电气工程专业“电动汽车新技术”课程设置思考

2011-04-01樊英,程明

电气电子教学学报 2011年1期

樊英,程明

(东南大学电气工程学院,江苏南京 210096)

0 引言

21世纪,人类将面临严峻的能源和环境挑战,研究开发节能、环保和安全的汽车是实现交通可持续发展的必由之路。其中,电动汽车以其在使用过程超低排放/零排放、能源利用多元化和高效化、便于实现智能化控制等方面的技术优势备受重视,呈现加速发展态势。世界各国政府、学术界、工业界正在加大对电动车开发。

世界上第一辆电动汽车诞生于1834年,这也是世界上第一辆机动车[1-3]。从20世纪90年代开始,在能源和环境的双重压力下,电动汽车的研究开发进入了一个活跃期。在美国,通用、福特、克莱斯勒等汽车公司,在电动汽车的发展中起着非常重要的作用。在日本,几乎所有的汽车生产商都制定了各自的商业化电动汽车发展规划。欧洲的许多国家,尤其是法国、德国、意大利和英国都纷纷进入电动汽车市场。

中国电动汽车的发展,在“八五”期间就已经列入中国科技攻关计划,重点开展电动汽车关键技术的研究。“九五”期间,它正式列入中国重大科技产业工程项目,主要开展电动概念车及相关技术研究、电动改装车开发、试验示范区建设、运行机制和政策法规及技术标准的研究[4-5]。2001年9月,中国科技部在“十五”期间的中国863计划中,特别设立了电动汽车重大专项。“十一五”期间的863计划中,节能与新能源汽车被列为重大项目。国务院2009年2月颁布的“十大行业振兴计划”中,汽车业被列为十大产业之一,其中特别强调汽车产品结构调整以节能减排为主导,重点支持节能环保型汽车。该政策的出台,为电动汽车、混合动力电动汽车、以及新能源汽车的快速发展提供了前所未有的机遇。

电气工程领域随着科学技术的发展,其涉及到的技术领域也发生了深刻的变化[6]。信息技术、电力电子技术、计算机技术、通讯技术、自动控制等技术在电气工程领域中得到了广泛的应用,使电气设备和电力系统向数字化、信息化方向发展,电气工程领域所涉及到的行业管理向高效益、市场化发展,这一切都要求高等学校培养具有广博的基础知识,开阔的视野,融会贯通的思维能力,熟知不同学科领域的知识,具有不断调整知识结构的能力。

电动汽车涉及电机、自动控制、电力电子、计算机等技术的应用,为了适应当代科技发展对电气工程及其自动化专业高素质人才的需求,有必要开设“电动汽车新技术”课程。

1 课程结构

本课程是面向大学四年级学生开设的专业任选课,2个学分,32学时。根据电动车的主要特点,回顾电动车的发展历史,深入浅出地介绍现代电动车的力学和电磁学基础,分析现代电动车的能源系统、电机驱动系统、智能化能量管理系统、充电系统、车载空调系统和变速系统,讨论电动车的基础设施建设以及未来智能化交通系统的发展,使学生对现代电动车的发展现状、关键技术、发展战略等有一个基本而全面的理解和认识。

首先介绍电动汽车的基本概念,回顾电动车的发展历史,分析其现状以及未来的发展趋势。讲述各类电动汽车的相似与不同之处;与传统燃油汽车相比,电动汽车的优缺点,以及电动汽车对交通、能源、汽车工业、电力部门、环境保护、政治、经济等的影响。

其次,介绍电动汽车的基本结构与参数,采用不同的动力驱动方式和不同的能源系统可以构成不同结构形式的电动汽车。根据电动汽车参数、性能指标以及行驶模式,分析电动汽车系统的性能。

电机驱动系统是电动汽车的核心部分,包括电机、功率变换器和机械传动系统。本课程分析电动汽车对电机驱动系统的要求,以及各种驱动电机的运行特性、可靠性、性能价格比等参数;介绍目前已经商业应用的电动汽车驱动的电机有传统的直流电机,交流异步电机,以及新发展的永磁无刷电机,永磁同步电机等的结构和工作原理以及调速特性;讲述电动汽车驱动中的常用控制方法以及最近快速发展的轮毂电机驱动技术。

