第一章　汽车电气基础

第一节　汽车电气系统的特点及电路构成

一、汽车电气系统的特点

汽车电气系统有5个特点，分别是单线制、负极搭铁、两个电源、用电设备并联和低压直流供电。

1.单线制

所谓单线制，就是利用汽车发动机和底盘、车身等金属机件作为各种用电设备的共用连线（俗称搭铁），而用电设备到电源只需另设一根导线。任何一个电路中的电流都是从电源的正极出发，经导线流入到用电设备后，通过金属车架流回电源负极而形成回路。采用单线制不仅可以节省材料（铜导线），使电路简化，而且便于安装和检修，降低故障率。

2.负极搭铁

所谓搭铁，就是采用单线制时，将蓄电池的一个电极用导线连接到发动机或底盘等金属车体上。若蓄电池的负极连接到金属车体上，称为负极搭铁；反之，若蓄电池的正极连接到金属车体上，称为正极搭铁。我国标准中规定汽车电器必须采用负极搭铁。目前世界各国生产的汽车大多采用负极搭铁的方式。

3.两个电源

所谓两个电源，是指蓄电池和发电机两个供电电源。蓄电池是辅助电源，在汽车未运转时向有关用电设备供电；发电机是主电源，当发动机运转到一定转速后，发电机转速达到规定的发电转速，开始向有关用电设备供电，同时对蓄电池进行充电。两者互补可以有效地使用电设备在不同的情况下都能正常地工作，同时也延长了蓄电池的供电时间。

4.用电设备并联

所谓用电设备并联，是指汽车上的各种用电设备都采用并联方式与电源连接，每个用电设备都由各自串联在其支路中的专用开关控制，互不产生干扰。

5.低压直流供电

汽车电气设备采用低压直流供电，柴油车大多采用24V直流供电，汽油车大多采用12V直流电压供电。

二、汽车电气设备电路的组成

如图1-1所示是广州本田雅阁轿车点烟器系统电路。汽车电气系统主要由电源、用电设备和中间装置三部分组成。

任何电气设备和电控装置要想获得电源供应，中间装置的连接是必不可少的。常见的连接装置有汽车线束、开关装置、保险装置、继电器、连接端子和连接器等，这些中间装置的选用和装配直接影响到用电设备的运行状况。随着科学技术的发展，尤其是信息网络技术的进步，现代汽车绝大多数的电气控制渐渐取消了继电器的控制，采用了控制单元的控制。控制单元既是用电设备，又是对用电设备进行控制的开关，而这种开关具备存储计算功能，能够实现自动的管理。

1.汽车线束

（1）汽车用电线　汽车用电线按承受电压的高低分为高压导线和低压导线两种。

①导线截面积的正确选择。根据用电设备的负载电流大小选择导线的截面积。其一般原则为，长时间工作的电气设备可选用实际载流量60%的导线，短时间工作的用电设备可选用实际载流量60%～100%的导线。同时，还应考虑电路中的电压降和导线发热等情况，以免影响用电设备的电气性能和超过导线的允许温度。为保证一定的机械强度，一般低压导线截面积不小于0.5mm²。各种铜芯导线标称截面积的允许载流量见表1-1。

表1-2为汽车12V蓄电池系统主要电路导线截面积选择的推荐值。

②导线的颜色。为了区分汽车的用电设备的线路，以利于当出现故障后在很短的时间内查找出故障，往往汽车的各种线束绝缘外皮用不同的颜色或者两种不同颜色相间配合，线路绝缘皮上的颜色为主色，在主色上分布细条状的颜色为辅色。标称截面积大于1.5mm²的双色线，主辅颜色的搭配见表1-3。

（2）汽车线束　为使全车线路规整、安装方便及保护导线的绝缘，汽车上的全车线路除高压线、蓄电池电缆和起动机电缆外，一般将同区域的不同规格的导线包扎起来，如图1-2所示。

①线束的包扎。

a.电缆半叠包扎法，涂绝缘漆，烘干，以增加电缆的强度和绝缘性能。

b.新型线束，局部塑料包扎后放入侧切口的塑料波纹管内，使其强度更高，保护性能更好，查找线路故障也更方便。

②线束的安装。同一种车型的线束在制造厂里按车型设计制造好后，用卡簧或绊钉固定在车上的既定位置，其抽头恰好在各电气设备接线柱附近位置，安装时按线号装在其对应的接线柱上。各种车型的线束各不相同，同一车型线束按发动机、底盘和车身分多个线束。

