虛擬仿真軟件在新能源車(chē)輛工程專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

張忠洋，鄭利民，孫曉幫，張大明，張麗萍，高宇

（遼寧工業(yè)大學(xué)汽車(chē)與交通工程學(xué)院，遼寧 錦州 121001）

虛擬仿真軟件在新能源車(chē)輛工程專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

張忠洋，鄭利民，孫曉幫，張大明，張麗萍，高宇

（遼寧工業(yè)大學(xué)汽車(chē)與交通工程學(xué)院，遼寧 錦州 121001）

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，仿真技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的越來(lái)越廣泛。新能源車(chē)輛工程專(zhuān)業(yè)重視學(xué)生的能力培養(yǎng)，基于現(xiàn)有條件和實(shí)驗(yàn)的局限性，難以滿(mǎn)足專(zhuān)業(yè)需求，因此運(yùn)用仿真軟件技術(shù)使學(xué)生更加深刻掌握理論和實(shí)踐操作知識(shí)。文章主要研究虛擬仿真軟件在教學(xué)中的特點(diǎn)及具體應(yīng)用。

虛擬仿真；新能源車(chē)輛工程；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.12.072

CLC NO.: U467 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)12-210-03

前言

隨著環(huán)境污染和世界能源危機(jī)問(wèn)題的日益嚴(yán)重，汽車(chē)作為尾氣排放和能源消耗的重要源頭面臨著嚴(yán)峻的考驗(yàn)，需要大力發(fā)展新能源汽車(chē)，在此過(guò)程中離不開(kāi)人才的培養(yǎng)。在高校里設(shè)置了新能源汽車(chē)工程專(zhuān)業(yè)，專(zhuān)業(yè)的發(fā)展離不開(kāi)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)是培養(yǎng)人才不可缺少的環(huán)節(jié)之一，實(shí)驗(yàn)室建設(shè)收到設(shè)備更新、臺(tái)套數(shù)、場(chǎng)地規(guī)模、經(jīng)費(fèi)使用等因素制約，進(jìn)而影響了教學(xué)效果。利用虛擬仿真軟件可以改善當(dāng)前現(xiàn)狀，提升教學(xué)質(zhì)量。

1、虛擬仿真軟件的特點(diǎn)

1.1 降低實(shí)驗(yàn)室建設(shè)成本、緩解經(jīng)費(fèi)緊張

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)需要各種實(shí)驗(yàn)設(shè)備和場(chǎng)地，而且實(shí)驗(yàn)必須在實(shí)驗(yàn)室中完成。而虛擬仿真實(shí)驗(yàn)只需在原有機(jī)房中安裝相應(yīng)的軟件，學(xué)生就可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，節(jié)省放置設(shè)備空間和實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地規(guī)劃裝修費(fèi)用。另一方面科技技術(shù)不斷變化，而學(xué)校為了更好的適應(yīng)社會(huì)需求，需要定期更新儀器設(shè)備。但受到經(jīng)費(fèi)的限制，實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備更新較為緩慢，而虛擬仿真技術(shù)能夠有效的解決教學(xué)資源緊張的局面，通過(guò)計(jì)算機(jī)信息技術(shù)模擬出不同的虛擬環(huán)境。

1.2 降低教學(xué)運(yùn)營(yíng)成本

在實(shí)驗(yàn)室中做實(shí)驗(yàn)時(shí)，不可避免儀器設(shè)備會(huì)有磨損、損壞情況，需要有專(zhuān)職人員對(duì)其維護(hù)修理。實(shí)驗(yàn)前需進(jìn)行預(yù)做，保證實(shí)驗(yàn)前設(shè)備的正常工作；在運(yùn)行過(guò)程中需要消耗電力等能源、并有耗材產(chǎn)生。實(shí)驗(yàn)后需對(duì)儀器設(shè)備檢查，整理工具，清潔衛(wèi)生等以預(yù)防故障發(fā)生。這無(wú)形當(dāng)中增加了教學(xué)運(yùn)營(yíng)成本。虛擬仿真軟件實(shí)驗(yàn)只需保證電腦軟件正常運(yùn)行即可，而且每次實(shí)驗(yàn)學(xué)生人數(shù)可以適當(dāng)增多。

