动力电池训练“包”设计

李伯勇　黄绍金　赖城贤　林艺华

摘 要：随着动力电池更换期的到来，人们发现动力电池更换价格赶上了传统汽车，而动力电池的维修人员缺失，动力电池训练“包”就应运而生，动力电池训练“包”主要是模拟新能源汽车动力电池维修，由动力电池训练包以及线上课程组成，其课程内容自由选取训练包中的配件进行元器件识别，以及在实训过程中可根据实训指导书及电气原理图进行电池成组。动力电池训练“包”由30cell磷酸铁锂电池、车规级分布式电池管理系统、散热式负 载、功率电阻、国标交流充电口、车载充电机、接触器，熔断器、直流数显表、水泥电阻、薄膜电容、平板电脑、原厂级上位软件等放置拉杆式铝塑箱内，箱内置泡沫卡托可保证放置所有配件不会在移动过程中产生碰撞。发生触电时，训练箱内置紧急制动开关保证使用者安全，使维修人员的安全得到充分的保障，可以快速解决当下新能源维修人才市场空缺。

关键词：新能源电动汽车 动力电池 培训教学 动力电池系统

1 引言

目前，在我国汽车制造业快速转型升级的背景下对于汽车职业技能人才的需求日益剧增，在这样的市场需求下，本产品在一定程度上满足了各类院校、4S店及汽车新能源技能培训机构对于人才培养实训的需求。在这种环境下，新能源电动汽车逐渐得到民众的认可和接受[1]。新能源电动汽车不仅减少了对燃油的消耗，与此同时也杜绝了燃油燃烧时产生的尾气污染。新能源电动汽车以电力作为驱动能源，一旦电力耗尽，汽车也就无法再运行，因此给电动汽车进行充换电至关重要。

随着科学技术不断的更新迭代，高校实验设备亟待更新，实验室设备及装备行业市场需求巨大，国内不断有新企业瞄准这块“蛋糕”，很多外国生产设备商也纷纷跟紧脚步进入国内市场，抢占先机。但是现在新能源汽车动力电池维修的市场会维修的特别少，车主对汽车维修厂（维修难度大，不放心）、4S店（价格昂贵耗时长）、返厂维修（太麻烦，异地维修，且耗时长）；并且现在维修新能源汽车动力电池并不安全，存在着高压及维修“后遗症”的危险。

据国内领先的汽车产品信息收集平台车质网的统计数据显示，2021年国内纯电动车动力电池故障总投诉量上涨30.9%。由此可见在现代新能源汽车发展的趋势下动力电池故障频频发生，市场需要一款可以快速培养维修动力电池人才的产品。

现在实训教学是高校培养人才必不可少的一部分；在基础教育阶段，新能源汽车实验室、电池检测实验室在教学中的应用，可以发挥学生的创作力，激发学习热情。

2 训练包结构组成

新能源动力电池训练“包”的整体组成设计：电源模块：车载充电机、72V电池组、12V蓄电池；控制模块：主控模块、从控模块；执行模块：放电负载、维修开关、组装台；其他模块：导线、CAN导线。如图1所示。

3 硬件电路设计

我们根据电源模块、控制模块、执行模块、其他模块来实现新能源汽车动力电池模块的模拟，可以让维修人员在后续的维修时提高安全性，可以让维修新能源汽车的人员增多，更好的推进新能源汽车的政策要求。

3.1 维修单元

维修单元主要负责车辆电池信息读取、故障码查询、故障点查询。根据该单元所负责的内容，该单元硬件设备包括：车载充电机、72V电池组、12V蓄电池、主控模块、从控模块、放电负载、维修开关、组装台、導线、CAN导线。

（1）车载充电机是一种固定安装在电动汽车上的充电机，具有为电动汽车动力电池，安全、自动充满电的能力，充电机依据电池管理系统（BMS）提供的数据，能动态调节充电电流或电压参数，执行相应的动作，完成充电过程[2][3]。如图2所示。

（2）72V电池组主要用于给动力电池训练“包”提供足够电力，保证在培训和维修时保持电力供给，主要由6个12V蓄电池串联而成。

（3）12V蓄电池主要用于给非高压设备的其他设备供电，主要包括：主控模块、从控模块、CAN导线等等。

（4）主控模块主要作用是控制整个训练包的电路和故障查询、设置故障点等等，是整个设备的核心，可以更好配合培训人员完成操作。

（5）从控模块主要用途是辅助主控模块完成故障查询、设置故障点等等，同时控制其他设备与主控模块进行交互。更好完成教学。

（6）放电负载是一个执行元件，可以通过主、从控制模块的设置故障点，主要用途是给蓄电池组深度放电维护和容量检测的仪器，具有功率大、安全性高、使用寿命长等特点，在测试过程中能实时显示电压、电流等数据；经过参数设定后，自动恒流或恒阻控制完成动力电池容量试验。如图3所示。

（7）维修开关主要用途是在维修动力电池时候给维修人员安全，在拔开维修开关时整个电路断路。

（8）组装台可以让整体更整洁、方便、轻松，使维修人员的操作更加规范舒适；可以任意设计，可以模拟多种车辆的动力电池，设置故障点方便，能大大提高培训质量。

（9）导线是连接各设备的重要元件，也是最容易设置故障点的地方，导线的规格主要看电压、电流的大小。

（10）CAN导线的作用就是将执行器、控制模块、各种传感器等多个控制单元连接在一起，实现信息的实时同步。

3.2 设置故障点单元

故障点单元包括两个部分：故障点设置、故障点监控。

故障点设置：根据教学目的，结合教学内容，选择合适的故障点进行设置，本产品通过对电池进行检测，设置故障点；由于电池出现的问题会影响到车辆的动力性能、安全性能、续驶里程等。本产品通过设置不同的故障点，让学员可以了解不同的故障情况，并且在规定的时间内完成对应的动作；通过对电池进行检测，确定电池是否存在问题。

