電路仿真在汽車電氣檢修教學(xué)中的應(yīng)用

摘要：本文以汽車前照燈項目教學(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。提出了針對汽車電氣檢修課程基于Multisim 平臺的電路仿真教學(xué)思路。通過分析應(yīng)用電路仿真技術(shù)的教學(xué)案例，從教學(xué)設(shè)計、教學(xué)實施、教學(xué)效果評價三個方面，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，彌補實訓(xùn)條件限制帶來的不便。

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：G712 文獻標識碼：A

0 引言

汽車電氣設(shè)備與檢修是高職汽車檢測與維修技術(shù)專業(yè)的一門核心課程，對于培養(yǎng)學(xué)生電氣設(shè)備檢修的實際操作能力和解決實際問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、實訓(xùn)器材有限以及學(xué)生操作意外風險大等，這些都會影響高品質(zhì)的教學(xué)需求[1]。近年來，基于計算機仿真技術(shù)的教學(xué)方法逐漸成為教育界的熱點，其中針對電氣檢修的電路仿真技術(shù)因具有靈活、可控和適應(yīng)性強等優(yōu)勢，越來越受到教育者和學(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 電路仿真平臺探索電路仿真技術(shù)在提高學(xué)生實踐能力、降低教學(xué)成本和提高教學(xué)效果等方面的優(yōu)勢。

1 Multisim 電路仿真平臺的教學(xué)功能

1.1 平臺教學(xué)模型搭建功能

Multisim 電路仿真平臺的電氣元件庫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、開關(guān)、二極管和三極管等元器件均可在Multisim 電路仿真平臺中找到，并可根據(jù)汽車上的真實參數(shù)搭建仿真電路模型[3]。此外，該平臺的工具庫中還包含了電流表、電壓表、歐姆表和示波器等測量儀器[4]。在Multisim 電路仿真平臺上使用真實的汽車元器件參數(shù)搭建仿真電路，可以模擬出汽車電氣設(shè)備的運行情況。例如，利用平臺搭建一個前照燈電路，通過切換電路中開關(guān)的位置，仿真軟件的電路中會出現(xiàn)燈泡點亮或熄滅的效果。利用平臺提供的虛擬檢測儀表，可以測出電路運行的真實參數(shù)。

汽車電氣系統(tǒng)常見的故障現(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極，導(dǎo)致搭鐵故障十分隱蔽且常見。在Multisim 電路仿真平臺上，針對所有電器元件的每個接線柱均可以設(shè)置斷路、短路和搭鐵3 種故障。例如，圖1 所示為具有2 個接線柱的燈泡元件，可以選擇燈泡元件的1 號接線柱設(shè)置斷路故障（選項“打開”）。在實際教學(xué)中，如果需要還可設(shè)置短路故障（選項“短”）以及搭鐵故障（選項“泄漏”）。

1.2 電氣檢修教學(xué)功能

在汽車電氣檢修時，常見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Multisim 電路仿真平臺實現(xiàn)上述故障診斷方法的教學(xué)（圖2）。

（1）斷路法：在實際檢修工作中，通常是將可疑故障元器件從電路中斷開；而在Multisim 電路仿真平臺上，可以在電路中添加結(jié)點，在結(jié)點處斷開元件連接進行故障排查。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)點將電路斷開，實現(xiàn)斷路法診斷。

（2）短路法：在實際檢修工作中，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 電路仿真平臺上，可以利用繪制短路導(dǎo)線的方法對故障燈泡進行短路。

（3）試燈法：在實際檢修工作中，試燈是用來測量檢測位置是否有電的檢測工具，也就是檢測點與電源正極是否連通。試燈使用時，將燈尾部固定在車身（電源負極）上，用試燈的探針與檢測點接觸，若試燈被點亮則該檢測位置有電，否者無電。從原理上分析，若檢測位置有電，則該位置電壓值不為零。在圖2 所示Multisim 電路仿真平臺上，可以利用電壓探針實現(xiàn)試燈的功能，電壓探針可以檢測出測量點的電壓值，這和試燈的原理和操作方法是一致的。在仿真實訓(xùn)時，當探針的電壓值不為零則可以認為測量點有電，即該點與電源正極是連通的。

（4）儀表法：在實際檢修工作中，會使用到萬用表、示波器等儀表設(shè)備測量電路的參數(shù)，其中萬用表是最常用的，可以用來測量電壓、電流和電阻等電路參數(shù)。在Multisim 電路仿真平臺上，同樣可以使用萬用表模塊測量電路參數(shù)。如圖2 中的萬用表XMM1，通過正負接線柱與開關(guān)并聯(lián)，就可以測出開關(guān)兩端的電壓。

（5）換件法：在實際檢修工作中對于元件故障的檢修，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同型號新的元件；若換件后故障排除，即可以確認故障分析是正確的。如圖2 所示，在Multisim 電路仿真平臺上可以利用一個新的燈泡作為備件，與電路中燈泡進行替換，驗證電路中燈泡的好壞。

2 Multisim 電路仿真平臺教學(xué)優(yōu)勢

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

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)計中，普遍是通過多幅靜態(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)計出學(xué)生參與的互動項目。學(xué)生不能直觀地看到電路的運行情況，無法進行直接的反饋，學(xué)習參與度低，教學(xué)氛圍沉悶。

其次，對于故障檢修的實訓(xùn)教學(xué)設(shè)計，教師需要根據(jù)現(xiàn)有的實訓(xùn)設(shè)備情況設(shè)計教學(xué)內(nèi)容。受到實訓(xùn)設(shè)備和數(shù)量的限制，實訓(xùn)項目很難包含全面的故障情況，而且需要對學(xué)生進行分組，這導(dǎo)致學(xué)生實訓(xùn)機會減少。以前照燈教學(xué)中遠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光燈，其中還包含燈罩拆裝工作。而學(xué)生在實訓(xùn)時需要排隊進行，并且將大量的精力花費在故障點的接近工作上。受到課時的限制，教師在教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計時只能放棄一些項目。

