電路仿真在汽車電氣檢修教學中的應用

摘要：本文以汽車前照燈項目教學為例，探討了電路仿真技術在汽車電氣檢修教學中的應用。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思路。通過分析應用電路仿真技術的教學案例，從教學設計、教學實施、教學效果評價三個方面，分析了電路仿真技術在教學中的作用。結果表明電路仿真技術應用在汽車電氣檢修教學中可以有效提高教學質量和教學效率，彌補實訓條件限制帶來的不便。

關鍵詞：電路仿真；汽車電氣；檢修；仿真教學；電路模型

中圖分類號：G712 文獻標識碼：A

0 引言

汽車電氣設備與檢修是高職汽車檢測與維修技術專業的一門核心課程，對于培養學生電氣設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，該課程傳統的教學模式存在著很多不足，例如學生的操作空間受限、實訓器材有限以及學生操作意外風險大等，這些都會影響高品質的教學需求[1]。近年來，基于計算機仿真技術的教學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因具有靈活、可控和適應性強等優勢，越來越受到教育者和學生的關注[2]。本論文旨在討論電路仿真技術在汽車電氣檢修教學中的應用，基于Multisim 電路仿真平臺探索電路仿真技術在提高學生實踐能力、降低教學成本和提高教學效果等方面的優勢。

1 Multisim 電路仿真平臺的教學功能

1.1 平臺教學模型搭建功能

Multisim 電路仿真平臺的電氣元件庫中包含了目前電氣領域中絕大多數的電氣元件，汽車上常用的電源、熔絲、開關、二極管和三極管等元器件均可在Multisim 電路仿真平臺中找到，并可根據汽車上的真實參數搭建仿真電路模型[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搭建仿真電路，可以模擬出汽車電氣設備的運行情況。例如，利用平臺搭建一個前照燈電路，通過切換電路中開關的位置，仿真軟件的電路中會出現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。

汽車電氣系統常見的故障現象有搭鐵、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 號接線柱設置斷路故障（選項“打開”）。在實際教學中，如果需要還可設置短路故障（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 電路仿真平臺實現上述故障診斷方法的教學（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點，在結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線上設置結點將電路斷開，實現斷路法診斷。

（2）短路法：在實際檢修工作中，通常采用導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、示波器等儀表設備測量電路的參數，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。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。如圖2 中的萬用表XMM1，通過正負接線柱與開關并聯，就可以測出開關兩端的電壓。

（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 電路仿真平臺教學優勢

本研究以汽車前照燈電路教學項目為例，探討電路仿真在汽車電氣檢修教學中的應用優勢。

2.1 傳統汽車電氣檢修教學模式的不足之處

汽車前照燈的教學內容為前照燈電路的工作原理和故障的檢修。首先，在傳統的教學模式下，前照燈電路原理的教學設計中，普遍是通過多幅靜態原理圖展示汽車前照燈的各種工作狀態。教學策略通常采用PPT 講解的方式，很難設計出學生參與的互動項目。學生不能直觀地看到電路的運行情況，無法進行直接的反饋，學習參與度低，教學氛圍沉悶。

其次，對于故障檢修的實訓教學設計，教師需要根據現有的實訓設備情況設計教學內容。受到實訓設備和數量的限制，實訓項目很難包含全面的故障情況，而且需要對學生進行分組，這導致學生實訓機會減少。以前照燈教學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。而學生在實訓時需要排隊進行，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，教師在教學內容的設計時只能放棄一些項目。

再次，如果教師需要在實訓中更換故障原因，讓學生再次排故也會花費大量的時間，導致課堂效率低下。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則是非常困難。最后，由于檢修工作需要帶電進行，學生難免會出現操作不當的行為。這將可能導致檢測設備損壞，甚至造成人員傷害。

