汽車電子電氣基礎知識詳解(二)

◆文/山東 劉春暉 張學忠

（接2019年第12期）

二、歐姆定律

歐姆定律是最重要的電工學定律之一，它描述了電壓、電流和電阻之間的關系。歐姆定律的內容是，在恒溫下一個金屬導體上的電壓降U與流經導體的電流強度為I的電流成正比。

利用歐姆定律可計算出一個電路的三個基本參數，前提是至少已知其中的兩個參數。這三個基本參數是電壓、電流和電阻。歐姆定律可用以下三個公式表達：

如果在電阻1Ω的用電器上施加1V電壓，則電路內的電流強度為1A。電壓升高時，電流也隨之升高。用電器電阻升高時，在電壓保持不變的情況下電流減小。魔法三角可用于輔助確定歐姆定律的不同公式，如圖10所示。刪掉待計算的參數，用剩下的兩個參數計算出該結果。為了清楚這些參數的順序，要記住URI。提示：如果很難接入電路或不允許斷開電路，則要測量電路內已知電阻上的電壓。隨后可通過歐姆定律計算出電流。

圖10 歐姆定律的魔法三角

三、電功

當電壓U使電量Q移動時，就在做電功。功的單位為焦耳(J)或者千瓦時(kWh)。電功的計算公式如下：

電機旋轉和燈泡照明都是電功的形式。當電流通過時，電能就被轉化為其他形式，例如動能、光能或熱能。

四、電功率

從技術角度來說，“電流消耗”這種通俗的表述是不正確的，因為流入設備的電流還會再次流出。事實上，涉及普通家用電流時，電子只是在導體內短程往復“擺動”，而不會有明顯數量的電子從導線流入設備內，實際“流動”的是電能。電能也同樣不像通俗表述的那樣被消耗掉，而是進行相應轉換，例如轉化為機械能(電動機)、熱能(電吹風)和化學能(例如手機電池充電時)。此時所做的功(電壓、電流強度和時間的乘積)由一個所謂的電度表確定。因此，“電流消耗”的計量單位是能量單位“千瓦時”，而不是電流單位“安培”。一般來說，功率是指特定時間內做功的能力。

電功率是電子學和電工學中定義表述差異最大的一個數值。所有功率的共同點(針對直流電壓)是計量單位和公式符號。電功率的公式符號是大寫的P。電功率的基本單位是瓦特(W)或伏安(VA)。后者通過電壓和電流計算出來。計量單位“VA”經常可以在變壓器和電機上看到。

電功率P、電壓U、電流和電阻之間的數學關系參見圖11。可通過兩個已知的電參數計算出一個未知的電參數。

圖11 電流I、電壓U、電阻R和功率P的換算表

五、電路

到現在為止，我們談及的電路都由一個電壓電源和一個負載電阻構成。但在車輛上一個電壓電源(車載網絡供電)會同時接有很多用電器。這種電路稱為擴展型電路。擴展型電路也分為并聯和串聯兩種基本連接方式。

下面以電阻為用電器介紹這兩種連接方式。與其他用電器連接時，例如電機、白熾燈泡或繼電器，情況基本相同。在電子電氣系統中電路也用電路圖來表示。

與以前所示電路圖的唯一區別是未畫出回流導線。在一些汽車中回流導線通過車身即電氣接地表示。接地用圖12所示電路符號表示。車輛上的所有接地連接都通過車身以電氣方式相互連接。車身通過一根銅帶與蓄電池負極接線柱連接在一起。

圖12 接地電路符號

六、電路圖

識別電路圖是診斷系統故障的基本技能，下面就寶馬電路圖的一些表示方法做出說明，部分電路符號的表示方法如表1所示，導線顏色的表示方法如表2所示。線路圖說明：同一插頭中的兩個線腳劃線表示同一插頭的連接點，其各部分的含義如圖13所示。

