“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下電氣專業(yè)實(shí)踐課程“金課”的建設(shè)

翟娟 彭泉

摘要： 在“互聯(lián)網(wǎng)+”背景之下，以“學(xué)科競賽”為手段，打造電氣專業(yè)的實(shí)踐課程“金課”。文章以“電動車智能充電樁”為例，從選題背景、方案設(shè)計(jì)、方案實(shí)施、競賽過程遇到的困難、賽后感悟等方面介紹了該項(xiàng)目參與“全國大學(xué)生節(jié)能減排社會實(shí)踐與科技競賽”的參賽過程。

關(guān)鍵詞： 金課; 學(xué)科競賽; 節(jié)能減排大賽; 充電樁

中圖分類號：G642? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ?文章編號：1006-8228（2021）10-99-04

Construction of "golden course" of practice courses for Electrical Specialty

in the context of "Internet plus"

Zhai Juan， Peng Quan

（Guangling College， Yangzhou University， Yangzhou， Jiangsu 225000， China）

Abstract： In the context of "Internet plus"， the "golden course" of practice course for electrical specialty should be build with the "discipline competition" as a means. Taking "intelligent charging pile for electric vehicle" as an example， this paper introduces the participation process of the project in the "National College Students' Social Practice and Science and Technology Competition on Energy Conservation and Emission Reduction" from the aspects of topic selection background， scheme design， scheme implementation， difficulties encountered in the competition and post competition perception.

Key words： golden course; discipline competition; competition on energy conservation and emission reduction; charging pile

0 引言

“全國大學(xué)生節(jié)能減排社會實(shí)踐與科技競賽”是一門專業(yè)學(xué)科競賽。此競賽緊扣“節(jié)能減排，綠色能源”的主題，圍繞國家的重大需求，解決能源與環(huán)境保護(hù)的問題，競賽具有很強(qiáng)的導(dǎo)向性、示范性和群眾性。比賽每年舉辦一次，截止到 2020 年已經(jīng)成功舉辦13屆，涉及機(jī)械、資源、建筑、電氣、海洋、化學(xué)、材料、能源、社會、經(jīng)濟(jì)、礦業(yè)等多個專業(yè)。

揚(yáng)州大學(xué)廣陵學(xué)院從2017年開始參加節(jié)能減排競賽，對此競賽非常重視，每年推選十個以上的作品參加國賽，擇優(yōu)推薦，我們的作品都是經(jīng)過層層打磨，充分鍛煉學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力，其中我院在2020年第13屆節(jié)能減排大賽國賽中榮獲兩個三等獎，在選題，方案設(shè)計(jì)，電路搭建，申報(bào)書填寫，說明書的制作中，在指導(dǎo)老師的指導(dǎo)下，團(tuán)隊(duì)成員克服困難、團(tuán)結(jié)協(xié)作，認(rèn)真完成了整個項(xiàng)目的設(shè)計(jì)。

1 選題的背景及意義

因?yàn)槌鲂斜憬荩妱榆嚦蔀槿藗內(nèi)粘Ｍㄐ械闹饕煌üぞ咧?，目前我國市面上電動車?shù)量接近三億輛，此外每年電動車的產(chǎn)量也在數(shù)千萬輛以上[1]。在使用人數(shù)、使用量眾多的情況下，電動車的充電安全問題、電能節(jié)約問題不容小覷[2]。經(jīng)過參賽成員大量的查閱文獻(xiàn)后，與指導(dǎo)老師充分交流后，決定以電動車為研究對象，設(shè)計(jì)主要針對電池過充問題。過充是對電池造成嚴(yán)重?fù)p傷行為之一，具有重大安全隱患，嚴(yán)重的可能會造成爆炸、起火等事故，危害人身、財(cái)產(chǎn)安全。據(jù)研究，以鋰電池為例，當(dāng)鋰電池充電達(dá)到120%SOC（State of charge，荷電狀況，電池剩余容量狀況，取值0-1，SOC=1時電池充滿電）時，容量開始發(fā)生衰減，當(dāng)電池的電荷量到140%SOC時，電池的內(nèi)部會發(fā)生巨大的變化，氧化的電解液會使電池不斷膨脹，并導(dǎo)致短路、破裂等癥狀的出現(xiàn)，電池的正負(fù)極也會發(fā)生鋰損耗。Randolph教授的研究報(bào)告指出，鋰離子電池的失熱情況與過充有關(guān)，在這種狀態(tài)下，電池內(nèi)部溫度可能會高達(dá)200℃。研究標(biāo)明，在電池過充的情況下更容易引發(fā)安全事故[3]。2015年深圳市一輛電動車在動力電池過充72分鐘后電池出現(xiàn)熱失控、電解液泄漏等問題，并造成了短路，引發(fā)火災(zāi)，釀成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)安全問題。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國每年發(fā)生的火災(zāi)中有近一半是由于電池充電問題引發(fā)的，因此解決電動車過充的問題，不僅利于電能使用、延長電池的使用壽命，更可以避免更多更大可能出現(xiàn)的嚴(yán)重問題。

