純電動汽車理實一體化系統(tǒng)

關麗敏 ，李 強 ，張 藝 ，汪貴平 ，雷 旭

（1.長安大學 電子與控制工程學院，西安 710054；2.長安大學 汽車學院，西安 710054）

隨著“十三五”計劃對新能源汽車發(fā)展戰(zhàn)略的提出，我國純電動汽車的年保有量與日俱增[1]。近年來，隨著純電動汽車電機、電池、電控技術的發(fā)展，純電動汽車產銷量不斷取得新的突破。以我國新能源汽車產業(yè)與技術為背景所做的研究顯示，高效率、高質量地建設人才隊伍是發(fā)展純電動汽車必不可少的一環(huán)[2]，而與純電動汽車的發(fā)展速度相比，純電動汽車維修人才的數量遠遠不足。傳統(tǒng)職業(yè)院校的培養(yǎng)周期長，培養(yǎng)速度相對較慢，難以滿足市場對純電動汽車維修人員的需求。估計到2025年，相關人才缺口會達到百萬人左右，相關人才培養(yǎng)迫在眉睫。

1 純電動汽車理實一體化系統(tǒng)功能特點

傳統(tǒng)的教學方式通常以PPT（Microsoft Office PowerPoint）作為授課工具，配合實訓臺和整車作為實驗工具對學生進行教學。相關調查顯示，學生在純電動汽車的結構和原理學習過程中，難點之一是無法將理論知識與實物相對應，學習效率低。對于維修人員的培訓，立體、直觀的方式更容易被學生理解和接受。而在傳統(tǒng)教學中，以PPT和實訓臺相互配合作為教具，學生難以直觀地對車內各個組件進行整體把握，尤其難以理清線束的連接方式，因而學習純電動汽車結構和原理的難度大。由此可見，傳統(tǒng)教學方式最大的阻礙，是通過抽象的二維圖像和線路教學，難以使學生快速理解純電動汽車構造和原理。

對于教師來說，傳統(tǒng)的考試方式由于考核方式單一，重題率高，批改工作量大，分數統(tǒng)計復雜，因此在一定程度上限制了培訓效率。

Unity3D是一款三維游戲制作軟件，其合成的場景相比于傳統(tǒng)教學中的二維圖片和實際物體，兼具二維圖片的便捷性和實際物體的真實性，將二者的優(yōu)點相結合的同時，還具備可交互性。對于車輛這類大型實驗器械，采用Unity3D建立的模型，使得學生不費吹灰之力就可從各個視角觀測車內部件，對于知識的獲取也更加便捷。將游戲制作軟件U-nity3D用于教育行業(yè)并非首例。隨著虛擬現實技術的飛速發(fā)展，各類教育行業(yè)中使用Unity3D生成的教具如雨后春筍般出現，比如：使用Unity3D構建的化工設備虛擬培訓系統(tǒng)[3]，虛擬化學實訓平臺[4]，孤獨癥兒童認識教育系統(tǒng)[5]。

采用理論考試和實操考核相結合的方式，在同一套系統(tǒng)中進行操作，可以在保證教學效果的同時，降低教師的工作強度。

結合上述傳統(tǒng)教學的缺點和虛擬現實技術在教育行業(yè)的發(fā)展，在此提出了一種用于純電動汽車維修人員培訓的系統(tǒng)。該系統(tǒng)分為2個模塊：一個是基于Unity3D構建了純電動汽車的三維模型，通過高度仿真的純電動汽車模型為學生提供純電動汽車的結構及原理教學，另一個是基于純電動汽車實訓臺和SQL Server 2014[6]，為師生提供實訓及理論考核平臺。

2 純電動汽車理實一體化系統(tǒng)的總體設計

純電動汽車理實一體化系統(tǒng)是一款適用于中職學校純電動汽車檢修專業(yè)學生的軟件。根據前期調研，依照中職教育專業(yè)大綱設計該系統(tǒng)的主要功能。該系統(tǒng)包括虛擬仿真模塊和考核模塊，其總體設計結構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設計結構Fig.1 Overall design structure of the system

如圖1所示，虛擬仿真模塊分為結構展示和原理展示2個部分，對所包含的11個系統(tǒng)進行講解。

考核模塊分為理論考試和實訓考核2個部分。理論考試按照教師設定、隨機組卷的形式，以降低題目的重復率，從而在一定程度上提高題目的難度，提升學生對知識的掌握程度。對于技能型人才的培養(yǎng)，僅僅從理論方面的考核是不夠的，因此將該系統(tǒng)與實訓臺相結合，開發(fā)了實訓考核功能。實訓考核是將電腦與實訓臺相連接，通過電腦設置線路故障，實訓臺的測量點給出相應信號，學生通過相應信號判斷出故障原因。

3 系統(tǒng)功能

虛擬仿真模塊適用于學生初步接觸純電動汽車的階段，通過虛擬仿真所建立的場景使學生對純電動汽車的構造及原理有一個宏觀的認識，便于后期教師對學生進行更加細致的講解。考核模塊適用于學生已經具備足夠的理論知識，教師通過設置理論題目及實訓題目，對學生進行考核，了解其掌握程度。

