中圖分類號(hào)：U472.9 收稿日期：2025-04-14 DOI： 10.19999/j.cnki.1004-0226.2025.07.022

Design and Implementation of Fault Detection Teaching Equipment for Pure Electric Vehicles

Dang Chao

BranchofMechanicalandElectricalEngineering，haanxiAamp;FTechnologyUniversity，Yangling72oo，Chin

Abstract：WiththerapiddevelopmentofpureelectricvehicletechnologyinChina，thedemandforhighervocationalgraduatesmajoringinnewenergyvicletechnologyisncreasing.Inordertoimprovestudents’practicalabilityandenancetheirunderstandingof pureelectricvehiclefaultdetection，apureelectricvehiclefaultdetectionteachingequipmentisdesignedinthisstudy.Theteaching equipmentintegratessoftwareardwarefaultsetigandfaultdiagnosisndcasimulateallindsoffaultsintdrivingprosof pureelectricicles.Itimproessdents'abilitytooveraulpureeletricehicsablesdentstoicklydapttotjbi ments after gtion，and provides greatsupport for the cultivation ofnew energy vehicle technology professionals.

Key Words：Pure electric vehicle;Fault detection;Teaching equipment;New energy vehicle technology

1前言

當(dāng)前，全球汽車產(chǎn)業(yè)正經(jīng)歷從燃油驅(qū)動(dòng)向電動(dòng)化的快速轉(zhuǎn)移。純電動(dòng)汽車由于其環(huán)保和高效等優(yōu)勢(shì)，已成為汽車行業(yè)未來(lái)發(fā)展的重要方向。隨著電池、電機(jī)及電控系統(tǒng)技術(shù)的進(jìn)步和充電設(shè)施的不斷完善，純電動(dòng)汽車的保有量不斷增加[1-2]。2024年全球電動(dòng)車銷量超1500萬(wàn)輛，其中純電動(dòng)汽車銷量增長(zhǎng) 16.3% ，達(dá)1035萬(wàn)輛，占新車市場(chǎng) 11.3% 。這一銷量數(shù)據(jù)對(duì)相關(guān)技術(shù)人才的數(shù)量和質(zhì)量提出更高的要求。職業(yè)院校是技能型人才培養(yǎng)的主要陣地，近年來(lái)均開(kāi)設(shè)新能源汽車技術(shù)專業(yè)。但是純電動(dòng)汽車技術(shù)更復(fù)雜，包括動(dòng)力電池技術(shù)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)及控制技術(shù)、整車控制技術(shù)、充電及能源管理技術(shù)、智能化技術(shù)、新型材料與輕量化技術(shù)等[3]。

對(duì)于這些復(fù)雜的系統(tǒng)，不僅要求學(xué)生掌握理論知識(shí)，更要有熟練的實(shí)踐能力。以前的教學(xué)，教師重理論講解，學(xué)生只做簡(jiǎn)單的模擬實(shí)驗(yàn)，雖然在課堂教學(xué)中能理解純電動(dòng)汽車結(jié)構(gòu)和工作原理，但實(shí)踐能力不強(qiáng)。這種教學(xué)模式既無(wú)法激發(fā)學(xué)生對(duì)純電動(dòng)汽車的學(xué)習(xí)興趣，也對(duì)未來(lái)職業(yè)發(fā)展不利[4]。當(dāng)前，許多高職院校現(xiàn)有的實(shí)訓(xùn)設(shè)備無(wú)法模擬純電動(dòng)汽車在實(shí)際運(yùn)行中的故障，使學(xué)生在面對(duì)實(shí)車時(shí)無(wú)所適從?，F(xiàn)有純電動(dòng)汽車實(shí)訓(xùn)設(shè)備僅能進(jìn)行簡(jiǎn)單的功能檢測(cè)，而無(wú)法模擬復(fù)雜的故障情況，這使得學(xué)生從學(xué)校畢業(yè)以后，也需要很長(zhǎng)時(shí)間才能適應(yīng)崗位需求[5-6]。

