电路仿真在汽车电气检修教学中的应用

丁凌、曹录翠、余静、李秀依

（云南经济管理学院，昆明 650300）

0 引言

汽车电气设备与检修是高职汽车检测与维修技术专业的一门核心课程，对于培养学生电气设备检修的实际操作能力和解决实际问题的能力有着不可替代的作用。然而，该课程传统的教学模式存在着很多不足，例如学生的操作空间受限、实训器材有限以及学生操作意外风险大等，这些都会影响高品质的教学需求[1]。近年来，基于计算机仿真技术的教学方法逐渐成为教育界的热点，其中针对电气检修的电路仿真技术因具有灵活、可控和适应性强等优势，越来越受到教育者和学生的关注[2]。本论文旨在讨论电路仿真技术在汽车电气检修教学中的应用，基于Multisim 电路仿真平台探索电路仿真技术在提高学生实践能力、降低教学成本和提高教学效果等方面的优势。

1 Multisim 电路仿真平台的教学功能

1.1 平台教学模型搭建功能

Multisim 电路仿真平台的电气元件库中包含了目前电气领域中绝大多数的电气元件，汽车上常用的电源、熔丝、开关、二极管和三极管等元器件均可在Multisim 电路仿真平台中找到，并可根据汽车上的真实参数搭建仿真电路模型[3]。此外，该平台的工具库中还包含了电流表、电压表、欧姆表和示波器等测量仪器[4]。

在Multisim 电路仿真平台上使用真实的汽车元器件参数搭建仿真电路，可以模拟出汽车电气设备的运行情况。例如，利用平台搭建一个前照灯电路，通过切换电路中开关的位置，仿真软件的电路中会出现灯泡点亮或熄灭的效果。利用平台提供的虚拟检测仪表，可以测出电路运行的真实参数。

汽车电气系统常见的故障现象有搭铁、短路、断路、接触不良和元器件烧毁等，在电路原理中体现为短路和断路。搭铁是短路故障中的一类特殊情况，由于汽车采用了单线制的布线原则，全车金属部分均可以看作是电源负极，导致搭铁故障十分隐蔽且常见。在Multisim 电路仿真平台上，针对所有电器元件的每个接线柱均可以设置断路、短路和搭铁3 种故障。例如，图1 所示为具有2 个接线柱的灯泡元件，可以选择灯泡元件的1 号接线柱设置断路故障（选项“打开”）。在实际教学中，如果需要还可设置短路故障（选项“短”）以及搭铁故障（选项“泄漏”）。

图1 电气元件故障设置界面

1.2 电气检修教学功能

在汽车电气检修时，常见的诊断方法有断路法、短路法、试灯法、仪表法和换件法。下面以灯泡控制电路为例，通过Multisim 电路仿真平台实现上述故障诊断方法的教学（图2）。

图2 仿真故障诊断方法实现

（1）断路法：在实际检修工作中，通常是将可疑故障元器件从电路中断开；而在Multisim 电路仿真平台上，可以在电路中添加结点，在结点处断开元件连接进行故障排查。例如图2 中的仿真电路，可以在故障灯泡后的导线上设置结点将电路断开，实现断路法诊断。

（2）短路法：在实际检修工作中，通常采用导线短接故障元件的方法判断元器件的故障。在图2 所示的Multisim 电路仿真平台上，可以利用绘制短路导线的方法对故障灯泡进行短路。

（3）试灯法：在实际检修工作中，试灯是用来测量检测位置是否有电的检测工具，也就是检测点与电源正极是否连通。试灯使用时，将灯尾部固定在车身（电源负极）上，用试灯的探针与检测点接触，若试灯被点亮则该检测位置有电，否者无电。从原理上分析，若检测位置有电，则该位置电压值不为零。在图2 所示Multisim 电路仿真平台上，可以利用电压探针实现试灯的功能，电压探针可以检测出测量点的电压值，这和试灯的原理和操作方法是一致的。在仿真实训时，当探针的电压值不为零则可以认为测量点有电，即该点与电源正极是连通的。

