在车辆工程专业中引入动力电池设计及管理课程的思考

【摘要】我国车辆工程专业现有课程设置与电动汽车发展需求无法有效衔接，需加大电动汽车及关键零部件相关课程的权重。本文探索了在车辆工程专业中引入动力电池设计及管理课程，从教学计划、实践教学设计、教学方式、考试考核方式及课程提升等方面进行了深入思考。

【关键词】车辆工程 动力电池 课程引入

【Abstract】The present course architecture of vehicle engineering in China university now can not meet the requirement from the technology development of electric vehicles. To solve this problem， more courses regarding electric vehicles and the key components should be added into the architecture. This paper makes an explore to introduce the course of power battery design and management into the architecture， and the teaching program， practice teaching， teaching mode， exam mode and course enhancement are considered deeply.

【Keywords】vehicle engineering； power battery；course introducing

【中图分类号】G64 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2018）37-0238-02

引言

我国的现有车辆工程专业一般建立在机械大学科基础之上，并培养了一批又一批具备较好基础知识沉淀的学生。我国汽车工业的飞速发展，高校车辆工程专业的课程设置无疑功不可没。在传统汽车领域，高校车辆工程已有较为完备的课程体系[1]。随着技术的发展以及人类对能源与环境问题的思考，新能源汽车成为世界汽车工业的发展方向，也成为我国的国家发展战略。面对新能源汽车产业的飞速发展态势，我国高校一些汽车专业相继开始新能源汽车课程[2]。但总体而言，车辆工程专业有关电动汽车及其关键零部件的专业课程设置权重过低，导致现有车辆工程专业毕业生在电动汽车及关键零部件方面的知识积累不足，对我国电动汽车的发展无法提供足够的支撑作用。

作为电动汽车的核心部件，动力电池的技术发展具有举足轻重的作用[3]，表现为：动力电池的能量密度决定了电动汽车的续驶里程；动力电池的功率密度决定了电动汽车的动力性及充电快速性；动力电池的安全性影响整车的安全性；动力电池的成本占到电动汽车整车成本的40%以上。另一方面，电动汽车电池系统实际是一个复杂的机-电-流耦合的复杂多物理场系统，其中包含了物理学、化学、电工电子学、力学、机械结构、自动控制原理等多门课程的基础理论和知识，是上述基础课程极好的专业应用。但由于传统车辆工程专业建立于机械工程，在专业课程设置上，对上述基础课程的融合略显不足。

可见，在车辆工程专业中设置电池设计及管理技术相关课程具有明显且重要的意义。

一、教学计划设计及教材规划

在对课程内容进行深入研究之后，本课程规划的总课时数为34课时，以每学期17教学周计算，则平均周学时为2。课程内容分为五个章节：第一章为基础理论及概念，介绍动力电池技术现状、电池的基本结构及工作原理、电池主要性能参数及测试方法、电池基本特性及分析方法等；第二章为电池特性建模及状态估计，介绍电池电-热-寿命耦合建模及状态估计；第三章为电池热管理，介绍电池的热特性及单体电池热建模、电池热管理系统的设计方法及基本流程、电池热管理系统设计案例分析等；第四章为电池管理系统设计，介绍电池管理系统功能定义、基本架构及软硬件设计；第五章为电池系统的测试及验证，覆盖从需求分析到系统设计及验证方面的测试，以及相关的测试标准及规范分析。

在上述教学计划中，可以看出本课程与前导基础课程之间的关系。第一章是整个课程体系的基础，将涉及到物理、化学、力学、电工电子学和自动控制原理等相关基础知识。第二章关注电池特性建模与状态估计，将大量用到自动控制原理及物理学相关基础知识。第三章关注电池热管理，涉及到物理、热力学、机械结构、流体力学等相关基础知识。第四章关于电池管理系统设计，涉及到电工电子学、自动控制原理等相关知识。

二、实践教学探讨

电动汽车及动力电池技术发展迅速，因此，本课程是一门注重理论联系实际的课程。在本课程的教学中，会引入相应的实践教学环节[4，5]。

（1）在第三章中，实践教学以企业参观为主。在讲解风冷、水冷电池系统设计，以及电池系统的机械设计的时候，为了让学生能有更直接的认识，一方面会在课堂教学中展示电池系统的三维数模设计，另一方面，联系动力電池企业，创造企业参观的机会，让学生能直接以第一视角接触到不同冷却方式的电池系统设计，从而加深对电池系统热-机-电-流耦合设计的理解。

（2）在第四章中，实践教学以实验台架操作为主。在讲解电池管理系统软硬件设计的时候，将结合现有《嵌入式系统》课程，在汽车电子教学实验室中，让学生参与实际电池管理系统的软硬件设计，并利用控制器演示台架进行功能演示。由于电池管理系统与传统车用控制器存在不同，在这部分实践教学中，将重点突出电池均衡、高压采样、绝缘检测、继电器驱动等部分的设计。

（3）在第五章中，实践教学以实验室参观为主。由于其测试与传统车辆中的机械部件测试有较大不同，在讲解电池管理系统、电池系统的测试验证技术时， 为了让学生更容易理解测试原理，将在电动汽车实验室中对实际测试平台及台架进行讲解。重点关注充放电测试、硬件在环测试等部分。

通过上述的实践教学环节，激发学生对本课程的学习热情，提高学生学习的主动性和积极性，有效地提高学生的实践能力。更重要的是，通过实物，让学生能切身体会动力电池系统设计及开发的具体过程，从而加深对基础概念及基本设计方法的理解。

三、教学方式、教学手段的思考

由于本课程所涉及对象（即动力电池）相应于传统车辆工程专业课程讲解对象有较大不同，这对于机械大背景下培养的学生而言，在教学方式和教学手段方面也要有所考虑。选择合适的教学方式，能提高教学质量和课堂效率。