2.开关装置

汽车上所有用电设备的接通和停止，都必须经过开关控制。对开关的要求是坚固耐用、安全可靠、操作方便、性能稳定。汽车的开关可以分为点火开关、组合开关和其他开关三种类型。表1-4所示为汽车上常见的开关符号。

（1）点火开关　点火开关是汽车电路中最重要的开关，是各条电路分支的控制枢纽，是多挡多接线柱开关。其主要的功能和对应挡位是，锁住转向盘转轴——锁止挡（Lock挡），接通点火仪表指示——点火挡（ON或IG挡），启动发动机——启动挡（ST或START挡），收放机专用并解锁方向盘——专用挡（Acc挡），柴油车启动加热——加热挡（HEAT挡）。其中启动挡、预热挡因为工作电流很大，开关不易接通过久，所以这两挡在操作时必须用手克服弹簧力，扳住钥匙，一松手就弹回点火挡，不能自行定位，其他挡均可自行定位。点火开关的结构及表示方法如图1-3所示。

（2）组合开关　多功能组合开关将照明（前照灯、变光）开关、信号（转向、危险警告、超车）开关、刮水器/清洗器开关等组合为一体，安装在便于驾驶员操纵的转向柱上。如图1-4为日产轿车组合开关的挡位和接线柱关系，图1-5为其内部结构图。

3.保险装置

当电路中流过超过规定的过大电流时，汽车电路保险装置能够切断电路，从而防止烧坏电路连接导线和用电设备，并把故障限制在最小范围内。汽车上的保险装置主要有熔断器、易熔线和断路器。易熔线和熔断器符号如图1-6所示。

（1）易熔线（图1-7）　易熔线是一种大容量的熔断器，用于保护电源电路和大电流电路。使用易熔线时应该注意以下内容。

①绝对不允许换用比规定容量大的易熔线。

②易熔线熔断，可能是主要电路发生短路，因此需要仔细检查，彻底排除隐患。

③不能和其他导线绞合在一起。

（2）熔断器（图1-8）

①熔断器选用原则。熔断器装置标称值=电路的电流值/0.8。例如，某电路设计的最大电流为12A，应选用15A的熔断器。

②熔断器熔断后的应急修理。行驶途中的应急修理，可用细导线代替熔断器。一旦到达目的地或有新熔断器时，应及时换上。

注：a.更换熔断器，一定要用与原规定相同的熔断器。汽车上增加用电设备时，不要随意改用容量大的熔断器，最好另外再安装熔断器。

b.熔断器熔断，必须找到真正的故障原因，彻底排除隐患。

c.熔断器支架与熔断器接触不良会产生电压降和发热现象。如发现支架有氧化现象或脏污必须及时清理。

（3）断路器（图1-9）　断路器在电路中用于防止有害的过载（额外的电流）。断路器是机械装置，它利用两种不同金属（双金属）的热效应断开电路。如果额外的电流经过双金属带，双金属带会弯曲，触点开路，阻止电流通过。当断路器冷却后，触点会再次闭合，电路导通。当无电流时，双金属带冷却，会使电路重新闭合，电路断路器复位。

4.继电器

继电器可以实现自动接通或切断一对或多对触点，用小电流控制大电流，可以减小控制开关的电流负荷，保护电路中的控制开关。继电器的原理是电磁感应，即通电线圈一旦通电使得铁芯产生磁性，在磁力吸合力下触点闭合或断开，起到自动开关的作用。如进气预热继电器、空调继电器、喇叭继电器、雾灯继电器、中间继电器、风窗刮水器/清洗器继电器、危险报警与转向闪光继电器等。继电器相关说明如图1-10～图1-13所示。

继电器分为常开继电器、常闭继电器和常开、常闭混合型继电器三种类型。继电器的每个插脚都有标号，与中央接线盒正面板的继电器插座的插孔标号相对应。要想在原车上安装额外的电子附件，简单地接入已有的电路中可能会使保险装置或配线过载。采用继电器扩展（图1-14）可有效解决这一问题。

