翟娟 彭泉

摘要： 在“互联网+”背景之下，以“学科竞赛”为手段，打造电气专业的实践课程“金课”。文章以“电动车智能充电桩”为例，从选题背景、方案设计、方案实施、竞赛过程遇到的困难、赛后感悟等方面介绍了该项目参与“全国大学生节能减排社会实践与科技竞赛”的参赛过程。

关键词： 金课; 学科竞赛; 节能减排大赛; 充电桩

中图分类号：G642          文献标识码：A       文章编号：1006-8228（2021）10-99-04

Construction of "golden course" of practice courses for Electrical Specialty

in the context of "Internet plus"

Zhai Juan， Peng Quan

（Guangling College， Yangzhou University， Yangzhou， Jiangsu 225000， China）

Abstract： In the context of "Internet plus"， the "golden course" of practice course for electrical specialty should be build with the "discipline competition" as a means. Taking "intelligent charging pile for electric vehicle" as an example， this paper introduces the participation process of the project in the "National College Students' Social Practice and Science and Technology Competition on Energy Conservation and Emission Reduction" from the aspects of topic selection background， scheme design， scheme implementation， difficulties encountered in the competition and post competition perception.

Key words： golden course; discipline competition; competition on energy conservation and emission reduction; charging pile

0 引言

“全国大学生节能减排社会实践与科技竞赛”是一门专业学科竞赛。此竞赛紧扣“节能减排，绿色能源”的主题，围绕国家的重大需求，解决能源与环境保护的问题，竞赛具有很强的导向性、示范性和群众性。比赛每年举办一次，截止到 2020 年已经成功举办13届，涉及机械、资源、建筑、电气、海洋、化学、材料、能源、社会、经济、矿业等多个专业。

扬州大学广陵学院从2017年开始参加节能减排竞赛，对此竞赛非常重视，每年推选十个以上的作品参加国赛，择优推荐，我们的作品都是经过层层打磨，充分锻炼学生的实践创新能力，其中我院在2020年第13届节能减排大赛国赛中荣获两个三等奖，在选题，方案设计，电路搭建，申报书填写，说明书的制作中，在指导老师的指导下，团队成员克服困难、团结协作，认真完成了整个项目的设计。

1 选题的背景及意义

因为出行便捷，电动车成为人们日常通行的主要交通工具之一，目前我国市面上电动车数量接近三亿辆，此外每年电动车的产量也在数千万辆以上[1]。在使用人数、使用量众多的情况下，电动车的充电安全问题、电能节约问题不容小觑[2]。经过参赛成员大量的查阅文献后，与指导老师充分交流后，决定以电动车为研究对象，设计主要针对电池过充问题。过充是对电池造成严重损伤行为之一，具有重大安全隐患，严重的可能會造成爆炸、起火等事故，危害人身、财产安全。据研究，以锂电池为例，当锂电池充电达到120%SOC（State of charge，荷电状况，电池剩余容量状况，取值0-1，SOC=1时电池充满电）时，容量开始发生衰减，当电池的电荷量到140%SOC时，电池的内部会发生巨大的变化，氧化的电解液会使电池不断膨胀，并导致短路、破裂等症状的出现，电池的正负极也会发生锂损耗。Randolph教授的研究报告指出，锂离子电池的失热情况与过充有关，在这种状态下，电池内部温度可能会高达200℃。研究标明，在电池过充的情况下更容易引发安全事故[3]。2015年深圳市一辆电动车在动力电池过充72分钟后电池出现热失控、电解液泄漏等问题，并造成了短路，引发火灾，酿成了严重的经济安全问题。

据统计，全国每年发生的火灾中有近一半是由于电池充电问题引发的，因此解决电动车过充的问题，不仅利于电能使用、延长电池的使用寿命，更可以避免更多更大可能出现的严重问题。

2 竞赛的实施

2.1 实验方案的制定

目前市面上对电动车进行充电的方式大多采用变压器加输电线的组合，用户一端连接家用电源或者专用电源，通过变压器将电压降低至合适的电压值，再给电动车充电，这样的充电方式既没有电流电压的检测与保护，也没有对充电的时间进行限制，很容易出现电压异常或者过充的情况，对生命财产安全造成严重的威胁，即便是一些专业的充电桩也缺少上述的两种保护，严重威胁的用户的安全。

为了解决电压异常造成的危险情况，设计通过使用电压检测模块和ADC0832模/数转换芯片的组合，对充电电源的电压值进行监测并输出模拟量至ADC0832芯片，模/数转换后，将得到的数字量与系统的设置值进行对比，若高于设定值则关断继电器停止充电以达到安全保护[4-6]。

设计通过使用单片机内部的定时器实现对时间的计时控制，用户将时间设置完成后，单片机的定时器会每1ms差生一个时钟脉冲信号，通过对脉冲信号的计数完成精确的计时，计时完成时，而发送高电平信号时，继电器断开，完成充电[7]。

此外，设计还添加了蓝牙通信功能，将蓝牙模块接入单片机的串口通信，实现单片机与手机的数据传递，完成手机对继电器的无线控制，并获取继电器当前状态的实时数据。结构框图如图1所示。

2.2 仿真图与实物展示

因为蓝牙模块是外接模块，所以并未进行软件仿真调试，其余部分均在PROTUES软件中进行仿真。

按照设计要求，将原理图绘制完成并且检查没有错误以后，在PROTUES软件中添加hex文件，进行仿真调试，调试如图2所示。实物模型如图3所示，实物焊接图如图4所示。

