系。第一章是整個(gè)課程體系的基礎(chǔ)，將涉及到物理、化學(xué)、力學(xué)、電工電子學(xué)和自動(dòng)控制原理等相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)。第二章關(guān)注電池特性建模與狀態(tài)估計(jì)，將大量用到自動(dòng)控制原理及物理學(xué)相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)。第三章關(guān)注電池?zé)峁芾恚婕暗轿锢?、熱力學(xué)、機(jī)械結(jié)構(gòu)、流體力學(xué)等相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)。第四章關(guān)于電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)，涉及到電工電子學(xué)、自動(dòng)控制原理等相關(guān)知識(shí)。

二、實(shí)踐教學(xué)探討

電動(dòng)汽車及動(dòng)力電池技術(shù)發(fā)展迅速，因此，本課程是一門注重理論聯(lián)系實(shí)際的課程。在本課程的教學(xué)中，會(huì)引入相應(yīng)的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)[4，5]。

（1）在第三章中，實(shí)踐教學(xué)以企業(yè)參觀為主。在講解風(fēng)冷、水冷電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以及電池系統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)的時(shí)候，為了讓學(xué)生能有更直接的認(rèn)識(shí)，一方面會(huì)在課堂教學(xué)中展示電池系統(tǒng)的三維數(shù)模設(shè)計(jì)，另一方面，聯(lián)系動(dòng)力電池企業(yè)，創(chuàng)造企業(yè)參觀的機(jī)會(huì)，讓學(xué)生能直接以第一視角接觸到不同冷卻方式的電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)，從而加深對(duì)電池系統(tǒng)熱-機(jī)-電-流耦合設(shè)計(jì)的理解。

（2）在第四章中，實(shí)踐教學(xué)以實(shí)驗(yàn)臺(tái)架操作為主。在講解電池管理系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)的時(shí)候，將結(jié)合現(xiàn)有《嵌入式系統(tǒng)》課程，在汽車電子教學(xué)實(shí)驗(yàn)室中，讓學(xué)生參與實(shí)際電池管理系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)，并利用控制器演示臺(tái)架進(jìn)行功能演示。由于電池管理系統(tǒng)與傳統(tǒng)車用控制器存在不同，在這部分實(shí)踐教學(xué)中，將重點(diǎn)突出電池均衡、高壓采樣、絕緣檢測(cè)、繼電器驅(qū)動(dòng)等部分的設(shè)計(jì)。

（3）在第五章中，實(shí)踐教學(xué)以實(shí)驗(yàn)室參觀為主。由于其測(cè)試與傳統(tǒng)車輛中的機(jī)械部件測(cè)試有較大不同，在講解電池管理系統(tǒng)、電池系統(tǒng)的測(cè)試驗(yàn)證技術(shù)時(shí)， 為了讓學(xué)生更容易理解測(cè)試原理，將在電動(dòng)汽車實(shí)驗(yàn)室中對(duì)實(shí)際測(cè)試平臺(tái)及臺(tái)架進(jìn)行講解。重點(diǎn)關(guān)注充放電測(cè)試、硬件在環(huán)測(cè)試等部分。

通過(guò)上述的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，激發(fā)學(xué)生對(duì)本課程的學(xué)習(xí)熱情，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性，有效地提高學(xué)生的實(shí)踐能力。更重要的是，通過(guò)實(shí)物，讓學(xué)生能切身體會(huì)動(dòng)力電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)及開發(fā)的具體過(guò)程，從而加深對(duì)基礎(chǔ)概念及基本設(shè)計(jì)方法的理解。

三、教學(xué)方式、教學(xué)手段的思考

由于本課程所涉及對(duì)象（即動(dòng)力電池）相應(yīng)于傳統(tǒng)車輛工程專業(yè)課程講解對(duì)象有較大不同，這對(duì)于機(jī)械大背景下培養(yǎng)的學(xué)生而言，在教學(xué)方式和教學(xué)手段方面也要有所考慮。選擇合適的教學(xué)方式，能提高教學(xué)質(zhì)量和課堂效率。

