摘要：在講解《新能源汽車動(dòng)力電池技術(shù)》課程中的電池模型、電池容量、荷電狀態(tài)（SOC）等基本概念后，發(fā)現(xiàn)學(xué)生理解不夠深入，難以利用所學(xué)知識(shí)解決復(fù)雜工程問題。為幫助學(xué)生深入理解動(dòng)力電池的基本概念，并能用于解決復(fù)雜工程問題，設(shè)計(jì)了動(dòng)力電池的虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目包含動(dòng)力電池的簡單模型、進(jìn)階模型和擴(kuò)展模型。研究發(fā)現(xiàn)，在虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的教學(xué)過程中，學(xué)生能認(rèn)真聽講，并積極參與討論，對(duì)所講內(nèi)容有了深入理解。

關(guān)鍵詞：動(dòng)力電池；復(fù)雜工程問題；虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)；輔助教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642 收稿日期：2023-02-05

1前言

《新能源汽車動(dòng)力電池技術(shù)》作為車輛工程、智能車輛工程和新能源汽車工程等專業(yè)核心課程或者重要的個(gè)性拓展課程，著重講解了動(dòng)力電池的類型、工作原理、材料及特點(diǎn)等。該課程為同學(xué)們畢業(yè)后從事動(dòng)力電池的研究和設(shè)計(jì)奠定了理論基礎(chǔ)。近年來，大力發(fā)展新能源汽車已經(jīng)成為普遍共識(shí)，新能源汽車產(chǎn)銷量逐年遞增，新能源汽車的動(dòng)力電池如同燃油汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)，為新能源汽車提供動(dòng)力，是新能源汽車的核心零部件。因此，在進(jìn)行《新能源汽車動(dòng)力電池技術(shù)》教學(xué)時(shí)有必要對(duì)動(dòng)力電池的基本知識(shí)做詳細(xì)的介紹，并對(duì)書中內(nèi)容進(jìn)行適當(dāng)擴(kuò)展。本課程在人才培養(yǎng)方案中，一般開設(shè)在第四學(xué)年，此時(shí)，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)完《高等數(shù)學(xué)》等公共基礎(chǔ)課程以及與汽車相關(guān)的專業(yè)課程。但是由于學(xué)生對(duì)電化學(xué)、電工電子和控制類課程學(xué)習(xí)的不夠深入，導(dǎo)致教師在對(duì)電池的一些基本概念如電池模型、電池容量、荷電狀態(tài)（SOC）等進(jìn)行講解時(shí)，學(xué)生普遍對(duì)概念理解不夠深入，不能解決與其相關(guān)的復(fù)雜工程問題。為了讓學(xué)生能深入掌握相關(guān)的概念，并利用電池模型解決復(fù)雜工程問題，在教學(xué)過程中引入Amesim軟件設(shè)計(jì)了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。

Ameslm是一款多學(xué)科領(lǐng)域的仿真軟件，可以對(duì)液壓系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)以及機(jī)電系統(tǒng)等進(jìn)行仿真分析，其版本一直在更新，應(yīng)用庫也越來越豐富，在其應(yīng)用庫中提供了大量的工程元件，可以利用這些基本的工程元件直接搭建物理系統(tǒng)，而不需要專門編寫代碼去進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。對(duì)應(yīng)用型高校學(xué)生而言，直接搭建物理系統(tǒng)，不用專注于數(shù)學(xué)建模，并開發(fā)仿真算法，將使學(xué)習(xí)難度大大降低，學(xué)生更容易接受。除了課堂上所講的電池模型及應(yīng)用，學(xué)生在液壓與氣動(dòng)課程搭建的液壓系統(tǒng)、自動(dòng)控制原理課程搭建的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)等，均可以通過該軟件進(jìn)行驗(yàn)證。

研究能力以及使用現(xiàn)代工具能力是當(dāng)代工程實(shí)踐對(duì)工程師很重要的能力要求。研究能力具體來說就是能夠?qū)ο嚓P(guān)工程領(lǐng)域復(fù)雜工程問題進(jìn)行研究。使用現(xiàn)代工具的能力具體來說就是能夠針對(duì)相關(guān)工程領(lǐng)域復(fù)雜工程問題，開發(fā)、選擇現(xiàn)代工具，對(duì)復(fù)雜工程問題進(jìn)行預(yù)測和模擬。

通過課堂仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可以提高學(xué)生運(yùn)用軟件解決動(dòng)力電池相關(guān)復(fù)雜工程問題的能力，同時(shí)在運(yùn)用軟件的過程中，要求學(xué)生自主分析和解釋仿真結(jié)果，培養(yǎng)了學(xué)生的研究以及使用現(xiàn)代工具的能力。在仿真項(xiàng)目講解完畢后，讓學(xué)生按照分組進(jìn)行分組討論，通過學(xué)生之間的互相答疑，可以更容易掌握課堂內(nèi)容。此外，電池模型的應(yīng)用具有一定的難度，需要學(xué)生提前預(yù)習(xí)，可留1-2個(gè)知識(shí)點(diǎn)讓學(xué)生在課堂上進(jìn)行講解，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

2鋰離子動(dòng)力電池的仿真模型

在AMESIM軟件中，電池模型包括電化學(xué)模型和等效電路模型。電化學(xué)模型主要是研究電池的內(nèi)部微觀現(xiàn)象及其機(jī)理，由于包含大量的電化學(xué)、熱力學(xué)等知識(shí)，且模型以非線性特征方程為主，學(xué)生理解起來非常困難。等效電路模型則忽略了電池內(nèi)部復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，僅僅是利用了電感、電容和電阻等電氣元件，根據(jù)測試出的外部變量（電壓、電流等）估計(jì)電池的內(nèi)部狀態(tài)變量（內(nèi)阻、荷電狀態(tài)等）。等效電路模型簡單實(shí)用，物理意義明確，由于學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)過高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理、電工電子技術(shù)、線性代數(shù)等課程，學(xué)生在學(xué)習(xí)等效電路模型時(shí)，很容易理解。所以，在進(jìn)行鋰離子動(dòng)力電池的仿真教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)，選用等效電路模型進(jìn)行講解。

