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摘要：为了更好地呈现知识，激发学生的科研兴趣，深化实验教学改革，构建了一套基于数字孪生的电动汽车动力系统实验教学平台。实体空间包含：电动汽车动力系统和车载动力系统实验平台；虚拟空间包括：数字孪生模型和模拟工况模型。实验教学案例表明该平台能够模拟电动汽车动力系统行为，培养了学生的模型思维能力，建立了科研与教学之间的互动。
关键词：数字孪生；实验教学；云平台；信息物理融合
本文引用格式：汪玉洁等.基于数字孪生的电动汽车动力系统实验教学方案[J].教育现代化，2019，6（83）：76-78.
在互动式[1]和数字化教学[2]成为趋势的今天，实验教学的内容与形式都发生了翻天覆地的变化，实验教学改革势在必行。新形势下的实验教育教学要求实验课堂可视化地呈现知识、概念和模型，为学生提供从问题发现、模型描述、系统分析、决策评价到管理实施的全生命周期实验系统，同时建立起研究与实践之间的反馈、互动机制，充分调动和激发学生的兴趣与积极性，从思维层面引导学生养成系统科学的思维意识、方法和习惯。传统实验教学装置主要由基于实物的实验平台组成，通常需要教师亲自操作实物进行示范，学生根据实验目的设计实验方案，通过实物教学平台操作实验装置获得实验数据，最终根据数据分析得到实验结果汇总整理并撰写实验报告。这种实物操作平台给高校的实验教学带来了很大的局限性。首先，由于学校课程时间与教师人数的限制，在实验选题中不得不放弃一些耗时较长的实验；其次，部分实验装置占地面积较大，实验成本高，难以开展；最后，由于某些实验耗材具有腐蚀性，易燃性等危险性因素，一些实验的安全性难以保证。而虚拟教学平台可以很好地解决上述问题，一些耗时较长的实验可以在虚拟平台上快速实现；另外，一些危险性较高，方案组织困难的实验由于虚拟平台的虚拟性和模块化而得以解决[3]。但是，纯虚拟实验教学平台给学生带来的教育教学体验和直观感受，可操作性等方面远不如实物实验教学平台。基于对上述问题的思考，结合自动化专业对学生的培养要求，本研究基于数字孪生技术，设计了一套新能源电动汽车动力系统半实物实验教学平台，希望通过实验教学的信息化和数字化，加深学生对理论问题的理解，提高学生的实际操作能力与综合实践能力，增强学生独立分析问题和解决问题的能力。
本课题是中国科学技术大学知识表达与智能信息技术实验室《面向新工科的系统工程课程改革与体系建设研究》中的实验教学改革案例。课题组在现有的电动汽车电池测试平台的基础上，构建了一套基于数字孪生的电动汽车动力系统实验教学平台，将学术研究和实验教学结合起来，通过大学生创新创业训练计划、暑期研修计划等，为学生营造了一个开放式的实验研究环境。
一 电动汽车动力系统的数字孪生模型
数字孪生是充分利用系统物理模型、传感器更新、设备运行数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体系统的全生命周期过程，可以被视为一个或多个重要的、彼此依赖的数字映射系统[4]。数字孪生概念可用于系统的设计、开发和运行的各个阶段，目的是基于虚拟空间中的物理模型来解释、预测、优化实际系统[5]。数字孪生关键是如何实现实体空间（物理空间）和虚拟空间（信息空间）的交互与共融。它与基于模型的设计概念的不同之处在于，数字孪生意味着物理模型与真实系统之间的信息传递更加紧密，并且通常是实时性的。
数字孪生的特点之一是信息空间和物理空间的高度融合，这一特点使其能够更准确地描述和刻画系统行为，帮助分析系统性能，指导系统开发和设计，因此更适用于复杂且成本较高的系统，例如：电动汽车动力系统。我们不太可能为汽车的每个零部件构建数字孪生模型，因为这需要耗费大量的时间和精力且可能不会带来多少投资回报。然而，电动汽车的电池组是一个成本相对较高的系统，通过对电动汽车动力电池系统构建数字孪生模型并对其实体实施管理，能够帮助我们有效管理电池组。