表1 部分電路符號的表示

表2 導線顏色的表示方法

圖13 線路說明

七、串聯電路

1.電阻的串聯

圖14 電阻串聯

串聯時將所有電阻依次連接在一起。電流先后經過每個電阻，也就是說必須克服總電阻，如圖14所示。

相同電流經過所有電阻時這些電阻為串聯形式。總電壓Utotal分布在串聯電路的各個電阻上。各部分電壓之和等于總電壓。

由于串聯電路內各處的電流大小都相等，因此不同電阻的電壓降不同。電壓與對應的電阻成正比。串聯電路的總電阻是各串聯電阻之和。

總電壓分配在最大電阻上的電壓降最大，總電壓分配在最小電阻上的電壓降最小。

2.供電電源串聯

正確串聯連接各供電電源的電極時，就會將各部分電壓相加起來，如圖15所示。將各電源彼此同極相對連接時就會消減電壓。最大電流由最弱供電電源決定。

串聯連接供電電源時，各部分電壓相加形成總電壓。同理，將各內阻抗相加即得到總內阻抗。

圖15 供電電源串聯

八、并聯電路

并聯電路不是將電阻依次連接，而是將其并排連接時稱為并聯。在這個電路中有更大的橫截面供電流通過，并聯電路的連接如圖16所示。因此總電阻較小。并聯電路的總電阻始終小于最小的單個電阻。電阻并聯時，施加在所有電阻上的電壓都相同。

圖16 電阻并聯

總電流在電阻的連接點處分為多個分電流。分電流的總和等于總電流，如圖17所示。

圖17 電流I分為三個分電流

并聯電路的總電阻小于最小的單個電阻。電流可以更好地通過各個并聯電阻，即電導率升高。利用下列公式計算三個電阻并聯時的總電阻，如圖18所示。

圖18 一個并聯電路的總電阻

可將供電電源并聯起來，其電路如圖19所示。但必須確保所有供電電源都具有相同的標稱電壓值和內阻抗。必須將各電源的同極彼此相連，否則可能會對供電電源造成無法修復的損壞或破壞。并聯連接供電電源可輸出相對于單個供電電源來說更強的電流。

圖19 供電電源并聯

各部分電流相加形成總電流，各內阻抗并聯連接在一起。

必須確保只將具有相同非負荷電壓值和相同內阻抗的供電電源并聯在一起。如果將不同容量和充電狀態的蓄電池并聯在一起(輔助啟動)，只能在短時間內保持這種連接狀態，否則將會引起蓄電池過熱。

九、最常見的電路故障

1.接觸電阻

經過一段時間，連接部位在空氣、濕氣、污物和侵蝕性氣體的作用下出現氧化現象。這種氧化作用會使連接部位的接觸電阻增大。根據歐姆定律，電阻增大會產生電壓降。電路中的電阻增大導致電流減小。因此用電器內實際消耗的功率減小。例如，因氧化作用造成前燈導線電壓下降10%時，前燈內的實際功率就會減小大約20%。接觸電阻較小且電流只有幾安培時，電壓降可以忽略不計。

接有電流較大的用電器時，可能會出現嚴重影響用電器功能的電壓降。但由于無法用萬用表測量較小的接觸電阻，因此必須通過測量閉合電路內的電壓來確定該電阻值。

2.短路

在兩個電極(例如電池的正極和負極接線柱)之間建立起直接的導電連接(通常是不希望出現的)時稱為電氣短路。短路就是電壓電源的突然性電荷平衡。短路通常是由于絕緣不良或由于電氣系統及電路出現電路故障造成的。在電壓幾乎降為零的同時，電流達到最大值，即短路電流。該電流只能通過電源內阻Ri來限制。

所有為進行平衡蜂擁而至的電子同時試圖通過導體，導體無法承受這種電子流，因此導致導體上產生電火花或過熱。由于短路電流沒有受到限制，因此可能導致沒有熔絲保護的導線或電纜過熱損壞。出現較高的短路電流時熔絲必須熔斷，同時以最快的速度將短路部位與其他正常的供電網絡斷開。根據電路情況必須盡快切斷(最多0.1s)，以將電壓降和短路電流的影響降至最低。否則可能會引起火災。