2 競賽的實(shí)施

2.1 實(shí)驗(yàn)方案的制定

目前市面上對電動車進(jìn)行充電的方式大多采用變壓器加輸電線的組合，用戶一端連接家用電源或者專用電源，通過變壓器將電壓降低至合適的電壓值，再給電動車充電，這樣的充電方式既沒有電流電壓的檢測與保護(hù)，也沒有對充電的時間進(jìn)行限制，很容易出現(xiàn)電壓異常或者過充的情況，對生命財(cái)產(chǎn)安全造成嚴(yán)重的威脅，即便是一些專業(yè)的充電樁也缺少上述的兩種保護(hù)，嚴(yán)重威脅的用戶的安全。

為了解決電壓異常造成的危險(xiǎn)情況，設(shè)計(jì)通過使用電壓檢測模塊和ADC0832模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的組合，對充電電源的電壓值進(jìn)行監(jiān)測并輸出模擬量至ADC0832芯片，模/數(shù)轉(zhuǎn)換后，將得到的數(shù)字量與系統(tǒng)的設(shè)置值進(jìn)行對比，若高于設(shè)定值則關(guān)斷繼電器停止充電以達(dá)到安全保護(hù)[4-6]。

設(shè)計(jì)通過使用單片機(jī)內(nèi)部的定時器實(shí)現(xiàn)對時間的計(jì)時控制，用戶將時間設(shè)置完成后，單片機(jī)的定時器會每1ms差生一個時鐘脈沖信號，通過對脈沖信號的計(jì)數(shù)完成精確的計(jì)時，計(jì)時完成時，而發(fā)送高電平信號時，繼電器斷開，完成充電[7]。

此外，設(shè)計(jì)還添加了藍(lán)牙通信功能，將藍(lán)牙模塊接入單片機(jī)的串口通信，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與手機(jī)的數(shù)據(jù)傳遞，完成手機(jī)對繼電器的無線控制，并獲取繼電器當(dāng)前狀態(tài)的實(shí)時數(shù)據(jù)。結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2.2 仿真圖與實(shí)物展示

因?yàn)樗{(lán)牙模塊是外接模塊，所以并未進(jìn)行軟件仿真調(diào)試，其余部分均在PROTUES軟件中進(jìn)行仿真。

按照設(shè)計(jì)要求，將原理圖繪制完成并且檢查沒有錯誤以后，在PROTUES軟件中添加hex文件，進(jìn)行仿真調(diào)試，調(diào)試如圖2所示。實(shí)物模型如圖3所示，實(shí)物焊接圖如圖4所示。

2.3 創(chuàng)新點(diǎn)及應(yīng)用

2.3.1 創(chuàng)新應(yīng)用點(diǎn)

⑴ 此設(shè)計(jì)可以作為“開關(guān)”連接在任意充電線路中，因此可以在實(shí)際生活中靈活運(yùn)用，方便人們使用。

⑵ 可以根據(jù)用戶需求自主選擇充電時間，到時后自動斷電，避免了電池過充的危險(xiǎn)也可以節(jié)約電能，節(jié)能環(huán)保。

⑶ 使用無線傳輸模塊，用戶可以使用手機(jī)App遠(yuǎn)程操作設(shè)備，在實(shí)際生活中有很高的使用價值。

⑷ 此設(shè)備可以作為共享設(shè)備，人人都可以通過手機(jī)端控制使用，一臺設(shè)備智能連接一部手機(jī)，他人無法干擾其使用，符合當(dāng)先共享、節(jié)約的主題。

2.3.2 同類產(chǎn)片對比

從某網(wǎng)購平臺搜索電動車充電設(shè)備，擁有自動斷電功能的充電樁基本上價格昂貴且體積龐大，如圖5所示，與之相比，本設(shè)計(jì)功能相同但加個比它便宜的多。如圖6所示不僅價格比較昂且，且使用不便利，也沒有安全保護(hù)、自動斷電等保護(hù)功能。

3 師生合作

經(jīng)過指導(dǎo)老師與團(tuán)隊(duì)成員的多次交流與討論后，老師對選題的肯定并且指出要發(fā)揮我們電氣專業(yè)的優(yōu)勢，又要與節(jié)能減排競賽的主題靠攏，充分解決電動車過充問題。參賽隊(duì)伍的學(xué)生認(rèn)真調(diào)研市場上的電動汽車充電時的慢充、快充、快換三種狀態(tài)，針對市場上充電時間長、對電池的損傷較大等情況，想到了智能充電樁的設(shè)計(jì)。學(xué)生以之前學(xué)習(xí)單片機(jī)參加藍(lán)橋杯競賽為橋梁，利用所學(xué)知識設(shè)計(jì)了以STC89C52為核心的單片機(jī)[8-11]。采用定時器功能進(jìn)行時間設(shè)定，通過繼電器控制來斷開電源，這樣用戶就不用擔(dān)心充電時長的問題，設(shè)置充電時長，既節(jié)約能源，又保護(hù)電路。在和指導(dǎo)老師商討后，老師充分肯定了學(xué)生的想法，鼓勵學(xué)生們朝著這一方向研究，并且老師更加強(qiáng)調(diào)了兩點(diǎn)：①智能充電樁的安全性。這要求我們充分利用傳感器模塊，智能檢測每一臺設(shè)備的安全性，在保障安全可靠的情況下，充分結(jié)合節(jié)能減排競賽的主題與精神。②結(jié)合多元化因素去完成，例如手機(jī)檢測與提醒等。這就要求不僅在硬件設(shè)備上，也在軟件上有所研究與涉獵，這給學(xué)生后續(xù)的研究提供了寬闊的思路。

