基于半實物仿真技術(shù)的新能源汽車課程教學(xué)改革與探索

常成 卞康君 王紅霞 徐文博 金毅

1、河南工學(xué)院車輛與交通工程學(xué)院 2、南京研旭電氣科技有限公司

新能源汽車是指采用非常規(guī)的車用燃料作為動力來源（或使用常規(guī)的車用燃料、采用新型車載動力裝置），綜合車輛的動力控制和驅(qū)動方面的先進(jìn)技術(shù)，形成技術(shù)原理先進(jìn)、具有新技術(shù)、新結(jié)構(gòu)的汽車[1]。當(dāng)前，新能源汽車課程主要針對搭載有電驅(qū)動裝置的主流新能源汽車進(jìn)行學(xué)習(xí)，其中主要包括的汽車種類有純電動汽車、混合動力電動汽車、增程式電動汽車和燃料電池電動汽車[2]。

在課程教學(xué)中，主要針對各類型的新能源汽車的結(jié)構(gòu)特點進(jìn)行分析講解，授課中要對汽車在各種工況運行時的特點進(jìn)行講授，該授課過程通常采用相關(guān)圖片和數(shù)據(jù)圖表來說明。然而只通過這種傳統(tǒng)講解方式，不能使學(xué)生充分了解各類型新能源汽車的運行和控制特點，因此應(yīng)需盡可能地加入實踐環(huán)節(jié)及實際控制演示。但無論是理論教學(xué)還是課程實驗，因受到實驗車輛和運行場地的限制，一般難以實現(xiàn)車輛實時的運行來進(jìn)行演示講解。

近年來，半實物仿真技術(shù)發(fā)展迅速，并在許多公司、高校和科研院所的相關(guān)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[3]。半實物仿真技術(shù)主要包括快速控制原型（RCP）技術(shù)和硬件在環(huán)(HIL)仿真技術(shù)。快速控制原型技術(shù)，是利用虛擬控制器來控制實際對象，而硬件在環(huán)仿真技術(shù)則是利用實際控制器來控制虛擬對象[4]。而對于新能源汽車而言，其整車以及大部分系統(tǒng)部件都可以用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行較精確的描述，而且其控制模型也可以通過MATLAB/Simulink 等半實物仿真設(shè)備的相關(guān)軟件進(jìn)行搭建。因此，通過這兩種半實物仿真技術(shù)，就可以在有限的教學(xué)條件下，實現(xiàn)多種工況下的半實物模擬運行及相關(guān)控制策略的實時演示授課。

1 課程體系建設(shè)

1.1 課程建設(shè)目標(biāo)

所在院校車輛工程專業(yè)所開設(shè)“新能源汽車技術(shù)”課程為代表的新能源汽車相關(guān)課程，其總體目標(biāo)是使學(xué)生熟悉新能源汽車的分類、結(jié)構(gòu)組成、工作原理和相關(guān)的基本控制原則及方法，針對純電動汽車、混合動力電動汽車、增程式電動汽車和燃料電池電動汽車等具有代表性的新能源汽車進(jìn)行講解。熟悉并掌握新能源汽車所采用的電池、電機和控制系統(tǒng)等主要部件的類型及特點。了解新能源汽車領(lǐng)域的新材料、新工藝、新技術(shù)，掌握新能源汽車的結(jié)構(gòu)及相關(guān)控制特點，提高學(xué)生對新能源汽車設(shè)計的能力，使學(xué)生所學(xué)知識技能與實際生產(chǎn)研發(fā)更為貼近，培養(yǎng)出滿足當(dāng)前汽車工業(yè)所需的應(yīng)用型人才。

1.2 完善相關(guān)專業(yè)課程建設(shè)

新能源汽車課程的教學(xué)是在學(xué)生具有一定的機械、電氣原理和系統(tǒng)控制的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，因此在本門課程教授之前，學(xué)生應(yīng)已學(xué)習(xí)過“機械原理”“機械設(shè)計”“電工技術(shù)”“電子技術(shù)”“汽車構(gòu)造”“機械控制工程基礎(chǔ)”等專業(yè)基礎(chǔ)課程。此外，還要保證學(xué)生具有一定的編程與測試基礎(chǔ)，如“C 語言基礎(chǔ)”“MATLAB 應(yīng)用基礎(chǔ)”“汽車試驗技術(shù)”等。

經(jīng)過完善以上相關(guān)專業(yè)課程的建設(shè)，使學(xué)生在學(xué)習(xí)本門課程中，可以充分理解新能源汽車相關(guān)結(jié)構(gòu)原理和控制策略及方法等，掌握新能源汽車技術(shù)的相關(guān)重點內(nèi)容。

2 理論教學(xué)方法的改革

在本課程的傳統(tǒng)理論教學(xué)中，主要結(jié)合電子課件進(jìn)行講述，以教師講解和學(xué)生聽講的方式為主。這樣的授課模式比較單調(diào)，再加上本課程的理論內(nèi)容涉及面廣且較為新穎，容易導(dǎo)致學(xué)生難以完全掌握課堂中的理論內(nèi)容。

