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汽车电子和电气系统教案

第一章汽车电子和电气系统

汽车技术日新月异，尤其是近几年，汽车技术高速发展。

汽车技术的发展，很重要的一方面表现在电子电气技术在汽车上的应用。

燃油喷射技术、防抱死制动系统、巡航控制系统、全球定位系统等等，这些先进的系统在汽车上的应用，无不是汽车电子技术的应用。

特别是近几年我国国产车型都大量安装先进的电子控制系统，所以要求维修人员必须掌握电子电气方面的新技术。

本书从最基本的电学理论开始，深入浅出地介绍了汽车电子电气系统的各个方面。

在介绍各系统理论知识的同时，加强了维修和诊断方面的内容。

通过学习，读者能对汽车电子电气系统有一个全面系统的认识和理解，也可以对电子电气系统的维修有一个正确的理解，并可以根据本书的指导，进行故障的诊断和维修。

第一章汽车电学理论

1.1电学基础

1.1.1电压、电流、电阻的概念

如图1－1所示，我们通常所说的最基本的电路由电源、开关、导线和负载组成。

一个完整的电路由电源、负载和中间环节组成。

电源是供应电能的装置，在汽车上通常是蓄电池和发电机；负载是消耗电能的装置，在汽车上通常有起动机、继电器、照明系统、或其它电气部件；中间环节是传送和控制电能的部分，如导线、开关、熔断器或电路元件等。

