電動(dòng)叉車電器線路的防干擾設(shè)計(jì)

趙 龍

（山東柳工叉車有限公司， 山東 臨沂 276000）

1 引言

近年來(lái)， 不管是乘用車領(lǐng)域還是工程用車制造業(yè)， 電動(dòng)車的發(fā)展逐漸形成了不可阻擋的趨勢(shì)。 電動(dòng)叉車主要由電池、 電機(jī)、 電控3部分組成， 其動(dòng)力來(lái)源從傳統(tǒng)的燃油發(fā)動(dòng)機(jī)變成了電池， 電控取代了發(fā)動(dòng)機(jī)ECU部分， 牽引電機(jī)的作用相當(dāng)于燃油車的驅(qū)動(dòng)部分。

在政策的鼓勵(lì)下， 國(guó)內(nèi)的電動(dòng)車廠家發(fā)展迅速， 為了搶占市場(chǎng)和提升產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力， 不同的廠家都在采取措施進(jìn)行降本增效， 以實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)占有率的擴(kuò)大和利潤(rùn)的增加。 國(guó)產(chǎn)零部件憑借價(jià)格的巨大優(yōu)勢(shì)， 以及品質(zhì)的不斷提升， 在國(guó)內(nèi)的主機(jī)廠配件采購(gòu)中逐步占據(jù)較大的市場(chǎng)份額。 但在很多關(guān)鍵部件的生產(chǎn)上， 國(guó)產(chǎn)廠家與很多進(jìn)口廠商之間還是存在差距， 比如電控， 國(guó)產(chǎn)件的差距主要表現(xiàn)在抗干擾能力差、 異常狀況防控不到位、 易損壞等。 如從降低成本角度出發(fā)， 可以選擇國(guó)產(chǎn)電控， 價(jià)格優(yōu)勢(shì)也很明顯， 前提是從其他方面減少干擾， 最好是可以過(guò)濾掉干擾， 減小外部干擾對(duì)電控的影響， 保證電控的正常工作和使用。

車架線束作為電動(dòng)叉車上傳輸信號(hào)的介質(zhì)， 在傳導(dǎo)負(fù)載用電的同時(shí)， 也會(huì)把各種原因?qū)е碌乃矔r(shí)大電流等尖峰信號(hào)傳到負(fù)載。 尤其是電控， 受到這種異常電流影響， 就會(huì)出現(xiàn)儀表顯示不準(zhǔn)確、 故障代碼提示、 車輛無(wú)法啟動(dòng)等情況， 嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致電控內(nèi)部MOS管燒蝕， 電控?fù)p壞。 為了抑制和消除這種異常信號(hào)， 本文從增加續(xù)流二極管、 并聯(lián)DC-DC分流電阻、 串聯(lián)靜電泄放器、 DC-DC負(fù)極隔離4個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)， 從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電控的保護(hù)。

2 防干擾設(shè)計(jì)

2.1 并聯(lián)DC-DC分流電阻

電動(dòng)叉車的電器負(fù)載， 如前照燈、 轉(zhuǎn)向燈、 后尾燈、散熱風(fēng)扇、 倒車蜂鳴器、 喇叭、 轉(zhuǎn)角傳感器等， 一般是額定輸入電壓在30V以下的小功率電器。 而電池電源， 不管是鉛酸蓄電池還是鋰離子電池， 都是電池單體串聯(lián)起來(lái)組成的高壓電源輸出， 一般受車架體積和電池容量的限制，最終電池組裝集合體輸出的電壓在48V或者80V左右， 這樣的高電壓是沒法直接給車用電器負(fù)載供電的。 這就需要一個(gè)變壓器作用的元件把電池輸出的高壓電轉(zhuǎn)化成可接入負(fù)載使用的低壓電， 在電動(dòng)叉車上， 此功能是由DC-DC轉(zhuǎn)換器 （DIRECT CURRENT-DIRECT CURRENT CONVERTER）實(shí)現(xiàn)的。

