張毅，李啟來，郭強(qiáng)

（1.重慶理工大學(xué)車輛工程學(xué)院，重慶 400054；2.重慶理工大學(xué)電氣工程學(xué)院，重慶 400054）

前言

電動化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化正發(fā)展成為汽車產(chǎn)業(yè)的新業(yè)態(tài)[1]。同時，汽車產(chǎn)業(yè)逐漸從機(jī)械領(lǐng)域走向了新能源、智能網(wǎng)聯(lián)的發(fā)展方向[2]。這導(dǎo)致汽車產(chǎn)業(yè)在人才需求上對于新能源技術(shù)人才、智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)人才、汽車創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才的稀缺[3]。所以需要提前研究面向智能網(wǎng)聯(lián)汽車領(lǐng)域的工程技術(shù)人才的培養(yǎng)模式，增強(qiáng)畢業(yè)生在技術(shù)推廣與企業(yè)的需求契合度。這是所有本科高校汽車類教學(xué)研究人員必須思考的課題[4]。

為解決上述問題，我院教學(xué)團(tuán)隊(duì)推出基于工程化項(xiàng)目教學(xué)的智能網(wǎng)聯(lián)汽車工程技術(shù)人才培養(yǎng)模式。具體而言，利用分布式硬件在環(huán)（HIL）系統(tǒng)配置靈活的特點(diǎn)，使用車聯(lián)網(wǎng)（IOV）將一輛改裝過的純電動汽車（EV）接入分布式HIL仿真系統(tǒng)中，構(gòu)成實(shí)車在環(huán)仿真（Vehicle-In-the-Loop，VIL）[5]。這樣此EV 既可以作為駕駛員輸入平臺，又能夠?qū)⒂布诃h(huán)的HEV 系統(tǒng)的實(shí)際輸出功率實(shí)時地反映到EV 的動力輸出上。其中，需要學(xué)生參與設(shè)計(jì)并完成四個主要子系統(tǒng)：實(shí)車在環(huán)VIL、電池硬件在環(huán)BIL、發(fā)動機(jī)硬件在環(huán)EIL 和云端服務(wù)器。

下文分為三個部分：首先，從教學(xué)項(xiàng)目的整體設(shè)計(jì)入手，簡述了互聯(lián)網(wǎng)分布式實(shí)車在環(huán)仿真平臺（ID-VIL）的特點(diǎn)，并逐一討論了學(xué)生在搭建ID-VIL 系統(tǒng)中各個子系統(tǒng)時的教學(xué)難點(diǎn)與知識收獲；然后，基于CDIO 教學(xué)模式，指導(dǎo)學(xué)生以實(shí)車在環(huán)的方式對ID-VIL 系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試，并對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了初步分析；最后，分析并總結(jié)了此教學(xué)改革項(xiàng)目對于提升學(xué)生工程應(yīng)用能力的作用，并對如何實(shí)施卓越工程師培養(yǎng)計(jì)劃進(jìn)行了一定思考。

1 項(xiàng)目化教學(xué)與仿真平臺搭建

ID-VIL 仿真的基本思路是通過無線車聯(lián)網(wǎng)（IOV），將一輛純電動車添加到現(xiàn)有的硬件在環(huán)仿真平臺，從而使該電動汽車不包含任何混合動力系統(tǒng)就可以進(jìn)行混合動力汽車的仿真。同時，布置在硬件在環(huán)平臺上的混合動力汽車的子系統(tǒng)(如發(fā)動機(jī)和電池)可以像在實(shí)車上一樣工作。如圖1 所示，作為中央控制節(jié)點(diǎn)的云端服務(wù)器Cloud，電動汽車（VIL）和發(fā)動機(jī)硬件在環(huán)（EIL）、電池硬件在環(huán)（BIL）等硬件在環(huán)仿真平臺以“數(shù)據(jù)耦合”的形式耦合在一起，構(gòu)成了ID-VIL仿真平臺。需要學(xué)生參與的項(xiàng)目包括：①電動汽車（EV）子系統(tǒng)；②云端服務(wù)器（Cloud）子系統(tǒng)；③發(fā)動機(jī)硬件在環(huán)（EIL）子系統(tǒng)；④電池硬件在環(huán)（BIL）子系統(tǒng)。ID-VIL 系統(tǒng)的詳細(xì)參數(shù)參見本團(tuán)隊(duì)已發(fā)表的研究[6]。