EL010096图1－1基本的电路构成

1.电压（Voltage）

电压可以理解为电的压力，它是引起导体中电子移动的电动势，通俗的说就是引起电子移动的压力，见图1－2。

在汽车电气系统中，由蓄电池或交流发电机提供电压。

电压通常以字母U表示，单位是“伏特（V）”。

如果将电压表跨接在汽车蓄电池两端时电压表指示12.6V，这表明蓄电池正负极之间的电压是12.6V。

EL010091图1－2电压示意图

2.电流（Current）

如图1－3所示，电流就是电子在导体中流动的速率，通常以字母I表示，单位是“安培（A）”。

电流是1秒钟内通过电路中任一横截面的电子的数量。

EL010095图1－3电流示意图

电流有直流（DC）和交流（AC）之分，直流就是电子总是向一个方向流动，交流就是电子按一定频率变换流动方向，见图1－4。

EL010104图1－4直流电和交流电

3.电阻（Resistance）

如图1－5，电阻就是电路中电子流动的阻力。

电阻通常以字母R表示，单位是“欧姆（Ω）”。

导线的材料、粗细、长度和温度决定了导线电阻的大小。

电路中负载（电动机、电灯等）的电阻比导线的电阻大得多。

将电能变为光能、热能或运动能均需电阻。

电路中的工作器件，如灯泡、电动机、继电器等都有电阻。

EL010089图1－5电阻示意图

1.1.2．欧姆定律，焦耳定律

1.欧姆定律

欧姆定律是电学的基本定律。

内容如下：

在同一电路中，电流值（I）与电阻值（R）成反比，而与电压值（U）成正比。

数学公式为：

I=U/R

变形公式为：

R=U/I或U=I·R

比如：

直流电路中的电流I=10A（安培），电压U＝20V（伏特），则电路中的电阻R=U/I=20/10=2Ω（

欧姆）。

欧姆定律确定了电流、电压和电阻之间的关系。

如果电阻减小而电压保持不变，则电流增加，如果电阻不变而电压增加，则电流增加。

欧姆定律在汽车维修中的应用

在汽车维修中，根据欧姆定律，通过测量电路中的电压和电流来计算电阻的大小，这个方法称为伏安法。

比如知道电路的电压U＝12V，电流I＝4A，则电阻R＝U/I＝3Ω。

如图1－6所示。

EL010097图1－6利用欧姆定律计算电阻

也可以根据欧姆定律计算电路中的电流。

比如知道电路的电压U=12V，电阻R=2Ω，则电路中的电流I＝U/R＝12/2＝6A。

如图1－7所示。

EL010098图1－7利用欧姆定律计算电流

如果知道电路中的电流I＝3A，电阻R＝4Ω，也可以计算出电路的电压U＝I·R＝3×4＝12V。

见图1－8。

EL010099图1－8利用欧姆定律计算电压

2.焦耳定律

焦耳定律表示了电路中发出的热量与电流、电阻和时间的关系。

内容如下：

电流通过导体所产生的热量跟电流的平方成正比，跟导体的电阻成正比，跟通电时间成正比。

也就是说，电流越大发热越多，电阻越大发热越多，通电时间越长，发热越多。

公式：

Q=I2Rt

单位：

I—A（安培），R—Ω（欧姆），t—S（秒），Q—J（焦耳）

汽车有很多发热电路，如除霜器、加热座椅等电路都是产生热量的电路。

1.1.3．串联、并联电路

1.串联电路

串联电路是指在同一条电流通路上接了一个或多个电阻（负载），见图1－9和图1－10。

通过电路中每个电阻的电流是一样的。

如果电路中任一部件损坏，整个电路就会断开，因为从蓄电池正极出来的电流必须通过每个电阻（负载）才能返回负极或接地。

串联电路的总电阻是所有电阻之和。

例如，电路中串联了三个灯泡，阻值分别为3Ω、2Ω和1Ω，则此串联电路的总电阻R=3Ω十2Ω十1Ω＝6Ω。

通过每个灯泡的电流相同，均为I＝U/R＝12/6＝2A。

EL010001图1－9典型的串联电路

EL010063图1－10典型的串联电路示意图

串联电路的特点：

1）总电阻是所有电阻之和。

2）流过每个电阻的电流是相同的。

3）电路中每点的电流是相同的。

4）如果各个电阻的阻值不相同，则各个电阻两端的电压也不同。

5）每个电阻的电压之和等于电源电压。

在任一回路循环方向上，回路中电动势的总和等于各电阻上的电压降总和。

2.并联电路

并联电路就是多个电阻并列连接在一起的电路。