1.3 減低實(shí)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)

在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)操時(shí)，不可避免存在多種危險(xiǎn)因素。拆裝時(shí)工具的使用；測(cè)量時(shí)工作電壓電流的峰值；場(chǎng)地環(huán)境是否有油漬；衣服、頭發(fā)能否碰到旋轉(zhuǎn)部件、實(shí)驗(yàn)臺(tái)工作的溫度、噪聲等等。但虛擬仿真技術(shù)為學(xué)生提供安全的操作環(huán)境，只需使用鼠標(biāo)鍵盤(pán)即可，并且也能夠完成實(shí)物拆裝、檢測(cè)、原理性實(shí)驗(yàn)。

1.4 提高學(xué)生的學(xué)習(xí)能力

虛擬仿真技術(shù)能夠提高學(xué)生的學(xué)習(xí)能力，讓學(xué)生獲得更為深刻的表象和直觀的認(rèn)知，從而進(jìn)行知識(shí)和認(rèn)知的鞏固。學(xué)生在虛擬練習(xí)中，大腦獲得生動(dòng)、直觀、形象的信息，記憶能力和理解能力得到提升。課上實(shí)驗(yàn)內(nèi)容完成后也可進(jìn)行其他實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的訓(xùn)練，增強(qiáng)學(xué)生的求知欲和探索欲。

1.5 提高教學(xué)工作效率、完善考核機(jī)制

學(xué)生在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)實(shí)際操作過(guò)程中，需要指導(dǎo)教師分組或逐一進(jìn)行指導(dǎo)、評(píng)價(jià)。老師任務(wù)量大，效果不顯著。而利用仿真的軟件，學(xué)生的操作失誤后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)彈出對(duì)話(huà)框，提示無(wú)效操作或禁止操作。學(xué)生再重新梳理知識(shí)結(jié)構(gòu)，反復(fù)練習(xí)，直到掌握知識(shí)點(diǎn)為止。教師對(duì)學(xué)生的考核，只需將試題和標(biāo)準(zhǔn)答案輸入到系統(tǒng)中，學(xué)生隨機(jī)抽題，試卷提交后，自動(dòng)出成績(jī)。

2、專(zhuān)業(yè)虛擬仿真軟件的具體應(yīng)用

2.1 車(chē)用電機(jī)仿真軟件的應(yīng)用

新能源汽車(chē)與傳統(tǒng)汽車(chē)的區(qū)別在于動(dòng)力源不同，其中一部分靠電機(jī)來(lái)提供動(dòng)能，有仿真軟件的電機(jī)的類(lèi)型有：直流電機(jī)、交流異步電機(jī)、永磁同步電機(jī)。利用軟件可以掌握電機(jī)的工作原理、結(jié)構(gòu)組成、裝配關(guān)系等。以直流電機(jī)為例：

圖2 直流電機(jī)組成與裝配關(guān)系

2.2 純電動(dòng)汽車(chē)仿真軟件的應(yīng)用

純電動(dòng)汽車(chē)由整車(chē)控制器、動(dòng)力電池系統(tǒng)、電機(jī)系統(tǒng)、充電系統(tǒng)及部分組成，結(jié)合虛擬仿真軟件，運(yùn)行虛擬拆裝模塊中動(dòng)力系統(tǒng)模型，透視或隱藏觀察內(nèi)部零部件的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)過(guò)程。

圖3 電動(dòng)汽車(chē)車(chē)架透視

圖4 電動(dòng)汽車(chē)車(chē)架隱藏

圖5 電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電機(jī)拆解

2.3 普銳斯混合動(dòng)力仿真軟件的應(yīng)用

普銳斯混合動(dòng)力仿真軟件可使學(xué)生了解混合動(dòng)力的基本構(gòu)造及工作原理。掌握不同工況下，能量流動(dòng)關(guān)系。利用虛擬仿真軟件可對(duì)普銳斯發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器進(jìn)行模擬拆解，掌握各元件的裝配關(guān)系。

