新能源汽车动力电池机械安全教学案例库建设与研究

潘勇军，王小龙，李佳承

（1.重庆大学机械与运载工程学院 重庆 400044；2.重庆弗迪电池研究院有限公司 重庆 402761）

动力电池是新能源汽车的动力源，它类似于新能源汽车的心脏，其成本占整车成本的30%―40%。动力电池作为电动汽车的“三电系统”之一，是用户最关心的一个系统，它直接决定了整车的续航里程。而且，动力电池的质量、安全以及可靠性直接影响整车的驾乘体验。作为新能源汽车最核心的部件以及动力源，动力电池系统不仅重量大，而且结构复杂，它由多达几十个电芯模组组成，每个模组又由几个到十几个不等的电芯构成。电芯之间、模组之间以及电池管理系统内部的电流等信号传输需要各式连接与电压、电流、温度等实时监控，电池对外输能需要采用高压连接器。因此，电芯连接、模块连接、高低压接口、电流及温度等信号监测的可靠性十分关键。

2024 年1 月9 日，韩国研究机构SNE Research 发布的动力电池统计数据显示，去年前11 个月全球动力电池装机总量为624.4 GWh，同比增长41.8%。宁德时代装车量达233.4 GWh，全球市占率为37.4%，较2022 年同期扩大1.7 个百分点，继续稳居榜首。比亚迪去年前11 个月动力电池装车量98.3 GWh，市场份额为15.7%，较2022 年同期增长了1.8 个百分点，位居全球第二。除宁德时代和比亚迪外，四家中国电池企业，中创新航、国轩高科、亿纬锂能、孚能科技也出现在榜单前十位。我国在新能源汽车动力电池的全球竞争中取得了明显的市场与技术优势。全球汽车工业电动化加速推进，电池企业不断扩大投入，加之电池产业与技术升级，企业间竞争不断加剧，这些都对电池领域人才的质量提出了更高的要求。但是，由于电池工业的技术复杂性以及专业人才培养的长周期性等因素制约，电池领域当前面临较大的人才供需结构性矛盾。

因此，为满足新能源汽车行业对动力电池人才的迫切需求，面向机械领域专业型研究生构建“电动汽车锂离子电池模组及系统动力学与控制案例库”十分必要。这有利于研究生更好地掌握锂离子电池模组及系统的动力学建模方法、分析与优化手段、主动安全控制策略以及智能测试评价等相关专业知识，为培养新能源汽车复合型精英人才奠定扎实的理论与实践基础，这也是目前机械工程人才培养中迫切需要完成的任务之一[1-3]。

1 动力电池机械安全教学案例库的建设目标

电动汽车锂离子电池模组及系统动力学与控制案例库的建设目标是使研究生熟练掌握锂离子电池动力学的基本研究内容和方法，掌握与理解电动汽车的最新研究前沿与动态，开阔专业学位研究生的视野，为进入接下来的项目与研究打好基础。本文将从锂离子电池模组及系统动力学建模基础，电池系统优化、分析与设计，电动汽车动力学控制与测试评价等角度建设一系列的教学案例，为培养新能源汽车人才奠定坚实的基础。

在案例库的建设过程中密切结合新能源汽车行业工程实践以及科研项目，融合理论知识与实践运用，实现科学与工程的有机结合，提高专业学位研究生的工程实践能力。同时在案例教学库的建设过程中，结合研究生的研究方向充分发挥他们的主观能动性与积极性，鼓励他们在教学案例的基础上延伸或拓展[4]，从而探索研究生课程教学的新模式，创新专业学位研究生课堂教学方法。

2 动力电池机械安全教学案例库的内容

电动汽车锂离子电池模组及系统动力学与控制案例库共包括22 个项目。充分考虑到案例的目的性、典型性、真实性、内容完整性、可读性等要求[5]，围绕以下两个模块展开：电动汽车锂离子电池模组动力学以及电动汽车锂离子电池系统动力学与控制。内容涉及电动汽车锂离子电池设计与动力学的方方面面，包括动力学建模基础、系统优化与设计、系统仿真与分析、前沿技术与测试评价等。

2.1 模块一：电动汽车锂离子电池模组动力学与控制案例库

主要分析研究电动汽车锂离子电池模组的建模仿真、动力学与控制以及梯次利用等问题，具体包括：电动汽车动力电池碰撞安全设计方法，电池模组侧面碰撞仿真响应特性和安全性分析，新能源动力电池机械冲击测试使用安全性能，方壳电池机械滥用变形损伤的方向相关性与早期诊断等。所对应的专业课程包括新能源汽车设计、有限元分析技术、汽车主被动安全设计、电动汽车动力系统能量管理、新能源与智能网联汽车前沿技术等。

2.2 模块二：电动汽车锂离子电池系统动力学与控制案例库

主要分析研究电动汽车锂离子电池模系统的建模、机械安全性、动力学与控制、优化设计以及检测与性能评价等问题，具体包括：锂离子电池包系统振动仿真分析，锂离子电池包系统纵向/侧向模拟碰撞仿真分析，锂离子电池包系统纵向/侧向挤压仿真分析，锂离子电池包系统低矮障碍物碰撞仿真分析，锂离子电池包系统底部剐蹭仿真分析，锂离子电池包系统低矮障碍物碰撞参数化分析，锂离子电池包系统底部剐蹭参数化分析，电池包系统及模组蜂窝吸能结构仿真分析，电池包系统及模组基于草优化蜂窝参数化分析等。所对应的专业课程包括新能源汽车设计、多体系统动力学、冲击动力学、汽车优化设计等。