5.连接器

连接器又叫插接器（图1-15），现代汽车上使用很普遍。为防止在汽车行驶过程中脱开，汽车上的线路连接均采用闭锁装置。

6.电子控制单元

汽车电子控制单元是指由集成电路组成的用于实现对数据的分析、处理、发送等一系列功能的控制装置，在汽车上广泛应用，并且集成度越来越高。

汽车电子控制单元主要由输入电路、A/D（模/数）转换器、微型计算机和输出电路四部分组成。

（1）输入电路　输入电路的主要功能是对传感器的输入信号进行预处理，使输入信号变成微处理器可以接收的信号。因为输入信号有两类，即模拟信号和数字信号，所以分别由相应的输入电路对其进行处理。

（2）A/D转换器　A/D转换器的功用是将模拟信号转变为数字信号。如空气流量传感器、水温传感器、进气温度传感器、线性输出式常气门位置传感器等向汽车电子控制单元输出的是模拟信号（即连续变化的信号），它们经输入电路处理后，都会变成具有一定幅值的模拟电压信号，但微型计算机不能直接处理它，还须用A/D转换器转换成数字信号。

（3）微型计算机　微型计算机包括CPU、存储器、输入/输出接口（I/O接口）、总线等。信号通过输入接口进入CPU，经过数据处理后，把运算结果送至输出接口，使执行器工作。

（4）输出电路　输出电路是微型计算机与执行器之间建立联系的一个装置。它的功能是将微型计算机发出的指令信号转变成控制信号，以驱动执行器工作。

汽车电子控制单元是电子控制系统的核心部件，主要有如下功能。

①接收传感器或其他装置的输入信号，并将输入信号处理成电脑能够接收的信号，如将模拟信号转换成数字信号。

②为传感器提供参考电压，如2V、5V、9V或12V。

③存储、计算、分析处理信息，存储运行信息和故障信息，分析输入、输出信息，并进行相应的计算处理。

④输出执行命令，把信号变为强信号的执行命令。

⑤输出故障信息。

⑥完成多种控制功能，如在发动机控制中，电脑可完成点火控制、燃油喷射控制、怠速控制、排放控制、进气控制、增压控制等多种功能。

汽车电子控制单元的工作过程复杂而有序，工作速度快捷而有条不紊。下面以发动机电子控制单元为例，简要介绍其工作过程。

发动机启动时，电子控制器（ECU）进入工作状态，某些运行程序或操作指令从存储器（ROM）中调入中央处理单元（CPU）。这些程序可以控制燃油喷射、点火时刻、怠速转速等。在CPU的控制下，一个个指令按照预先编制的程序有条不紊地进行循环。在程序运行过程中所需要的发动机工况信息由各种传感器提供。

当曲轴位置传感器（CPS）检测的发动机转速与转角信号（脉冲信号）、进气歧管压力传感器（MAP）检测的负荷信号（模拟信号）和冷却液温度传感器（CTS）检测的温度信号（模拟信号）等输入ECU后，首先通过输入回路进行信号处理。如果是数字信号，就根据CPU的安排经缓冲器和I/O接口电路直接进入CPU。如果是模拟信号，则首先经过模/数（A/D）转换器转换成数字信号，以便数字式单片机处理，然后才能经I/O接口电路输入CPU。大多数信息暂时存储在RAM中，根据控制指令再从RAM传送到CPU。

下一步是将预先存储在ROM中的最佳试验数据引入CPU，将传感器输入的信息与其进行比较。CPU将来自传感器的各种信息依次取样，与最佳试验数据进行逻辑运算，通过比较做出判定结果并发出指令信号，经I/O接口电路、输出回路控制执行器动作。如果是喷油器驱动信号，就控制喷油开始时刻和喷油持续时间，完成控制喷油功能；如果是点火器驱动信号，就控制点火导通角和点火时刻，完成控制点火功能。如果执行器需要线性电流量驱动，单片机就控制占空比来控制输出回路导通与截止，使流过执行器电磁线圈的平均电流线性增大或减小。

发动机工作时，微机运行速度相当快，如点火时刻控制，每秒钟可以修正上百次，因此控制精度很高，点火时刻十分准确。

现在汽车上所使用的电子控制单元（以德国大众为例）主要有车载网络控制单元、发动机控制单元、舒适系统控制单元、油泵控制单元、车门控制单元、座椅控制单元、转向柱控制单元、空调控制单元、自动变速器控制单元等。