圖6 普銳斯發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)

結(jié)合仿真軟件演示普瑞斯混合動(dòng)力系統(tǒng)行星變速機(jī)構(gòu)、MG1電機(jī)、MG2電和發(fā)動(dòng)機(jī)之間的連接形式，可以任意放大、縮小和360度旋轉(zhuǎn)，從不同角度觀察各機(jī)構(gòu)連接的細(xì)節(jié)。在8種典型工況(汽車(chē)起動(dòng)、低速行駛、起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)、低載荷循環(huán)、爬坡/急加速、制動(dòng)、倒車(chē)、停車(chē))下，三維互動(dòng)軟件演示動(dòng)力電池、逆變器、MG1電機(jī)、MG2電機(jī)、行星排之間能量流動(dòng)的關(guān)系。如啟車(chē)模式：充分利用電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的低速扭矩。當(dāng)汽車(chē)啟動(dòng)時(shí)，TOYOTA油電混合動(dòng)力系統(tǒng)僅使用由HV蓄電池提供能量的電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力啟動(dòng)，這時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)并不運(yùn)轉(zhuǎn)。因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)不能在低旋轉(zhuǎn)帶輸出大扭矩，而電機(jī)可以靈敏、順暢、高效地進(jìn)行啟動(dòng)。點(diǎn)火啟動(dòng)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)將進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，直至充分預(yù)熱。

圖7 普銳斯變速器結(jié)構(gòu)

圖8 變速器各部件的連接形式

圖9 啟車(chē)模式能量傳遞過(guò)程

3、結(jié)論

利用計(jì)算機(jī)仿真模擬系統(tǒng)來(lái)部分替代實(shí)物實(shí)訓(xùn)操作作為輔助教學(xué)手段，不僅可行而且具有顯著優(yōu)勢(shì)。仿真系統(tǒng)可以降低教學(xué)成本，提高學(xué)習(xí)效率，今后也將是大勢(shì)所趨。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，建模成本及開(kāi)發(fā)成本有望進(jìn)一步降低，且更具有互動(dòng)性和真實(shí)感的模擬系統(tǒng)將會(huì)不斷的推陳出新，并投入到實(shí)際應(yīng)用中去。

[1] 李海瓊.虛擬仿真技術(shù)在汽車(chē)維修教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].山西青年,2016,07:222.

[2] 奚德琳.基于計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在汽車(chē)實(shí)訓(xùn)教學(xué)中應(yīng)用的需求及可行性分析[J].電子測(cè)試,2015,09:119-121.

[3] 王建鋒,陳香香.仿真軟件在汽車(chē)維修實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國(guó)教育技術(shù)裝備,2013,06:135-137.

[4] 段敏等.新能源汽車(chē)工程專(zhuān)業(yè)方向?qū)嶒?yàn)（實(shí)踐）教學(xué)體系[J].遼寧工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2016,04:106-111.

Virtual Simulation Software in Experimental Teaching New Energy Vehicle Engineering Major

Zhang Zhongyang, Zheng Limin, Sun Xiaobang, Zhang Daming, Zhang Liping, Gao Yu
(Auto&Transportation Engineering College, Liaoning University of Technology, Liaoning Jinzhou 121001)

With the rapid development of computer technology, simulation technology applications more widely. New Energy Vehicle Engineering students the ability to pay attention, based on the limitations of existing conditions and experiment, it is difficult to meet the professional needs, and therefore the use of simulation software technology to enable students to grasp a more profound theoretical and practical knowledge of the operation. This paper mainly on virtual simulation software characteristics and the specific application in teaching.

Virtual simulation; New energy vehicle engineering; Experimental teaching

U467

A

1671-7988 (2016)12-210-03

張忠洋（1983-），男，工程師，就職于遼寧工業(yè)大學(xué)汽車(chē)與交通工程學(xué)院。

2016年遼寧工業(yè)大學(xué)教改研究項(xiàng)目（2016090）。