本产品在设置故障点单元主要分为人为故障和自然故障；主要是让培训人员可以更好应对各种故障情况。

人为故障：汽车制造和维修过程中，由于零件存在瑕疵或装配不规范或者使用不当等人为因素造成的故障。

自然故障：汽车在使用寿命期间，由于外部和内部不可抗拒的自然因素造成的故障。

故障点监控：通过对电池进行检测，确定是否有问题，根据学员掌握情况来进行调整。本产品通过对电池进行检测，确定是否存在问题；从而判断电池是否存在问题。

4 软件设计

本训练包的软件控制部分采用了 LabVIEW软件，该软件以其简洁直观的界面、强大的功能和丰富的命令集等特点，被广泛应用于工业控制、人工智能、数据采集和信号处理等领域。LabVIEW是由美国国家仪器公司开发的一个面向对象的可视化编程环境，具有丰富的功能函数，强大的数据库管理功能和友好的用户界面，是工业控制领域中最流行也是最重要的工具之一。

LabVIEW作为一个虚拟仪器开发环境，已经被广泛应用于仪器仪表、智能仪表、机器人、航空航天、石油化工等行业。LabVIEW可以将系统中所有变量均显示在界面上，并提供统一的操作界面。LabVIEW采用了面向对象设计方法，与 VC++等传统语言相比具有更强的灵活性和更多的功能。LabVIEW采用模块化结构，能够方便地进行程序修改和移植。

5 测试过程及结果分析

使用测试包模拟两种不同的动力电池进行了自放电、动力电池对蓄电池情况、电池内部一致性、动力电池SOH情况，具体测试过程如下：

（1）自放电：我们可以根据两款动力电池情况来模拟动力电池在断路或短路情况下自放电，启动测试包进自放电测试，自放电结果分别为6%和5%；

（2）动力电池对蓄电池情况：我们可以根据动力电池在工作时，DC/DC对蓄电池充电情况的模拟，启动测试包后，给蓄电池进行放电操作，放电容量为800 mAh的动力电池放电容量为750 mAh；电池充电电压为14.5V时，放电电压为13.5V。

（3）电池包内部的一致性：通过软件的设计我们可以控制动力电池内部电流、电压、电容量，让它可以和市场上动力电池达到一致性。

（4）动力电池SOH情况：测试包会根据需要模拟的动力电池从充满状态以一定倍率放电至截止电压所放出的容量与其所对应的标称容量的比值来模拟动力电池的健康情况。

6 结论

动力电池训练包是一款用来进行动力电池充放电性能测试的专用设备，它具有结构简单、易于操作、精度高、操作简单等特点；在保证测试安全的前提下，该训练包的精度高，能满足不同电压等级动力电池的测试要求。与传统的实验室方法相比，该训练包具有操作简单、测试范围广等特点；在保证测试安全的前提下，该训练包能满足不同电压等级动力电池的测试要求。本论文通过对动力电池训练包的设计与开发，为动力电池储能系统和电动汽车等新能源车辆的研发提供了理论依据和数据支持，提高了设计效率。在实际应用中，该训练包还可以用来对动力电池进行老化实验、寿命试验等。此外，该训练包还可以用于电动车等新能源汽车的制造工艺研究、质量检测等领域。在今后的工作中，我们将继续进行研究工作，使之更好地为新能源汽车产业服务。

7 展望

近年来，随着国家对新能源汽车产业的大力扶持，我国新能源汽车产业取得了飞速发展。与此同时，我国新能源汽车产业也面临着巨大的挑战，不仅表现在动力电池产能严重过剩，而且还表现在动力电池安全性差、使用寿命短、充电速度慢等诸多问题。为了解决这些问题，我国提出了“三纵三横”新能源汽车发展战略。“三纵”分别为纯电动汽车（EV）、混合动力汽车（HEV）和燃料电池汽车（FCEV）；“三横”分别为纯电动汽车动力总成技术、插电式混合动力汽车技术和燃料电池汽车动力总成技术[4]。这些战略的实施必将推动我国新能源汽车产业的快速发展，并极大地提升我国在国际新能源汽车市场上的竞争力。作为新能源汽车的重要组成部分，动力电池的研发生产对于推动我国新能源汽车产业的快速发展具有重要意义。本研究针对动力电池的特性，开发了一套动力电池训练包，以提高测试效率和准确性，缩短测试时间。本研究成果可以为新能源汽车相关企业、研究机构提供相关数据和技术支持。

课题来源：福建省大学生创业创新训练项目—动力电池训练“包”设计，项目编号：S202212928022。

参考文献：

[1]徐素秀，谢冰，秦威等.电动汽车充电与换电模式定价及投资策略[J].交通运输系统工程与信息，2021，21（05）：183-189.

[2]黄彩娟.纯电动汽车电路图组成与识读方法——以德系車型大众ID4车型为例[J].专用汽车，2022，No.302（07）：76-78.

[3]刘太彪.车载充电机等电源类设备对信号类设备的干扰探究[J].内燃机与配件，2019，No.287（11）：206-207.

[4]赵福旺. 唐山地区电动汽车换电站建设方案研究[D].华北电力大学，2013.