（4）仪表法：在实际检修工作中，会使用到万用表、示波器等仪表设备测量电路的参数，其中万用表是最常用的，可以用来测量电压、电流和电阻等电路参数。在Multisim 电路仿真平台上，同样可以使用万用表模块测量电路参数。如图2 中的万用表XMM1，通过正负接线柱与开关并联，就可以测出开关两端的电压。

（5）换件法：在实际检修工作中对于元件故障的检修，换件是最直接的手段，即将怀疑故障的元件直接更换成一个同型号新的元件；若换件后故障排除，即可以确认故障分析是正确的。如图2 所示，在Multisim 电路仿真平台上可以利用一个新的灯泡作为备件，与电路中灯泡进行替换，验证电路中灯泡的好坏。

2 Multisim 电路仿真平台教学优势

本研究以汽车前照灯电路教学项目为例，探讨电路仿真在汽车电气检修教学中的应用优势。

2.1 传统汽车电气检修教学模式的不足之处

汽车前照灯的教学内容为前照灯电路的工作原理和故障的检修。首先，在传统的教学模式下，前照灯电路原理的教学设计中，普遍是通过多幅静态原理图展示汽车前照灯的各种工作状态。教学策略通常采用PPT 讲解的方式，很难设计出学生参与的互动项目。学生不能直观地看到电路的运行情况，无法进行直接的反馈，学习参与度低，教学氛围沉闷。

其次，对于故障检修的实训教学设计，教师需要根据现有的实训设备情况设计教学内容。受到实训设备和数量的限制，实训项目很难包含全面的故障情况，而且需要对学生进行分组，这导致学生实训机会减少。以前照灯教学中远光灯不亮的故障排除为例，教师需要在课前在教具车辆上更换损坏的远光灯，其中还包含灯罩拆装工作。而学生在实训时需要排队进行，并且将大量的精力花费在故障点的接近工作上。受到课时的限制，教师在教学内容的设计时只能放弃一些项目。

再次，如果教师需要在实训中更换故障原因，让学生再次排故也会花费大量的时间，导致课堂效率低下。因此按照课程计划，要在2 个课时中完成试灯法、仪表法以及换件法的教学则是非常困难。

最后，由于检修工作需要带电进行，学生难免会出现操作不当的行为。这将可能导致检测设备损坏，甚至造成人员伤害。

2.2 Multisim 电路仿真平台教学优势

采用电路仿真的方式进行教学设计时，教师可以利用Multisim 电路仿真平台的元件库参照实车参数，搭建教学项目的电路模型。同样以汽车前照灯电路教学项目为例，首先可以搭建汽车前照灯电路模型（图3）。该模型由左右近光灯、左右远光灯和远光指示灯构成；同时为了保护3 条支路和前照灯主干路，在前照灯主干路和3 条支路上各设计了一个熔丝。前照灯系统的5个灯受到变光开关S1 和控制开关S2 共同控制，实现远光照明、近光照明、仪表板远光指示、远近光切换和闪光的功能。

图3 前照灯电路模型

对于电路原理的教学，学生可以在仿真平台上通过操作变光开关和控制开关，实现前照灯的各种状态的转换。教学策略可以采用问答、讨论和调试等方式，让学生参与到前照灯的工作原理演示中。在教学内容设计时，教师可以根据Multisim 电路仿真平台的功能，在前照灯电路模型上任意设置故障；在编写实训指导手册时，也可以设计所有检测手段让学生进行实训。且仿真条件下进行实训，不受空间的限制，可以不用考虑故障接近的问题。