電腦端的系統(tǒng)登錄界面如圖2所示。操作者在登錄界面輸入相應的賬號和密碼后，方可進入模塊選擇界面。

圖2 用戶登錄界面Fig.2 User login interface

3.1 虛擬仿真模塊功能

虛擬仿真模塊的場景選擇界面如圖3所示，其包含有2個模塊按鈕“整車結構展示”“工作原理展示”。系統(tǒng)的虛擬仿真模塊主要向學生講解基礎知識。該模塊將純電動汽車按照標準分為11個系統(tǒng)，分別對每個系統(tǒng)的結構和原理進行講解，還對電機、電池、電控系統(tǒng)實訓臺的測試進行仿真。

圖3 虛擬仿真模塊的場景選擇界面Fig.3 Scene selection interface of virtual simulation module

3.1.1 整車結構展示

在“整車結構展示”中，生動形象地逐一展示了各個系統(tǒng)的部件組成、靜態(tài)參數、功能描述、內部結構3D展示等。對新能源汽車的11個系統(tǒng)逐一展開：整車控制器、電池及電池管理系統(tǒng)、驅動系統(tǒng)、高壓電氣系統(tǒng)、充電系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)、制動及制動能量回收系統(tǒng)、空調系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、轉向系統(tǒng)、行駛系統(tǒng)及其他部件。為了便于教學，還加設了自動展示及隱藏車殼功能。

虛擬仿真模塊結構的整車展示如圖4所示。

圖4 虛擬仿真模塊的整車結構展示Fig.4 Vehicle structure display of virtual simulation module

在整車結構展示中，當選擇其中某個系統(tǒng)時，車輛的其他部件便會透明化。所選系統(tǒng)內各個部件名稱均有相應的用戶界面UI（user interface）指示，以便學生對單一系統(tǒng)的整體把握。在此，以高壓電氣系統(tǒng)為例，其結構的展示界面如圖5所示。

圖5 高壓電氣系統(tǒng)結構的展示Fig.5 Display of high voltage electrical system structure

點擊系統(tǒng)內的某一部件時，學生可以通過對仿真模型的旋轉和距離的放縮，實現對所選系統(tǒng)及其內部結構的認識。在此，以高壓電氣系統(tǒng)中車載充電機為例，其靜態(tài)參數界面如圖6所示。當點擊界面右下角“靜態(tài)參數”“功能描述”“內部結構”或“3D展示”等按鈕時，會顯示相應的信息，重要部件的3D展示以3D爆炸視圖的形式展現出來，便于學生詳細了解重要部件的構成。

圖6 車載充電機的靜態(tài)參數的界面Fig.6 Interface of static parameters of vehicle charger

3.1.2 整車原理展示

整車原理展示通過可交互式3D動畫的形式進行教學。在“工作原理展示”中，當學生選擇某一系統(tǒng)時，則開始播放所選系統(tǒng)的仿真動畫，并配以文字和語音，對該系統(tǒng)的原理進行講解。在原理講解的過程中，學生可以使用鼠標移動視角，近距離地觀測原理細節(jié)。高壓電器系統(tǒng)原理的展示如圖7所示。

圖7 高壓電器系統(tǒng)原理的展示Fig.7 Display of high voltage electrical system principle

對于不同工況下運行原理不同的系統(tǒng)，獨立設定UI指示，按照工況的不同分別展示各自原理。電池及電池管理系統(tǒng)放電過程原理的展示如圖8所示。

圖8 電池及電池管理系統(tǒng)放電過程原理展示Fig.8 Display of battery and BMS discharge process principle

3.2 考核模塊功能

純電動汽車維修人才的培養(yǎng)，重在提高其知識的廣度和解決實際問題的能力，考核系統(tǒng)對學生知識的掌握情況起到督促作用。

3.2.1 實訓考核功能

實訓考核模塊基于純電動汽車電機實訓臺、電池實訓臺、主控制器實訓臺完成。教師用教師賬號登錄，通過純電動汽車教學考試一體化系統(tǒng)為實訓臺設定故障作為考題，共有18種斷路故障和6種短路故障可供選擇。教師可以在系統(tǒng)中設置故障，該界面如圖9所示。

圖9 教師設置故障界面Fig.9 Interface of setting fault by teacher

故障設置完成后，基于北汽EV160的實訓臺（如圖10所示）的測量點數值將產生異常。

圖10 實訓臺圖片Fig.10 Picture of training platform

學生們根據所學知識在實訓臺上進行實驗，并對題目結果做出判斷，將其錄入系統(tǒng)。學生排查故障的界面如圖11所示。教師可以在實踐考核成績中查詢所有的實訓結果，如圖12所示。