打開AMESIM軟件，找到“Electric Storage”模塊，在此模塊下，既有單個(gè)電池模型，也有電池組模型。

電池模型包含3個(gè)模型，分別為簡單的等效電路模型（simple equivalent circlut model of battery cell）、高級(jí)的等效電路模型（advanced equivalent circuit model of battery cell）和電化學(xué)模型（electrochemical Li-ion battery cell），具體選擇哪一種，只需要在AMESIM軟件中點(diǎn)擊“Submodel”，再點(diǎn)擊電池圖標(biāo)，即可出現(xiàn)如圖1所示的模型選擇界面，以上三種模型均包含在內(nèi)，需要用哪一種模型，直接點(diǎn)擊即可。

簡單的等效電路模型只考慮電壓源和內(nèi)阻，沒有考慮極化現(xiàn)象，導(dǎo)致其仿真精度很低，應(yīng)用較少。高級(jí)的等效電路模型，考慮了極化現(xiàn)象，如圖2所示。

對(duì)電池模型有所了解后，給同學(xué)們提出一個(gè)問題：“我們可以利用電池模型解決哪些問題？”利用軟件中的電池模型，可以解決的問題較多，利用5 min的時(shí)間將幾個(gè)典型問題如荷電狀態(tài)的估計(jì)、壽命的預(yù)測、電池模型的擬合等給同學(xué)們做簡單介紹，幫助同學(xué)們了解電池領(lǐng)域當(dāng)前的科研熱點(diǎn)。由于問題較多，課堂中不可能一一涉及，所以本次仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，只重點(diǎn)講解如何利用軟件估計(jì)電池的荷電狀態(tài)，其他熱點(diǎn)問題同學(xué)們可以通過軟件自帶的幫助文件或者自行查閱文獻(xiàn)來了解。

對(duì)電動(dòng)汽車而言，電池的荷電狀態(tài)soc值相當(dāng)于傳統(tǒng)燃油汽車的油表示數(shù)，是對(duì)電動(dòng)汽車進(jìn)行能量管理最重要的參數(shù)之一。所以，對(duì)電動(dòng)汽車動(dòng)力電池荷電狀態(tài)的準(zhǔn)確估計(jì)對(duì)電池的合理高效使用具有重要意義。

利用單個(gè)電池模型，建立如圖3所示的仿真模型。由于大部分學(xué)生對(duì)該軟件是初次接觸，上課前需要教師通過學(xué)習(xí)通、QQ群等媒介將該軟件的基礎(chǔ)教程發(fā)給學(xué)生，要求學(xué)生自學(xué)。在學(xué)生自學(xué)基礎(chǔ)教程后，可將該模型在課堂上直接展示，大部分學(xué)生都能理解模型的含義。該模型中，設(shè)置初始的SOC值為100%，電池容量為4.3A·h，設(shè)置仿真時(shí)間為3 600 s，K取值為-4.3，即電流始終為-4.3 A，相當(dāng)于電池一直以4.3 A的電流在放電。初始條件設(shè)置完成后，一個(gè)簡單的求取電池soc值的仿真模型就建立起來了，點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕，即可得到隨時(shí)間變化的SOC值。

在展示仿真結(jié)果前，首先讓學(xué)生按照電池荷電狀態(tài)的定義，根據(jù)設(shè)置的初始條件，分小組計(jì)算并討論后得出soc值隨時(shí)間的變化趨勢。學(xué)生經(jīng)過計(jì)算后，可以很容易得出soc值的變化趨勢：隨時(shí)間線性下降，th（3 600 s）后，soc值為零。然后展示仿真的soc值結(jié)果，如圖4所示，很顯然與學(xué)生得出的趨勢一致，這個(gè)過程讓學(xué)生有了一定的成就感，有了進(jìn)一步學(xué)習(xí)的欲望，同時(shí)也幫助學(xué)生對(duì)soc的定義有了更深入地理解。

3電池模型仿真教學(xué)的進(jìn)階

學(xué)生在掌握了以上基礎(chǔ)模型后，已經(jīng)對(duì)sOc的計(jì)算有了一定的認(rèn)識(shí)。但是電動(dòng)汽車的運(yùn)行工況非常復(fù)雜，soc計(jì)算難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出基礎(chǔ)模型，很多情況需要借助計(jì)算機(jī)來進(jìn)行計(jì)算，所以為了避免學(xué)生僅僅滿足于掌握基礎(chǔ)模型，設(shè)計(jì)了soc計(jì)算的進(jìn)階模型，該模型為軟件自帶的案例，如圖5所示。圖5中磷酸鐵鋰電池的電池容量為2.3 A·h，soc的初始值為52.6%。

仿真時(shí)間設(shè)為10 000 s。圖6所示為仿真的電流曲線：前1 000 8，電流為0；1000 s開始，電流為2.3A，開始充電，一直到充滿為止；4 400-6 200 s，電流為-2.3A，電池放電，直到soc值為50%；6 200-8 000 s，電流為0，電池的狀態(tài)無變化；8 000 s以后是電動(dòng)汽車或者混合動(dòng)力汽車的道路動(dòng)力需求電流（典型duty cycle工況）。在此電流作用下，soc值隨時(shí)間的變化曲線如圖7所示。