（1）基于問題的啟發(fā)式教學(xué)在課程中的實(shí)踐。動(dòng)力電池技術(shù)的快速發(fā)展和應(yīng)用，使得本課程的教學(xué)采用基于問題的啟發(fā)式教學(xué)模式，激發(fā)學(xué)生的探索欲望。例如：在講述電池工作原理的時(shí)候，首先從思路上講清楚鋰離子動(dòng)力電池在充放電過(guò)程中內(nèi)部發(fā)生物理、化學(xué)變化過(guò)程。其次，通過(guò)多媒體技術(shù)直觀、清晰地向?qū)W生展示動(dòng)力電池的結(jié)構(gòu)和組成，充放電過(guò)程的動(dòng)畫演示，使學(xué)生增強(qiáng)感性認(rèn)識(shí)，加深概念理解。然后，利用問題來(lái)對(duì)學(xué)生進(jìn)行啟發(fā)式教學(xué)：鋰離子動(dòng)力電池的正負(fù)極材料有什么特性？在充放電過(guò)程中不同各階段，正負(fù)極材料會(huì)發(fā)生怎么樣的變化？這些變化對(duì)于電池的外部表現(xiàn)特征有何影響？在不正常充放電下，正負(fù)極材料會(huì)發(fā)生哪些異常？這些異常會(huì)導(dǎo)致什么后果？如何避免上述異常？上述問題讓學(xué)生深入思考，并通過(guò)上述問題的思考，從最根本的地方理解電池管理及設(shè)計(jì)的基本原理，從而在后續(xù)的電池建模、狀態(tài)估計(jì)、熱管理等部分學(xué)習(xí)的過(guò)程中，更容易理解設(shè)計(jì)思路和原理。

（2）案例引導(dǎo)式教學(xué)。近年來(lái)電動(dòng)汽車得到極大發(fā)展，國(guó)內(nèi)外關(guān)于電動(dòng)汽車的車型呈現(xiàn)出多樣化，保有量也逐年遞增。在電動(dòng)汽車發(fā)展的同時(shí)，不同類型的電池材料、電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電池管理方案被開發(fā)并被應(yīng)用，同時(shí)，不同的技術(shù)問題也開始逐漸暴露出來(lái)。鑒于此，在教學(xué)過(guò)程中，穿插一些電動(dòng)汽車動(dòng)力電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例，例如，可以重點(diǎn)介紹目前比較熱門的比亞迪唐、榮威E50、日產(chǎn)Leaf、GM Volt、Tesla Models、豐田Prius等。上述不同車型采用了不同的電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，在電池管理及電池?zé)嵩O(shè)計(jì)方面都有相應(yīng)的特色。通過(guò)上述案例的引導(dǎo)式教學(xué)，使課程內(nèi)容直觀化，從而提高教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果。

（3）多媒體及網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。由于該課程的專業(yè)知識(shí)具有跨學(xué)科特點(diǎn)，有些知識(shí)點(diǎn)學(xué)生難以掌握，有些原理較為抽象。如電池充放電過(guò)程中的內(nèi)部變化等都比較抽象，在沒有實(shí)物演示的前提下，學(xué)生不容易理解。因此在講授課程內(nèi)容時(shí)，采用多媒體動(dòng)畫和視頻演示的方式，簡(jiǎn)單形象直觀地展示零部件結(jié)構(gòu)與工作原理，加深學(xué)生的理解，使學(xué)生更快更易地掌握課程內(nèi)容。

