汽車電子電氣課程實踐教學(xué)快速原型開發(fā)教學(xué)設(shè)計

孫慧玉 羅紹新 顧新艷

摘? 要 汽車電子電氣是車輛工程以及汽車服務(wù)工程專業(yè)人才培養(yǎng)方案中的專業(yè)核心課程，理論課程與實踐課程的相互融合能夠有效地提升學(xué)生的專業(yè)技能。首先針對汽車電子電氣實踐教學(xué)中存在的問題進行深入剖析，然后以RapidECU-EDU電控開發(fā)平臺作為實踐教學(xué)平臺，基于控制器快速原型開發(fā)的教學(xué)理念設(shè)計汽車電子電氣實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，使學(xué)生能夠在實踐教學(xué)中深刻掌握新能源汽車開發(fā)和測試流程，從而達到提升學(xué)生專業(yè)技能的目的。

關(guān)鍵詞 新能源汽車;汽車電子電氣;實踐教學(xué);快速原型開發(fā);RapidECU-EDU電控開發(fā)平臺

中圖分類號：G642.0? ? 文獻標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2021）20-0012-03

Teaching Design of Rapid Prototype Development for Practical Course of Automotive Electronics and Electricity//SUN Huiyu， LUO Shaoxin， GU Xinyan

Abstract Automotive Electronics and Electricity as a core course in

the talent training program of the Vehicle Engineering and Automo-tive Service Engineering majors. The integration of the practical tea-ching and theoretical teaching can effectively improve the teaching efficiency. Firstly， the problems existing in the practical teaching steps of the Automotive Electronics and Electricity are analyzed in?this paper. Secondly， the practical course of the Automotive Elec-tronics and Electricity based on the concept of the rapid control pro-totype development and the practical teaching platform of Rapid-ECU-EDU electronic control development platform is designed. This can enable the students to deeply understand the development and testing process of new energy vehicles in practical teaching. The?purpose of improving the effect of practical teaching can be achieved.

Key words new energy vehicles; automotive electronics and elec-tricity; practical teaching; rapid prototype development; RapidECU-EDU electronic control development platform

0? 引言

目前全球能源環(huán)境壓力不斷增大，各國相繼推進能源改革，新能源汽車產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展已經(jīng)成為順應(yīng)世界潮流的發(fā)展趨勢。從“十五”計劃到“十三五”規(guī)劃[1]，隨著國家從早期的行政指導(dǎo)到如今各領(lǐng)域全方位戰(zhàn)略部署，目前我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)已經(jīng)形成一定的市場規(guī)模。對比傳統(tǒng)汽車，新能源汽車在能源結(jié)構(gòu)和動力來源上的選擇更加豐富，但這也直接導(dǎo)致了其動力控制、驅(qū)動技術(shù)以及結(jié)構(gòu)性差異，因此，汽車電控技術(shù)成為新能源汽車研發(fā)的關(guān)鍵。同時，當(dāng)今互聯(lián)網(wǎng)時代產(chǎn)業(yè)競爭激烈、科學(xué)技術(shù)生命周期短暫，為了使新能源汽車行業(yè)能夠進入良性循環(huán)，縮短系統(tǒng)測試時間和成本，加快系統(tǒng)集成匹配，汽車電控系統(tǒng)的開發(fā)效率亟待進一步提高。

南京工程學(xué)院是應(yīng)用型本科院校，培養(yǎng)具備較高實踐和創(chuàng)新能力的新型應(yīng)用型人才是義不容辭的責(zé)任和使命，因此，實踐教學(xué)環(huán)節(jié)是南京工程學(xué)院人才培養(yǎng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本文針對專業(yè)課程汽車電子電氣的教學(xué)目標(biāo)，設(shè)計基于控制器快速原型開發(fā)的實踐環(huán)節(jié)，使學(xué)生能夠在實踐中熟悉和掌握新能源汽車開發(fā)和測試流程，最終實現(xiàn)提升學(xué)生專業(yè)技能的目的。

1? 課程特點及教學(xué)目標(biāo)

汽車電子電氣是車輛工程以及汽車服務(wù)工程專業(yè)人才培養(yǎng)方案中的專業(yè)核心課程，主要介紹汽車供電系統(tǒng)、發(fā)動機系統(tǒng)、點火系統(tǒng)、儀表照明系統(tǒng)、電控自動變速器、電控空氣懸架系統(tǒng)、電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、巡航控制系統(tǒng)、廢氣再循環(huán)系統(tǒng)、車身CAN總線等系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理。汽車電子技術(shù)作為現(xiàn)代汽車發(fā)展的三大方向之一，在現(xiàn)代汽車中的地位越來越高。汽車電子電氣是基于汽車行業(yè)對汽車電子電氣技術(shù)這一專門化技術(shù)人才的需求而設(shè)置的，因此，實踐教學(xué)在車輛工程專業(yè)和汽車服務(wù)工程專業(yè)中占據(jù)著非常重要的地位。通過實踐教學(xué)課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握常用汽車電子電氣控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)以及工作原理，培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計汽車電子電氣的能力，為學(xué)生學(xué)好后續(xù)專業(yè)課程、完成相關(guān)實踐教學(xué)和走上工作崗位打下必要基礎(chǔ)。