见图1－11和图1－12，在并联电路中，电流可以同时流过一个以上的电阻。

对于并联电路。

若一条支路中的部件损坏，不会影响其它支路中的部件。

EL010002图1－11典型的并联电路

EL010072图1－12并联电路示意图

并联电路的特点：

（1）加至每条并联支路的电压相同。

（2）总电阻小于电路中最小的电阻。

（3）如果各条支路的电阻值不同，则流过每条支路的电流不同。

（4）每个支路两端的电压相同。

即U总=U1=U2=U3

（5）每条支路的电流之和等于电路的总电流。

即I总=I1+I2+I3

我们实际遇到的电路通常为串并联电路组成的混合电路。

如图1－13中就是一个简单的串并联电路，旋转变阻器可以调节灯光的亮度。

EL010065图1－13典型的串并联电路

1.1.4集成电路（IC）

集成电路是利用半导体工艺将一些晶体管、电阻、电容以及导线等电路元件制作在一块很小的半导体材料或绝缘基片上，从而形成一个完整的电路。

集成电路具有体积小、重量轻、可靠性高和造价低等优点，见图1－14。

在汽车电气系统中，集成电路是非常复杂的，一般都是由具备各种功能的电路集成在一个电路板上。

汽车上的各个控制模块，均集成了成千上万个不同功能的电路。

如车身控制模块（BCM）就可以同时控制车门、车窗、空调、防盗、内部灯等车身电气部件。

EL010050图1－14集成电路芯片

1.1.5断路、短路与高电阻

电路可能出现断路、短路、高电阻等故障，从而使电路工作不正常。

接下来一一分析说明。

1.接地短路（搭铁）

接地短路是指电路未经过负载提前接地的一种故障现象。

大部分接地短路故障是由于导线或电路元件的绝缘层破裂，并且接地造成的。

如图1－15就是例。

开关和灯泡之间的导线绝缘层破损导致接地短路，电流没有通过灯泡而直接返回接地端，会导致灯泡不亮，电路中的电流升高，保险丝或其它电路保护装置断开。

如果电路没有保护装置，还会引起线路或其它部件烧毁甚至燃烧。

EL010103图1－15接地短路（从控制开关后面短路）

图1－16中是另一种形式的接地短路故障，电路在灯泡和开关之前接地，会导致灯泡不亮并且开关无法控制电路，保险丝也会马上烧断。

如果没有电路保护装置，还有可能会烧毁电源。

若出现这种情况，即使更换了保险丝，接通电路后，仍然会再次烧断保险丝。

EL010102图1－16接地短路（从控制开关前面短路）

2.电源短路

在汽车电路故障中，还有一种短路形式是与电源短路，通常是一个电路的两个独立分支因导线绝缘层破损相互连接，如图1－17所示。

EL010090图1－17与电源短路

电源短路一般会导致电路不能正常工作或者反应异常甚至烧毁。

如上图“A”所示，两个独立的支路在开关前面短路，会使两个电路都不能单独控制，任何一个开关都可以同时控制这两个电路。

如“B”所示，一个电路灯泡前面的导线和一个电路灯泡和开关之间的导线短接，这样会造成左边的电路失效，而右边的电路正常。

所以遇到短路故障，要具体情况具体分析，不能一概而论，要根据故障的详细情况，参照电路图并利用检测工具正确判断才行。

3.断路

断路是一种不连续的、有中断的电路故障。

电气部件接触不良就是一种轻微的断路现象。

电路中的任何一部分出现问题都有可能导致断路，比如导线断裂、电路部件烧毁、接头松动等。

如图1－18，一个串联电路中出现断路故障，这会导致整个电路都不导通。

检测电路中断路的方法是分别测量电路中各个部件两端的电压。

如果某一个部件的一端有电压，而另一端没有电压（电压为0伏特），则这个部件中间肯定有断路存在。

EL010064图1－18：

串联电路断路

在并联电路中出现断路故障比较复杂，如下图1－19。

如果在并联电路的主线路或接地电路中出现断路，则结果和串联电路中出现断路是一样的，整个电路都会失效。

如果在并联电路的某个支路中出现断路，则只有这个出现断路的支路受到影响，其它支路还可以正常导通。

EL010074图1－19并联电路断路

4.高电阻

高电阻现象在汽车电路中经常出现，高电阻会引起整个电路或某个器件断断续续的导通，或者电路中电流过低。

例如灯泡闪烁或者亮度降低，就有可能是高电阻引起的。

电路连接不好，松动或者接头不干净都有可能引起高电阻问题。