因此，設(shè)計(jì)一個(gè)純電動(dòng)汽車故障檢測(cè)教學(xué)設(shè)備，對(duì)于教學(xué)質(zhì)量的提升、純電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)高技能人才的培養(yǎng)意義重大。

2教學(xué)設(shè)備設(shè)計(jì)目標(biāo)

2.1系統(tǒng)原理展示

教學(xué)裝置應(yīng)具有體現(xiàn)純電動(dòng)汽車所有系統(tǒng)組成的綜合直觀性，能夠演示各系統(tǒng)組成的工作原理，讓學(xué)生直觀地了解各部件的工作內(nèi)容和相互關(guān)系[7]。

2.2故障模擬設(shè)置

教學(xué)設(shè)備中需要具有種類齊全的故障設(shè)置，以模擬純電動(dòng)汽車在實(shí)際行駛中遇到的各種故障，提高學(xué)生故障檢修能力。

2.3友好交互界面

教學(xué)設(shè)備應(yīng)具有良好的操作界面，方便學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作、數(shù)據(jù)采集和分析、教師對(duì)學(xué)生的管理和指導(dǎo)等[8]。

2.4多層次教學(xué)適配

該實(shí)訓(xùn)裝置必須滿足各級(jí)別的教學(xué)要求，既要滿足理論教學(xué)的需求，又要滿足專業(yè)實(shí)踐教學(xué)和技能大賽的要求，實(shí)現(xiàn)綜合運(yùn)用能力的培養(yǎng)。

3純電動(dòng)汽車故障診斷教學(xué)設(shè)備硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1整車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鑒于比亞迪秦EV是市面上保有量較大的車型，技術(shù)成熟，便于教學(xué)研究，本次確定故障診斷教學(xué)實(shí)物（整車 + 實(shí)驗(yàn)臺(tái)）純電動(dòng)汽車選用車輛實(shí)訓(xùn)中心的比亞迪秦EV。動(dòng)力系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、底盤(pán)零件完整保留，進(jìn)行合理改造。首先，為整車專門(mén)定制了固定裝置。固定裝置由高強(qiáng)度的金屬材料加工焊接而成，形成一個(gè)穩(wěn)固的裝置，以確保實(shí)踐教學(xué)中裝置的穩(wěn)定性及安全性，避免車移動(dòng)或者晃動(dòng)，影響實(shí)踐教學(xué)。

3.2線路設(shè)計(jì)

對(duì)比亞迪秦EV線路進(jìn)行全面詳細(xì)地線網(wǎng)梳理。將復(fù)雜的線網(wǎng)進(jìn)行功能、區(qū)域劃分和梳理，選用性能可靠的線束、線纜，確保線路的穩(wěn)定與安全。線路設(shè)計(jì)是故障診斷設(shè)備搭建的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，包括實(shí)驗(yàn)臺(tái)本身線網(wǎng)設(shè)計(jì)與連接實(shí)車線網(wǎng)設(shè)計(jì)。

3.2.1實(shí)驗(yàn)臺(tái)自身線路設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)臺(tái)自身有供電線路、信號(hào)線路、控制線路以及通信線路，該故障診斷試驗(yàn)臺(tái)通過(guò)AC-DC電源模塊，將220V 的交流電轉(zhuǎn)變?yōu)?5V，12V 等直流電壓，根據(jù)實(shí)驗(yàn)臺(tái)自身需要，對(duì)5V電線與 12V 電線采取合理的布線方式與位置設(shè)置隔離開(kāi)來(lái)，避免電磁波之間的相互干擾。還設(shè)置過(guò)載保護(hù)裝置，保護(hù)實(shí)驗(yàn)臺(tái)。純電動(dòng)汽車上的信號(hào)線路，主要用于傳輸來(lái)自傳感器的數(shù)據(jù)，分為模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)和脈沖信號(hào)。