电动汽车的电池管理是一个系统科学问题，可靠、精细化的管理和控制对保障车辆和车乘人员的安全至关重要[6]。电池系统的实体空间应当包含实体电池包和带有传感和控制单元的管理系统，而虚拟空间则包含电池组模型，数据和信息的传递将实体空间与虚拟空间联系起来。通常我们可以通过获取实体空间的数据来辨识虚拟空间的电池模型参数，并且在相对长的时间尺度内完成参数的更新。另一方面，我们可以通过虚拟空间的电池模型高保真地虚拟映射电池的实体行为，包括估计电池状态，推演电池的老化规律，从而帮助我们更好的管理电池组。借助云平台，我们可以更好的实现数字孪生模型与实体的交互，包括向驾驶员发送估计电池组健康状态的数据，检测电池异常信息并预警；通过准确的荷电状态估计，预测电池的剩余放电时间；通过对功率状态的估算，防止充电过程中请求电流过大和行驶过程中回馈电流过大，在存在过温、欠温等风险时限制电池功率等。图1为基于云平台的电动汽车数字孪生构架。
二基于数字孪生的实验教学平台设计方案
图2为基于数字孪生的电动汽车动力系统实验教学平台示意图。其中，实体空间包含：电动汽车动力系统和车载动力系统实验平台；虚拟空间包括：数字孪生模型和模拟工况模型。车载动力系统实验平台又包括：多通道电池测试系统（新威尔BTS-8000），程控恒温箱（GDW-100L），动力电池包和高性能服务器。数字孪生模型能够高保真地映射电动汽车动力系统，通过将模拟工况导入数字孪生模型，可以计算出电动汽车动力系统的实际输出功率，再通过车载动力系统实验平台将工况加载到实际动力电池包，最后通过服务器收集实验数据。电池测试系统包含多个通道，学生可根据实验要求设计不同的汽车行驶工况，并通过数字孪生模型进行数值模拟，经过教师授权后加载在不同的电池包上。在实验结束后，教师和学生可通过TCP/IP获取服务器上的电池测试数据，并进一步进行数据分析。
三 实验教学案例分析
图2基于数字孪生的电动汽车动力系统实验教学平台示意图用，本章给出了电动汽车动力系统仿真的具体实验教学案例说明。教学案例中的实体空间研究对象包括：车辆为了更好地说明数字孪生技术在实验教学中的作 实体和锂电池包实体，其中车辆参数如下：车辆总质量：1381kg；传动系统效率：0.9；空气密度：1.202kg/m3；迎风面积：2m2；空气阻力系数：0.3；转动惯量修正系数：1.04。电池包单体选择磷酸铁锂电池，单体工作电压为：2.5~3.65V，容量12Ah。电池包串并联数：110串6并。案例中的虚拟空间模型主要包括两部分：车辆动力学模型和动力电池系统模型，上述模型的实现可以借助动态系统建模、仿真和分析集成开发环境Matlab/Simulink®。
以美国环保局EPA城市道路循环工况（图3（a））为例，通过车辆动力学模型可以计算出车辆需求功率如图3（b）所示。动力锂电池系统模型采用一阶RC等效电路模型[7]。该模型包括一个开路电压源，一个欧姆内阻和一个用于模拟电池极化线性的RC网络，图4（a）为采用UDDS工况进行测试的电池单体实际电压与模型输出电压的对比。图4（b）为UDDS工况下的电压预测误差，由图可知电池的电压预测误差在±15mV。
四 结论
本研究基于数字孪生技术，设计了一套新能源电动汽车动力系统半实物实验教学平台，其中实体空间包含：电动汽车动力系统和车载动力系统实验平台；虚拟空间包括：数字孪生模型和模拟工况模型。该平台能够高保真模拟车辆动力学模型和电池的充放电行为，向学生直观地呈现了物理模型概念，建立了科研与教学的互动，调动了学生在实验环节的积极性，为其后续科研奠定了基础。
参考文献
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[3]牛龙平.“虚拟教学,虚拟实验”系统的研究与应用[J].高等理科教育,2005,2:82-84.
[4]庄存波,刘检华,熊辉,等.产品数字孪生体的内涵,体系结构及其发展趋势[J].计算机集成制造系统,2017,23(4):753-768.
[5]陶飞,刘蔚然,刘检华,等.数字孪生及其应用探索[J].计算机集成制造系统,2018,24(1):1-18.
[6]汪玉洁.动力锂电池的建模,状态估计及管理策略研究[D].中国科学技术大学,2017.
[7]Wang Y,Liu C,Pan R,et al.Modeling and state-of-charge prediction of lithium-ion battery and ultracapacitor hybrids with a co-estimator[J].Energy,2017,121:739-750.
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