如圖1所示， 引腳1、 2是高電壓輸入端， 蓄電池的48V電壓經(jīng)過(guò)一個(gè)10A的熔斷絲， 直接跟轉(zhuǎn)換器的正極相連，負(fù)極出來(lái)接入蓄電池負(fù)極， 形成高電壓輸入回路。 引腳3、4是低電壓輸出端， 經(jīng)轉(zhuǎn)化器變壓后的低電壓正極從3引腳輸出， 連通負(fù)載后， 跟4引腳負(fù)極形成電器工作的回路。 引腳5是從鑰匙開關(guān)輸出的高電壓， 相當(dāng)于DC轉(zhuǎn)換器的使能端， 打開鑰匙開關(guān)， 引腳5電路接通， 轉(zhuǎn)換器開始工作。 由于輸入端直接連接電池高電壓， 鑰匙啟動(dòng)的瞬間， 容易產(chǎn)生大電流， 對(duì)轉(zhuǎn)換器的輸入端產(chǎn)生沖擊， 長(zhǎng)此以往， 不穩(wěn)定的電流環(huán)境會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)換器造成損壞， 大大縮短轉(zhuǎn)換器的使用壽命。

圖1 并聯(lián)分流電阻

在DC-DC轉(zhuǎn)換器的高電壓輸入端并聯(lián)一個(gè)大電阻， 可以在大電流產(chǎn)生時(shí)， 通過(guò)這個(gè)并聯(lián)電阻分流， 使瞬時(shí)大電流在并聯(lián)電阻上消耗掉， 避免了尖峰電流對(duì)轉(zhuǎn)換器的影響，從而為轉(zhuǎn)換器的正常工作提供了保護(hù)。

2.2 DC-DC負(fù)極隔離

電車的電器線路的負(fù)極一般分為電池負(fù)極、 DC轉(zhuǎn)換器負(fù)極、 控制器負(fù)極。 控制器負(fù)極根據(jù)廠家的不同， 設(shè)計(jì)邏輯也存在差異， 有的是跟電池負(fù)極接在一起， 有的是隔離開的， 是單獨(dú)的負(fù)極。 通常情況的電路設(shè)計(jì)中， 不同電器負(fù)載的負(fù)極最后都匯總到電池負(fù)極。 由于不同回路的電流交叉匯集在一起， 極易在線路中產(chǎn)生電流擾動(dòng)， 再加上繼電器線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)以及外部電磁場(chǎng)的一些信號(hào)干擾， 這些干擾源疊加在一起對(duì)控制器等的影響就比較大。 國(guó)產(chǎn)控制器受限于研發(fā)和生產(chǎn)制造水平跟國(guó)外老牌控制器廠家的差距， 產(chǎn)品抗干擾能力差， 輕則報(bào)故障提示， 影響叉車的正常使用， 重則直接燒壞控制器的MOS管等內(nèi)部元器件，導(dǎo)致控制器損壞。

為了減小線路中這些干擾對(duì)控制器的影響， 電器線路重新布局， 設(shè)計(jì)成負(fù)極之間相互隔離的狀態(tài)。 簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是直接接入電池正極的用電設(shè)備， 比如DC轉(zhuǎn)換器的高電壓輸入端、 分流電阻等， 負(fù)極回路最后也回到電池負(fù)極。使用DC轉(zhuǎn)換器輸出的低壓電的負(fù)載， 比如前照燈、 電子閃光器、 后尾燈、 散熱風(fēng)扇、 倒車蜂鳴器等， 負(fù)極接回到DC轉(zhuǎn)換器的負(fù)極。 控制器直接供電的負(fù)載， 比如加速踏板、轉(zhuǎn)角傳感器、 駐車制動(dòng)， 以及傾斜、 舉升、 側(cè)移開關(guān)等，負(fù)極接到控制器負(fù)極。 這種設(shè)計(jì)下， 不同的供電環(huán)境接入了對(duì)應(yīng)的負(fù)載， 各自形成相應(yīng)的循環(huán)， 彼此之間不存在干擾和影響。 這樣就從源頭上切斷了電流擾動(dòng)的可能， 控制器回路可以形成一個(gè)干凈、 純粹的用電環(huán)境， 極大地減少了其他線路分支對(duì)控制器回路的影響。 行車制動(dòng)原理圖中轉(zhuǎn)換器負(fù)極隔離前后對(duì)比， 詳見圖2～圖3。