對(duì)于模擬信號(hào)傳感器，使用屏蔽雙絞線將實(shí)驗(yàn)臺(tái)數(shù)據(jù)采集模塊的輸入通道和傳感器相連接。數(shù)字信號(hào)傳感器則直接將數(shù)據(jù)采集模塊的數(shù)字輸入端口與傳感器相連。若為脈沖信號(hào)傳感器，在連接信號(hào)線的同時(shí)，還需依據(jù)傳感器輸出特性，選擇恰當(dāng)?shù)挠?jì)數(shù)方式和頻率測(cè)量方法。

汽車控制線路采用CAN總線或LIN總線。實(shí)驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)通過(guò)CAN總線接口模塊與車輛的CAN總線網(wǎng)絡(luò)連接，將傳輸實(shí)時(shí)性要求較高的控制指令，按照CAN總線協(xié)議進(jìn)行編碼和發(fā)送，實(shí)車的相應(yīng)控制器接收到這些指令后，進(jìn)行解碼和執(zhí)行操作。LIN總線主要傳輸實(shí)時(shí)性較低的汽車內(nèi)部分布式控制系統(tǒng)，如車門(mén)、燈光、座椅、空調(diào)和舒適系統(tǒng)等。

實(shí)驗(yàn)臺(tái)通過(guò)LIN總線接口模塊和車輛的LIN總線網(wǎng)絡(luò)連接，以此實(shí)現(xiàn)指令的傳輸。通信線路是實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)臺(tái)與上位機(jī)（電腦）之間的數(shù)據(jù)傳輸和通信。常用的通信方式有RS232、RS485、CAN總線等，根據(jù)傳輸距離和速度要求，選擇最佳通信方式。距離近、速度低的傳輸可以選用RS232，遠(yuǎn)距離、高速傳輸則可以采用CAN總線。通信線路同樣采用屏蔽線，并進(jìn)行合理的阻抗匹配。

3.2.2與實(shí)車連接線路設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)臺(tái)與實(shí)車的連接線路包括高壓線路連接、低壓線路連接和通信線路連接。對(duì)于純電動(dòng)汽車的高壓系統(tǒng)，連接的時(shí)候要非常小心。為了保證線路連接的安全性，可以采用高壓互鎖電路，以防在學(xué)生實(shí)驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生高壓電弧。同時(shí)，為了加強(qiáng)連接的可靠性和密封性，采用專用的高壓連接器。純電動(dòng)汽車的低壓信號(hào)線路包括傳感器信號(hào)、控制器信號(hào)等。通過(guò)轉(zhuǎn)接盒將實(shí)車信號(hào)引出，與實(shí)驗(yàn)臺(tái)的信號(hào)采集線路進(jìn)行連接，確保信號(hào)的完整準(zhǔn)確，避免信號(hào)衰減和干擾。純電動(dòng)汽車都有自己的車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)臺(tái)利用通信接口與實(shí)車網(wǎng)絡(luò)連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互和診斷。

3.3故障設(shè)置模塊設(shè)計(jì)

3.3.1硬件故障設(shè)置模塊

對(duì)于純電動(dòng)汽車故障檢測(cè)教學(xué)設(shè)備，硬件故障設(shè)置模塊的設(shè)計(jì)，最重要的是滿足實(shí)車故障的高還原度，同時(shí)具有可逆性，確保故障現(xiàn)象真實(shí)且不會(huì)造成設(shè)備損壞[9]。該模塊設(shè)計(jì)可以利用物理電路改造或信號(hào)干擾裝置，直接模擬車輛各系統(tǒng)的硬件故障。典型實(shí)現(xiàn)方式有以下3種：

