電路仿真在汽車電氣檢修教學(xué)中的應(yīng)用

丁凌 曹錄翠 余靜 李秀依

摘要：本文以汽車前照燈項(xiàng)目教學(xué)為例，探討了電路仿真技術(shù)在汽車電氣檢修教學(xué)中的應(yīng)用。提出了針對(duì)汽車電氣檢修課程基于Multisim 平臺(tái)的電路仿真教學(xué)思路。通過(guò)分析應(yīng)用電路仿真技術(shù)的教學(xué)案例，從教學(xué)設(shè)計(jì)、教學(xué)實(shí)施、教學(xué)效果評(píng)價(jià)三個(gè)方面，分析了電路仿真技術(shù)在教學(xué)中的作用。結(jié)果表明電路仿真技術(shù)應(yīng)用在汽車電氣檢修教學(xué)中可以有效提高教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效率，彌補(bǔ)實(shí)訓(xùn)條件限制帶來(lái)的不便。

關(guān)鍵詞：電路仿真；汽車電氣；檢修；仿真教學(xué)；電路模型

中圖分類號(hào)：G712 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

汽車電氣設(shè)備與檢修是高職汽車檢測(cè)與維修技術(shù)專業(yè)的一門(mén)核心課程，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生電氣設(shè)備檢修的實(shí)際操作能力和解決實(shí)際問(wèn)題的能力有著不可替代的作用。然而，該課程傳統(tǒng)的教學(xué)模式存在著很多不足，例如學(xué)生的操作空間受限、實(shí)訓(xùn)器材有限以及學(xué)生操作意外風(fēng)險(xiǎn)大等，這些都會(huì)影響高品質(zhì)的教學(xué)需求[1]。近年來(lái)，基于計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的教學(xué)方法逐漸成為教育界的熱點(diǎn)，其中針對(duì)電氣檢修的電路仿真技術(shù)因具有靈活、可控和適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，越來(lái)越受到教育者和學(xué)生的關(guān)注[2]。本論文旨在討論電路仿真技術(shù)在汽車電氣檢修教學(xué)中的應(yīng)用，基于Multisim 電路仿真平臺(tái)探索電路仿真技術(shù)在提高學(xué)生實(shí)踐能力、降低教學(xué)成本和提高教學(xué)效果等方面的優(yōu)勢(shì)。

1 Multisim 電路仿真平臺(tái)的教學(xué)功能

1.1 平臺(tái)教學(xué)模型搭建功能

Multisim 電路仿真平臺(tái)的電氣元件庫(kù)中包含了目前電氣領(lǐng)域中絕大多數(shù)的電氣元件，汽車上常用的電源、熔絲、開(kāi)關(guān)、二極管和三極管等元器件均可在Multisim 電路仿真平臺(tái)中找到，并可根據(jù)汽車上的真實(shí)參數(shù)搭建仿真電路模型[3]。此外，該平臺(tái)的工具庫(kù)中還包含了電流表、電壓表、歐姆表和示波器等測(cè)量?jī)x器[4]。在Multisim 電路仿真平臺(tái)上使用真實(shí)的汽車元器件參數(shù)搭建仿真電路，可以模擬出汽車電氣設(shè)備的運(yùn)行情況。例如，利用平臺(tái)搭建一個(gè)前照燈電路，通過(guò)切換電路中開(kāi)關(guān)的位置，仿真軟件的電路中會(huì)出現(xiàn)燈泡點(diǎn)亮或熄滅的效果。利用平臺(tái)提供的虛擬檢測(cè)儀表，可以測(cè)出電路運(yùn)行的真實(shí)參數(shù)。

汽車電氣系統(tǒng)常見(jiàn)的故障現(xiàn)象有搭鐵、短路、斷路、接觸不良和元器件燒毀等，在電路原理中體現(xiàn)為短路和斷路。搭鐵是短路故障中的一類特殊情況，由于汽車采用了單線制的布線原則，全車金屬部分均可以看作是電源負(fù)極，導(dǎo)致搭鐵故障十分隱蔽且常見(jiàn)。在Multisim 電路仿真平臺(tái)上，針對(duì)所有電器元件的每個(gè)接線柱均可以設(shè)置斷路、短路和搭鐵3 種故障。例如，圖1 所示為具有2 個(gè)接線柱的燈泡元件，可以選擇燈泡元件的1 號(hào)接線柱設(shè)置斷路故障（選項(xiàng)“打開(kāi)”）。在實(shí)際教學(xué)中，如果需要還可設(shè)置短路故障（選項(xiàng)“短”）以及搭鐵故障（選項(xiàng)“泄漏”）。

