1.3.3 汽车电工技术

1.3.3.1 汽车电子基础

1.电学基本概念

1）电子、电流、电压与电阻

物质是由原子组成的，原子又由原子核与电子组成。电子是一种极小的带负电荷的粒子，它围绕原子核转动，因为原子核里的质子是带正电荷的。金属原子中含有自由电子，自由电子的流动会产生电流（单位为A）。当在金属导体两端施加电压时，电子会从负极流向正极，因此电子流向与电流方向相反。使电流流过电路的压力称为电压（单位为V），电压越高，电流越大。电阻（单位为Ω）是指电子通过物体的困难程度。电流、电压、电阻被称为电的三要素。电的概念示意图如图1-66所示。

2）电功率

电功率是电器设备在单位时间内所做的功，单位为W。它可用以下公式表示： P = UI ，其中 P 为电功率（单位为W）， U 为电压（单位为V）， I 为电流（单位为A）。

3）直流电和交流电

电流方向不变，电流大小也不变的称为直流电（DC），直流电以恒定方向从正极流向负极，如汽车蓄电池。电流方向改变，电流大小也随之改变的称为交流电（AC），交流电按一定的时间间隔改变方向。一般家庭用电及工业用三相电源均为交流电。直流电和交流电的形式如图1-67所示。

4）串联与并联

串联与并联为电器设备在电路中的连接方式。多个用电器用一条电线依次连接即为串联，以水流类比说明串联电路的特点：流过每个瀑布的水流量相等，即 I ₀ = I ₁ = I ₂ = I ₃ ，而所有瀑布的高度之和等于水源高度，即 U ₀ = U ₁ + U ₂ + U ₃ 。多个用电器并列连接在一起即为并联，同样以水流类比，并联电路的特点为所有瀑布高度都相等，即 U ₀ = U ₁ = U ₂ = U ₃ ，而流经各个瀑布的水量之和等于水源流出的总水量，即 I ₀ = I ₁ + I ₂ + I ₃ 。串联与并联电路的特点如图1-68所示。

5）电压降

当电流流经一个电路时，电压每经过一个电阻都会降低，这个电压的下降就是电压降。

如图1-69（a）所示，在串联电路中，当电源电压为12V时，电流流过一个电阻的电压下降量可以按下式计算：

如图1-69（b）所示，在并联电路中，每个用电器的电压降都相等，也与总电路的电压降相等，即 U ₀ = U ₁ = U ₂ = U ₃ 。

6）电流密度

电流密度表示一个导体内电子挤压在一起时的紧密程度，它由以A为单位的电流和以mm ² 为单位的导线横截面面积求得。因此，电流密度的计量单位是A/mm ² 。不同规格导线的最大允许电流见表1-7。

7）接触电阻

经过一段时间的使用，连接部位在空气、污物和侵蚀性气体等的作用下出现氧化现象，导致连接部位的接触电阻增大。根据欧姆定律，电阻增大会产生电压降，电路中的电阻增大会使电流减小。例如，当因氧化作用导致前照灯导线的电压下降10%时，灯内的实际功率会减小约20%。

8）电路

电压是产生电流的原因，只有在闭合的电路中才有电流流动。电路主要由电源（如电池）、用电器（如灯泡）和导线组成，如图1-70所示。通过开关可以使电路闭合或断开。每个导体都带有自由电子，当电路闭合时，所施加的电压使导体和用电器的所有自由电子同时朝一个方向移动。

在汽车上，一个电源（车载网络供电）会同时连接多个用电器，这种电路称为扩展型电路。扩展型电路又可分为并联与串联两种，如图1-71所示。在串联电路中，总电压等于分布在各个电阻上的分电压之和，总电阻等于串联电阻之和，分配电压与对应的电阻成正比。在并联电路中，总电阻始终小于最小的单个电阻，所有电阻的电压都是相等的，分电流之和等于总电流。

9）短路

在两个电极（如电池的正极和负极）之间建立直接的导电连接（通常是不希望出现的），称为短路。短路就是电源电压的突然性电荷平衡。短路通常是由于绝缘不良或电气系统及电路出现故障而造成的。在电压几乎降为零的同时，电流达到最大值，即短路电流。由于短路电流没有受到限制，故而可能导致没有熔丝保护的导线或电缆因过热而出现损坏。当出现较高的短路电流时，熔丝必须熔断，并以最快的速度将短路部位与其他正常的供电网络断开。

