純電動汽車故障檢測教學設備的設計與實現

中圖分類號：U472.9 收稿日期：2025-04-14 DOI： 10.19999/j.cnki.1004-0226.2025.07.022

Design and Implementation of Fault Detection Teaching Equipment for Pure Electric Vehicles

Dang Chao

BranchofMechanicalandElectricalEngineering，haanxiAamp;FTechnologyUniversity，Yangling72oo，Chin

Abstract：WiththerapiddevelopmentofpureelectricvehicletechnologyinChina，thedemandforhighervocationalgraduatesmajoringinnewenergyvicletechnologyisncreasing.Inordertoimprovestudents’practicalabilityandenancetheirunderstandingof pureelectricvehiclefaultdetection，apureelectricvehiclefaultdetectionteachingequipmentisdesignedinthisstudy.Theteaching equipmentintegratessoftwareardwarefaultsetigandfaultdiagnosisndcasimulateallindsoffaultsintdrivingprosof pureelectricicles.Itimproessdents'abilitytooveraulpureeletricehicsablesdentstoicklydapttotjbi ments after gtion，and provides greatsupport for the cultivation ofnew energy vehicle technology professionals.

Key Words：Pure electric vehicle;Fault detection;Teaching equipment;New energy vehicle technology

1前言

當前，全球汽車產業(yè)正經歷從燃油驅動向電動化的快速轉移。純電動汽車由于其環(huán)保和高效等優(yōu)勢，已成為汽車行業(yè)未來發(fā)展的重要方向。隨著電池、電機及電控系統(tǒng)技術的進步和充電設施的不斷完善，純電動汽車的保有量不斷增加[1-2]。2024年全球電動車銷量超1500萬輛，其中純電動汽車銷量增長 16.3% ，達1035萬輛，占新車市場 11.3% 。這一銷量數據對相關技術人才的數量和質量提出更高的要求。職業(yè)院校是技能型人才培養(yǎng)的主要陣地，近年來均開設新能源汽車技術專業(yè)。但是純電動汽車技術更復雜，包括動力電池技術、驅動電機及控制技術、整車控制技術、充電及能源管理技術、智能化技術、新型材料與輕量化技術等[3]。

對于這些復雜的系統(tǒng)，不僅要求學生掌握理論知識，更要有熟練的實踐能力。以前的教學，教師重理論講解，學生只做簡單的模擬實驗，雖然在課堂教學中能理解純電動汽車結構和工作原理，但實踐能力不強。這種教學模式既無法激發(fā)學生對純電動汽車的學習興趣，也對未來職業(yè)發(fā)展不利[4]。當前，許多高職院?，F有的實訓設備無法模擬純電動汽車在實際運行中的故障，使學生在面對實車時無所適從?，F有純電動汽車實訓設備僅能進行簡單的功能檢測，而無法模擬復雜的故障情況，這使得學生從學校畢業(yè)以后，也需要很長時間才能適應崗位需求[5-6]。

因此，設計一個純電動汽車故障檢測教學設備，對于教學質量的提升、純電動汽車產業(yè)高技能人才的培養(yǎng)意義重大。

2教學設備設計目標

2.1系統(tǒng)原理展示

教學裝置應具有體現純電動汽車所有系統(tǒng)組成的綜合直觀性，能夠演示各系統(tǒng)組成的工作原理，讓學生直觀地了解各部件的工作內容和相互關系[7]。

2.2故障模擬設置

教學設備中需要具有種類齊全的故障設置，以模擬純電動汽車在實際行駛中遇到的各種故障，提高學生故障檢修能力。

2.3友好交互界面

教學設備應具有良好的操作界面，方便學生進行實驗操作、數據采集和分析、教師對學生的管理和指導等[8]。

2.4多層次教學適配

該實訓裝置必須滿足各級別的教學要求，既要滿足理論教學的需求，又要滿足專業(yè)實踐教學和技能大賽的要求，實現綜合運用能力的培養(yǎng)。

3純電動汽車故障診斷教學設備硬件系統(tǒng)設計

3.1整車結構設計

鑒于比亞迪秦EV是市面上保有量較大的車型，技術成熟，便于教學研究，本次確定故障診斷教學實物（整車 + 實驗臺）純電動汽車選用車輛實訓中心的比亞迪秦EV。動力系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、底盤零件完整保留，進行合理改造。首先，為整車專門定制了固定裝置。固定裝置由高強度的金屬材料加工焊接而成，形成一個穩(wěn)固的裝置，以確保實踐教學中裝置的穩(wěn)定性及安全性，避免車移動或者晃動，影響實踐教學。