1.2 電氣檢修教學(xué)功能

在汽車電氣檢修時(shí)，常見(jiàn)的診斷方法有斷路法、短路法、試燈法、儀表法和換件法。下面以燈泡控制電路為例，通過(guò)Multisim 電路仿真平臺(tái)實(shí)現(xiàn)上述故障診斷方法的教學(xué)（圖2）。

（1）斷路法：在實(shí)際檢修工作中，通常是將可疑故障元器件從電路中斷開(kāi)；而在Multisim 電路仿真平臺(tái)上，可以在電路中添加結(jié)點(diǎn)，在結(jié)點(diǎn)處斷開(kāi)元件連接進(jìn)行故障排查。例如圖2 中的仿__真電路，可以在故障燈泡后的導(dǎo)線上設(shè)置結(jié)點(diǎn)將電路斷開(kāi)，實(shí)現(xiàn)斷路法診斷。

（2）短路法：在實(shí)際檢修工作中，通常采用導(dǎo)線短接故障元件的方法判斷元器件的故障。在圖2 所示的Multisim 電路仿真平臺(tái)上，可以利用繪制短路導(dǎo)線的方法對(duì)故障燈泡進(jìn)行短路。

（3）試燈法：在實(shí)際檢修工作中，試燈是用來(lái)測(cè)量檢測(cè)位置是否有電的檢測(cè)工具，也就是檢測(cè)點(diǎn)與電源正極是否連通。試燈使用時(shí)，將燈尾部固定在車身（電源負(fù)極）上，用試燈的探針與檢測(cè)點(diǎn)接觸，若試燈被點(diǎn)亮則該檢測(cè)位置有電，否者無(wú)電。從原理上分析，若檢測(cè)位置有電，則該位置電壓值不為零。在圖2 所示Multisim 電路仿真平臺(tái)上，可以利用電壓探針實(shí)現(xiàn)試燈的功能，電壓探針可以檢測(cè)出測(cè)量點(diǎn)的電壓值，這和試燈的原理和操作方法是一致的。在仿真實(shí)訓(xùn)時(shí)，當(dāng)探針的電壓值不為零則可以認(rèn)為測(cè)量點(diǎn)有電，即該點(diǎn)與電源正極是連通的。

（4）儀表法：在實(shí)際檢修工作中，會(huì)使用到萬(wàn)用表、示波器等儀表設(shè)備測(cè)量電路的參數(shù)，其中萬(wàn)用表是最常用的，可以用來(lái)測(cè)量電壓、電流和電阻等電路參數(shù)。在Multisim 電路仿真平臺(tái)上，同樣可以使用萬(wàn)用表模塊測(cè)量電路參數(shù)。如圖2 中的萬(wàn)用表XMM1，通過(guò)正負(fù)接線柱與開(kāi)關(guān)并聯(lián)，就可以測(cè)出開(kāi)關(guān)兩端的電壓。

（5）換件法：在實(shí)際檢修工作中對(duì)于元件故障的檢修，換件是最直接的手段，即將懷疑故障的元件直接更換成一個(gè)同型號(hào)新的元件；若換件后故障排除，即可以確認(rèn)故障分析是正確的。如圖2 所示，在Multisim 電路仿真平臺(tái)上可以利用一個(gè)新的燈泡作為備件，與電路中燈泡進(jìn)行替換，驗(yàn)證電路中燈泡的好壞。

2 Multisim 電路仿真平臺(tái)教學(xué)優(yōu)勢(shì)

本研究以汽車前照燈電路教學(xué)項(xiàng)目為例，探討電路仿真在汽車電氣檢修教學(xué)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

2.1 傳統(tǒng)汽車電氣檢修教學(xué)模式的不足之處

汽車前照燈的教學(xué)內(nèi)容為前照燈電路的工作原理和故障的檢修。首先，在傳統(tǒng)的教學(xué)模式下，前照燈電路原理的教學(xué)設(shè)計(jì)中，普遍是通過(guò)多幅靜態(tài)原理圖展示汽車前照燈的各種工作狀態(tài)。教學(xué)策略通常采用PPT 講解的方式，很難設(shè)計(jì)出學(xué)生參與的互動(dòng)項(xiàng)目。學(xué)生不能直觀地看到電路的運(yùn)行情況，無(wú)法進(jìn)行直接的反饋，學(xué)習(xí)參與度低，教學(xué)氛圍沉悶。