3 Multisim 电路仿真平台教学应用

根据上述教学设计，汽车前照灯的教学内容为前照灯电路的工作原理和故障的检修。以灯泡不亮故障为例，电路仿真教学实施过程如下。

3.1 前照灯运行原理仿真

远光灯开启条件为控制开关置于HEAD 位，同时变光开关置于HIGH 位，远光灯开启时仪表板的远光指示灯会点亮（图4）。在仿真教学中，学生可以在Multisim 软件中通过开关的设置实现灯光的点亮，从而直观感受电路的工作过程，有助于对电路工作原理的理解。

图4 远光灯点亮仿真结果

3.2 灯泡不亮故障检修

前照灯电路中故障往往是某个灯泡不亮，本研究以灯泡断路的情况进行讨论。例如在教学设计阶段，教师设计好灯泡断路的仿真模型。运行仿真模型，操作变光开关和控制开关，远光照明、近光照明、仪表盘远光指示、远近光切换以及闪光的功能均可以实现，但远光照明时左侧远光灯不亮（图5）。

图5 左侧远光灯故障现象

3.2.1 故障现象和原因分析

针对灯光不亮的情况，可能的故障原因有：①灯泡故障，包括灯泡短路和断路；②熔丝熔断；③开关故障；④线路故障，包括线路断路和搭铁[5]。因为本实例中只出现左侧远光灯不亮的故障，故可以排除开关故障以及熔丝熔断的可能性；并且由于运行后熔丝未熔断，还可以排除搭铁和短路的可能性。因此，可以将故障区域锁定在熔断器F2 的末端至变光开关前端的线路，故障原因为断路。

3.2.2 检修方案制定

根据本实例中故障原因和故障区域的情况，可以采用试灯法、仪表法或换件法进一步确定故障。

3.2.3 实施检修

（1）利用试灯法进行仿真检修。在左侧远光灯泡的电路分别选择3 个探针检测位置（图6），分别测量探针1、探针2 和探针3 这3 个位置的电压。测量结果发现，探针1 和探针2 位置的电压均为12 V（电源电压），而探针3 的电压趋近于0 V（开关电压）。由此判断故障为探针2 和探针3 位置之间发生断路。

图6 电压探针模拟试灯检测

（2）利用仪表法进行仿真检测。如图7 所示，将灯泡与其他电路断开后，利用万用表的欧姆挡功能测量灯泡电阻，结果显示电阻无穷大，说明该灯泡内部断路。

图7 测量故障灯泡电路电阻

（3）利用换件法进行仿真检测。由于左右2 个远光灯型号相同，并且右侧远光灯良好，所以可以在Multisim 软件中复制或移动右侧的远光灯到左侧远光灯位置实现换件。换件后运行电路，结果如图4 所示，左右2 个远光灯都点亮，可以确定故障为左侧远光灯灯泡内部断路损坏。

4 教学效果评价

在本校汽车检测与维修技术专业中试点推广汽车前照灯项目的电路仿真教学后，采用问卷调查的方式对教学效果进行评价。调查结果显示，采用电路仿真教学模式对于该课程的教学能够带来4 个方面的改善：首先，学生制定的检修方案质量明显提高，表明他们的故障分析能力得到了提升；其次，学生的学习态度和课堂纪律有所改善，课堂互动更加活跃；第三，课堂效率和质量明显提高，可以更快、更准确地得到检测结果；最后，采用电路仿真的方式进行教学，教师可以设计更丰富多样的实训项目，学生也能更直观地理解电路的运行原理，达成教学目标的效果更好。

5 结束语

本文对电路仿真技术在汽车电气检修教学中的应用进行研究，结果表明：能够帮助学生通过虚拟仿真环境学习汽车电气检修，克服现场实训受限带来的不便；在故障排除、分析和检修方案制定中具有显著优势，让学生能够在更短的时间内有效解决问题；允许学生进行多次独立的仿真操练和模拟，提高学生自学能力和实际操作技能。本文研究成果为提高汽车电气检修实践教学质量提供了新的思路和理论支持。