開(kāi)關(guān)/繼電器控制：在關(guān)鍵線路（如傳感器供電、執(zhí)行器控制回路）中嵌人手動(dòng)開(kāi)關(guān)或程控繼電器，通過(guò)斷開(kāi)線路模擬斷路故障（如溫度傳感器信號(hào)丟失），或短接線路制造短路（如電機(jī)相線對(duì)地短路）。

電阻模擬裝置：配置可調(diào)電阻箱或數(shù)字電位器，用于改變傳感器信號(hào)（如改變加速踏板電壓信號(hào)使其超出合理范圍）或模擬負(fù)載異常（如動(dòng)力電池內(nèi)阻增大導(dǎo)致壓降異常）。

機(jī)械插接件模擬：設(shè)計(jì)可拆卸式高壓互鎖（HVIL）接口，通過(guò)人為斷開(kāi)插接件模擬維修誤操作導(dǎo)致的互鎖回路中斷。

3.3.2軟件故障設(shè)置模塊

軟件故障設(shè)置模塊利用實(shí)驗(yàn)臺(tái)內(nèi)置的車輛控制單元（VCU、BMS等）仿真系統(tǒng)，通過(guò)軟件指令或數(shù)據(jù)修改模擬控制器內(nèi)部邏輯錯(cuò)誤或通信故障，此類故障更貼近當(dāng)前純電動(dòng)汽車高度電子化、智能化的技術(shù)特征[10]。例如，修改電機(jī)控制器的控制算法，使其輸出異常的扭矩信號(hào)，模擬動(dòng)力系統(tǒng)性能降級(jí)故障；在控制器軟件中植入虛擬故障代碼，令PTC加熱器溫度信號(hào)持續(xù)輸出超限值，觸發(fā)控制器保護(hù)機(jī)制；修改電池管理系統(tǒng)的荷電狀態(tài)（SOC）估算算法，導(dǎo)致電池電量顯示錯(cuò)誤；通過(guò)上位機(jī)軟件向CAN網(wǎng)絡(luò)發(fā)送錯(cuò)誤幀（如非法ID報(bào)文）修改關(guān)鍵參數(shù)，模擬網(wǎng)絡(luò)通信異常導(dǎo)致整車功能受限。

4純電動(dòng)汽車故障診斷教學(xué)設(shè)備軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1操作系統(tǒng)

因?yàn)閃indows操作系統(tǒng)兼容性強(qiáng)，容易上手，有豐富的函數(shù)庫(kù)供開(kāi)發(fā)人員使用，方便軟件開(kāi)發(fā)人員開(kāi)發(fā)軟件程序、調(diào)試軟件程序，因此該故障診斷教學(xué)設(shè)備軟件系統(tǒng)選用Windows操作系統(tǒng)。Windows操作系統(tǒng)可以使實(shí)驗(yàn)臺(tái)的軟件更容易與其他的軟硬件進(jìn)行連接，可以支持更復(fù)雜的試驗(yàn)操作和數(shù)據(jù)分析，可以使實(shí)驗(yàn)臺(tái)軟件系統(tǒng)更加穩(wěn)定、高效，更適合新能源汽車技術(shù)專業(yè)學(xué)生的使用[11]。

4.2控制軟件

整車控制軟件是純電動(dòng)汽車的核心，承擔(dān)了整車控制器所有的控制任務(wù)，如汽車啟動(dòng)、加速、減速、制動(dòng)等基礎(chǔ)功能，控制驅(qū)動(dòng)力矩、制動(dòng)能量?jī)?yōu)化、整車能量管理、CAN網(wǎng)絡(luò)管理、診斷和故障處理、車輛狀態(tài)監(jiān)測(cè)等[12]。整車控制軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，由信號(hào)采集模塊、控制算法模塊、通信模塊等組成。信號(hào)采集模塊主要負(fù)責(zé)采集車輛傳感器的實(shí)時(shí)信號(hào)，如汽車車速、油門(mén)踏板位置、制動(dòng)壓力等，為其他模塊提供正確的數(shù)據(jù)信息?？刂扑惴K主要負(fù)責(zé)根據(jù)信號(hào)采集模塊的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，通過(guò)復(fù)雜的運(yùn)算得出最優(yōu)的控制算法，實(shí)現(xiàn)車輛的正常行駛。通信模塊主要負(fù)責(zé)各電子控制單元之間的通信。各模塊相互獨(dú)立、協(xié)調(diào)工作，共同完成車輛的正常行駛。