由于汽车的工作环境比较恶劣，比如高速、高温、寒冷、颠簸、腐蚀等都会引起电路故障。

所以在日常行车过程中要经常检查和注意保养电气系统。

如果发现电气部件有异常或导线破裂、扭结、松动等，一定要及时检修。

1.1.6静电

我们知道，摩擦可以起电，摩擦后的正负电荷是被束缚在带电体上的，它不能象电线中的电荷那样定向移动。

所以，人们称之为静电荷，简称静电。

当带有不同电荷的两个物体分离或接触时出现电火花，这就是静电放电的现象。

产生静电的原因主要有摩擦、压电效应、感应起电、吸附带电等。

汽车在高速行驶中以及汽车的内部装饰都有可能产生静电。

汽车静电不但给车主与乘客带来不便，还可能引起意外事故。

因此预防和消除汽车静电是非常重要的，并应注意以下几点：

（1）车内少用纤维物

纤维织物的摩擦是汽车静电的重要来源，特别是化纤产品，更易摩擦起电。

因此在选择座套、座垫及脚垫等用品时，尽量使用真皮、毛料或纯棉制品，减少化纤产品的使用。

（2）使用车蜡

车蜡具有防电作用，但不同种类车蜡防静电能力不同。

若您的车易于产生静电，不妨采用防静电专用车蜡，效果会更加明显。

（3）使用静电放电器

静电放电器有两种，一种是空气静电放电器，另一种是搭链式放电器。

若想取得最佳的防静电效果，最好让这两种放电器结合使用。

另外，静电也有可能损坏电子器件。

所以，拆卸电子器件时，一定要先将静电放掉。

1.1.7汽车电路、线束及电路故障的修复

汽车电路的故障很多是由导线或接头等引起的，因此，下文主要介绍一下导线和接头的有关知识和维修方法。

1.导线

导线是汽车电气系统中最为基础的组成部分，但它并不像大家想象的那么简单。

在不同的汽车电路中，对导线的尺寸以及材料要求都是不一样的，而且有严格的标准，例如导线截面与允许电流的关系，参见表1－1和表1－2。

在维修汽车电路时，要严格按照维修手册中的相关规定、标准、程序。

切记不要随便连接、更换或替代出现问题的导线，有的修理人员经常随意窜改和加接导线——我们熟称的“飞线”——这样容易引起导线过热，发生火灾，是十分危险的。

表1-1单根导线标称截面及允许的电流负荷（JB677-71）

导线标称截面积/mm2

0.5

0.75

1.0

1.5

2.5

4.0

允许电流/A

170

215

注：

将单根导线置于空气中，温度为25℃，导体工作最高温度为65℃的允许值。

表1-2汽车12V电系主要线路导线截面积推荐表

标称截面/mm2

用途

0.5

尾灯、顶灯、指示灯、仪表灯、牌照灯、燃油表、刮水器电机、电子钟、水温表、油压表

0.8

转向灯、制动灯、停车灯、分电器

1.0

前照灯、喇叭（3A以下）

1.5

电喇叭（3A以下）

1.5～4.0

其他的连接导线

4～6

电热器塞电线

6～25

电源线

16～95

起动机电线

我国及世界多数国家的汽车电气系统用导线是按上述标称截面积规定的，但美国对汽车用导线规定了统一的线规（AWG），线规号码越大，导线越细，允许电流值越小。

美国线规与公制导线标称截面积的对应关系见表1-3。

表1-3公制导线标称截面积尺寸与美制线规对照表

美制线规（AWG）

公制截面尺寸/mm2

0.5

0.8

1.0

2.0

3.0

5.0

8.0

13.0

19.0

汽车高压导线的耐压值一般应在30kV以上。

它在点火系统中承担高压电输送任务，其工作电流很小，故截面积较小，约1.5mm2，绝缘层很厚，多采用橡胶绝缘。

按线心不同，国产高压导线分为铜心线和阻尼线两种。

高压阻尼线能抑制点火系对无线电设备的干扰，效果较好。

为便于区分汽车电路，其导线绝缘层采用不同颜色。

有些导线采用单一颜色，有些则在主色基础上加1、2条轴向辅助色。

在电路图中，导线的颜色多用英文字母表示。

若导线为单色，则只用一个字母。

若有辅色，则用两个字母表示。

前一个字母表示主色，后一个字母表示辅色。

单色线颜色的代号见表1-4。

双色线的颜色由表1-5规定的两种颜色组成。

双色线的主色所占比例大些，辅助色所占比例小些，一般为3：

1～5：

1。

电线颜色的选用程序应符合表1-5的规定。

汽车电气系统一般分为9个系统，各系统的主色见表1-6。

