新能源汽车概论实践化教学模式探索

牛文旭　梁彩平

[摘 要]随着新能源汽车产业的迅速发展，与新能源汽车产业相关的专业人才紧缺问题日益凸显。新能源汽车概论作为一种多学科深度交叉融合的技术产物，涉及领域较为宽泛，且随着未来技术的更替发展必将不断融入更多内容，在当前教材无法随技术发展快速更新的情况下，若仍采用传统的教学模式恐怕难以实现本门课程的教学目标。针对这一课程特点，本教学团队尝试采用“授课—观摩—实践”相结合的实践化教学模式，对新能源汽车概论课程教学模式进行探索。

[关键词]新能源汽车;教学模式;实践化

[中图分类号] G642 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2022）05-0099-03

汽车行业经历了这些年来的高速增长，形成了巨大的产业规模，汽车保有量稳步上升。同时，当今社会也面临着石油能源短缺和环境污染两大严峻的问题。为了实现可持续发展，越来越多的国家制定了更为严苛的排放、能耗法规，汽车行业的变革显得刻不容缓。在这一背景下，以纯电动汽车、燃料电池汽车为代表的纯电驱动新能源汽车将成为今后发展的方向。自2009年以来，中国已成为全球最大的新车市场。 为了解决快速的汽车人口增长引起的能源安全和城市空气污染问题，中国启动了“千车万城”计划，以加速新能源汽车的商业化[1]。这表明，新能源汽车的发展是一种必然趋势，教育必须为此发展趋势提供具备专业技术的人才支持，从而有效促进我国新能源汽车产业的良好发展[2]。

随着新能源汽车产业的迅速发展，与新能源汽车产业相关的专业人才紧缺问题日益凸显。同时，由于专业设置体系的滞后性，高校无法紧跟市场规律设立新能源汽车专业。因此，在原有车辆工程专业的基础上，增设新能源汽车相关课程，成为各大高校的必然选择。

一、新能源汽车概论课程设置调研

国内车辆工程专业头部院校在培养方案中率先设置了新能源汽车概论或相近课程。清华大学车辆工程专业根据新能源汽车相关内容分别设立了车用能源概论、汽车工程概论、汽车电子电力学、汽车电机原理与控制、电化学工程等近10门专业基础课和专业选修课[3]。同济大学车辆工程专业的培养方案中设置了车辆工程导论课程，该课程为所有专业方向的专业基础课，其中80%的授课内容与新能源汽车直接相关。另外，同济大学车辆工程专业还设立了新能源技术专业方向[4]。上海市相关高校也将新能源相关课程列入培养计划，如上海理工大学、上海工程技术大学等。新能源汽车概论课程作为新能源汽车方向的专业基础课程，对于学生了解认识新能源汽车知识体系，引导学生进入新能源汽车领域，促进学生就业，有着重要作用。在对上述高校师生的走访和培养计划调研中，新能源汽车系列课程存在以下特点。

1.体系性强。新能源汽车从技术路线上分为纯电动汽车、混合动力汽车和燃料电池汽车，技术核心主要是“三电”，即电池、电机和电控。无论是技术路线还是技术核心，本课程都有一套较为完整的理论体系。

2.概论课程以讲座为主。以同济大学为例，新能源汽车概论由5～6位教授共同承担，分别介绍新能源汽车“三电”相关知识和最新研究进展，主要包括动力电池概论、新能源车用电机概论、燃料电池动力系统概论等。

3.深入学习代价大，难度高。从技术核心角度来说，以电控系统为例，需要学习的核心课程包括自动控制原理、信号与系统、汽车电子控制技术、计算机硬件技术、系统仿真等，这对于学时和教学资源有限的一般高校来说难度较大。

4.与实践结合密切。新能源汽车相关课程的开设与汽车产业的发展密切相关，授课内容也紧贴新能源汽车发展的大潮流，与实践结合十分密切。随着国家政策对于新能源汽车的倾斜，以及新能源汽车产业链的发展，该类课程与实践的结合必然会更加紧密。

受学分学时和教学资源的限制，非头部院校的车辆工程专业难以直接设立新能源方向，也难以开设与新能源相关的系列课程。因此，新能源汽车概论课程成为学生了解新能源汽车的第一途径。如何在有限的课时中系统介绍新能源汽车有关知识，并密切结合实践，是普通高校车辆工程专业需要思考的問题。

二、新能源汽车概论教学模式探索

新能源汽车概论作为一种多学科深度交叉融合的技术产物，涉及领域较为宽泛，且随着未来技术的更替发展必将不断融入更多内容。在当前教材无法随技术发展快速更新的情况下，若仍采用传统的教学模式恐怕难以达到本门课程的教学目标[5-6]。针对这一课程特点，本教学团队尝试采用“授课—观摩—实践”相结合的实践化教学模式，如图1所示。