圖1 ID-VIL 仿真概述

1.1 電動汽車（EV）子系統(tǒng)

在EV 子系統(tǒng)中，學(xué)生需要對一輛純電動汽車（力帆620EV，圖2）進(jìn)行改裝。需要將車載控制器采集到的駕駛員輸入（油門與剎車）信號通過車聯(lián)網(wǎng)（4G LTE 網(wǎng)絡(luò)）先發(fā)送給云端服務(wù)器，然后根據(jù)云端返回的給定轉(zhuǎn)矩控制電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩[7]。需要學(xué)生掌握車載CAN 總線通信協(xié)議、基于4G LTE 網(wǎng)絡(luò)的TCP/IP 通訊技術(shù)、車載控制器（VCU）對駕駛員輸入（油門和剎車）信號的處理過程。

圖2 電動汽車(EV)子系統(tǒng)配置

1.2 云端服務(wù)器（Cloud）子系統(tǒng)

云端服務(wù)器是租用的重慶電信的虛擬云主機(jī)（CPU 4 核Xeon 2.13GHz，內(nèi)存 8GB，帶寬 5Mb）。其主要負(fù)責(zé)三個功能：通信管理、整車能量管理策略、子系統(tǒng)仿真模擬（電動機(jī)、傳動系統(tǒng)）[8]。所以需要學(xué)生掌握基于套接字（Socket）的服務(wù)器/客戶端（Sever/Client）系統(tǒng)的構(gòu)建、混合動力汽車（串聯(lián)）能量管理策略設(shè)計(jì)、部分子系統(tǒng)（電動機(jī)、變速箱）的仿真模型的搭建。

1.3 發(fā)動機(jī)硬件在環(huán)（EIL）子系統(tǒng)

如圖3 所示，本文發(fā)動機(jī)硬件在環(huán)選用的是AVL 160kW測功機(jī)和力帆乘用車公司的LF481Q3 發(fā)動機(jī)。發(fā)動機(jī)HIL系統(tǒng)需要從Cloud 接收需求轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速指令并執(zhí)行，同時向Cloud 返回發(fā)動機(jī)當(dāng)前狀態(tài)（實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速和瞬時油耗）[9]。所以需要學(xué)生掌握發(fā)動機(jī)原理與檢測技術(shù)、AVL 測功機(jī)Puma 控制軟件使用與編程方法。

圖3 發(fā)動機(jī)硬件在環(huán)試驗(yàn)臺架

1.5 電池硬件在環(huán)（BIL）子系統(tǒng)

因?yàn)樵贐IL 的配置過程中，假設(shè)每個電池之間不存在均衡問題。因此，原本由15 個單個電池（20V，30Ah）串聯(lián)組成的電池組，其在BIL 系統(tǒng)中只需要用一個單電池代替（圖4）。而此電池所需充放電功率為整個電池組的十五分之一[10]。BIL 包含四個部分：電子負(fù)載、電池、電池測試儀、控制臺。具體來說，云端服務(wù)器將所需的功率（放電時為正，充電時為負(fù)）發(fā)送到BIL。然后BIL 提供來估計(jì)電池的SOC，SOH，并和可用功率一起發(fā)送給云端服務(wù)器。此外電池測試儀也用來監(jiān)測電池的內(nèi)阻并計(jì)算SOH。所以學(xué)生需要掌握電池基本原理、電子負(fù)載的使用與編程方法、通過檢測電池內(nèi)阻估算電池剩余壽命的原理與方法。

圖4 電池硬件在環(huán)

2 CDIO 教學(xué)與實(shí)車上路實(shí)驗(yàn)

2.1 歷史數(shù)據(jù)收集

本研究的目標(biāo)對象是在預(yù)定路線上行駛的車輛，如通勤交通和公共交通。如圖5 所示，路試行駛路線為重慶理工大學(xué)花溪校園周邊道路。整個路線長約15 公里，通過16 個紅綠燈，行駛時間約30 分鐘，包括高速公路（內(nèi)環(huán)高速）和城市（其余部分）的交通狀況。