表1-4汽车用导线颜色

导线颜色

黑

白

红

绿

黄

棕

蓝

灰

紫

橙

代号

表1-5导线颜色的选用程序

选用程序

导线颜色

WBL

RBL

GBL

BrW

BrR

BrY

BrB

BLW

BLR

BLY

BLB

BLO

GrR

GrY

GrBL

GrB

表1-6汽车电路各系统的主色

序号

系统名称

导线主色

代号

电源系

点火和起动系

前照灯、雾灯及外部灯光照明系统

灯光信号系统，包括转向指示灯

车身内部照明系统

仪表及警报指示和喇叭系统

收音机、电子钟、点烟器等辅助装置

各种辅助电动机及电气操纵系

电气装置搭铁线

红

白

蓝

绿

黄

棕

紫

灰

黑

当然，上述只是一般规律，有的厂家会有自己的规定。

所以维修时要以该车型的原厂维修手册为准。

现在大多数汽车电路都使用铜质导线，外面有绝缘层。

还有一种具有屏蔽功能的屏蔽电缆也有应用，这种导线外围有屏蔽层，从而可以避免受电磁波的干扰。

汽车计算机信号传输电路一般都使用屏蔽电缆。

另外还有多根导线并排制作在一起的带状导线，这种导线的优点是节省空间，布线简单，多用在空间狭小的地方，比如汽车仪表板系统电路使用的就是带状导线。

如图1－20。

EL010085图1－20各种导线

在汽车电路中应用最多的应该是线束。

线束其实就是将多根导线集合在一起，并共用一个大的接头，以节省空间和简化电路。

例如，灯光开关的连接线束内就包含停车灯、尾灯、远光和近光电路所使用的导线。

大多数线束用一根硬质塑料管或软质塑料管包装，然后用线夹固定在汽车上。

一辆汽车上会有多个线束，而且汽车越高级，线束越多。

线束的布线方式在各车型的维修手册中有详细的标注，如图1－21所示。

（EL010038）图1－21线束（电子与电气P70）

为了更好地区分汽车各个系统的电路，往往还对不同的线束进行编号。

维修汽车时，可以根据这些编号迅速查找需要的线束。

如图1－22，是通用汽车的线束编号，线束P700就表示汽车的左后车门线束。

（EL010039）1－22通用汽车上的线束布置和编号

2.导线的维修

（1）剥线

剥线是维修导线时常做的工作，但是很多维修工忽视了这一工作的重要性，认为这是很简单的事情，不按一定的规范操作。

但是事实上，现代汽车电气系统越来越复杂，汽车电器也越来越高级，这些高级电器对和它有关的任何部件要求都很苛刻，其中就包括给它们提供信息通道和能源的导线。

如果剥线时没有按规定操作，不慎将导线拉长或削去部分导线，都有可能带来严重后果或安全隐患。

比如传递信号的导线，如果维修时被拉伸，导线的电阻就会增加，从而影响信号的传递。

所以，对于剥线这样看似简单的工作不能掉以轻心，应该使用专用剥线钳（图1－23）剥线。

对于不同型号的导线要使用剥线钳的不同部位或不同的剥线钳（图1－24、图1－25）。

（EL010040）图1－23剥线钳实物

（EL010042）图1－24剥线过程－1（EL010045）图1－25剥线过程－2

（2）连接

维修时，通常要将一根断开的导线或两根导线连接在一起。

有的维修工习惯将两个裸露的接头拧在一起，然后用绝缘胶带包上就算完成了导线的连接。

其实这样做很不规范，这样连接的导线不但使用寿命短，而且还可能会造成短路、漏电、打火等潜在故障。

规范的接线方法是利用专用接线材料和专用接线工具（压线钳）连接。

如图1－26～图1－33所示。

（EL010046）图1－26压线钳实物图

EL010077图1－27导线连接（组图－1）

EL010108图1－28导线连接（组图－2）

EL010080图1－29导线连接（组图－3：

用压线钳夹紧接线头）

EL010079图1－30导线连接（组图－4）

EL010081图1－31导线连接（组图－5）

EL010109图1－32导线连接（组图－6）

EL010078图1－33导线连接（组图－7）

还有一种带绝缘管的接线材料，其外观及连接方法如图1－34～图1－36。

EL010076图1－34带绝缘管的接线材料

注意：

用夹线钳夹接线管时，用力要得当，不要夹坏绝缘层。

EL010110图1－35接线过程

EL010111（上两图未备份）图1－36接线后