3.斷路

斷路時電路無法閉合，即所需電流中斷。斷路通常是由于插接連接問題造成的。斷路的結果是電氣組件無法工作，例如白熾燈泡、加熱電阻、揚聲器等。

十、可變電阻

可變電阻可分為機械可變電阻(電位器)和其他類型的受外界溫度壓力等條件影響的電阻器，如熱敏式電阻、光敏電阻等。可變電阻器按其設置特性進行區分，不同可變電阻特性如圖20所示。除直線和對數設置特性外，還有一系列非線性電阻器。在應用方面，一般直線電阻應用在位置傳感器上，對數曲線型電阻，應用在音量調節器上，S形曲線應用在空氣體積流量計。

圖20 不同類型可變電阻特性

十一、機械可變電阻

機械可變電阻即電位器，形式不同，但是它們具有相同的電氣功能(可變分壓器)，機械可變電阻的電路符號如圖21所示。

電位器的電阻值可隨時改變，線繞電位器僅在機動車電氣系統內使用，碳膜電位器或導電塑料電位器在機動車電子系統內使用。電位器可用于進行長度測量，電位器活動觸頭與待測長度有關，測量可變電阻器的電壓降，通過電阻內的變化可以量度長度變化，電位器也可以作為角度傳感器使用。在這種情況下，旋轉角度與電位器電阻上的電壓降之間具有一種固定的相互關系。

機械可變電阻在機動車中主要應用在燃油液位傳感器、葉片式空氣體積流量計、踏板位置傳感器、節氣門位置傳感器等。現在除了燃油液位傳感器還在使用電位器外，其他的傳感器都已經使用非接觸式的傳感器替代。

圖21 機械可變電阻的電路符號

圖22 NTC電阻在電路中的電路符號

圖23 NTC 電阻隨溫度變化的特性曲線圖

十二、熱敏式電阻器

熱敏式電阻在車上是應用最廣泛的一種可變式電阻。

1.NTC 電阻

NTC 電阻是電阻值隨溫度升高而減小的半導體電阻。對于NTC電阻來說，R20表示20℃時的電阻值，即處于冷態的NTC電阻。為了抵消內部溫度影響，NTC電阻流過的電流較低，因此外界溫度對電阻值的影響很大。NTC電阻在電路圖中的電路符號如圖22所示，兩個反向箭頭表示電阻與溫度之間成反比。溫度越高，電阻越低，溫度越低，電阻越高，其特性曲線圖如圖23所示。

圖24 帶有冷卻液溫度傳感器的電路圖

無固有加熱特性的NTC電阻在測量溫度時作為溫度傳感器使用，在模擬電路中用于穩定溫度。如圖24所示為帶有冷卻液溫度傳感器的電路圖。寶馬E60空調蒸發器溫度傳感器電阻值與溫度的關系如表3所示。

表3 寶馬E60空調蒸發器溫度傳感器電阻值與溫度的關系

2.PTC電阻

PTC電阻是電阻值隨溫度升高而增大的半導體電阻，電阻符號如圖25所示。圖26顯示了PTC電阻隨溫度變化的電阻曲線圖。在汽車上PTC電阻可用來控制加熱

裝置電流，如車外后視鏡加熱器(圖27)。

PTC電阻達到初始溫度TA時電阻值開始增大，此時為初始電阻RA，直至標稱溫度TN時電阻都以非線性形式增長。自標稱電阻RN起，電阻顯著增大。PTC工作范圍擴大，直至達到最終溫度TE。

圖25 PTC電阻符號

圖26 PTC電阻隨溫度變化的特性曲線圖

圖27 車外后視鏡內加熱控制電路圖

（未完待續）