圖5 道路測試路線

從如圖5 所示的路線中收集了多組歷史駕駛數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)是在17：30 這種典型的高峰時段進(jìn)行采集的。為了減少駕駛員的駕駛習(xí)慣對所記錄數(shù)據(jù)的影響，在保障安全和遵守規(guī)則的條件下，駕駛員被要求盡可能地跟隨車流。所以需要學(xué)生將工程管理知識用于實(shí)踐，協(xié)調(diào)各個數(shù)據(jù)采集小組，完成歷史駕駛數(shù)據(jù)的收集與分析整理。

2.2 基于前導(dǎo)車車間通信的路況預(yù)測

在測試車輛啟動之前，需要預(yù)測未來的路況信息。在本研究中，前導(dǎo)車的實(shí)時駕駛狀態(tài)被發(fā)送到云端服務(wù)器。很明顯，前導(dǎo)車越多，預(yù)測越準(zhǔn)確，然而考慮到成本因素與實(shí)驗(yàn)條件，只有兩個前導(dǎo)車（小組）參加實(shí)驗(yàn)。如圖6 所示，每輛前導(dǎo)車（小組）的負(fù)責(zé)覆蓋一半的測試路線。這里需要學(xué)生靈活應(yīng)用車間通信（V2V）與車流建模的知識，進(jìn)而準(zhǔn)確預(yù)測未來路況信息。

圖6 前導(dǎo)車的數(shù)據(jù)

2.3 道路試驗(yàn)

為了實(shí)現(xiàn)實(shí)時整車能耗優(yōu)化，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了一個具有兩層結(jié)構(gòu)的互聯(lián)網(wǎng)分布式能量管理策略（ID-EMS）（圖7）。一方面，云端服務(wù)器上的頂層EMS 具有較強(qiáng)的計(jì)算能力和較大的存儲容量，因此側(cè)重于行程預(yù)測和全局優(yōu)化。另一方面，實(shí)車上的底層EMS 通過IOV 連接到頂層EMS。通常其計(jì)算能力有限，因此它更合適實(shí)時局部優(yōu)化，同時保證優(yōu)化結(jié)果大體上跟隨頂層的優(yōu)化結(jié)果。

圖7 ID-EMS 的兩層結(jié)構(gòu)

最后，實(shí)車上路測試小組完成如前所述的14.5km 的圍繞著重慶理工大學(xué)花溪校區(qū)的道路駕駛測試實(shí)驗(yàn)。測試結(jié)果如圖8 所示，其中，代表實(shí)際SOC 的紅線大體上跟隨著黃帶，這說明底層EMS 參考了頂層EMS 的全局優(yōu)化結(jié)果。這為車載控制器的能量管理提供了一定的靈活性，同時又不會使結(jié)果偏離全局優(yōu)化太遠(yuǎn)。在此試驗(yàn)中，參與的學(xué)生實(shí)踐了整車能量管理策略的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，并且通過一個包括若干分布式硬件臺架協(xié)同的實(shí)車路試，親身感受了混動系統(tǒng)的工作過程與駕駛體驗(yàn)。期間需要學(xué)生掌握的知識包括：整車能量管理策略、最優(yōu)化理論、車輛測試技術(shù)。

圖8 ID-EMS 的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

若要培養(yǎng)適應(yīng)智能網(wǎng)聯(lián)汽車發(fā)展所需知識結(jié)構(gòu)及綜合素質(zhì)高的卓越工程技術(shù)人才，那么大學(xué)期間必須培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力、就業(yè)能力和創(chuàng)業(yè)能力這“四種能力”?；诨ヂ?lián)網(wǎng)分布式實(shí)車硬件在環(huán)仿真平臺的教學(xué)改革結(jié)合了大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目的多樣性、實(shí)用性及專業(yè)性等特色，利用實(shí)踐教學(xué)幫助學(xué)生加深對理論知識的理解，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考及利用已有知識體系解決復(fù)雜工程問題的能力，使學(xué)生主動的參與教學(xué)過程，有目的的獲取有用的信息，并在一個團(tuán)隊(duì)中發(fā)揮自己的作用，最大地發(fā)揮學(xué)生自身的主觀能動性，這樣有利于培養(yǎng)學(xué)生的工程意識，工程素質(zhì)和工程實(shí)踐能力。