動力電池訓練“包”設(shè)計

李伯勇　黃紹金　賴城賢　林藝華

摘 要：隨著動力電池更換期的到來，人們發(fā)現(xiàn)動力電池更換價格趕上了傳統(tǒng)汽車，而動力電池的維修人員缺失，動力電池訓練“包”就應(yīng)運而生，動力電池訓練“包”主要是模擬新能源汽車動力電池維修，由動力電池訓練包以及線上課程組成，其課程內(nèi)容自由選取訓練包中的配件進行元器件識別，以及在實訓過程中可根據(jù)實訓指導書及電氣原理圖進行電池成組。動力電池訓練“包”由30cell磷酸鐵鋰電池、車規(guī)級分布式電池管理系統(tǒng)、散熱式負 載、功率電阻、國標交流充電口、車載充電機、接觸器，熔斷器、直流數(shù)顯表、水泥電阻、薄膜電容、平板電腦、原廠級上位軟件等放置拉桿式鋁塑箱內(nèi)，箱內(nèi)置泡沫卡托可保證放置所有配件不會在移動過程中產(chǎn)生碰撞。發(fā)生觸電時，訓練箱內(nèi)置緊急制動開關(guān)保證使用者安全，使維修人員的安全得到充分的保障，可以快速解決當下新能源維修人才市場空缺。

關(guān)鍵詞：新能源電動汽車 動力電池 培訓教學 動力電池系統(tǒng)

1 引言

目前，在我國汽車制造業(yè)快速轉(zhuǎn)型升級的背景下對于汽車職業(yè)技能人才的需求日益劇增，在這樣的市場需求下，本產(chǎn)品在一定程度上滿足了各類院校、4S店及汽車新能源技能培訓機構(gòu)對于人才培養(yǎng)實訓的需求。在這種環(huán)境下，新能源電動汽車逐漸得到民眾的認可和接受[1]。新能源電動汽車不僅減少了對燃油的消耗，與此同時也杜絕了燃油燃燒時產(chǎn)生的尾氣污染。新能源電動汽車以電力作為驅(qū)動能源，一旦電力耗盡，汽車也就無法再運行，因此給電動汽車進行充換電至關(guān)重要。

隨著科學技術(shù)不斷的更新迭代，高校實驗設(shè)備亟待更新，實驗室設(shè)備及裝備行業(yè)市場需求巨大，國內(nèi)不斷有新企業(yè)瞄準這塊“蛋糕”，很多外國生產(chǎn)設(shè)備商也紛紛跟緊腳步進入國內(nèi)市場，搶占先機。但是現(xiàn)在新能源汽車動力電池維修的市場會維修的特別少，車主對汽車維修廠（維修難度大，不放心）、4S店（價格昂貴耗時長）、返廠維修（太麻煩，異地維修，且耗時長）；并且現(xiàn)在維修新能源汽車動力電池并不安全，存在著高壓及維修“后遺癥”的危險。

據(jù)國內(nèi)領(lǐng)先的汽車產(chǎn)品信息收集平臺車質(zhì)網(wǎng)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2021年國內(nèi)純電動車動力電池故障總投訴量上漲30.9%。由此可見在現(xiàn)代新能源汽車發(fā)展的趨勢下動力電池故障頻頻發(fā)生，市場需要一款可以快速培養(yǎng)維修動力電池人才的產(chǎn)品。

現(xiàn)在實訓教學是高校培養(yǎng)人才必不可少的一部分；在基礎(chǔ)教育階段，新能源汽車實驗室、電池檢測實驗室在教學中的應(yīng)用，可以發(fā)揮學生的創(chuàng)作力，激發(fā)學習熱情。

2 訓練包結(jié)構(gòu)組成

新能源動力電池訓練“包”的整體組成設(shè)計：電源模塊：車載充電機、72V電池組、12V蓄電池；控制模塊：主控模塊、從控模塊；執(zhí)行模塊：放電負載、維修開關(guān)、組裝臺；其他模塊：導線、CAN導線。如圖1所示。

3 硬件電路設(shè)計

我們根據(jù)電源模塊、控制模塊、執(zhí)行模塊、其他模塊來實現(xiàn)新能源汽車動力電池模塊的模擬，可以讓維修人員在后續(xù)的維修時提高安全性，可以讓維修新能源汽車的人員增多，更好的推進新能源汽車的政策要求。

3.1 維修單元

維修單元主要負責車輛電池信息讀取、故障碼查詢、故障點查詢。根據(jù)該單元所負責的內(nèi)容，該單元硬件設(shè)備包括：車載充電機、72V電池組、12V蓄電池、主控模塊、從控模塊、放電負載、維修開關(guān)、組裝臺、導線、CAN導線。