其次，對(duì)于故障檢修的實(shí)訓(xùn)教學(xué)設(shè)計(jì)，教師需要根據(jù)現(xiàn)有的實(shí)訓(xùn)設(shè)備情況設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容。受到實(shí)訓(xùn)設(shè)備和數(shù)量的限制，實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目很難包含全面的故障情況，而且需要對(duì)學(xué)生進(jìn)行分組，這導(dǎo)致學(xué)生實(shí)訓(xùn)機(jī)會(huì)減少。以前照燈教學(xué)中遠(yuǎn)光燈不亮的故障排除為例，教師需要在課前在教具車輛上更換損壞的遠(yuǎn)光燈，其中還包含燈罩拆裝工作。而學(xué)生在實(shí)訓(xùn)時(shí)需要排隊(duì)進(jìn)行，并且將大量的精力花費(fèi)在故障點(diǎn)的接近工作上。受到課時(shí)的限制，教師在教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)時(shí)只能放棄一些項(xiàng)目。

再次，如果教師需要在實(shí)訓(xùn)中更換故障原因，讓學(xué)生再次排故也會(huì)花費(fèi)大量的時(shí)間，導(dǎo)致課堂效率低下。因此按照課程計(jì)劃，要在2 個(gè)課時(shí)中完成試燈法、儀表法以及換件法的教學(xué)則是非常困難。最后，由于檢修工作需要帶電進(jìn)行，學(xué)生難免會(huì)出現(xiàn)操作不當(dāng)?shù)男袨?。這將可能導(dǎo)致檢測(cè)設(shè)備損壞，甚至造成人員傷害。

2.2 Multisim 電路仿真平臺(tái)教學(xué)優(yōu)勢(shì)

采用電路仿真的方式進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)， 教師可以利用Multisim 電路仿真平臺(tái)的元件庫(kù)參照實(shí)車參數(shù)，搭建教學(xué)項(xiàng)目的電路模型。同樣以汽車前照燈電路教學(xué)項(xiàng)目為例，首先可以搭建汽車前照燈電路模型（圖3）。該模型由左右近光燈、左右遠(yuǎn)光燈和遠(yuǎn)光指示燈構(gòu)成；同時(shí)為了保護(hù)3 條支路和前照燈主干路，在前照燈主干路和3 條支路上各設(shè)計(jì)了一個(gè)熔絲。前照燈系統(tǒng)的5個(gè)燈受到變光開(kāi)關(guān)S1 和控制開(kāi)關(guān)S2 共同控制，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)光照明、近光照明、儀表板遠(yuǎn)光指示、遠(yuǎn)近光切換和閃光的功能。

對(duì)于電路原理的教學(xué)，學(xué)生可以在仿真平臺(tái)上通過(guò)操作變光開(kāi)關(guān)和控制開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)前照燈的各種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。教學(xué)策略可以采用問(wèn)答、討論和調(diào)試等方式，讓學(xué)生參與到前照燈的工作原理演示中。在教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)時(shí)，教師可以根據(jù)Multisim 電路仿真平臺(tái)的功能，在前照燈電路模型上任意設(shè)置故障；在編寫(xiě)實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)手冊(cè)時(shí)，也可以設(shè)計(jì)所有檢測(cè)手段讓學(xué)生進(jìn)行實(shí)訓(xùn)。且仿真條件下進(jìn)行實(shí)訓(xùn)，不受空間的限制，可以不用考慮故障接近的問(wèn)題。

3 Multisim 電路仿真平臺(tái)教學(xué)應(yīng)用

根據(jù)上述教學(xué)設(shè)計(jì)，汽車前照燈的教學(xué)內(nèi)容為前照燈電路的工作原理和故障的檢修。以燈泡不亮故障為例，電路仿真教學(xué)實(shí)施過(guò)程如下。

3.1 前照燈運(yùn)行原理仿真

遠(yuǎn)光燈開(kāi)啟條件為控制開(kāi)關(guān)置于HEAD 位，同時(shí)變光開(kāi)關(guān)置于HIGH 位，遠(yuǎn)光燈開(kāi)啟時(shí)儀表板的遠(yuǎn)光指示燈會(huì)點(diǎn)亮（圖4）。在仿真教學(xué)中，學(xué)生可以在Multisim 軟件中通過(guò)開(kāi)關(guān)的設(shè)置實(shí)現(xiàn)燈光的點(diǎn)亮，從而直觀感受電路的工作過(guò)程，有助于對(duì)電路工作原理的理解。

3.2 燈泡不亮故障檢修

前照燈電路中故障往往是某個(gè)燈泡不亮，本研究以燈泡斷路的情況進(jìn)行討論。例如在教學(xué)設(shè)計(jì)階段，教師設(shè)計(jì)好燈泡斷路的仿真模型。運(yùn)行仿真模型，操作變光開(kāi)關(guān)和控制開(kāi)關(guān)，遠(yuǎn)光照明、近光照明、儀表盤(pán)遠(yuǎn)光指示、遠(yuǎn)近光切換以及閃光的功能均可以實(shí)現(xiàn)，但遠(yuǎn)光照明時(shí)左側(cè)遠(yuǎn)光燈不亮（圖5）。