电动汽车能源系统的体积、重量、形状和技术参数,决定了电动汽车的行驶性能,是电动汽车最重要的子系统。本课程介绍目前正在应用或开发的具有一定前景的能量源有:蓄电池、超级电容、燃料电池和超高速飞轮及其组合等。电动汽车的车载能源还比不上燃油汽车,为最大限度地利用电动汽车所带的能源,以增加行驶里程,需要对电动汽车的能量管理系统进行优化设计。本课程讲述电动汽车的智能化能量管理系统,通过把能源管理系统和电动汽车导航系统结合起来,实现能源的最佳利用。

电动汽车除了电机驱动系统、能源系统、智能管理系统以及车体之外,通常还有许多辅助子系统,包括充电器、空调器、辅助电源、动力转向及导航系统等。本课程重点介绍电动汽车充电技术,包括最新的V2G(Vehicle to Grid)“车辆到电网”技术,汽车动力电池作为智能电网的分布式储能单元,实现电流在智能电网和电动汽车间的双向互动;V2G平台可以在非高峰时段自动充电,在高峰时段放电(售电),以替代效率较低的调峰电厂。

2 课程设置条件

我校是国内较早对电动汽车开展研究的高校之一,较早开设了“电动汽车的新型驱动技术”研究生课程,1997年以来,我校与香港大学开展合作,对新型高效、节能的电动汽车驱动技术开展研究,通过互派学者交流,直接参与课题研究等形式,提高了电动汽车驱动技术整体研究水平。2007年我校聘请香港大学国际电动汽车研究中心主任邹国棠教授为长江学者讲座教授,并为电气工程专业的本科生做了“电动汽车新技术”的专题演讲,在国家自然科学基金杰出青年基金(B)的资助下,成立了“东南大学清洁能源车辆研究中心”。目前,该中心正在对电动汽车驱动技术,混合动力汽车电子无级调速系统、电动汽车尾气废热发电以及超级电容储能技术等方面开展系统深入的研究。此外,“东南大学清洁能源研究中心”还与英国谢菲尔德大学以及美国俄亥俄州立大学等高校的电动机驱动控制课题组开展合作,共同合作研究电动汽车最新驱动技术。

可作为教材的出版物主要有《21世纪的绿色交通工具-电动汽车》[7],《现代电动汽车技术》[8],《先进电动汽车技术》[9]等,另外还有很多关于电动汽车的中文和英文论文可作为课外阅读文献,方便学生进行课程内容的拓展,扩大知识面。

3 演示和现场教学

教学过程中,除正常的课堂教学外,采用电动汽车仿真软件Advisor,利用Matlab强大的数值仿真和数据处理能力,可以对由车身、电动机、能量管理和能量存储(电池组)等模块组成的系统进行电动汽车的加速性能、爬坡能力、行驶车速和燃料经济性进行仿真分析;同时,可以对电动机特性和能量存储(电池组)及能量管理特性进行了仿真分析。有利于学生综合能力的培养,也会引起学生的重视和兴趣。

目前该中心计划购买奇瑞汽车公司的纯电动汽车一辆,学生可以到该中心参观一些现场演示,并有机会近距离接触电动汽车,这使他们对电动汽车的构造和运行特性有更直观的认识,如怎样安放电池组、如何安排电机驱动系统、如何充电等等。除此之外,他们还可以上车体验电动汽车运行时的特性,如无噪声、变速平稳、刹车和启动迅速等特点。通过这样的亲身经历,学生对电动汽车的感性认识加深,在理论学习中目的就会变得明确,清楚地认识到哪些地方需要改进以及如何进行改进。

4 课后作业及课程考核

为充分激发学生的学习兴趣和培养学生的团队合作,要求学生以作小项目的形式扩展课堂知识。

近几年,利用互联网搜索最新的信息已被广泛接受。可充分利用这个信息系统,探讨关于电动汽车的发展和技术。学生首先分成了2至3名成员一组,选择关于电动汽车的项目主题,例如可建议主题为欧洲/美国/日本的最新电动汽车技术,最新的混合电动汽车,最新的电动汽车驱动系统,新能源电动汽车等,学生也可以提出新的主题,但须经过老师批准。一个月后,学生提交小组报告,并以seminar形式进行课堂交流,学生可以自由根据报告者的内容提问,老师启发学生如何考虑问题,从哪些方面解决问题。

根据学生提交的小组报告,以及seminar课堂交流情况和平时课堂学习情况,进行课程成绩的综合评定。