基于半實物仿真技術的新能源汽車課程教學改革與探索

常成 卞康君 王紅霞 徐文博 金毅

1、河南工學院車輛與交通工程學院 2、南京研旭電氣科技有限公司

新能源汽車是指采用非常規的車用燃料作為動力來源（或使用常規的車用燃料、采用新型車載動力裝置），綜合車輛的動力控制和驅動方面的先進技術，形成技術原理先進、具有新技術、新結構的汽車[1]。當前，新能源汽車課程主要針對搭載有電驅動裝置的主流新能源汽車進行學習，其中主要包括的汽車種類有純電動汽車、混合動力電動汽車、增程式電動汽車和燃料電池電動汽車[2]。

在課程教學中，主要針對各類型的新能源汽車的結構特點進行分析講解，授課中要對汽車在各種工況運行時的特點進行講授，該授課過程通常采用相關圖片和數據圖表來說明。然而只通過這種傳統講解方式，不能使學生充分了解各類型新能源汽車的運行和控制特點，因此應需盡可能地加入實踐環節及實際控制演示。但無論是理論教學還是課程實驗，因受到實驗車輛和運行場地的限制，一般難以實現車輛實時的運行來進行演示講解。

近年來，半實物仿真技術發展迅速，并在許多公司、高校和科研院所的相關領域得到了廣泛應用[3]。半實物仿真技術主要包括快速控制原型（RCP）技術和硬件在環(HIL)仿真技術。快速控制原型技術，是利用虛擬控制器來控制實際對象，而硬件在環仿真技術則是利用實際控制器來控制虛擬對象[4]。而對于新能源汽車而言，其整車以及大部分系統部件都可以用數學模型進行較精確的描述，而且其控制模型也可以通過MATLAB/Simulink 等半實物仿真設備的相關軟件進行搭建。因此，通過這兩種半實物仿真技術，就可以在有限的教學條件下，實現多種工況下的半實物模擬運行及相關控制策略的實時演示授課。

1 課程體系建設

1.1 課程建設目標

所在院校車輛工程專業所開設“新能源汽車技術”課程為代表的新能源汽車相關課程，其總體目標是使學生熟悉新能源汽車的分類、結構組成、工作原理和相關的基本控制原則及方法，針對純電動汽車、混合動力電動汽車、增程式電動汽車和燃料電池電動汽車等具有代表性的新能源汽車進行講解。熟悉并掌握新能源汽車所采用的電池、電機和控制系統等主要部件的類型及特點。了解新能源汽車領域的新材料、新工藝、新技術，掌握新能源汽車的結構及相關控制特點，提高學生對新能源汽車設計的能力，使學生所學知識技能與實際生產研發更為貼近，培養出滿足當前汽車工業所需的應用型人才。

1.2 完善相關專業課程建設

新能源汽車課程的教學是在學生具有一定的機械、電氣原理和系統控制的基礎上進行的，因此在本門課程教授之前，學生應已學習過“機械原理”“機械設計”“電工技術”“電子技術”“汽車構造”“機械控制工程基礎”等專業基礎課程。此外，還要保證學生具有一定的編程與測試基礎，如“C 語言基礎”“MATLAB 應用基礎”“汽車試驗技術”等。

經過完善以上相關專業課程的建設，使學生在學習本門課程中，可以充分理解新能源汽車相關結構原理和控制策略及方法等，掌握新能源汽車技術的相關重點內容。

2 理論教學方法的改革

在本課程的傳統理論教學中，主要結合電子課件進行講述，以教師講解和學生聽講的方式為主。這樣的授課模式比較單調，再加上本課程的理論內容涉及面廣且較為新穎，容易導致學生難以完全掌握課堂中的理論內容。

在本課程的授課中，所涉及的各類新能源汽車在多種工況下的運行狀態是主要的理論教學內容。比如，不同結構類型混合動力電動汽車的典型工作模式、增程式電動汽車能量管理控制策略以及純電動汽車制動能量回收原理與控制等。關于上述內容的講解，教師難以通過實際運行測試進行演示，學生則很難通過所列測試數據和工作原理圖來形象深刻的理解。

而半實物仿真技術在該環節中可完全應對各工況下的模擬測試，在演示測試中，通過硬件在環仿真技術，利用實際控制器對實時仿真平臺中所建立的整車模型或是部分整車模型與部分真實部件的組合進行運行控制，通過運行條件設置來模擬多種工況（如勻速行駛、急加速、急減速和爬坡等）中行駛的運行狀態。在此過程中，根據所設置的模擬運行環境參數，實際控制器對實時仿真平臺中的控制對象進行控制指令輸入，同時系統將控制對象的響應信號反饋給控制器。這樣，在教室中就可以依據課堂內容，為學生演示新能源汽車的實時運行特點，從而加深學生對課程理論內容的理解和掌握。

3 實踐教學方法的改革

新能源汽車課程教學是為了提升學生在新能源汽車領域的研發和設計能力，使學生在掌握理論知識的基礎上，解決工業設計生產中的各種問題。依據本課程的教學內容特點，針對各種形式的新能源汽車具體結構形式，熟悉其控制方法與策略，是本課程的主要學習內容之一。當前主流的快速控制原型系統可以充當控制算法和邏輯代碼的硬件運行環境，利用MATLAB/Simulink建立模型下載到快速控制原型控制器中，通過調整和測量相關參數，來達到迅速完成實驗驗證的目的。

因此，在實驗、實訓的環節中，利用快速控制原型技術對新能源汽車進行相關控制策略的驗證，將有利于學生對理論知識的鞏固。同時，學生也可以根據自己的構想對具體車型的整車控制、能量管理和制動能量回收等控制策略進行方法或參數更改，就可以迅速驗證所提出方法的正確性和合理性。通過這種方式，不但可以提高學生的實際操作能力，同時也激發了學生對新能源汽車控制技術的研究興趣。

4 考核方式改革

在課程的傳統考核方式中通常是以期末試卷、論文或報告的成績為主，再加上考勤、作業等平時成績作為最終課程考核成績，這對于多學科交融的新能源汽車課程是難以全面評價學生的掌握程度以及實際應用能力的。因此，除了最終的期末考試方式之外，還要在平時的過程性考核中，加強對實踐環節的考核，該項成績所占最終成績的比例也應適當加大。對于實踐環節考核，可以充分利用線上線下相結合的方式，學生的實際操作過程以錄像的形式進行記錄，并將該記錄上傳至線上教學平臺中，由學生互評和教師批閱的綜合成績作為此次實踐環節的最終成績。運用這樣的評判方式，將有利于學生快速發現所掌握知識的薄弱點，在評價他人的同時，也能發現自身學習掌握的不足之處，最后經過教師批閱并給予評語，學生的實際操作能力將進一步得到提升。

5 結語

新能源汽車課程的開設主要是為了培養汽車專業學生具有一定的相關理論基礎和解決實際問題的能力，從而適應當前新能源汽車工業的發展需要。半實物仿真技術在新能源汽車課程的教學中，將有助于提高學生對知識和實驗技能的掌握程度。此外，半實物仿真技術也是新能源汽車在工業設計研發中的重要方法之一，學生關于此技術的學習實踐對提升自身職業技能也是大有益處的。因此，基于半實物仿真技術來完善新能源汽車課程的教學內容和方法是非常重要的。學校可積極通過產教融合、產學合作的手段來搭建半實物仿真教學平臺，從而改進教學方法、豐富教學內容，使學生所學的新能源汽車專業知識具有較強的實用性。