机动车电气系统故障检测与维修策略分析

王振宇，栾晓萌，徐显超

（鞍山金和矿业有限公司，辽宁 鞍山 114000）

0 引言

机动车已经成为现代社会的重要交通工具，伴随着科技的快速进步，这些车辆也逐渐从传统的机械驱动转变为高度电气化的系统。从启动到照明，再到高级的驾驶辅助系统，电气组件无处不在，它们确保车辆的高效、安全和舒适驾驶。然而，随之而来的是这种高度的电气化也带来了新的挑战：电气故障的可能性增加。为了确保机动车辆的安全和性能，了解其电气系统的基本工作原理，能够识别潜在问题，并采取适当的维修措施是至关重要的。

1 文献综述

随着电子技术的飞速发展，现代机动车越来越依赖于复杂的电气系统，这就要求更加高效和精准的故障检测技术和维修策略。国内相关研究表明，故障诊断技术正逐渐从传统的人工诊断转向基于电子控制单元（ECU，Electronic Control Unit）的自动诊断系统[1]。例如，OBD（On-Board Diagnostics）系统的应用可以实时监控车辆状态，快速识别故障源。此外，随着人工智能技术的应用，基于数据挖掘和机器学习的故障预测和诊断方法也在研究中显示出较好的应用前景。在维修策略方面，由于电气系统的复杂性，专业的维修人员需要具备更深入的电子知识和技能。目前，一些研究致力于开发更为智能化和模块化的维修工具，以提高维修效率和精度[2]。

在国外的研究中，特别强调了通过先进技术提高故障检测的准确性和维修效率。一方面，许多国外研究集中于利用大数据和物联网（IoT，Internet of Things）技术来优化故障检测[3]。通过在车辆中集成传感器和连接技术，实时监测车辆的运行状态，并通过数据分析预测潜在的故障点，从而提前进行干预。例如，一些研究利用云计算和边缘计算技术来处理和分析收集的数据，以便更快地识别问题[4]。另一方面，关于维修策略，国外的研究往往关注于将故障检测系统与维修决策系统相结合，以达到更高效的维修管理[5]。例如，使用人工智能算法来分析故障数据，并推荐最有效的维修方案。

2 机动车电气系统常见故障

2.1 线路故障

线路故障通常包括断线、短路和接触不良等类型，这些问题可能由车辆老化、磨损、环境因素或者人为操作不当引起[6]。断线通常发生在电缆弯折或经常活动的部位，如车门的折叠区。此类问题会导致电流无法通过，进而使得特定电气元件停止工作。短路则是指电路中的电流路径被意外地缩短，这通常是因为绝缘材料的磨损或损坏导致裸露的导线之间产生了接触，这种情况可能会导致电流突然增加，从而损坏电气部件或引发火灾[7]。接触不良是另一种常见的线路问题，可能由腐蚀、污染或松动的连接器造成。它会导致电阻增加，使电气设备的性能变得不稳定，甚至在某些情况下完全失效。

2.2 传感器与执行器故障

传感器是现代汽车电气系统中不可或缺的组成部分，它们负责收集各种操作参数，如温度、压力和位置，然后将这些信息反馈给ECU 进行相应的调整。执行器则接受ECU 的命令，对汽车的物理机制如油门、刹车和离合器进行控制。传感器和执行器的故障可能会导致汽车运行不正常，例如，速度传感器故障可能导致速度表读数不准确，氧传感器故障则可能引起发动机效率下降和油耗增加[8]。故障形式多样，从信号丢失到输出异常，都可能是由电气故障、机械故障或软件问题引起的。这些问题可能导致汽车ECU 接收到错误的信息，从而作出错误的操作决策，影响车辆的性能和安全性。

2.3 ECU 故障

发动机控制单元（ECU）作为车辆电气系统的大脑，对车辆的性能有着直接的影响。它根据来自车辆各种传感器的信息调节发动机的运行。ECU 故障可能由软件故障或硬件损坏引起，软件问题可能包括错误的编程、数据损坏或者病毒攻击。硬件问题则可能是由于电路板上的元件老化、过热或者物理损伤导致。ECU 的故障可能会导致发动机无法启动，运行不稳，功率下降或者燃油效率降低。由于ECU 的复杂性，诊断和修复这些问题通常需要专业的技术和设备。

2.4 电源系统故障

电源系统是任何机动车电气系统的基础，包括蓄电池、发电机及其管理系统。蓄电池的老化是一个自然且不可避免的过程，老化的电池会丧失其充电保持能力，导致启动困难或者电气系统性能下降。发电机作为充电系统的核心，其效率的降低通常是由于轴承磨损、电刷磨损或者电压调节器故障引起的。除了这些机械性损坏，电源系统的故障也可能是由电子控制单元的问题导致的，比如控制电池充电的软件可能发生故障。电源系统的任何故障都会严重影响车辆的可靠性和功能，例如灯光、无线电以及其他重要的安全特性，如ABS 和气囊系统。