10）断路

断路时电路无法闭合，即所需电流中断。断路通常是由于插接问题造成的，其结果是电气组件无法工作。

2.电学基本原理

1）欧姆定律

电流与电压、电阻的关系：增加电压或减少电阻，电流会随之增大，即电流与电压成正比，电流与电阻成反比。这种关系由欧姆定律定义，如图1-72（a）所示，表达式为 U = RI ，其中 U 为电压（V）， R 为电阻（Ω）， I 为电流（A）。

2）节点定律

并联电阻会出现电流的汇合点，即节点。节点定律（基尔霍夫第一定律）的内容如下：流入每个节点的总电流与流出的总电流相等，或所有电流之和为零。如图1-72（b）所示，其表达式为 I ₁ + I ₂ = I ₃ + I ₄ + I ₅ 。通过节点定律可以求得某个节点处的未知电流。

3）回路定律

回路定律（基尔霍夫第二定律）的内容如下：在每个闭合电路中，电源电压之和等于所有电压降之和，或所有电压之和为零。如图1-73（a）所示，其表达式为 U _q1 + U _q2 +（ -U ₁ ）+（ -U ₂ ）=0。通过回路定律可以求得一个未知的电源电压。

4）电磁感应原理

如图1-73（b）所示，当导体在磁极间运动时，导体会切割磁力线，进而产生电流。这种现象就是电磁感应现象，由此产生的电流即为感应电流。感应电流由电动势产生，电动势是由导体的电磁感应而产生的，因此又称为感应电动势。

5）弗来明右手定则

图1-74显示了电磁场、感应电动势和导体运动的方向，这三者的关系由弗来明右手定则给出。根据右手定则，使右手的大拇指、食指和中指按图1-74所示伸直，食指代表磁力线（B）的方向，中指代表电流（ I ）的方向，大拇指代表导体运动（ F ）的方向。

6）交流发电机原理

当一个导体在磁场间旋转时，电磁感应将产生感应电动势，若将导体弯成框形，则会产生双倍的感应电动势；若把导体制成一个线圈，则会产生更大的感应电动势，并且线圈匝数越多，产生的感应电动势越大，如图1-75所示。

线圈产生的感应电动势的方向和大小随着线圈的位置而发生变化，如图1-76（a）所示为电流从电刷A流向灯泡；图1-76（b）所示为无电流；图1-76（c）所示为电流从电刷B流向灯泡，由此产生了交流电。上述原理就是交流发电机原理。

3.基本元器件

1）导体

导体分为电子导体和离子导体两种。电子导体由相互紧密连接的金属原子构成，离子导体包括导电液体（电解液）、熔液和电离的气体。电荷载体既可以带正离子，也可以带负离子，离子流会使物质发生变化。由于金属的晶格结构，电子可在原子之间比较自由地移动，如图1-77所示，但是电子流不会使金属发生任何变化。

2）绝缘体

绝缘体内的自由电荷载体数量为零，因此其电导率极低。通常使用绝缘体或绝缘材料使电导体相互绝缘。绝缘体包括塑料、橡胶、玻璃、陶瓷、纸等固体及纯水、油和油脂等液体，如图1-78所示，也包括特定条件下的真空和气体。

3）半导体

半导体是一种电阻阻值介于良导体（如铜、铁）和绝缘体（如橡胶、玻璃）之间的材料，如图1-79所示。常见的半导体材料有锗、硅等。半导体具有以下特性：温度升高时阻值降低，掺入杂质时导电性增加，接触光、磁化或机械应力时可改变阻值，以及加上电压时可以发电等。

4）电阻/电位计

电阻用于限制开关电路中的电流。使用电阻可以在开关电路中获得特定的阻值并达到定义的电流强度。有固定阻值的电阻（固定电阻），也有阻值可变的电阻（可变电阻）。在固定电阻上，阻值通过颜色码标出；可变电阻就是电位计，如图1-80所示。它有3个接口，通常与工作电压、接地和控制信号输入端连接。电位计用于车辆中，负责测量机械运动等，如节气门位置传感器、踏板位置传感器等。

热敏电阻是与温度有关的电阻，它在较小的温度波动下会改变阻值。热敏电阻可以分为NTC（负温度系数）和PTC（正温度系数）两种。NTC具有负的温度系数，即温度越高，阻值越小；PTC具有正的温度系数，阻值随温度的升高而增大。