（1）車載充電機是一種固定安裝在電動汽車上的充電機，具有為電動汽車動力電池，安全、自動充滿電的能力，充電機依據(jù)電池管理系統(tǒng)（BMS）提供的數(shù)據(jù)，能動態(tài)調(diào)節(jié)充電電流或電壓參數(shù)，執(zhí)行相應(yīng)的動作，完成充電過程[2][3]。如圖2所示。

（2）72V電池組主要用于給動力電池訓練“包”提供足夠電力，保證在培訓和維修時保持電力供給，主要由6個12V蓄電池串聯(lián)而成。

（3）12V蓄電池主要用于給非高壓設(shè)備的其他設(shè)備供電，主要包括：主控模塊、從控模塊、CAN導線等等。

（4）主控模塊主要作用是控制整個訓練包的電路和故障查詢、設(shè)置故障點等等，是整個設(shè)備的核心，可以更好配合培訓人員完成操作。

（5）從控模塊主要用途是輔助主控模塊完成故障查詢、設(shè)置故障點等等，同時控制其他設(shè)備與主控模塊進行交互。更好完成教學。

（6）放電負載是一個執(zhí)行元件，可以通過主、從控制模塊的設(shè)置故障點，主要用途是給蓄電池組深度放電維護和容量檢測的儀器，具有功率大、安全性高、使用壽命長等特點，在測試過程中能實時顯示電壓、電流等數(shù)據(jù)；經(jīng)過參數(shù)設(shè)定后，自動恒流或恒阻控制完成動力電池容量試驗。如圖3所示。

（7）維修開關(guān)主要用途是在維修動力電池時候給維修人員安全，在拔開維修開關(guān)時整個電路斷路。

（8）組裝臺可以讓整體更整潔、方便、輕松，使維修人員的操作更加規(guī)范舒適；可以任意設(shè)計，可以模擬多種車輛的動力電池，設(shè)置故障點方便，能大大提高培訓質(zhì)量。

（9）導線是連接各設(shè)備的重要元件，也是最容易設(shè)置故障點的地方，導線的規(guī)格主要看電壓、電流的大小。

（10）CAN導線的作用就是將執(zhí)行器、控制模塊、各種傳感器等多個控制單元連接在一起，實現(xiàn)信息的實時同步。

3.2 設(shè)置故障點單元

故障點單元包括兩個部分：故障點設(shè)置、故障點監(jiān)控。

故障點設(shè)置：根據(jù)教學目的，結(jié)合教學內(nèi)容，選擇合適的故障點進行設(shè)置，本產(chǎn)品通過對電池進行檢測，設(shè)置故障點；由于電池出現(xiàn)的問題會影響到車輛的動力性能、安全性能、續(xù)駛里程等。本產(chǎn)品通過設(shè)置不同的故障點，讓學員可以了解不同的故障情況，并且在規(guī)定的時間內(nèi)完成對應(yīng)的動作；通過對電池進行檢測，確定電池是否存在問題。

本產(chǎn)品在設(shè)置故障點單元主要分為人為故障和自然故障；主要是讓培訓人員可以更好應(yīng)對各種故障情況。

人為故障：汽車制造和維修過程中，由于零件存在瑕疵或裝配不規(guī)范或者使用不當?shù)热藶橐蛩卦斐傻墓收稀?/p>

自然故障：汽車在使用壽命期間，由于外部和內(nèi)部不可抗拒的自然因素造成的故障。

故障點監(jiān)控：通過對電池進行檢測，確定是否有問題，根據(jù)學員掌握情況來進行調(diào)整。本產(chǎn)品通過對電池進行檢測，確定是否存在問題；從而判斷電池是否存在問題。

4 軟件設(shè)計

本訓練包的軟件控制部分采用了 LabVIEW軟件，該軟件以其簡潔直觀的界面、強大的功能和豐富的命令集等特點，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、人工智能、數(shù)據(jù)采集和信號處理等領(lǐng)域。LabVIEW是由美國國家儀器公司開發(fā)的一個面向?qū)ο蟮目梢暬幊汰h(huán)境，具有豐富的功能函數(shù)，強大的數(shù)據(jù)庫管理功能和友好的用戶界面，是工業(yè)控制領(lǐng)域中最流行也是最重要的工具之一。

LabVIEW作為一個虛擬儀器開發(fā)環(huán)境，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于儀器儀表、智能儀表、機器人、航空航天、石油化工等行業(yè)。LabVIEW可以將系統(tǒng)中所有變量均顯示在界面上，并提供統(tǒng)一的操作界面。LabVIEW采用了面向?qū)ο笤O(shè)計方法，與 VC++等傳統(tǒng)語言相比具有更強的靈活性和更多的功能。LabVIEW采用模塊化結(jié)構(gòu)，能夠方便地進行程序修改和移植。