在该教学模式体系中，授课环节是本课程的基础。教师通过授课环节，系统介绍新能源汽车组成分类、技术路线、技术核心内容，使学生掌握和了解新能源汽车的基本理论知识和发展趋势，特别是“三电”相关内容，为之后的观摩环节做好理论准备。现阶段在教学实践中，学生对新能源汽车了解得不够全面。前期授课涉及新能源汽车的理论知识和应用实践较少，学生对新能源汽车各个技术路线的区别以及关键技术缺乏系统性的概念认知。授课阶段的关键是使学生掌握不同新能源汽车技术路线的区别，并且熟悉各个技术路线目前的关键技术和“卡脖子”问题，包括混合动力汽车能量分配与制动能量回收、驱动电机新技术、动力电池热管理技术、燃料电池动态响应与衰减、燃料电池发动机冷启动等。

在观摩环节中，由教师演示某款新能源汽车研究测试平台的主要功能，包括动力系统的拓扑结构、“三电”的运行机理、故障的产生与消除等。该观摩环节可使学生直观了解授课环节所学理论知识，进一步掌握新能源汽车核心部件的结构与功能。

实践环节主要为参观部分新能源汽车企业，对新能源汽车核心部件的研发制造与产业化进行深入的了解，为学生在新能源汽车领域实习和就业打下基础。基于与部分新能源汽车产业链企业的校企合作协议，教师可带领学生参观合作企业的动力电池封装系统、功率电子模块生产环节等。

新能源汽车概论课程具体的教学过程为：教师针对每个知识模块（以动力电池的能量管理与能量回收为例）设计适用于本知识模块的“授课—观摩—实践”体系。在课前，教师将预备知识和相关线上课程资源（如网易公开课《锂离子电池是怎么工作的》）向学生发布，引导学生提前对知识模块进行预习。该过程可利用线上平台（如学习通）与学生进行交流。在授课过程中，教师有针对性地对学生的预习知识进行小结和巩固，并且适当加入学术界和企业界最新研究成果的介绍，如云电池管理系统、电池系统数字孪生、利用大数据的电池健康状态估计和诊断算法等。在授课结束后，利用学习通平台发布课后作业，与学生进行交流讨论。在观摩环节进行之前，教师针对授课环节知识模块，结合观摩环节的演示平台，设计若干项演示实例（如动力电池的荷电状态检测、动力电池故障检测与排除等）。在观摩过程中，教师按照实例手册，操作演示平台，对每个步骤进行讲解与演示，学生可在此过程中对每个步骤和涉及的知识点进行提问和讨论。在观摩过程结束后，学生可在学习通平台上对演示过程中仍存在的疑问与教师沟通讨论。在实践环节进行之前，教师与合作企业充分沟通，对参观计划进行详细研讨。在参观过程中，合作企业的工程师利用参观生产线（如功率电子模块生产线）、小型研讨会等方式，向学生讲解在企业实践中该知识模块的具体作用方式、现阶段存在的技术难题和发展方向。在参观结束后，整个知识模块的学习结束，学生根据在授课环节所学知识点、观摩环节的演示内容、实践环节的认知体验，形成阶段性学习小结。

三、新能源汽车概论观摩环节探索

电动汽车是新能源汽车的重要类型，电力驱动及控制系统是电动汽车的核心，主要包括驱动电机、控制器、动力电池。动力电池、驱动电机及控制器的性能对整个电动汽车的性能起到至关重要的作用。电动汽车动力系统的拓扑结构如图2所示。

前序课程对于电力驱动及控制系统涉及较少，因此如何在较短时间内完成教学任务，是本课程教学的重大挑战。本教学团队设置的观摩环节，可有效强化动力系统核心知识，具有十分重要的实践指导意义。该观摩环节利用新能源汽车研究测试平台进行教学，如图3所示。该平台以电动汽车真实采用的核心部件为基础，集成完整的驱动模拟系统、高性能的电机与驱动分析仪，能够进行驱动系统效率测试、变频系统性能测试、动力系统性能测试，驱动运行工况测试、CAN总线通信分析等工作，能够直观真实地模拟电动汽车整车的实际组成结构和运行工况，并能够对整个系统进行测试分析。

动力系统平台可实现以下功能：

·基于 CAN-bus 的驱动控制系统，能够完成对驱动系统的控制和监测;

·基于 CANopen 网络的驱动控制系统;

·可以集成基于 CAN-bus 总线的 BMS 系统;

·驱动系统效率测试;

·变频系统性能测试;