3 故障检测方法

3.1 传统检测方法

传统的故障检测方法在机动车电气系统维修中有着长久的历史，这些方法以其直接和基础的特性，仍然在今日的维修作业中占有一席之地。视觉检查是最初级也是最直接的诊断方式，它依赖于技术人员对系统组件的外观进行仔细的观察，以便寻找损坏、磨损或腐蚀的迹象。多用电表的使用则允许技术人员测量电压、电流和电阻，从而确定电路是否正常。例如，一个正常工作状态的蓄电池应该能够维持大约12.6 V的静态电压，而发动机启动时电压不应下降到9.6 V以下，具体见表1。

传统检测方法虽然有其局限性，但在一些场合，这种方法由于简便、直接、成本低廉等优势，仍旧不可或缺。

3.2 现代诊断技术

3.2.1 OBD 系统

随着技术的发展，现代车辆普遍配备了车载自诊断系统（OBD），这是一个复杂的电脑系统，可以与车辆的各种传感器和执行器进行通信，实时监控车辆状态，并在检测到故障时记录故障代码（DTC）Diagnostic Trouble Code。利用专业的诊断工具，技术人员可以快速读取这些故障代码，并进行详细分析。

3.2.2 数据挖掘与机器学习

数据挖掘与机器学习技术的应用，使得车辆故障诊断步入了一个新纪元。通过收集和分析大量的历史和实时数据，机器学习模型能够识别出故障模式，并预测未来潜在的故障。例如，通过分析数千辆汽车的电池电压数据，机器学习算法可能识别出电池性能下降的早期迹象，具体见表2。

4 维修策略

4.1 基于故障代码的维修

维修策略的第一步通常涉及根据车辆的自诊断系统（OBD），读取的故障代码来进行维修。OBD 系统提供的故障代码（DTCs）允许维修技师快速定位问题的来源。例如，如果一个故障代码指示了一个特定传感器的电路故障，技师会首先检查该传感器及其相关连线和连接器。这包括使用多用途电表进行电压、电阻和必要时的电流测试。如果这些测试表明电路完好，那么进一步的诊断可能包括测试传感器本身或更换它来验证是否解决了问题。高级的诊断工具，如示波器，也可能用来检查传感器输出的波形，以确认其性能。

4.2 预测性维护

预测性维护是一种更为先进的维修策略，它利用数据分析技术预测潜在故障，从而在故障发生前进行维修。这种方法依赖于大量的历史数据和复杂的数据分析技术，如机器学习和人工智能算法，来建立故障预测模型。通过对历史维修记录、车辆使用情况和实时监控数据的深入分析，可以发现导致故障的模式和条件。如图1 所示，一个基于机器学习算法的电池性能衰退模型可以通过分析电池启动电压和充电后电压随时间的变化趋势来预测电池的健康状况。在图1中，可以看到启动电压（三角符号）随着时间的推移有波动，但整体呈下降趋势；平均静态电压（圆形符号）相对稳定；充电后电压（直线）起伏较大，表明电池性能随时间有所波动，伴随有下降迹象。

图1 电池电压随时间变化趋势图

4.3 信号分析与故障定位

信号分析在现代车辆故障定位中起着至关重要的作用。利用高级诊断工具，如示波器和专用的电气测试设备，技师能够对故障部件的电气信号进行实时捕捉和分析。这些信号的分析能够揭示微妙的电气问题，如短路、开路、电阻增高或电容减少，这些问题可能不会立即产生一个故障代码。通过精确的波形分析，技师可以不仅定位故障部件，还能理解故障的本质,如图2 所示。图2 表明，在正常条件下的尖锐高压峰值及其快速下降，而异常波形则显示了高压峰值持续时间异常延长，这是线圈内部断裂或绝缘问题的明显迹象。

图2 点火圈异常工作状态波形图

4.4 标准化维修流程

标准化维修流程是实现高效和高质量维修工作的基石。这一策略涉及创建详细的维修协议和工作流程，以确保所有的维修工作都按照相同的高标准执行。这些流程通常包括标准操作程序（SOPs）、故障排除流程图和维修指南。例如，对于更换刹车系统组件的工作，维修指南会提供详细的步骤，包括安全检查、拆卸旧部件、安装新部件、系统充气和性能测试。通过这种方式，技师可以确保每一步都按照制造商的规定执行，从而减少错误和遗漏，提高服务的质量和车辆的安全性。

5 结语

对于现代机动车，电气系统无疑已成为其最核心的部分。对于机动车电气系统的维护不仅仅是简单地检查和更换部件，它需要深入的诊断、选择合适的维修策略、使用优质零件以及为维修技术人员提供持续的培训。机动车的持续创新和技术的快速发展要求我们不断更新知识和技能。最终，对于车主、维修人员和制造商而言，一个健康、高效和安全的电气系统将确保车辆的最佳性能，同时也是对消费者的最大承诺。