2? 傳統(tǒng)實踐教學(xué)存在的問題

汽車電控實踐教學(xué)是培養(yǎng)和訓(xùn)練學(xué)生使用和設(shè)計汽車電子控制系統(tǒng)能力的主要措施。目前，南京工程學(xué)院汽車電控實踐教學(xué)以車輛工程實驗中心汽車電控實驗室的汽車電子控制仿真實訓(xùn)系統(tǒng)為對象，設(shè)計實驗方案、實驗指導(dǎo)書和實驗報告要求等，要求每組學(xué)生分別完成指定汽車電子控制仿真實訓(xùn)系統(tǒng)的實驗設(shè)計和開發(fā)，并獨立完成實驗。然而，多年來汽車電控實踐教學(xué)仍然存在許多問題[2-4]。

2.1? 實踐教學(xué)和社會需求存在偏差

目前國內(nèi)汽車電控實踐教學(xué)主要還是模仿或引進老牌汽車電控系統(tǒng)開發(fā)平臺供應(yīng)商的開發(fā)產(chǎn)品套件，對常用的電控系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)信號進行檢測和分析。這種實踐教學(xué)模式存在諸多缺點：1）汽車電控系統(tǒng)的故障均是人為設(shè)置，實踐教學(xué)的內(nèi)容與實際應(yīng)用需求不能真正相呼應(yīng);2）由于實踐教學(xué)資源陳舊，教師工程實踐能力不足，導(dǎo)致實踐教學(xué)與社會需求出現(xiàn)偏離，降低了學(xué)生的積極性和就業(yè)競爭力;3）學(xué)生通過實踐教學(xué)深入掌握新能源汽車開發(fā)和測試的流程比較困難。

2.2? 新能源汽車電控開發(fā)測試門檻高

目前，國內(nèi)汽車電控系統(tǒng)主要包括瀑布式以及“V”字形兩種開發(fā)模式[5]，且以“V”字形開發(fā)模式為新能源汽車電控系統(tǒng)開發(fā)方法中的主流。然而，V-模式對于新能源汽車電控開發(fā)并不是非常理想：1）V-模式電控產(chǎn)品級代碼存在優(yōu)化空間;2）V-模式電控系統(tǒng)控制功能僅支持專用設(shè)備對控制參數(shù)的修改，升級成本高。這些問題給學(xué)校以及學(xué)生掌握新能源汽車開發(fā)測試的流程設(shè)置了較高的門檻。同時，這種開發(fā)模式要求汽車研發(fā)廠商必須具備完善的軟硬件開發(fā)實力，不利于新能源汽車產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

3? 快速原型模式實踐教學(xué)設(shè)計

為了解決上述問題，本文以汽車電子電氣實踐課程中的“電子節(jié)氣門PID控制”為例，基于控制器快速原型開發(fā)理念設(shè)計該課程的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，深入研究針對新能源汽車電控系統(tǒng)的實踐教學(xué)平臺。

3.1? 實踐教學(xué)平臺概述

汽車電子電氣的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)主要利用RapidECU-EDU電控系統(tǒng)開發(fā)教學(xué)實驗箱為開發(fā)平臺，如圖1所示。Rapid-

ECU-EDU電控系統(tǒng)開發(fā)教學(xué)實驗箱是華?？萍纪瞥龅男乱淮娮涌刂萍夹g(shù)開發(fā)教學(xué)平臺，可應(yīng)用于混合動力汽車、純電動汽車動力控制、蓄電池管理等多種新能源汽車電控場景中。RapidECU-EDU電控開發(fā)平臺主要包括EDU電控實驗箱一套，負(fù)載試驗臺一套，全自動代碼生成工具ECU Coder 一套，以及標(biāo)定與測量工具Meca一套。

EDU電控實驗箱主要由箱蓋、EDU控制器、箱體、鑰匙開關(guān)、液晶顯示器、CAN適配器及線束存放處、底板、曲軸凸輪軸信號發(fā)生器組成。其中，EDU控制器專門用于教學(xué)實驗使用的快速原型控制器，硬件內(nèi)核使用主流的汽車控制器芯片MPC5634，可以通過MeCa上位機軟件任意修改控制器內(nèi)部運行的軟件算法，實現(xiàn)多種多樣的快速控制原型機。