5）电容器

电容器（通常简称为电容）是一个能存储电荷或电能的元件。最简单的电容器是由两个对隔的金属板和金属板之间的一个绝缘体组成的。电容器的存储能力称为电容，其单位为F。

根据实际应用情况使用非极化或极化电容器，如图1-81所示。非极化电容器的两个接头相同，可以相互调换，它可用直流和交流电压驱动。而极化电容器有一个正极接头和一个负极接头，这两个接头不能互换，它也不能用交流电压驱动。当要求高电容量时，可使用电解电容器。

6）线圈和电感

线圈在车辆的电气系统中有多种用途，如用作点火线圈、用于继电器和电机内。在车辆的电子系统中，线圈主要用于感应式传感器内，如曲轴和凸轮轴传感器。此外，线圈也可以用于输送能量（变压器）或进行过滤（如分频器）。

基本线圈是指缠绕在一个固体上的导线，但不一定必须有这个固体。基本线圈主要用于固定较细的导线。当将通电导体缠绕成一个线圈时，其内部会形成磁力线，磁力线平行分布且密度相同。当有电流流过线圈时，就会产生磁场，线圈将电能存储在磁场中，即生成磁能。当切断电流时，磁能会重新转化为电能，产生感应电动势。线圈最重要的物理特性是电感，如图1-82所示。

电感用符号L表示，其单位是H。实际使用的线圈电感值低于1H，如1mH。一个线圈的磁场强度取决于绕组数量 N 、电流 I 和线圈结构。

线圈用于变压器、继电器和电机内。通过在线圈中放入一个铁心，可使磁场强度增大数倍。铁心不是电路的一部分，带有铁心的线圈称为“电磁铁”。只有当电流经过线圈时，软磁铁心才能保持磁性。

7）二极管

由两个半导体层结合形成的元件称为半导体二极管（以下简称二极管）。两个半导体层向外导电，阳极为至p层的触点，阴极为至n层的触点，如图1-83所示。

二极管的作用如同一个电子管，因而可以作为整流的元件。如果在阳极上施加正电压，阳极就会切换到流通方向，有电流流过二极管；如果在阳极上施加负电压，则会使其切换到阻隔方向，没有电流经过二极管。为在外型上区分二极管的两个接头，n侧通过一个圆圈或一个点标记。在车辆的电子系统中，二极管用作整流器、去耦元件，负责抑制感应电压和提供反极性保护。

发光二极管（LED）也是由两个半导体层（p层和n层）组成的，但会用砷化镓取代硅作为半导体的原材料。LED的颜色取决于所用材料，它常用作指示灯。LED如图1-84所示，它需要始终串联一个电阻，以便限制经过它的电流。当一个LED的n层掺杂较多时，其p层的掺杂只能减少。这样可使二极管在接入流通方向时，电流几乎只通过电子运载。当p层内出现空穴与电子相结合（复合）的情况时，能量被释放。根据半导体的材料，这种能量以可见光或红外辐射的形式被释放。由于p层很薄，故可能有光线溢出。

当稳压二极管接入阻隔方向时，如图1-85所示，如果在阻隔方向上超过一个特定的电压 U _{Z max} ，电流 I _Z 就会明显提高，二极管即可导电。通过增加掺杂物质，可使阻隔层变薄，因此，当电压为1～200V时，二极管就会被击穿。为了在出现击穿电压时保证迅速升高的电流不会造成二极管损坏，需要利用一个电阻限制电流。稳压二极管在车辆的电子系统中主要用于稳压和限制电压峰值。

8）晶体管

晶体管是由3个半导体层组成的元件，每个半导体层都有一个接头。根据半导体层的分布方式，晶体管分为NPN和PNP两种类型。3个半导体层及其接头称为发射极（E）、基极（B）和集电极（C），如图1-86所示。电荷载体从发射极移动到基极并由集电极吸收，因此晶体管有两个PN结，一个位于发射极与基极之间，另一个位于集电极与基极之间。

这里以NPN晶体管为例介绍晶体管的工作原理。因为PNP晶体管的工作原理与NPN晶体管相同，只是电流方向相反。图1-87所示为NPN晶体管的工作原理。

发射极内有许多电子，而基极内只有少量空穴。在正电压 U _BE 的作用下，负电荷电子进入基极，并与空穴相结合。基极至发射极的电源重新以很小的电流形式提供正电荷空穴。

在集电极与发射极之间施加一个很小的电压，基极内的剩余电子会受到正极电极电压的影响。集电极至基极的阻隔层消失，有集电极电流 I _C 流过。晶体管放大作用的基础是以基极内很少的电荷载体，即很小的基极电流控制很大的集电极电流。