圖11 學生排查故障界面Fig.11 Interface of troubleshooting by student

圖12 實踐考核成績查詢界面Fig.12 Interface of practice assessment results query

3.2.2 理論考核功能

教師可以通過理論考試模塊為學生出考題，檢查學生的掌握情況。理論考試設置界面如圖13所示，教師根據需要錄入題量、總分和答題時間，系統(tǒng)在題庫中自動生成套卷，供學生在線答題。另外，教師在“查看試卷”界面將試卷輸出為PDF格式，便于打印紙質的題目。

圖13 理論考試設置界面Fig.13 Interface of theory exam setting

學生登錄后完成答題，成績自動錄入系統(tǒng)，學生理論考試的答題情況界面如圖14所示。教師在理論成績查詢系統(tǒng)查到學生的成績，如圖15所示。

圖14 學生理論考試答題界面Fig.14 Interface of students’theory examination

圖15 理論成績查詢界面Fig.15 Interface of theoretical score query

4 系統(tǒng)的開發(fā)過程

純電動汽車理實一體化系統(tǒng)以高職院校的教學大綱為中心，按照走訪調研、查閱資料、方案設計、軟件開發(fā)、功能測試與完善的順序進行。

4.1 虛擬仿真模塊開發(fā)

隨著計算機仿真技術與建模軟件的結合，Unity3D不僅適用于游戲制作，也適用于教學軟件的生成。該系統(tǒng)虛擬仿真模塊，使用作圖軟件建立模型；通過渲染軟件進行模型渲染和組裝；由Unity3D設置人機交互，完成虛擬仿真模塊的制作。

SolidWorks是一款三維建模軟件，通過拉伸、旋轉、薄壁特征、抽殼、陣列以及打孔等操作來實現物體的設計。在此，使用SolidWorks對測量完成的實體進行建模[7]，如圖16所示。

圖16 使用SolidWorks建立模型Fig.16 Modeling with SolidWorks

3Ds Max是一款基于PC系統(tǒng)的三維動畫渲染和制作軟件。在此，使用3Ds Max對SolidWorks制作的模型進行貼圖渲染，并對車前艙內的高低壓走線進行繪制[8]。3Ds Max渲染如圖17所示。

圖17 使用3Ds Max渲染模型Fig.17 Rendering model with 3Ds Max

Unity3D是一個可以創(chuàng)建互動內容的綜合型游戲開發(fā)工具，通過建立坐標、創(chuàng)建對象、插入腳本、設置動畫及聲音、執(zhí)行生命周期及場景渲染等步驟完成場景的制作[9]。在此，使用Unity3D主要完成了場景搭建和交互設置。場景搭建如圖18所示。

圖18 使用Unity3D搭建場景Fig.18 Constructing a scene with Unity3D

4.2 考核模塊開發(fā)

為保證考試效果，達到人才培養(yǎng)的目的，故特在傳統(tǒng)考試的基礎上加大了難度?？己四K不僅將題目范圍放寬，同時結合了實訓考核的內容作為分值設定的一部分。

4.2.1 實訓考核模塊開發(fā)

根據北汽EV160相關的電路圖、技術資料等，設計出雙面印刷電路板，如圖19所示。其上設有20路常閉繼電器和6路常開繼電器，是故障設置模塊最為核心的部分，設置故障和最終恢復正常都由它來發(fā)送相關指令。印刷電路板一端連接電腦，接收電腦發(fā)出的控制信號，另一端直接連接實訓臺，繼電器的開合狀態(tài)會反應到實訓臺相應測量點的數值上。

圖19 印刷電路板實物Fig.19 Printed circuit board

在此，使用USB轉485串口通信，只需要在電路上添加一個USB轉串口芯片，就可以實現USB通信協(xié)議和標準UART串行通信協(xié)議的轉換。串口通信連接如圖20所示。

圖20 串口通信連接Fig.20 Serial communication connection

實訓考核模塊的流程如圖21所示。

圖21 實訓考核模塊流程Fig.21 Flow chart of training assessment module

4.2.2 理論考核模塊開發(fā)

理論考核模塊的答題數據庫用SQL Server 2014，題目選自全國高職院校理論考試題庫。

由于不同階段的學生對知識的理解程度參差不齊，因此不能用同一水平的題目進行考核。全國高職院校理論考試題庫難易程度區(qū)分較大，故將其按照簡單、一般、困難的標準進行分類，根據教師意愿對考題難度進行設定。

理論考核模塊的流程如圖22所示。

圖22 理論考核模塊流程Fig.22 Flow chart of theoretical assessment module

5 結語

純電動汽車理實一體化系統(tǒng)系統(tǒng)的設計方案，實現了對純電動汽車結構及原理的虛擬仿真，以及對學生考核的功能，可根據高職院校的教學目標進行階段性教學。教師通過三維的形式對純電動汽車的知識進行講述，降低了學生的理解難度；學生課后可獨立操作軟件進行學習，能夠避免在車間拆裝的繁瑣步驟，進而提升學習效率。實訓考核與理論考核相結合的方式，在保證檢查效果的同時，降低了教師的工作量，達到事半功倍的的效果，因此該系統(tǒng)具有良好的使用價值。該系統(tǒng)已在2019年9月由陜西天益教育科技有限公司投入使用。