3.2線路設計

對比亞迪秦EV線路進行全面詳細地線網梳理。將復雜的線網進行功能、區(qū)域劃分和梳理，選用性能可靠的線束、線纜，確保線路的穩(wěn)定與安全。線路設計是故障診斷設備搭建的關鍵環(huán)節(jié)，包括實驗臺本身線網設計與連接實車線網設計。

3.2.1實驗臺自身線路設計

實驗臺自身有供電線路、信號線路、控制線路以及通信線路，該故障診斷試驗臺通過AC-DC電源模塊，將220V 的交流電轉變?yōu)?5V，12V 等直流電壓，根據實驗臺自身需要，對5V電線與 12V 電線采取合理的布線方式與位置設置隔離開來，避免電磁波之間的相互干擾。還設置過載保護裝置，保護實驗臺。純電動汽車上的信號線路，主要用于傳輸來自傳感器的數據，分為模擬信號、數字信號和脈沖信號。

對于模擬信號傳感器，使用屏蔽雙絞線將實驗臺數據采集模塊的輸入通道和傳感器相連接。數字信號傳感器則直接將數據采集模塊的數字輸入端口與傳感器相連。若為脈沖信號傳感器，在連接信號線的同時，還需依據傳感器輸出特性，選擇恰當的計數方式和頻率測量方法。

汽車控制線路采用CAN總線或LIN總線。實驗臺控制系統(tǒng)通過CAN總線接口模塊與車輛的CAN總線網絡連接，將傳輸實時性要求較高的控制指令，按照CAN總線協議進行編碼和發(fā)送，實車的相應控制器接收到這些指令后，進行解碼和執(zhí)行操作。LIN總線主要傳輸實時性較低的汽車內部分布式控制系統(tǒng)，如車門、燈光、座椅、空調和舒適系統(tǒng)等。

實驗臺通過LIN總線接口模塊和車輛的LIN總線網絡連接，以此實現指令的傳輸。通信線路是實現實驗臺與上位機（電腦）之間的數據傳輸和通信。常用的通信方式有RS232、RS485、CAN總線等，根據傳輸距離和速度要求，選擇最佳通信方式。距離近、速度低的傳輸可以選用RS232，遠距離、高速傳輸則可以采用CAN總線。通信線路同樣采用屏蔽線，并進行合理的阻抗匹配。

3.2.2與實車連接線路設計

實驗臺與實車的連接線路包括高壓線路連接、低壓線路連接和通信線路連接。對于純電動汽車的高壓系統(tǒng)，連接的時候要非常小心。為了保證線路連接的安全性，可以采用高壓互鎖電路，以防在學生實驗過程中產生高壓電弧。同時，為了加強連接的可靠性和密封性，采用專用的高壓連接器。純電動汽車的低壓信號線路包括傳感器信號、控制器信號等。通過轉接盒將實車信號引出，與實驗臺的信號采集線路進行連接，確保信號的完整準確，避免信號衰減和干擾。純電動汽車都有自己的車載網絡系統(tǒng)，實驗臺利用通信接口與實車網絡連接，實現數據的交互和診斷。

3.3故障設置模塊設計

3.3.1硬件故障設置模塊

對于純電動汽車故障檢測教學設備，硬件故障設置模塊的設計，最重要的是滿足實車故障的高還原度，同時具有可逆性，確保故障現象真實且不會造成設備損壞[9]。該模塊設計可以利用物理電路改造或信號干擾裝置，直接模擬車輛各系統(tǒng)的硬件故障。典型實現方式有以下3種：

開關/繼電器控制：在關鍵線路（如傳感器供電、執(zhí)行器控制回路）中嵌人手動開關或程控繼電器，通過斷開線路模擬斷路故障（如溫度傳感器信號丟失），或短接線路制造短路（如電機相線對地短路）。