当基极至发射极的电压较小时，只有部分发射极内的电子进入基极，因此流过的基极电流较小。通过改变基极电流 I _B ，可以控制集电极电流 I _C 。图1-87所示的基极至发射极电源在实际应用中由一个分压器取代。略微改变基极电流就会使集电极电流发生较大变化。由于集电极电流与基极电流之间基本为线性关系，故而将这种变化用静态电流增益系数表示，即 B = I _C / I _B 。

在车辆的电气系统中，因为晶体管响应速度快、无噪声且不会造成机械磨损，已取代机械开关。实际的开关是指晶体管集电极到发射极的部分。当晶体管上未施加基极电压时，没有基极电流流过，这意味着没有集电极电流流过。当晶体管上施加正基极电压时，有基极电流和集电极电流流过。

9）场效应晶体管

场效应晶体管（FET）是单极晶体管，其电流输送过程仅涉及空穴或电子。场效应晶体管的类型如图1-88所示。

图1-89所示的JFET的N通道是导电区域，通过向控制电极（门）施加电压来影响电场。流过场效应晶体管导电通道的电流由电场控制。当门电压升高时，阻隔层扩大，流过N通道的电流因受到挤压而减小。如果减小门电压，则阻隔层缩小，流过N通道的电流会增大。改变阻隔层宽度几乎不会消耗功率。由于半导体晶体的固有导电性，虽然只是很小的阻隔电流，但无法阻止其流过。

由于功率消耗较小且可以接通较高的电流，常将FET作为开关和恒流电源。

10）电动机

直流电动机与直流发电机的结构原理相同，但两者的作用方式相反。当有电流流过导线（电枢）时，通过磁场的排斥和吸引作用，导线和磁铁周围会产生一个转矩，使导线在磁场中转动。

步进电动机是一种直流电动机，其转子可通过选择磁铁控制有目的地旋转一个角度。通过这种方式，可以分多步旋转一个角度，只要该转角是最小转角的倍数即可。

11）集成电路

集成电路（IC）是由晶体管、电容器、电阻和电感线圈构成的完全集成在半导体基底内/上的电子电路，如图1-90所示。现代集成电路（如存储器模块）可包含上亿个元器件（特别是晶体管）。

12）控制单元

在汽车上，控制单元主要用于所有可能的电子区域，以及控制机器、设备和其他技术流程，如发动机控制单元。控制单元通常依据EVA原理工作（EVA表示输入-处理-输出）。输入数据由传感器提供，包括转速、压力、温度等参数。汽车电子系统将输入数据与控制单元内的设定值进行对比，如果二者不一致，控制单元就会通过执行机构调节参数，从而使输入数据与设定值一致。执行机构以校正方式干预当前流程。现有的控制单元通过各种系统总线（如CAN）相互连接，实现有关车辆运行状态的信息和其他相关数据的交换。汽车控制单元如图1-91所示。

1.3.3.2 汽车电路检测

1.测量电流

电流表需要与用电器串联在一起，因此必须断开电路导线，以将电流表接入其中。测量时，电流需要流经电流表。电流表的内阻应尽可能低，以免影响电路。

电流表使用要点如下：①注意辨别电流类型，即电路中流过的是交流电流（AC）还是直流电流（DC）；②开始时应选择尽可能大的量程；③注意直流电流的极性；④测量后要将电流表调到最大交流电压量程；⑤如果待测电流＞10A，则可以使用电流夹直接测量电流，无需断开电路。

2.测量电阻

电阻阻值可通过欧姆表来测量，但在大多数情况下，主要使用万用表的电阻挡，如图1-92所示。为免出现读数错误和不准确，测量电阻时需要注意以下事项：①测量期间不得将待测部件连接至电压电源，因为欧姆表使用自身的电压电源并通过电压或电流确定阻值；②待测部件应至少有一侧与电路分离，否则并联的部件会影响测量结果。

3.测量电压

当测量家庭用电或工厂供电线路的电压、交流电路电压及电力变压器端头的电压时，应将万用表的功能选择开关调到交流电压挡，并连接测试探头。测试探头的极性是可以互相交换的。

当测量各种类型的电池、用电设备及晶体管电路的电压及电压降时，应将万用表的功能选择开关调到直流电压挡。测量时，将黑色负极测量探头连接地电位，将红色正极测量探头接触待测试的部位，并读数。