（1）基于问题的启发式教学在课程中的实践。动力电池技术的快速发展和应用，使得本课程的教学采用基于问题的启发式教学模式，激发学生的探索欲望。例如：在讲述电池工作原理的时候，首先从思路上讲清楚锂离子动力电池在充放电过程中内部发生物理、化学变化过程。其次，通过多媒体技术直观、清晰地向学生展示动力电池的结构和组成，充放电过程的动画演示，使学生增强感性认识，加深概念理解。然后，利用问题来对学生进行启发式教学：锂离子动力电池的正负极材料有什么特性？在充放电过程中不同各阶段，正负极材料会发生怎么样的变化？这些变化对于电池的外部表现特征有何影响？在不正常充放电下，正负极材料会发生哪些异常？这些异常会导致什么后果？如何避免上述异常？上述問题让学生深入思考，并通过上述问题的思考，从最根本的地方理解电池管理及设计的基本原理，从而在后续的电池建模、状态估计、热管理等部分学习的过程中，更容易理解设计思路和原理。

（2）案例引导式教学。近年来电动汽车得到极大发展，国内外关于电动汽车的车型呈现出多样化，保有量也逐年递增。在电动汽车发展的同时，不同类型的电池材料、电池结构设计、电池管理方案被开发并被应用，同时，不同的技术问题也开始逐渐暴露出来。鉴于此，在教学过程中，穿插一些电动汽车动力电池系统设计实例，例如，可以重点介绍目前比较热门的比亚迪唐、荣威E50、日产Leaf、GM Volt、Tesla Models、丰田Prius等。上述不同车型采用了不同的电池系统设计方案，在电池管理及电池热设计方面都有相应的特色。通过上述案例的引导式教学，使课程内容直观化，从而提高教学质量和教学效果。

（3）多媒体及网络的应用。由于该课程的专业知识具有跨学科特点，有些知识点学生难以掌握，有些原理较为抽象。如电池充放电过程中的内部变化等都比较抽象，在没有实物演示的前提下，学生不容易理解。因此在讲授课程内容时，采用多媒体动画和视频演示的方式，简单形象直观地展示零部件结构与工作原理，加深学生的理解，使学生更快更易地掌握课程内容。

（4）互动环节设计。在课程教学中，适当加入互动环节。对某些知识点，为学生推荐必要参考文献，让学生课后自行查阅资料，引导学生对未来技术趋势的思考和判断，从而激发学生参与课程学习的主动性。例如：在动力电池技术现状的时候，提出目前国内外不同的电池材料体系特性、不同电池封装特性的现状，并给学生提出一个问题，及对未来电池材料体系及封装形式发展趋势的思考，让学生在规定时间内查阅相关资料，撰写课题研究报告并上交。在随后的课程教学中，对报告进行点评。一方面加强学生的课程参与感，还能达到“授人以渔”的教学目的。

四、考试考核方法

基于上面的课程规划设计，为了全面评价学生，将本课程的考试考核方法定为平时表现、实践环节和期末考试相结合的方式综合评定学生成绩，取平时表现、实践环节和期末考试比例分别为25%，25%和50%。平时成绩主要是将学生的出勤、课堂回答问题、课后作业、调研报告等纳入考核，实践成绩是取实践教学出勤和实验报告各占50%。期末考试以论述题为主，重点考察学生对基本概念的掌握、对实际应用设计的理解以及对未来趋势的判断。

五、与研究生课程的衔接

在现在某些高校的车辆工程专业，研究生阶段会有电动汽车技术相关的课程设置，本课程可以成为上述研究生课程的先导课程。本课程针对动力电池设计及管理的讲解偏基础和综述，旨在通过课程教学，让学生对动力电池系统有全局认识，对电池系统的关键基础和技术有通识性了解。而在研究生阶段的课程中，应加深对其中某些部分的讲解，比如加深对电池系统建模及状态估计算法的讲解，重点突出电池特性的非线性、时变特性、单体不一致等问题，从而将课程难度提升；另一方面，应加入一些具有前瞻性的技术内容，如电池参数在线辨识算法、电池内部温度估计、电池安全管理、大数据全生命周期管理等的讲解。

总结

本文对在车辆工程学科中引入动力电池设计及管理课程进行了深入思考，本课程教学的主要目的是让学生对动力电池系统有全局认识，对电池系统的关键基础和技术有通识性了解。从课程教学计划、实践教学设计、教学方式、考试考核方式及课程提升等几个方面，详细规划了课程的教学。通过上述问题的研究和探索，提高课程的教学质量和教学效果，并为车辆工程专业的课程体系建设提供了一个方向。

参考文献：

[1]韩旭东，王丽娟，李淑玉.关于汽车专业课程设置中增加纯电动汽车课程权重的思考[J].法制与社会，2015（9）：239-240

[2]李淼林.新能源汽车课程教学改革与探索[J].中国现代教育装备，2015（3）：70-72

[3]Amin Mahmoudzadeh Andwari Apostolos Pesiridis， Srithar Rajoo， Ricardo Martinez-Botas， Vahid Esfahanian. A review of Battery Electric Vehicle technology and readiness levels[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews， 2017（78）： 414-430

[4]屈敏，张雨，赵建华.车辆工程专业新能源汽车内涵方向实验教学的改革与实践[J].中国现代教育装备，2013（21）：54-57

[5]邹政耀.《新能源汽车技术》课程设计性实验的研究[J].教育教学论坛，2011（26）：91-92

作者简介：

戴海峰（1981年6月-），男，汉族，上海人，同济大学汽车学院副教授，博士，研究方向：汽车电子。