（4）互動(dòng)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)。在課程教學(xué)中，適當(dāng)加入互動(dòng)環(huán)節(jié)。對(duì)某些知識(shí)點(diǎn)，為學(xué)生推薦必要參考文獻(xiàn)，讓學(xué)生課后自行查閱資料，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)未來(lái)技術(shù)趨勢(shì)的思考和判斷，從而激發(fā)學(xué)生參與課程學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。例如：在動(dòng)力電池技術(shù)現(xiàn)狀的時(shí)候，提出目前國(guó)內(nèi)外不同的電池材料體系特性、不同電池封裝特性的現(xiàn)狀，并給學(xué)生提出一個(gè)問題，及對(duì)未來(lái)電池材料體系及封裝形式發(fā)展趨勢(shì)的思考，讓學(xué)生在規(guī)定時(shí)間內(nèi)查閱相關(guān)資料，撰寫課題研究報(bào)告并上交。在隨后的課程教學(xué)中，對(duì)報(bào)告進(jìn)行點(diǎn)評(píng)。一方面加強(qiáng)學(xué)生的課程參與感，還能達(dá)到“授人以漁”的教學(xué)目的。

四、考試考核方法

基于上面的課程規(guī)劃設(shè)計(jì)，為了全面評(píng)價(jià)學(xué)生，將本課程的考試考核方法定為平時(shí)表現(xiàn)、實(shí)踐環(huán)節(jié)和期末考試相結(jié)合的方式綜合評(píng)定學(xué)生成績(jī)，取平時(shí)表現(xiàn)、實(shí)踐環(huán)節(jié)和期末考試比例分別為25%，25%和50%。平時(shí)成績(jī)主要是將學(xué)生的出勤、課堂回答問題、課后作業(yè)、調(diào)研報(bào)告等納入考核，實(shí)踐成績(jī)是取實(shí)踐教學(xué)出勤和實(shí)驗(yàn)報(bào)告各占50%。期末考試以論述題為主，重點(diǎn)考察學(xué)生對(duì)基本概念的掌握、對(duì)實(shí)際應(yīng)用設(shè)計(jì)的理解以及對(duì)未來(lái)趨勢(shì)的判斷。

五、與研究生課程的銜接

在現(xiàn)在某些高校的車輛工程專業(yè)，研究生階段會(huì)有電動(dòng)汽車技術(shù)相關(guān)的課程設(shè)置，本課程可以成為上述研究生課程的先導(dǎo)課程。本課程針對(duì)動(dòng)力電池設(shè)計(jì)及管理的講解偏基礎(chǔ)和綜述，旨在通過(guò)課程教學(xué)，讓學(xué)生對(duì)動(dòng)力電池系統(tǒng)有全局認(rèn)識(shí)，對(duì)電池系統(tǒng)的關(guān)鍵基礎(chǔ)和技術(shù)有通識(shí)性了解。而在研究生階段的課程中，應(yīng)加深對(duì)其中某些部分的講解，比如加深對(duì)電池系統(tǒng)建模及狀態(tài)估計(jì)算法的講解，重點(diǎn)突出電池特性的非線性、時(shí)變特性、單體不一致等問題，從而將課程難度提升；另一方面，應(yīng)加入一些具有前瞻性的技術(shù)內(nèi)容，如電池參數(shù)在線辨識(shí)算法、電池內(nèi)部溫度估計(jì)、電池安全管理、大數(shù)據(jù)全生命周期管理等的講解。

總結(jié)

本文對(duì)在車輛工程學(xué)科中引入動(dòng)力電池設(shè)計(jì)及管理課程進(jìn)行了深入思考，本課程教學(xué)的主要目的是讓學(xué)生對(duì)動(dòng)力電池系統(tǒng)有全局認(rèn)識(shí)，對(duì)電池系統(tǒng)的關(guān)鍵基礎(chǔ)和技術(shù)有通識(shí)性了解。從課程教學(xué)計(jì)劃、實(shí)踐教學(xué)設(shè)計(jì)、教學(xué)方式、考試考核方式及課程提升等幾個(gè)方面，詳細(xì)規(guī)劃了課程的教學(xué)。通過(guò)上述問題的研究和探索，提高課程的教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果，并為車輛工程專業(yè)的課程體系建設(shè)提供了一個(gè)方向。

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作者簡(jiǎn)介：

戴海峰（1981年6月-），男，漢族，上海人，同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院副教授，博士，研究方向：汽車電子。