ECUCoder是基于MATLAB/Simulink的全自動代碼生成工具，支持英飛凌、飛思卡爾、意法等知名廠家的汽車電控系統(tǒng)主流芯片，用于配置ECU控制算法模型并自動生成產(chǎn)品代碼。

車輛控制系統(tǒng)的基本功能實現(xiàn)后，還需要對ECU的控制參數(shù)進行標(biāo)定，以實現(xiàn)控制參數(shù)的優(yōu)化。MeCa是通用的ECU測量標(biāo)定工具，提供豐富的圖形控件和全圖形化的用戶界面，進行測量數(shù)據(jù)顯示與標(biāo)定參數(shù)的在線調(diào)整。

3.2? 快速原型模式實踐教學(xué)設(shè)計

以控制器快速原型開發(fā)為理念的實踐教學(xué)依據(jù)“電子節(jié)氣門PID控制”實例，將實踐教學(xué)設(shè)計為Simulink模型搭建、全自動代碼生成以及Meca標(biāo)定與測量三個階段。

Simulink模型搭建階段主要是利用RapidECU-EDU電控系統(tǒng)EDU控制器，同時聯(lián)合MATLAB/Simulink軟件進行Simulink模型搭建。首先，安裝ECUCoder軟件，ECUCoder提供功能豐富的Simulink模塊庫，可以將EDU快速原型控制器集成于Simulink中，無須手動集成和干預(yù);其次，進入Simulink的ECUCoder for MPC56xx模塊庫，選擇Rapid-

ECUSetting模塊及EngineApplication模塊，即可以進行快速原型控制器Simulink模型搭建;最后，根據(jù)“電子節(jié)氣門PID控制”的實踐要求，在功能模塊中導(dǎo)入加速踏板、節(jié)氣門以及電機等系統(tǒng)外接模塊，搭建電子節(jié)氣門PID控制模型。

全自動代碼生成階段即利用全自動代碼生成工具ECU0-Coder，利用Simulink模塊庫，通過用戶界面直觀地配置ECU控制算法模型，并由模型自動生成產(chǎn)品代碼。

Meca標(biāo)定與測量階段即將生成的可執(zhí)行文件通過CAN適配器下載到EDU控制器硬件中，導(dǎo)入a2l標(biāo)數(shù)據(jù)庫，將上位機與EDU硬件通信，實現(xiàn)控制軟件的測量與標(biāo)定。

根據(jù)“電子節(jié)氣門PID控制”的實踐要求，即要求精確控制汽車節(jié)氣門開度，使得發(fā)動機運行于最佳工況。電子節(jié)氣門PID控制效果如圖2所示，可以看出，電子節(jié)氣門的位置信號完全可以實時地跟蹤上加速踏板的位置信號，系統(tǒng)能夠解決精確控制電子節(jié)氣門位置問題。

4? 結(jié)束語

本文基于控制器快速原型模式的教學(xué)理念，設(shè)計了汽車電子電氣的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，并且通過“電子節(jié)氣門PID控制”具體實例進行詳細(xì)說明和驗證?；诳刂破骺焖僭烷_發(fā)的教學(xué)模式可以使學(xué)生掌握快速原型控制器、自動代碼生成軟件、測量與標(biāo)定軟件等開發(fā)工具的使用，自主完成汽車電子控制系統(tǒng)的開發(fā)，在實踐教學(xué)中更加深刻地領(lǐng)悟新能源汽車的開發(fā)和測試流程。同時，能夠為課堂帶來豐富的基于項目的學(xué)習(xí)體驗，將教學(xué)和研究提升一個層次，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力?！?/p>

參考文獻

[1]閆建星.新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展中政策工具選擇研究[D].北京：華北電力大學(xué)，2019.

[2]王英杰，楊樹峰.《汽車電器與電子控制》課程實驗教學(xué)探索[J].汽車實用技術(shù)，2019（24）：214-216.

[3]屈敏，張雨，趙建華.車輛工程專業(yè)新能源汽車內(nèi)涵方向?qū)嶒灲虒W(xué)的改革與實踐[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2013（21）：54-57.

[4]羅紹新.應(yīng)用型本科院校學(xué)生工程實踐能力培養(yǎng)的研究與實踐[J].南京工程學(xué)院學(xué)報（社會科學(xué)版），2016，16（2）：65-68.

[5]鐘家明.新能源汽車電控系統(tǒng)二次開發(fā)平臺研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2015.