3.2.1 故障現(xiàn)象和原因分析

針對(duì)燈光不亮的情況，可能的故障原因有：①燈泡故障，包括燈泡短路和斷路；②熔絲熔斷；③開(kāi)關(guān)故障；④線路故障，包括線路斷路和搭鐵[5]。因?yàn)楸緦?shí)例中只出現(xiàn)左側(cè)遠(yuǎn)光燈不亮的故障，故可以排除開(kāi)關(guān)故障以及熔絲熔斷的可能性；并且由于運(yùn)行后熔絲未熔斷，還可以排除搭鐵和短路的可能性。因此，可以將故障區(qū)域鎖定在熔斷器F2 的末端至變光開(kāi)關(guān)前端的線路，故障原因?yàn)閿嗦贰?/p>

3.2.2 檢修方案制定

根據(jù)本實(shí)例中故障原因和故障區(qū)域的情況，可以采用試燈法、儀表法或換件法進(jìn)一步確定故障。

3.2.3 實(shí)施檢修

（1）利用試燈法進(jìn)行仿真檢修。在左側(cè)遠(yuǎn)光燈泡的電路分別選擇3 個(gè)探針檢測(cè)位置（圖6），分別測(cè)量探針1、探針2 和探針3 這3 個(gè)位置的電壓。測(cè)量結(jié)果發(fā)現(xiàn)，探針1 和探針2 位置的電壓均為12 V（電源電壓），而探針3 的電壓趨近于0 V（開(kāi)關(guān)電壓）。由此判斷故障為探針2 和探針3 位置之間發(fā)生斷路。

（2）利用儀表法進(jìn)行仿真檢測(cè)。如圖7 所示，將燈泡與其他電路斷開(kāi)后，利用萬(wàn)用表的歐姆擋功能測(cè)量燈泡電阻，結(jié)果顯示電阻無(wú)窮大，說(shuō)明該燈泡內(nèi)部斷路。

（3）利用換件法進(jìn)行仿真檢測(cè)。由于左右2 個(gè)遠(yuǎn)光燈型號(hào)相同，并且右側(cè)遠(yuǎn)光燈良好，所以可以在Multisim 軟件中復(fù)制或移動(dòng)右側(cè)的遠(yuǎn)光燈到左側(cè)遠(yuǎn)光燈位置實(shí)現(xiàn)換件。換件后運(yùn)行電路，結(jié)果如圖4 所示，左右2 個(gè)遠(yuǎn)光燈都點(diǎn)亮，可以確定故障為左側(cè)遠(yuǎn)光燈燈泡內(nèi)部斷路損壞。

4 教學(xué)效果評(píng)價(jià)

在本校汽車檢測(cè)與維修技術(shù)專業(yè)中試點(diǎn)推廣汽車前照燈項(xiàng)目的電路仿真教學(xué)后，采用問(wèn)卷調(diào)查的方式對(duì)教學(xué)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。調(diào)查結(jié)果顯示，采用電路仿真教學(xué)模式對(duì)于該課程的教學(xué)能夠帶來(lái)4 個(gè)方面的改善：首先，學(xué)生制定的檢修方案質(zhì)量明顯提高，表明他們的故障分析能力得到了提升；其次，學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度和課堂紀(jì)律有所改善，課堂互動(dòng)更加活躍；第三，課堂效率和質(zhì)量明顯提高，可以更快、更準(zhǔn)確地得到檢測(cè)結(jié)果；最后，采用電路仿真的方式進(jìn)行教學(xué)，教師可以設(shè)計(jì)更豐富多樣的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，學(xué)生也能更直觀地理解電路的運(yùn)行原理，達(dá)成教學(xué)目標(biāo)的效果更好。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)電路仿真技術(shù)在汽車電氣檢修教學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行研究，結(jié)果表明：能夠幫助學(xué)生通過(guò)虛擬仿真環(huán)境學(xué)習(xí)汽車電氣檢修，克服現(xiàn)場(chǎng)實(shí)訓(xùn)受限帶來(lái)的不便；在故障排除、分析和檢修方案制定中具有顯著優(yōu)勢(shì)，讓學(xué)生能夠在更短的時(shí)間內(nèi)有效解決問(wèn)題；允許學(xué)生進(jìn)行多次獨(dú)立的仿真操練和模擬，提高學(xué)生自學(xué)能力和實(shí)際操作技能。本文研究成果為提高汽車電氣檢修實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量提供了新的思路和理論支持。

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作者簡(jiǎn)介：

丁凌，碩士，工程師，研究方向?yàn)榻饘俨牧虾推囯姎饨虒W(xué)。