·动力系统性能测试;

·驱动运行工况测试;

·CAN-BUS 从协议层到应用层等多层次、全方位的测试分析。

以动力电池知识模块为例，动力系统平台可完成制动能量回收实验、单体电池监测实验、电池管理系统（BMS）控制实验、电池系统部件故障实验、电池充电效率实验、电池组放电实验等。制动能量回收实验的主要目的是了解新能源汽车电机的制动能量回收原理与实践操作，同时可观察制动能量回收对动力电池的影响。通过制动能量回收实验，学生可以充分了解动力电池与电机在制动能量回收过程中的能量流动状态，对制动能量回收算法有一定的认识。单体电池监测实验的主要目的是对单体电池的电压和电流进行模拟实验，使得学生对动力电池组的组成部分——单体电池的运行和监测流程有所了解。电池管理系统（BMS）控制实验的主要目的是测试新能源平台电池管理系统（BMS）的运行状态及监控信息，通过该实验，可使学生对BMS的运行机制和算法有一定了解。电池系统部件故障实验的主要目的是测试新能源平台电池系统部件的运行状态及监控信息，完善部分故障注入功能，使学生了解电池系统部件故障产生的原因和处理方法。电池充电效率实验的主要目的是熟悉新能源汽车电池的充电步骤，这不仅能使学生了解实验平台的充电注意事项，也能进一步对学生进行安全用电教育。电池组放电实验的主要目的是了解新能源汽车电池组的放电操作步骤和注意事项。通过一系列观摩教学，学生可初步掌握新能源汽车动力系统中动力电池的组成结构、运行方式、故障检测等知识。

另外，针对CAN总线这部分知识在前期教学过程中的缺失，以及现在CAN总线广泛应用的现状，该平台可完成CANOPEN 报文格式实验、BMS 报文监测实验、扭矩控制报文发送实验、硬件自动存储紧急报文实验、CAN报文收发实验、实时保存CAN报文操作实验等。其中，CANOPEN 报文格式实验可使学生掌握电动汽车部件的CAN帧ID解码方法，尝试解码发送和接收的数据，了解解码规律和协议。BMS 报文监测实验的主要目的是掌握CAN總线占有率和错误率的测量、分析方法，监控CAN总线，分析CAN总线占有率和错误率。扭矩控制报文发送实验可使学生了解新能源汽车电机的扭矩控制报文发送过程。硬件自动存储紧急报文实验可使学生了解报文的自动存储功能。CAN报文收发实验、实时保存CAN报文操作实验可使学生初步掌握CANtest软件CAN报文收发以及保存功能。通过一系列的观摩教学，学生可初步掌握CAN总线报文的结构、收发、存储等知识。

本新能源汽车教学平台系统设计了与实际电动汽车电力驱动及控制系统类似的组成部分，能够直观、真实地模拟电动汽车的实际组成结构和运行工况，并能够对整个系统进行测试分析，满足新能源汽车领域的教学和科研需求。在小范围的观摩实践中，该教学平台能够有效强化学生对新能源汽车动力系统相关知识的理解。

四、结语

新能源汽车概论作为高校车辆工程专业的专业必修课，是多学科深度交叉融合的技术产物，涉及领域较为宽泛，且随着未来技术的更替发展必将不断融入更多内容，这一特点给课程教学带来了一定的困难。为了解决这一问题，本教学团队在课程大纲和原有教学模式的基础上积极探索，采用“授课—观摩—实践”相结合的实践化教学模式，在小范围的观摩实践中，该教学模式能够有效强化学生对新能源汽车动力系统的相关知识的理解。

[ 参 考 文 献 ]

[1] Gong H， Wang M Q， Wang H. New energy vehicles in China： policies， demonstration， and progress[J]. Mitigation & Adaptation Strategies for Global Change， 2013（2）：207-228.

[2] 耿会斌. 新能源汽车课程教学改革与探索[J]. 传播力研究， 2018（25）：227.

[3] 清华大学车辆与运载学院.清华大学机械大类车辆工程专业本科培养方案[EB/OL]. [2020-09-25].http：//www.svm.tsinghua.edu.cn/essay/33/118.html .

[4] 同济大学汽车学院.同济大学车辆工程培养方案[EB/OL]. [2020-09-25].http：//auto.tongji.edu.cn/ .

[5] 李波， 周亭，贝绍轶，等.浅析新能源汽车原理与构造课程教学改革[J]. 高教学刊， 2017（10）：36-37.

[6] 刘杰， 王庆伟， 范若寻. 《新能源汽车概论》课程混合式教学模式探索与研究[J]. 吉林化工学院学报， 2019（6）： 54-56.

[责任编辑：钟 岚]