5 測試過程及結(jié)果分析

使用測試包模擬兩種不同的動力電池進行了自放電、動力電池對蓄電池情況、電池內(nèi)部一致性、動力電池SOH情況，具體測試過程如下：

（1）自放電：我們可以根據(jù)兩款動力電池情況來模擬動力電池在斷路或短路情況下自放電，啟動測試包進自放電測試，自放電結(jié)果分別為6%和5%；

（2）動力電池對蓄電池情況：我們可以根據(jù)動力電池在工作時，DC/DC對蓄電池充電情況的模擬，啟動測試包后，給蓄電池進行放電操作，放電容量為800 mAh的動力電池放電容量為750 mAh；電池充電電壓為14.5V時，放電電壓為13.5V。

（3）電池包內(nèi)部的一致性：通過軟件的設(shè)計我們可以控制動力電池內(nèi)部電流、電壓、電容量，讓它可以和市場上動力電池達到一致性。

（4）動力電池SOH情況：測試包會根據(jù)需要模擬的動力電池從充滿狀態(tài)以一定倍率放電至截止電壓所放出的容量與其所對應(yīng)的標稱容量的比值來模擬動力電池的健康情況。

6 結(jié)論

動力電池訓練包是一款用來進行動力電池充放電性能測試的專用設(shè)備，它具有結(jié)構(gòu)簡單、易于操作、精度高、操作簡單等特點；在保證測試安全的前提下，該訓練包的精度高，能滿足不同電壓等級動力電池的測試要求。與傳統(tǒng)的實驗室方法相比，該訓練包具有操作簡單、測試范圍廣等特點；在保證測試安全的前提下，該訓練包能滿足不同電壓等級動力電池的測試要求。本論文通過對動力電池訓練包的設(shè)計與開發(fā)，為動力電池儲能系統(tǒng)和電動汽車等新能源車輛的研發(fā)提供了理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支持，提高了設(shè)計效率。在實際應(yīng)用中，該訓練包還可以用來對動力電池進行老化實驗、壽命試驗等。此外，該訓練包還可以用于電動車等新能源汽車的制造工藝研究、質(zhì)量檢測等領(lǐng)域。在今后的工作中，我們將繼續(xù)進行研究工作，使之更好地為新能源汽車產(chǎn)業(yè)服務(wù)。

7 展望

近年來，隨著國家對新能源汽車產(chǎn)業(yè)的大力扶持，我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)取得了飛速發(fā)展。與此同時，我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)也面臨著巨大的挑戰(zhàn)，不僅表現(xiàn)在動力電池產(chǎn)能嚴重過剩，而且還表現(xiàn)在動力電池安全性差、使用壽命短、充電速度慢等諸多問題。為了解決這些問題，我國提出了“三縱三橫”新能源汽車發(fā)展戰(zhàn)略?！叭v”分別為純電動汽車（EV）、混合動力汽車（HEV）和燃料電池汽車（FCEV）；“三橫”分別為純電動汽車動力總成技術(shù)、插電式混合動力汽車技術(shù)和燃料電池汽車動力總成技術(shù)[4]。這些戰(zhàn)略的實施必將推動我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，并極大地提升我國在國際新能源汽車市場上的競爭力。作為新能源汽車的重要組成部分，動力電池的研發(fā)生產(chǎn)對于推動我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展具有重要意義。本研究針對動力電池的特性，開發(fā)了一套動力電池訓練包，以提高測試效率和準確性，縮短測試時間。本研究成果可以為新能源汽車相關(guān)企業(yè)、研究機構(gòu)提供相關(guān)數(shù)據(jù)和技術(shù)支持。

課題來源：福建省大學生創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新訓練項目—動力電池訓練“包”設(shè)計，項目編號：S202212928022。

參考文獻：

[1]徐素秀，謝冰，秦威等.電動汽車充電與換電模式定價及投資策略[J].交通運輸系統(tǒng)工程與信息，2021，21（05）：183-189.

[2]黃彩娟.純電動汽車電路圖組成與識讀方法——以德系車型大眾ID4車型為例[J].專用汽車，2022，No.302（07）：76-78.

[3]劉太彪.車載充電機等電源類設(shè)備對信號類設(shè)備的干擾探究[J].內(nèi)燃機與配件，2019，No.287（11）：206-207.

[4]趙福旺. 唐山地區(qū)電動汽車換電站建設(shè)方案研究[D].華北電力大學，2013.