基于半实物仿真技术的新能源汽车课程教学改革与探索

常成 卞康君 王红霞 徐文博 金毅

1、河南工学院车辆与交通工程学院 2、南京研旭电气科技有限公司

新能源汽车是指采用非常规的车用燃料作为动力来源（或使用常规的车用燃料、采用新型车载动力装置），综合车辆的动力控制和驱动方面的先进技术，形成技术原理先进、具有新技术、新结构的汽车[1]。当前，新能源汽车课程主要针对搭载有电驱动装置的主流新能源汽车进行学习，其中主要包括的汽车种类有纯电动汽车、混合动力电动汽车、增程式电动汽车和燃料电池电动汽车[2]。

在课程教学中，主要针对各类型的新能源汽车的结构特点进行分析讲解，授课中要对汽车在各种工况运行时的特点进行讲授，该授课过程通常采用相关图片和数据图表来说明。然而只通过这种传统讲解方式，不能使学生充分了解各类型新能源汽车的运行和控制特点，因此应需尽可能地加入实践环节及实际控制演示。但无论是理论教学还是课程实验，因受到实验车辆和运行场地的限制，一般难以实现车辆实时的运行来进行演示讲解。

近年来，半实物仿真技术发展迅速，并在许多公司、高校和科研院所的相关领域得到了广泛应用[3]。半实物仿真技术主要包括快速控制原型（RCP）技术和硬件在环(HIL)仿真技术。快速控制原型技术，是利用虚拟控制器来控制实际对象，而硬件在环仿真技术则是利用实际控制器来控制虚拟对象[4]。而对于新能源汽车而言，其整车以及大部分系统部件都可以用数学模型进行较精确的描述，而且其控制模型也可以通过MATLAB/Simulink 等半实物仿真设备的相关软件进行搭建。因此，通过这两种半实物仿真技术，就可以在有限的教学条件下，实现多种工况下的半实物模拟运行及相关控制策略的实时演示授课。

1 课程体系建设

1.1 课程建设目标

所在院校车辆工程专业所开设“新能源汽车技术”课程为代表的新能源汽车相关课程，其总体目标是使学生熟悉新能源汽车的分类、结构组成、工作原理和相关的基本控制原则及方法，针对纯电动汽车、混合动力电动汽车、增程式电动汽车和燃料电池电动汽车等具有代表性的新能源汽车进行讲解。熟悉并掌握新能源汽车所采用的电池、电机和控制系统等主要部件的类型及特点。了解新能源汽车领域的新材料、新工艺、新技术，掌握新能源汽车的结构及相关控制特点，提高学生对新能源汽车设计的能力，使学生所学知识技能与实际生产研发更为贴近，培养出满足当前汽车工业所需的应用型人才。

1.2 完善相关专业课程建设

新能源汽车课程的教学是在学生具有一定的机械、电气原理和系统控制的基础上进行的，因此在本门课程教授之前，学生应已学习过“机械原理”“机械设计”“电工技术”“电子技术”“汽车构造”“机械控制工程基础”等专业基础课程。此外，还要保证学生具有一定的编程与测试基础，如“C 语言基础”“MATLAB 应用基础”“汽车试验技术”等。

经过完善以上相关专业课程的建设，使学生在学习本门课程中，可以充分理解新能源汽车相关结构原理和控制策略及方法等，掌握新能源汽车技术的相关重点内容。

2 理论教学方法的改革

在本课程的传统理论教学中，主要结合电子课件进行讲述，以教师讲解和学生听讲的方式为主。这样的授课模式比较单调，再加上本课程的理论内容涉及面广且较为新颖，容易导致学生难以完全掌握课堂中的理论内容。

在本课程的授课中，所涉及的各类新能源汽车在多种工况下的运行状态是主要的理论教学内容。比如，不同结构类型混合动力电动汽车的典型工作模式、增程式电动汽车能量管理控制策略以及纯电动汽车制动能量回收原理与控制等。关于上述内容的讲解，教师难以通过实际运行测试进行演示，学生则很难通过所列测试数据和工作原理图来形象深刻的理解。

而半实物仿真技术在该环节中可完全应对各工况下的模拟测试，在演示测试中，通过硬件在环仿真技术，利用实际控制器对实时仿真平台中所建立的整车模型或是部分整车模型与部分真实部件的组合进行运行控制，通过运行条件设置来模拟多种工况（如匀速行驶、急加速、急减速和爬坡等）中行驶的运行状态。在此过程中，根据所设置的模拟运行环境参数，实际控制器对实时仿真平台中的控制对象进行控制指令输入，同时系统将控制对象的响应信号反馈给控制器。这样，在教室中就可以依据课堂内容，为学生演示新能源汽车的实时运行特点，从而加深学生对课程理论内容的理解和掌握。

3 实践教学方法的改革

新能源汽车课程教学是为了提升学生在新能源汽车领域的研发和设计能力，使学生在掌握理论知识的基础上，解决工业设计生产中的各种问题。依据本课程的教学内容特点，针对各种形式的新能源汽车具体结构形式，熟悉其控制方法与策略，是本课程的主要学习内容之一。当前主流的快速控制原型系统可以充当控制算法和逻辑代码的硬件运行环境，利用MATLAB/Simulink建立模型下载到快速控制原型控制器中，通过调整和测量相关参数，来达到迅速完成实验验证的目的。

因此，在实验、实训的环节中，利用快速控制原型技术对新能源汽车进行相关控制策略的验证，将有利于学生对理论知识的巩固。同时，学生也可以根据自己的构想对具体车型的整车控制、能量管理和制动能量回收等控制策略进行方法或参数更改，就可以迅速验证所提出方法的正确性和合理性。通过这种方式，不但可以提高学生的实际操作能力，同时也激发了学生对新能源汽车控制技术的研究兴趣。

4 考核方式改革

在课程的传统考核方式中通常是以期末试卷、论文或报告的成绩为主，再加上考勤、作业等平时成绩作为最终课程考核成绩，这对于多学科交融的新能源汽车课程是难以全面评价学生的掌握程度以及实际应用能力的。因此，除了最终的期末考试方式之外，还要在平时的过程性考核中，加强对实践环节的考核，该项成绩所占最终成绩的比例也应适当加大。对于实践环节考核，可以充分利用线上线下相结合的方式，学生的实际操作过程以录像的形式进行记录，并将该记录上传至线上教学平台中，由学生互评和教师批阅的综合成绩作为此次实践环节的最终成绩。运用这样的评判方式，将有利于学生快速发现所掌握知识的薄弱点，在评价他人的同时，也能发现自身学习掌握的不足之处，最后经过教师批阅并给予评语，学生的实际操作能力将进一步得到提升。

5 结语

新能源汽车课程的开设主要是为了培养汽车专业学生具有一定的相关理论基础和解决实际问题的能力，从而适应当前新能源汽车工业的发展需要。半实物仿真技术在新能源汽车课程的教学中，将有助于提高学生对知识和实验技能的掌握程度。此外，半实物仿真技术也是新能源汽车在工业设计研发中的重要方法之一，学生关于此技术的学习实践对提升自身职业技能也是大有益处的。因此，基于半实物仿真技术来完善新能源汽车课程的教学内容和方法是非常重要的。学校可积极通过产教融合、产学合作的手段来搭建半实物仿真教学平台，从而改进教学方法、丰富教学内容，使学生所学的新能源汽车专业知识具有较强的实用性。