储能电池生产与装配虚拟虚拟仿真实训室

储能电池生产与装配虚拟虚拟仿真实训室

技术方案

一、项目概述

在全球能源结构加速转型、“双碳” 目标的大背景下，储能产业蓬勃发展，对专业技术人才的需求与日俱增。然而，传统教学模式在满足储能电池生产与装配人才培养需求方面存在诸多局限。本虚拟仿真实训室项目旨在运用先进的虚拟仿真技术，构建高度逼真的储能电池生产与装配虚拟环境，为学习者提供沉浸式实践体验，使其熟练掌握关键生产技能和质量控制方法，有效解决产业人才培养难题，推动储能技术创新与应用，为储能产业发展提供坚实的人才支撑。

二、实验教学设计

（一）教学理念

以问题导向、任务驱动和情境教学为核心理念。设置源于实际生产的问题，引导学生在虚拟环境中探索解决方案；以具体生产任务为牵引，促使学生完成操作并掌握技能；构建逼真虚拟生产环境，让学生身临其境地感受工作氛围，增强学习效果。

（二）教学内容设计

涵盖储能电池生产全流程，包括电池材料制备、极片制作、电池组装、电池检测与分选、电池包组装等环节。针对每个环节设计详细的实验项目，如在电池材料制备环节，学生可操作虚拟设备进行原材料预处理、混合等操作，并观察材料性能变化；在电池检测环节，学生学习使用各类检测设备对电芯进行容量、内阻和安全性测试等。

（三）教学方法

采用自主学习、协作学习与探究式学习相结合的方式。学生可自主操作虚拟仿真系统，熟悉生产流程和设备操作；以小组形式开展协作学习，共同完成复杂生产任务，培养团队协作能力；通过探究式学习，鼓励学生在虚拟环境中尝试不同工艺参数和操作方法，探索最佳生产方案，提升创新能力。

三、系统功能

（一）工艺流程仿真功能

精确模拟锂离子电池生产全过程，从原材料处理到最终产品组装，每个环节的工艺参数、操作步骤和质量控制点都高度还原。通过三维建模与可视化技术，将生产流程以直观的方式呈现，学生可清晰观察物料流动和设备运行，深入理解生产工艺原理。

（二）设备操作仿真功能

对涂布机、辊压机、焊接设备等关键生产设备进行操作模拟。学生可在虚拟环境中练习设备的启动、停止、参数调整等操作，系统实时反馈设备运行状态和操作结果，模拟真实操作手感和反馈效果，帮助学生掌握设备使用和维护技能，避免实际操作中的设备损坏和安全事故。

（三）质量控制仿真功能

模拟来料检验、过程检验、成品检验等质量控制环节。学生学习质量控制标准和方法，通过虚拟检测设备对电池材料、半成品和成品进行检测，识别质量问题并掌握处理技能，提高质量意识和质量管理能力。

（四）虚拟实验室管理功能

具备用户管理、课程管理、实验管理、数据管理等功能。管理员可管理用户信息和权限，教师能创建和管理实验项目、发布实验任务，学生可在线选择实验项目、查看实验指导和提交实验报告。系统还能对实验数据进行存储、分析和管理，为教学评估提供依据。

（五）教学评价与学习分析功能

采集学生学习行为数据，包括操作时间、步骤、结果等，从知识掌握度、技能提升度和学习满意度等方面评估学习效果。为教师提供教学反馈，帮助教师了解学生学习情况，调整教学策略；为学生提供个性化学习指导，促进学生学习进步。

四、系统组成

（一）硬件设备

1．计算机设备：选用高性能台式机，CPU 为 Intel Core i7 - 9700K 或以上，内存 32GB DDR4 3200MHz，显卡 NVIDIA GeForce RTX 2070 Super 或以上，硬盘 1TB NVMe SSD。具备强大计算和图形处理能力，保障虚拟环境流畅运行和逼真显示。

2．VR/AR 头显：VR 头显可选 HTC Vive Pro 2 或 Oculus Rift S，单眼分辨率 2448 x 2448 像素或以上，刷新率 120Hz 或以上，视场角 120 度或以上；AR 设备选择支持 AR 功能的智能手机或平板电脑，配备高精度摄像头和传感器。为学生提供沉浸式虚拟体验和虚实结合的学习环境。

3．传感器与交互设备：配备动作捕捉系统、VR 手柄、触摸屏等。传感器采集学生动作和姿态信息，实现精准人机交互；VR 手柄用于在虚拟环境中操作设备；触摸屏方便学生在虚拟实验室管理系统中进行操作和控制。

4．服务器：配置 Intel Xeon E5 - 2680 v4 或以上 CPU，64GB DDR4 2400MHz 内存，2TB SATA SSD 硬盘，采用千兆以太网。负责数据处理、逻辑运算和存储，保障系统稳定运行和数据可靠传输。

（二）软件系统

1．三维建模软件：如 3D Max、Maya、Blender 等，用于创建虚拟环境中的设备、场景和产品模型，为虚拟仿真提供逼真视觉效果。

2．物理引擎：采用 Unity3D 自带的 PhysX 引擎或 Unreal Engine 自带的 Chaos 引擎，模拟虚拟环境中的物理现象，使学生感受真实操作体验。

3．数据管理系统：选用 MySQL 8.0 或以上版本，搭配 MySQL Workbench 功能模块，实现对虚拟仿真系统各类数据的存储、管理和查询。

4．虚拟实验室管理系统：根据实际需求定制开发，包含用户管理、权限管理、设备管理、实验管理等功能模块，实现对虚拟实验室的统一管理和调度。

五、系统性能测试

（一）测试指标体系

涵盖功能性、性能、用户体验、教学效果和安全性等方面。功能性测试包括功能完整性、操作准确性和数据准确性；性能测试包含响应时间、并发能力、资源占用和稳定性；用户体验测试关注界面友好度、操作便捷性和学习曲线；教学效果评估涉及知识掌握度、技能提升度和学习满意度；安全性测试评估数据安全和访问控制。

（二）测试方法与流程

功能测试通过制定详细测试用例，由测试人员执行测试、记录结果，开发人员修复问题后进行回归测试；性能测试确定目标指标，选择合适工具，设计测试场景，分析结果并优化系统；用户体验测试招募不同背景用户参与，观察操作过程、访谈收集反馈；教学效果评估在学生使用系统前后进行知识和技能测试，并开展问卷调查。

六、系统实施与售后服务

（一）系统实施

根据高校的实际需求和场地条件，进行系统的安装、调试和部署。为高校提供设备选型建议，确保硬件设施满足系统运行要求。

（二）培训服务

成立专业技术培训队伍，为高校教师和学生提供系统培训。内容包括系统的基本原理、操作使用方法、实验项目开展流程、常见故障排除等，帮助师生快速掌握系统使用技巧。

（三）售后服务

提供自验收交付之日起 2 年的免费维护服务。设立专门的服务热线，及时响应高校的技术咨询和问题反馈。一般性问题1小时内反馈意见，8小时内解决；复杂问题 3 个工作日内给出解决方案。根据需要，提供远程维护或上门服务，并在服务后进行回访，确保高校满意。