2.2 Multisim 電路仿真平臺教學優勢

采用電路仿真的方式進行教學設計時， 教師可以利用Multisim 電路仿真平臺的元件庫參照實車參數，搭建教學項目的電路模型。同樣以汽車前照燈電路教學項目為例，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 條支路上各設計了一個熔絲。前照燈系統的5個燈受到變光開關S1 和控制開關S2 共同控制，實現遠光照明、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，學生可以在仿真平臺上通過操作變光開關和控制開關，實現前照燈的各種狀態的轉換。教學策略可以采用問答、討論和調試等方式，讓學生參與到前照燈的工作原理演示中。在教學內容設計時，教師可以根據Multisim 電路仿真平臺的功能，在前照燈電路模型上任意設置故障；在編寫實訓指導手冊時，也可以設計所有檢測手段讓學生進行實訓。且仿真條件下進行實訓，不受空間的限制，可以不用考慮故障接近的問題。

3 Multisim 電路仿真平臺教學應用

根據上述教學設計，汽車前照燈的教學內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置于HEAD 位，同時變光開關置于HIGH 位，遠光燈開啟時儀表板的遠光指示燈會點亮（圖4）。在仿真教學中，學生可以在Multisim 軟件中通過開關的設置實現燈光的點亮，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。例如在教學設計階段，教師設計好燈泡斷路的仿真模型。運行仿真模型，操作變光開關和控制開關，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，但遠光照明時左側遠光燈不亮（圖5）。

3.2.1 故障現象和原因分析

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左側遠光燈不亮的故障，故可以排除開關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，可以將故障區域鎖定在熔斷器F2 的末端至變光開關前端的線路，故障原因為斷路。

3.2.2 檢修方案制定

根據本實例中故障原因和故障區域的情況，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。測量結果發現，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（開關電壓）。由此判斷故障為探針2 和探針3 位置之間發生斷路。

（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，結果顯示電阻無窮大，說明該燈泡內部斷路。

（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，并且右側遠光燈良好，所以可以在Multisim 軟件中復制或移動右側的遠光燈到左側遠光燈位置實現換件。換件后運行電路，結果如圖4 所示，左右2 個遠光燈都點亮，可以確定故障為左側遠光燈燈泡內部斷路損壞。

4 教學效果評價

在本校汽車檢測與維修技術專業中試點推廣汽車前照燈項目的電路仿真教學后，采用問卷調查的方式對教學效果進行評價。調查結果顯示，采用電路仿真教學模式對于該課程的教學能夠帶來4 個方面的改善：首先，學生制定的檢修方案質量明顯提高，表明他們的故障分析能力得到了提升；其次，學生的學習態度和課堂紀律有所改善，課堂互動更加活躍；第三，課堂效率和質量明顯提高，可以更快、更準確地得到檢測結果；最后，采用電路仿真的方式進行教學，教師可以設計更豐富多樣的實訓項目，學生也能更直觀地理解電路的運行原理，達成教學目標的效果更好。

5 結束語

本文對電路仿真技術在汽車電氣檢修教學中的應用進行研究，結果表明：能夠幫助學生通過虛擬仿真環境學習汽車電氣檢修，克服現場實訓受限帶來的不便；在故障排除、分析和檢修方案制定中具有顯著優勢，讓學生能夠在更短的時間內有效解決問題；允許學生進行多次獨立的仿真操練和模擬，提高學生自學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質量提供了新的思路和理論支持。

【參考文獻】

[1] 謝翠玲. 仿真軟件在汽車電氣故障診斷教學中的應用[J]. 教師，2021（33）：103-104.

[2] 駱美富， 鄭堯軍， 周勝利， 等. 汽車啟動系電路仿真教學軟硬件開發研究[J]. 拖拉機與農用運輸車，2008（03）：82-84.

[3] 陳歡. 基于Multisim 電路仿真軟件的電路故障實驗教學探究[J]. 電子世界，2021（01）：101-103.

[4] 林勇.Multisim 軟件仿真數字電子計數器實驗的綜述[J]. 電腦知識與技術，2022，18（11）：45-47.

[5] 張志友.Multisim 在電工電子課程教學中的典型應用[J]. 實驗技術與管理，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。