（3）焊接

焊接是连接导线的基本方式之一。

焊接使用的专用工具是电烙铁（图1－37）。

根据不同情况，要选取不同功率的电烙铁。

（EL010047）图1－37电烙铁（提供照片）

焊接导线时，要注意以下问题，同时参考图1－38：

1．焊接时不要直接用电烙铁加热熔化焊接材料，而是通过加热导线接头，同时把焊接材料放到需要焊接的区域，间接熔化焊接材料。

因为只有这样，才能使熔化的焊接材料充分和导线熔为一体。

否则，因为导线温度比焊接材料低，会造成焊接不牢的后果。

2．要确保焊接点在导线的金属头上，而不能在绝缘层上焊接。

3．如果用接线夹，要确保焊接材料均匀覆盖夹子。

4．不要使用太多焊接材料。

要圆滑焊接，不要让焊接材料产生棱角，否则，棱角会刺穿绝缘层，引起漏电或短路。

5．不要长时间给导线加热，以免烧毁导线和绝缘层。

6．维修导线时，一定要断开电源。

（EL010048）图1－38焊接导线正、误比较

（4）端子

导线的一端一般都有一个连接金属片，我们称之为端子。

尽管有些时候我们常把端子说成接头，但实际上，端子应该属于导线的一部分。

虽然端子的样式有很多种，但是所有的端子的作用和基本结构都是一样的，端子上有一个锁舌用来将端子固定在导线上。

如图1－39。

EL010070图1－39端子实物

这里需要注意的是，在连接端子和导线时，要使用专用工具（或多功能压线钳）。

（5）接头

接头是一种塑料的机械连接件。

端子通过接头将电路接通，有的接头可以连接一对端子，有的可以连接多对端子。

我们通常把可以连接多对端子的接头称为多孔接头。

如图1－40。

EL010101图1－40插头和插座连接前后

从接头中拔出端子的方法

从接头中拔端子时也要使用专用工具，如图1－41。

将专用工具深入接头的小孔中，顶压端子的锁舌，然后移动接头，即可拔出端子，如图1－42。

EL010100图1－41专用工具

（EL010178）图1－42拔出端子时要注意锁舌的位置

注意：

用专用工具压锁舌时，用力要适当，不能用力太大，否则会损坏锁舌和接头。

如果用工具压住锁舌后仍然不能移动端子，可能是你压的地方不对或没有压住锁舌，而不是用力不够。

如果位置正确，轻轻用力即可压住锁舌。

通过维修手册可以很容易地确定锁舌的位置。

1.2基本电气元件

1.2.1电阻（器）

电阻器是电路中不可缺少的部分，应用非常广泛。

它在电路中可以起到电压调整和负载的作用。

常见的电阻器可分为固定电阻、可变电阻。

1.固定电阻

固定电阻是最常用的电阻，一般分为两种，碳膜/金属氧化膜电阻和绕线电阻（图1－43）。

EL010083图1－43各种电阻及其电路符号

碳膜电阻是常见的固定电阻之一。

碳膜电阻利用碳的导电性制成，电阻内部的碳越少，阻值越大，所以经常被用来限制电流。

固定电阻适用的电路级别是以功率（W）来区分的，一般的固定电阻为0.125W～2.0W。

金属氧化膜电阻有较好的热稳定性，所以金属氧化膜电阻适用的电路级别一般为2.0W或更高。

固定电阻的大小可以从它外表面上的色带区分，如图1－44。

第一条色带是绿色，代表的数字是“5”，第二条色带是红色，代表的数字式“2”，第三条色带则代表倍乘数，黑色代表“0”，则这个电阻的阻值为52×100等于52欧姆，最后一条色带代表该电阻的阻值误差，例如本图中，银色代表的误差为10％，则该电阻的阻值为52±5.2欧姆。

固定电阻阻值的识别如图1－45。

（EL010179）图1－44固定电阻色带

（EL010180）图1－45固定电阻阻值的识别

绕线电阻是由一根电阻丝绕制成的，表面封着陶瓷以保护电阻丝。

这种电阻的阻值比较精确，而且热稳定性好，所以一般用在功率比较大的电路中。

参见图1－46。

例如，汽车的点火系统中使用的镇流电阻就是绕线电阻。

EL010112（本图未备份）图1－46绕线电阻

2.可变电阻

可变电阻可分为不连续可变电阻和连续可变电阻。

不连续可变电阻的阻值变化是不连续的，这种电阻有几个固定的阻值可以选择。

比如有的电阻可以在10欧姆、30欧姆和50欧姆中选择任意一

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