在產(chǎn)品硬件制作上，老師鼓勵學(xué)生買設(shè)備，進(jìn)行不斷嘗試后搭建了一個初步模型。對于硬件內(nèi)部的驅(qū)動程序，學(xué)生自主完成所有驅(qū)動存在困難。在藍(lán)牙模塊中，因?yàn)榫幾g的程序時長發(fā)生錯誤或者有細(xì)微的功能沒有實(shí)現(xiàn)等，老師會和學(xué)生一起查找錯誤，并且對錯誤的原因和語句進(jìn)行分析和講解。此外，老師會邀請專業(yè)的指導(dǎo)老師來做語句檢查與點(diǎn)評，學(xué)生也會認(rèn)真學(xué)習(xí)，并且在課后查找大量資料，最終順利完成。學(xué)生利用了inventor2軟件進(jìn)行了手機(jī)App的設(shè)計(jì)，這也是學(xué)生第一次使用圖形化編程軟件，根據(jù)需求設(shè)計(jì)添加模塊。團(tuán)隊(duì)內(nèi)學(xué)生分工合作，通過自學(xué)最終完成且超額完成了手機(jī)App的應(yīng)用創(chuàng)建。App有打開和關(guān)閉繼電器兩種功能，可以適當(dāng)?shù)卦黾邮謾C(jī)端的定時功能和電壓電流的監(jiān)測功能，使用戶在手機(jī)端就可以實(shí)時的了解到充電情況。還添加了提醒功能，當(dāng)充電完成時，手機(jī)App會向用戶發(fā)送消息提醒用戶充電完成。學(xué)生還在App上加上了學(xué)院的院徽，象征著我們學(xué)院團(tuán)隊(duì)的研究凝聚力。

4 結(jié)束語

在經(jīng)過為期三個月的準(zhǔn)備、調(diào)試、組裝和試用的過程中，我們所帶學(xué)生團(tuán)隊(duì)在比賽中榮獲全國三等獎。除了獲獎時的喜悅與激動，更多的是讓團(tuán)隊(duì)中的學(xué)生得到了歷練與成長，從自身出發(fā)學(xué)到了本領(lǐng)，可以運(yùn)用在以后的學(xué)習(xí)生涯中，可以說是一次成功的“啟蒙”競賽。學(xué)生們擁有了競賽與科研經(jīng)歷，也會在這方面繼續(xù)有所建樹。

回望這三個月歷程，師生共同克服了課余時間不一致、課外時間難確定的困難，以及學(xué)生能力與知識儲備參差不齊的困難。師生一起確定課題研究的多元化方向，建立整體模型與框架，不斷填充模塊與功能，做到共同進(jìn)步與成長。此外，在報(bào)告撰寫格式、論文查找方式與引用、專業(yè)資料查詢與借鑒、演講稿書寫格式及展示PPT等方面，學(xué)生也接受了系統(tǒng)的培訓(xùn)。學(xué)生有所得、有所悟，這才是競賽的真正意義。“競賽”與“金課”建設(shè)達(dá)到了互相促進(jìn)的效果。

參考文獻(xiàn)（References）：

[1] 魯莽，周小兵，張維.國內(nèi)外電動汽車充電設(shè)施發(fā)展?fàn)顩r研究[J].華中電力，2010.5.

[2] 孫延先，姜兆華鋰.離子電池過充安全性研究[J].電源技術(shù)，2019.5.

[3] 唐葆君，王翔宇，王彬，吳鄖，鄒穎，許黃琛，馬也.中國新能源汽車行業(yè)發(fā)展水平分析及展望[J].北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)（社會科學(xué)版），2019.2.

[4] 張毅剛，趙光權(quán)，劉旺.單片機(jī)原理及應(yīng)用（第三版）[M].高等教育出版社，2016.

[5] 于海生.微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)（第3版）[M].清華大學(xué)出版社，2013.

[6] 孫炳達(dá).自動控制原理（第4版）[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2016.

[7] 閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)（第五版）[M].高等教育出版社，2006.

[8] 譚浩強(qiáng).C程序設(shè)計(jì)[M].清華大學(xué)出版社，2010.

[9] 王兆安，劉進(jìn)軍.電力電子技術(shù)（第5版）[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[10] 邱關(guān)源.電路（第5版）[M].高等教育出版社， 2006.

[11] 董詩白.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)（第四版）[M].高等教育出版社，2006.