圖2 行車制動(dòng)原理圖 （轉(zhuǎn)換器負(fù)極隔離前）

圖3 行車制動(dòng)原理圖 （轉(zhuǎn)換器負(fù)極隔離后）

2.3 外接續(xù)流二極管

喇叭、 OPS閥、 繼電器等感性負(fù)載在開關(guān)斷開的瞬間，會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)， 以 “阻止” 電流的減小和消失， 這也是楞次定律的基本原理。 現(xiàn)在的問(wèn)題是， 開關(guān)已經(jīng)斷開，線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)已經(jīng)產(chǎn)生， 高電動(dòng)勢(shì)沒法在原來(lái)的線路形成回路， 這就容易造成斷電后的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)變成一個(gè)干擾信號(hào)， 影響到其他分支或者回路。

為了避免這種干擾的產(chǎn)生， 可以在感性負(fù)載的回路外接一個(gè)續(xù)流二極管， 如圖4所示。 這是利用了二極管的單向?qū)ㄐ裕?如圖5所示， 在二極管的兩側(cè)， 位置1到位置2電流是導(dǎo)通的， 位置2到位置1電流是截止的。 開關(guān)閉合， 電源給感性負(fù)載供電， 感性負(fù)載工作， 而2到1是截止的， 此時(shí)并沒有電流從二極管流過(guò)， 所以不會(huì)對(duì)感性負(fù)載工作產(chǎn)生影響。 開關(guān)斷開， 感性負(fù)載會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)， 電流方向跟開關(guān)斷開前電流方向一致， 即 “阻止” 電流減小， 如圖5所示， 是從位置4流向位置3。 因?yàn)殡娫粗芬褦嚅_， 感性負(fù)載產(chǎn)生的電流就會(huì)沿4→3→1→2→4方向形成回路， 從而把感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的電流消耗掉。

2.4 增加靜電泄放器

靜電釋放， 即ESD （ELECTRO-STATIC DISCHARGE），是一個(gè)老生常談的問(wèn)題。 在日常生活中， 梳頭、 脫毛衣、摸門把手等存在摩擦動(dòng)作的行為， 都很容易產(chǎn)生靜電。 因?yàn)檫@些電流很微小， 不會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生傷害， 所以就沒有規(guī)避的必要。 電動(dòng)叉車作為一款本來(lái)就帶電并且傳輸電的載體， 在實(shí)際使用過(guò)程中， 受季節(jié)和天氣的影響， 以及各個(gè)電器元件之間、 零部件與車體之間、 結(jié)構(gòu)件之間等在顛簸和碰撞過(guò)程中都容易產(chǎn)生靜電， 這些靜電可能不大， 但是如果沒有泄放通道， 靜電一直累積， 就會(huì)形成比較大的電流， 對(duì)車上的電器元件產(chǎn)生影響。

為了消除這種不好的影響， 在電器電路設(shè)計(jì)中加入靜電泄放器， 以使車上產(chǎn)生的靜電在泄放電阻上流過(guò)并消耗，從而過(guò)濾掉靜電， 如圖6所示。 叉車的靜電泄放電阻是串聯(lián)在蓄電池負(fù)極線路的， 因?yàn)樾铍姵毓╇娀芈繁旧砭褪且粋€(gè)高壓輸出的線路， 再加上靜電影響， 多余的電流就得增加一個(gè)過(guò)濾消耗的渠道， 否則不僅對(duì)自身線路的負(fù)載和電池造成沖擊， 也會(huì)產(chǎn)生電磁場(chǎng)或者脈沖信號(hào)干擾其他電器和支路。 靜電泄放電阻的另一端接搭鐵， 也就是連接車體，由于車體也是極易產(chǎn)生靜電的載體， 這樣， 車體產(chǎn)生的靜電也可以通過(guò)這個(gè)電阻消耗掉。

圖6 增加靜電泄放器

3 結(jié)論

在對(duì)電動(dòng)車的用戶體驗(yàn)要求越來(lái)越高的今天， 電車制造行業(yè)只有快速完成技術(shù)完善和標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)定， 不斷提升用戶體驗(yàn)， 獲得更多用戶認(rèn)可， 才能在內(nèi)燃機(jī)統(tǒng)治的市場(chǎng)占有足夠的市場(chǎng)份額。 提升線路的抗干擾能力， 保證電器用電環(huán)境的安全和穩(wěn)定， 是對(duì)電器線路設(shè)計(jì)的基本要求。 本文從具體措施的設(shè)計(jì)和實(shí)施出發(fā)， 以基礎(chǔ)物理知識(shí)和電氣原理為指導(dǎo)， 從不同方面進(jìn)行了設(shè)計(jì)改進(jìn)， 有效改善了電器線路出現(xiàn)干擾的狀況。