再次，如果教師需要在實訓(xùn)中更換故障原因，讓學(xué)生再次排故也會花費大量的時間，導(dǎo)致課堂效率低下。因此按照課程計劃，要在2 個課時中完成試燈法、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行，學(xué)生難免會出現(xiàn)操作不當?shù)男袨?。這將可能導(dǎo)致檢測設(shè)備損壞，甚至造成人員傷害。

2.2 Multisim 電路仿真平臺教學(xué)優(yōu)勢

采用電路仿真的方式進行教學(xué)設(shè)計時， 教師可以利用Multisim 電路仿真平臺的元件庫參照實車參數(shù)，搭建教學(xué)項目的電路模型。同樣以汽車前照燈電路教學(xué)項目為例，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、左右遠光燈和遠光指示燈構(gòu)成；同時為了保護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)計了一個熔絲。前照燈系統(tǒng)的5個燈受到變光開關(guān)S1 和控制開關(guān)S2 共同控制，實現(xiàn)遠光照明、近光照明、儀表板遠光指示、遠近光切換和閃光的功能。

對于電路原理的教學(xué)，學(xué)生可以在仿真平臺上通過操作變光開關(guān)和控制開關(guān)，實現(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)計時，教師可以根據(jù)Multisim 電路仿真平臺的功能，在前照燈電路模型上任意設(shè)置故障；在編寫實訓(xùn)指導(dǎo)手冊時，也可以設(shè)計所有檢測手段讓學(xué)生進行實訓(xùn)。且仿真條件下進行實訓(xùn)，不受空間的限制，可以不用考慮故障接近的問題。

3 Multisim 電路仿真平臺教學(xué)應(yīng)用

根據(jù)上述教學(xué)設(shè)計，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)實施過程如下。

3.1 前照燈運行原理仿真

遠光燈開啟條件為控制開關(guān)置于HEAD 位，同時變光開關(guān)置于HIGH 位，遠光燈開啟時儀表板的遠光指示燈會點亮（圖4）。在仿真教學(xué)中，學(xué)生可以在Multisim 軟件中通過開關(guān)的設(shè)置實現(xiàn)燈光的點亮，從而直觀感受電路的工作過程，有助于對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燈泡不亮，本研究以燈泡斷路的情況進行討論。例如在教學(xué)設(shè)計階段，教師設(shè)計好燈泡斷路的仿真模型。運行仿真模型，操作變光開關(guān)和控制開關(guān)，遠光照明、近光照明、儀表盤遠光指示、遠近光切換以及閃光的功能均可以實現(xiàn)，但遠光照明時左側(cè)遠光燈不亮（圖5）。

3.2.1 故障現(xiàn)象和原因分析

針對燈光不亮的情況，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開關(guān)故障；④線路故障，包括線路斷路和搭鐵[5]。因為本實例中只出現(xiàn)左側(cè)遠光燈不亮的故障，故可以排除開關(guān)故障以及熔絲熔斷的可能性；并且由于運行后熔絲未熔斷，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 的末端至變光開關(guān)前端的線路，故障原因為斷路。

3.2.2 檢修方案制定

根據(jù)本實例中故障原因和故障區(qū)域的情況，可以采用試燈法、儀表法或換件法進一步確定故障。

3.2.3 實施檢修

（1）利用試燈法進行仿真檢修。在左側(cè)遠光燈泡的電路分別選擇3 個探針檢測位置（圖6），分別測量探針1、探針2 和探針3 這3 個位置的電壓。測量結(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）利用儀表法進行仿真檢測。如圖7 所示，將燈泡與其他電路斷開后，利用萬用表的歐姆擋功能測量燈泡電阻，結(jié)果顯示電阻無窮大，說明該燈泡內(nèi)部斷路。

（3）利用換件法進行仿真檢測。由于左右2 個遠光燈型號相同，并且右側(cè)遠光燈良好，所以可以在Multisim 軟件中復(fù)制或移動右側(cè)的遠光燈到左側(cè)遠光燈位置實現(xiàn)換件。換件后運行電路，結(jié)果如圖4 所示，左右2 個遠光燈都點亮，可以確定故障為左側(cè)遠光燈燈泡內(nèi)部斷路損壞。

4 教學(xué)效果評價

在本校汽車檢測與維修技術(shù)專業(yè)中試點推廣汽車前照燈項目的電路仿真教學(xué)后，采用問卷調(diào)查的方式對教學(xué)效果進行評價。調(diào)查結(jié)果顯示，采用電路仿真教學(xué)模式對于該課程的教學(xué)能夠帶來4 個方面的改善：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)習態(tài)度和課堂紀律有所改善，課堂互動更加活躍；第三，課堂效率和質(zhì)量明顯提高，可以更快、更準確地得到檢測結(jié)果；最后，采用電路仿真的方式進行教學(xué)，教師可以設(shè)計更豐富多樣的實訓(xùn)項目，學(xué)生也能更直觀地理解電路的運行原理，達成教學(xué)目標的效果更好。

5 結(jié)束語

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

【參考文獻】

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[5] 張志友.Multisim 在電工電子課程教學(xué)中的典型應(yīng)用[J]. 實驗技術(shù)與管理，2012，29（04）：108-110+114.

作者簡介：

丁凌，碩士，工程師，研究方向為金屬材料和汽車電氣教學(xué)。