3 案例库在研讨式教学中的应用

案例教学最早始于医学教学，医学教师将各种病症的诊断与治疗详细记录生成案例用于课堂教学，以期培养学生的推理与诊断能力。本文的电动汽车锂离子电池模组及系统动力学与控制案例库以锂离子电池领域的基础知识点为对象建设一批知识点案例，要求研究生牢固掌握相关基础知识。结合工程实践、前沿技术建设单一课程案例和综合课程案例，深入分析课程案例，要求研究生根据各自的研究方向重点理解或掌握。按照这一建设思路，围绕电动汽车锂离子电池的动力学问题为研究生提供较为全面的案例和学习资料。

授课前，研究生先行搜集电动汽车热失控或起火等典型事故，并简单分析事故产生的原因。课堂由教师引导他们对案例内容进行详细分析，以此引入所构建的案例库中类似的案例，并探讨事故的真实原因，分析产生事故的关键因素。这种由研究生主动搜集热点事故的模式，可以引导他们由被动学习过渡到主动学习，有助于激发他们的学习热情，使教学内容与教学形式更加生动活泼而且与时俱进。授课后，教师为研究生提供案例库的使用手册，并布置启发思考题，进一步提升研究生对知识掌握的熟练程度，以期他们能够做到举一反三，融会贯通。

为了创新案例库在研讨式教学中的应用，案例教学还常常与其他方法或技术手段相结合。比较典型的问题式呈现方法是以问题的方式把案例展示在课堂上，激发研究生的好奇心，调动他们参与讨论的热情，使研究生积极思考问题并寻找解决方法。问题式呈现对案例质量的要求比较高，它在案例教学中效果十分明显。教师选取的案例情境越真实丰富，研究生对构成案例的诸多因素感受就越充分，对案例进行研究的兴趣就越浓厚。

还有一种结合视频教学的案例教学法，即教师在授课时播放电动汽车发生热失控或起火燃烧的短视频，用真实的事故资料激发研究生的学习兴趣，突破课堂教学空间与时间的限制，以期获得良好的教学效果。虚拟仿真技术联合案例教学也是一种创新的应用，通过构建理论教学－虚拟仿真教学－案例教学的研讨模式，探索理论结合实践的虚拟仿真与课堂推演融合的教学方式，充分利用技术优势与创新模式，以期提升专业知识内化与应用的效果。案例教学同时也对教师自身的知识储备以及综合素养等要求更高，这需要教学制度保障与教师积极探索有机融合，有效助推案例教学高质量发展[6-7]。

4 案例库对专业硕士研究生培养的促进作用

教师通过提炼现实中的典型事例和真实情景，向研究生讲授事例背后所蕴含的专业理论知识，引导他们掌握基本理论并剖析解决方案，提高运用专业知识分析并解决实际问题的能力。开放式、互动式的案例教学将实践问题用专业知识进行抽象，融合了高水平研究、教学以及实践，推动了专业学位研究生培养模式的深层次改革，提升了实践创新型人才培养的质量与综合素质[8-9]。

电动汽车锂离子电池模组及系统动力学与控制案例库围绕锂离子电池动力学的系统建模、仿真、优化、设计、控制、测试、评价等专业知识和前沿动态，利用数值分析、动力学建模、信号处理、有限元分析等专门技术解决动力电池领域的具体工程问题，锻炼研究生分析电池包系统动力学与控制问题的能力。案例库的建设能够极大地丰富新能源汽车设计、多体系统动力学理论、汽车优化设计、有限元分析技术等专业学位研究生课程的教学内容，也将有助于完善现有教学体系，对于机械专业学位研究生的培养将起到极大的促进作用，是推动专业学位研究生培养模式改革的重要手段。

电动汽车锂离子电池模组及系统动力学与控制案例库紧密结合新能源汽车设计中的实际问题与前沿热点技术，在不同的教学案例中，或着重考查基础知识能力、或注重新能源汽车研发中的实际问题、或侧重前沿技术热点，使得电动汽车锂离子电池动力学与控制的教学案例既贴近工程实际，又具有一定的前瞻性。案例库面向我国新能源汽车的前沿技术与发展趋势，融合思政课堂，重点突出我国新能源汽车技术与产业的巨大成就，提升研究生的国家荣誉感和民族自豪感。同时也启迪了研究生的工程思维、质量意识，培养他们的实践创新能力和“大国工匠”精神。

5 结语

为了探索新能源汽车动力电池机械安全教学案例库的建设思路与方法，本文在分析了新能源动力电池人才现状与供需矛盾的基础上，依托重庆市专业学位研究生教学案例库项目的推进，构建了电动汽车锂离子电池模组及系统动力学与控制案例库，弥补了目前课本“重理论、少实践”的不足。本文详细介绍了案例库的建设目标与内容构成，讨论了案例库在研讨式教学中的具体应用，并分析了案例库对专业硕士研究生培养的促进作用。案例库的建设提升了专业学位研究生的创新能力，强化了研究生理论联系实际解决工程问题的能力，培养了一批动力电池产业急需的高质量人才，毕业生广受企业好评。