在本課程的授課中，所涉及的各類新能源汽車在多種工況下的運行狀態(tài)是主要的理論教學(xué)內(nèi)容。比如，不同結(jié)構(gòu)類型混合動力電動汽車的典型工作模式、增程式電動汽車能量管理控制策略以及純電動汽車制動能量回收原理與控制等。關(guān)于上述內(nèi)容的講解，教師難以通過實際運行測試進(jìn)行演示，學(xué)生則很難通過所列測試數(shù)據(jù)和工作原理圖來形象深刻的理解。

而半實物仿真技術(shù)在該環(huán)節(jié)中可完全應(yīng)對各工況下的模擬測試，在演示測試中，通過硬件在環(huán)仿真技術(shù)，利用實際控制器對實時仿真平臺中所建立的整車模型或是部分整車模型與部分真實部件的組合進(jìn)行運行控制，通過運行條件設(shè)置來模擬多種工況（如勻速行駛、急加速、急減速和爬坡等）中行駛的運行狀態(tài)。在此過程中，根據(jù)所設(shè)置的模擬運行環(huán)境參數(shù)，實際控制器對實時仿真平臺中的控制對象進(jìn)行控制指令輸入，同時系統(tǒng)將控制對象的響應(yīng)信號反饋給控制器。這樣，在教室中就可以依據(jù)課堂內(nèi)容，為學(xué)生演示新能源汽車的實時運行特點，從而加深學(xué)生對課程理論內(nèi)容的理解和掌握。

3 實踐教學(xué)方法的改革

新能源汽車課程教學(xué)是為了提升學(xué)生在新能源汽車領(lǐng)域的研發(fā)和設(shè)計能力，使學(xué)生在掌握理論知識的基礎(chǔ)上，解決工業(yè)設(shè)計生產(chǎn)中的各種問題。依據(jù)本課程的教學(xué)內(nèi)容特點，針對各種形式的新能源汽車具體結(jié)構(gòu)形式，熟悉其控制方法與策略，是本課程的主要學(xué)習(xí)內(nèi)容之一。當(dāng)前主流的快速控制原型系統(tǒng)可以充當(dāng)控制算法和邏輯代碼的硬件運行環(huán)境，利用MATLAB/Simulink建立模型下載到快速控制原型控制器中，通過調(diào)整和測量相關(guān)參數(shù)，來達(dá)到迅速完成實驗驗證的目的。

因此，在實驗、實訓(xùn)的環(huán)節(jié)中，利用快速控制原型技術(shù)對新能源汽車進(jìn)行相關(guān)控制策略的驗證，將有利于學(xué)生對理論知識的鞏固。同時，學(xué)生也可以根據(jù)自己的構(gòu)想對具體車型的整車控制、能量管理和制動能量回收等控制策略進(jìn)行方法或參數(shù)更改，就可以迅速驗證所提出方法的正確性和合理性。通過這種方式，不但可以提高學(xué)生的實際操作能力，同時也激發(fā)了學(xué)生對新能源汽車控制技術(shù)的研究興趣。

4 考核方式改革

在課程的傳統(tǒng)考核方式中通常是以期末試卷、論文或報告的成績?yōu)橹鳎偌由峡记?、作業(yè)等平時成績作為最終課程考核成績，這對于多學(xué)科交融的新能源汽車課程是難以全面評價學(xué)生的掌握程度以及實際應(yīng)用能力的。因此，除了最終的期末考試方式之外，還要在平時的過程性考核中，加強對實踐環(huán)節(jié)的考核，該項成績所占最終成績的比例也應(yīng)適當(dāng)加大。對于實踐環(huán)節(jié)考核，可以充分利用線上線下相結(jié)合的方式，學(xué)生的實際操作過程以錄像的形式進(jìn)行記錄，并將該記錄上傳至線上教學(xué)平臺中，由學(xué)生互評和教師批閱的綜合成績作為此次實踐環(huán)節(jié)的最終成績。運用這樣的評判方式，將有利于學(xué)生快速發(fā)現(xiàn)所掌握知識的薄弱點，在評價他人的同時，也能發(fā)現(xiàn)自身學(xué)習(xí)掌握的不足之處，最后經(jīng)過教師批閱并給予評語，學(xué)生的實際操作能力將進(jìn)一步得到提升。

5 結(jié)語

新能源汽車課程的開設(shè)主要是為了培養(yǎng)汽車專業(yè)學(xué)生具有一定的相關(guān)理論基礎(chǔ)和解決實際問題的能力，從而適應(yīng)當(dāng)前新能源汽車工業(yè)的發(fā)展需要。半實物仿真技術(shù)在新能源汽車課程的教學(xué)中，將有助于提高學(xué)生對知識和實驗技能的掌握程度。此外，半實物仿真技術(shù)也是新能源汽車在工業(yè)設(shè)計研發(fā)中的重要方法之一，學(xué)生關(guān)于此技術(shù)的學(xué)習(xí)實踐對提升自身職業(yè)技能也是大有益處的。因此，基于半實物仿真技術(shù)來完善新能源汽車課程的教學(xué)內(nèi)容和方法是非常重要的。學(xué)?？煞e極通過產(chǎn)教融合、產(chǎn)學(xué)合作的手段來搭建半實物仿真教學(xué)平臺，從而改進(jìn)教學(xué)方法、豐富教學(xué)內(nèi)容，使學(xué)生所學(xué)的新能源汽車專業(yè)知識具有較強的實用性。