故障診斷軟件通過(guò)和整車控制器、故障診斷儀通信，實(shí)時(shí)接收從車輛上傳的故障碼、故障數(shù)據(jù)流，并根據(jù)設(shè)置的故障診斷規(guī)則對(duì)故障進(jìn)行判斷、分析，給出故障診斷建議。故障診斷軟件還提供了故障記錄、查詢等功能，師生可以根據(jù)故障診斷軟件設(shè)置的故障實(shí)驗(yàn)分析，進(jìn)行故障總結(jié)。

4.3教學(xué)管理軟件

為了便于教師的管理和指導(dǎo)教學(xué)，在實(shí)驗(yàn)臺(tái)中建立教學(xué)管理軟件。教學(xué)管理軟件主要包含學(xué)生管理、實(shí)驗(yàn)課程管理、實(shí)驗(yàn)報(bào)告管理等功能。

a.學(xué)生信息管理模塊包括學(xué)生基本信息、實(shí)驗(yàn)成績(jī)等信息，方便教師對(duì)學(xué)生進(jìn)行管理和評(píng)價(jià)。

b.實(shí)驗(yàn)課程管理模塊：該模塊可以使教師設(shè)置實(shí)驗(yàn)課程、實(shí)驗(yàn)步驟、實(shí)驗(yàn)要求、向?qū)W生下達(dá)實(shí)驗(yàn)任務(wù)并可以對(duì)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)進(jìn)度和實(shí)驗(yàn)操作情況進(jìn)行監(jiān)督和管理，并提供及時(shí)的指導(dǎo)和幫助。

c.實(shí)驗(yàn)報(bào)告管理模塊：學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)后使用此模塊提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告，教學(xué)管理軟件對(duì)提交的實(shí)驗(yàn)報(bào)告進(jìn)行自動(dòng)批閱評(píng)分，對(duì)批閱的實(shí)驗(yàn)報(bào)告進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，分析結(jié)果為教師教學(xué)提供依據(jù)。

5結(jié)語(yǔ)

本文以純電動(dòng)汽車故障檢測(cè)教學(xué)為研究背景，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)純電動(dòng)汽車故障檢測(cè)教學(xué)設(shè)備。結(jié)合純電動(dòng)汽車結(jié)構(gòu)和原理，設(shè)計(jì)模擬實(shí)際純電動(dòng)汽車故障檢測(cè)的硬件系統(tǒng)，設(shè)計(jì)操作簡(jiǎn)單、方便、易處理的軟件系統(tǒng)，同時(shí)為該設(shè)備設(shè)置多種故障，滿足不同層次的純電動(dòng)汽車故障檢測(cè)需求。通過(guò)測(cè)試，本教學(xué)設(shè)備可以模擬純電動(dòng)汽車實(shí)際行駛中的各種常見(jiàn)故障。通過(guò)教學(xué)設(shè)備，學(xué)生可以進(jìn)行故障診斷，提升自己實(shí)踐及檢測(cè)分析故障的能力，為純電動(dòng)汽車的故障檢測(cè)教學(xué)提供有效的、實(shí)用的教學(xué)平臺(tái)，為純電動(dòng)汽車故障檢測(cè)專業(yè)人才的培養(yǎng)奠定一定基礎(chǔ)。

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作者簡(jiǎn)介：

黨超，男，1990年生，講師，研究方向?yàn)檐囕v專業(yè)的教學(xué)及軸承潤(rùn)滑理論、非線性動(dòng)力學(xué)及控制。