電阻模擬裝置：配置可調電阻箱或數字電位器，用于改變傳感器信號（如改變加速踏板電壓信號使其超出合理范圍）或模擬負載異常（如動力電池內阻增大導致壓降異常）。

機械插接件模擬：設計可拆卸式高壓互鎖（HVIL）接口，通過人為斷開插接件模擬維修誤操作導致的互鎖回路中斷。

3.3.2軟件故障設置模塊

軟件故障設置模塊利用實驗臺內置的車輛控制單元（VCU、BMS等）仿真系統(tǒng)，通過軟件指令或數據修改模擬控制器內部邏輯錯誤或通信故障，此類故障更貼近當前純電動汽車高度電子化、智能化的技術特征[10]。例如，修改電機控制器的控制算法，使其輸出異常的扭矩信號，模擬動力系統(tǒng)性能降級故障；在控制器軟件中植入虛擬故障代碼，令PTC加熱器溫度信號持續(xù)輸出超限值，觸發(fā)控制器保護機制；修改電池管理系統(tǒng)的荷電狀態(tài)（SOC）估算算法，導致電池電量顯示錯誤；通過上位機軟件向CAN網絡發(fā)送錯誤幀（如非法ID報文）修改關鍵參數，模擬網絡通信異常導致整車功能受限。

4純電動汽車故障診斷教學設備軟件系統(tǒng)設計

4.1操作系統(tǒng)

因為Windows操作系統(tǒng)兼容性強，容易上手，有豐富的函數庫供開發(fā)人員使用，方便軟件開發(fā)人員開發(fā)軟件程序、調試軟件程序，因此該故障診斷教學設備軟件系統(tǒng)選用Windows操作系統(tǒng)。Windows操作系統(tǒng)可以使實驗臺的軟件更容易與其他的軟硬件進行連接，可以支持更復雜的試驗操作和數據分析，可以使實驗臺軟件系統(tǒng)更加穩(wěn)定、高效，更適合新能源汽車技術專業(yè)學生的使用[11]。

4.2控制軟件

整車控制軟件是純電動汽車的核心，承擔了整車控制器所有的控制任務，如汽車啟動、加速、減速、制動等基礎功能，控制驅動力矩、制動能量優(yōu)化、整車能量管理、CAN網絡管理、診斷和故障處理、車輛狀態(tài)監(jiān)測等[12]。整車控制軟件采用模塊化設計，由信號采集模塊、控制算法模塊、通信模塊等組成。信號采集模塊主要負責采集車輛傳感器的實時信號，如汽車車速、油門踏板位置、制動壓力等，為其他模塊提供正確的數據信息?？刂扑惴K主要負責根據信號采集模塊的實時數據，通過復雜的運算得出最優(yōu)的控制算法，實現車輛的正常行駛。通信模塊主要負責各電子控制單元之間的通信。各模塊相互獨立、協調工作，共同完成車輛的正常行駛。

故障診斷軟件通過和整車控制器、故障診斷儀通信，實時接收從車輛上傳的故障碼、故障數據流，并根據設置的故障診斷規(guī)則對故障進行判斷、分析，給出故障診斷建議。故障診斷軟件還提供了故障記錄、查詢等功能，師生可以根據故障診斷軟件設置的故障實驗分析，進行故障總結。

4.3教學管理軟件

為了便于教師的管理和指導教學，在實驗臺中建立教學管理軟件。教學管理軟件主要包含學生管理、實驗課程管理、實驗報告管理等功能。

a.學生信息管理模塊包括學生基本信息、實驗成績等信息，方便教師對學生進行管理和評價。

b.實驗課程管理模塊：該模塊可以使教師設置實驗課程、實驗步驟、實驗要求、向學生下達實驗任務并可以對學生進行實驗進度和實驗操作情況進行監(jiān)督和管理，并提供及時的指導和幫助。

c.實驗報告管理模塊：學生完成實驗后使用此模塊提交實驗報告，教學管理軟件對提交的實驗報告進行自動批閱評分，對批閱的實驗報告進行統(tǒng)計分析，分析結果為教師教學提供依據。

5結語

本文以純電動汽車故障檢測教學為研究背景，設計并實現純電動汽車故障檢測教學設備。結合純電動汽車結構和原理，設計模擬實際純電動汽車故障檢測的硬件系統(tǒng)，設計操作簡單、方便、易處理的軟件系統(tǒng)，同時為該設備設置多種故障，滿足不同層次的純電動汽車故障檢測需求。通過測試，本教學設備可以模擬純電動汽車實際行駛中的各種常見故障。通過教學設備，學生可以進行故障診斷，提升自己實踐及檢測分析故障的能力，為純電動汽車的故障檢測教學提供有效的、實用的教學平臺，為純電動汽車故障檢測專業(yè)人才的培養(yǎng)奠定一定基礎。

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作者簡介：

黨超，男，1990年生，講師，研究方向為車輛專業(yè)的教學及軸承潤滑理論、非線性動力學及控制。