2.3 创新点及应用

2.3.1 创新应用点

⑴ 此设计可以作为“开关”连接在任意充电线路中，因此可以在实际生活中灵活运用，方便人们使用。

⑵ 可以根据用户需求自主选择充电时间，到时后自动断电，避免了电池过充的危险也可以节约电能，节能环保。

⑶ 使用无线传输模块，用户可以使用手机App远程操作设备，在实际生活中有很高的使用价值。

⑷ 此设备可以作为共享设备，人人都可以通过手机端控制使用，一台设备智能连接一部手机，他人无法干扰其使用，符合当先共享、节约的主题。

2.3.2 同类产片对比

从某网购平台搜索电动车充电设备，拥有自动断电功能的充电桩基本上价格昂贵且体积庞大，如图5所示，与之相比，本设计功能相同但加个比它便宜的多。如图6所示不仅价格比较昂且，且使用不便利，也没有安全保护、自动断电等保护功能。

3 师生合作

经过指导老师与团队成员的多次交流与讨论后，老师对选题的肯定并且指出要发挥我们电气专业的优势，又要与节能减排竞赛的主题靠拢，充分解决电动车过充问题。参赛队伍的学生认真调研市场上的电动汽车充电时的慢充、快充、快换三种状態，针对市场上充电时间长、对电池的损伤较大等情况，想到了智能充电桩的设计。学生以之前学习单片机参加蓝桥杯竞赛为桥梁，利用所学知识设计了以STC89C52为核心的单片机[8-11]。采用定时器功能进行时间设定，通过继电器控制来断开电源，这样用户就不用担心充电时长的问题，设置充电时长，既节约能源，又保护电路。在和指导老师商讨后，老师充分肯定了学生的想法，鼓励学生们朝着这一方向研究，并且老师更加强调了两点：①智能充电桩的安全性。这要求我们充分利用传感器模块，智能检测每一台设备的安全性，在保障安全可靠的情况下，充分结合节能减排竞赛的主题与精神。②结合多元化因素去完成，例如手机检测与提醒等。这就要求不仅在硬件设备上，也在软件上有所研究与涉猎，这给学生后续的研究提供了宽阔的思路。

在产品硬件制作上，老师鼓励学生买设备，进行不断尝试后搭建了一个初步模型。对于硬件内部的驱动程序，学生自主完成所有驱动存在困难。在蓝牙模块中，因为编译的程序时长发生错误或者有细微的功能没有实现等，老师会和学生一起查找错误，并且对错误的原因和语句进行分析和讲解。此外，老师会邀请专业的指导老师来做语句检查与点评，学生也会认真学习，并且在课后查找大量资料，最终顺利完成。学生利用了inventor2软件进行了手机App的设计，这也是学生第一次使用图形化编程软件，根据需求设计添加模块。团队内学生分工合作，通过自学最终完成且超额完成了手机App的应用创建。App有打开和关闭继电器两种功能，可以适当地增加手机端的定时功能和电压电流的监测功能，使用户在手机端就可以实时的了解到充电情况。还添加了提醒功能，当充电完成时，手机App会向用户发送消息提醒用户充电完成。学生还在App上加上了学院的院徽，象征着我们学院团队的研究凝聚力。

4 结束语

在经过为期三个月的准备、调试、组装和试用的过程中，我们所带学生团队在比赛中荣获全国三等奖。除了获奖时的喜悦与激动，更多的是让团队中的学生得到了历练与成长，从自身出发学到了本领，可以运用在以后的学习生涯中，可以说是一次成功的“启蒙”竞赛。学生们拥有了竞赛与科研经历，也会在这方面继续有所建树。

回望这三个月历程，师生共同克服了课余时间不一致、课外时间难确定的困难，以及学生能力与知识储备参差不齐的困难。师生一起确定课题研究的多元化方向，建立整体模型与框架，不断填充模块与功能，做到共同进步与成长。此外，在报告撰写格式、论文查找方式与引用、专业资料查询与借鉴、演讲稿书写格式及展示PPT等方面，学生也接受了系统的培训。学生有所得、有所悟，这才是竞赛的真正意义。“竞赛”与“金课”建设达到了互相促进的效果。

参考文献（References）：

[1] 鲁莽，周小兵，张维.国内外电动汽车充电设施发展状况研究[J].华中电力，2010.5.

[2] 孙延先，姜兆华锂.离子电池过充安全性研究[J].电源技术，2019.5.

[3] 唐葆君，王翔宇，王彬，吴郧，邹颖，许黄琛，马也.中国新能源汽车行业发展水平分析及展望[J].北京理工大学学报（社会科学版），2019.2.

[4] 张毅刚，赵光权，刘旺.单片机原理及应用（第三版）[M].高等教育出版社，2016.

[5] 于海生.微型计算机控制技术（第3版）[M].清华大学出版社，2013.

[6] 孙炳达.自动控制原理（第4版）[M].机械工业出版社，2016.

[7] 阎石.数字电子技术基础（第五版）[M].高等教育出版社，2006.

[8] 谭浩强.C程序设计[M].清华大学出版社，2010.

[9] 王兆安，刘进军.电力电子技术（第5版）[M].机械工业出版社，2009.

[10] 邱关源.电路（第5版）[M].高等教育出版社， 2006.

[11] 董诗白.模拟电子技术基础（第四版）[M].高等教育出版社，2006.