基于繼電器應(yīng)用的叉車電器安全設(shè)計

趙 龍

（山東柳工叉車有限公司，山東 臨沂 276000）

1 引言

近年來，不管是乘用車領(lǐng)域還是工程用車制造業(yè)，電動車的發(fā)展逐漸形成了不可阻擋的趨勢。一方面是響應(yīng)國家政策號召，發(fā)展清潔能源用車，減少碳排放；另一方面，新能源用車具有噪聲小、維護(hù)保養(yǎng)費用低、智能化程度高等優(yōu)勢，用戶體驗更好。而且在政策扶持下，購買新能源用車還可以享受到國家政策補(bǔ)貼。雖然電動車存在充電時間長、長途行車充電不方便、電池受溫度影響大等缺點，但是隨著快充技術(shù)的發(fā)展、電池充放電介質(zhì)材料的開發(fā)、電池制造生產(chǎn)工藝的提升，電車的上述缺點在不斷被克服和攻關(guān)，電動車應(yīng)用的前景在向著越來越寬廣的方向進(jìn)步。

隨著電池和各種電器設(shè)備在電動車上的普及和推廣，電動車的各種功能在向著多元化、無人化、智能化的方向發(fā)展。由此產(chǎn)生的電器問題也越來越多，比如電子制動系統(tǒng)失靈、電池在充電過程中發(fā)生自燃、多功能顯示屏黑屏、車用升降開關(guān)功能異常、車輛使用過程中故障代碼提示等。如果只是娛樂影音系統(tǒng)的功能障礙，只會影響到用戶的使用體驗，往往進(jìn)行系統(tǒng)升級修復(fù)以后就能夠解決問題。但有些是涉及到用戶人身安全的原則性問題，這些應(yīng)該是在產(chǎn)品設(shè)計的初始階段就必須做好防護(hù)和預(yù)判的，必須引起重視。

電池的安全通常是通過電池管理系統(tǒng)BMS（Battery Management System）進(jìn)行監(jiān)控和維護(hù)，該系統(tǒng)利用不同的模塊采集、處理、分析和傳輸電池信息，通過顯示單元就可以看到剩余電量、電池電壓、預(yù)計可使用時間、電池健康狀況等信息。該系統(tǒng)可以通過信息的采集和獲取，提前獲知電池的狀況，及時采取措施防止電池虧電、電池過充電和過放電等損壞電池情況的發(fā)生。

為了保障汽車電器的用電安全，電動車的車架線路上通常會設(shè)計很多熔斷絲，以起到防止線路出現(xiàn)過大電流沖擊，避免產(chǎn)生燒壞電器元件，損壞線路，甚至引起線路自燃的情況。除此以外，繼電器作為一種常見的電器元件，跟熔斷絲的功能類似，可以起到保護(hù)線路、限制線路過大電流、開關(guān)控制的作用。由于其巧妙的設(shè)計，以及保障線路安全性的重要作用，繼電器在叉車上的應(yīng)用非常廣泛。

本文從繼電器的基本原理以及繼電器的應(yīng)用設(shè)計兩個方面出發(fā)，闡述了繼電器的基本工作邏輯和應(yīng)用設(shè)計方面的技巧，為研發(fā)設(shè)計人員進(jìn)行繼電器方面的開發(fā)和應(yīng)用提供思路和借鑒。

2 繼電器控制的原理

繼電器的最常用功能是通過輸入端的小電流控制輸出端的大電流，它的原理就是利用了通電線圈的電磁感應(yīng)實現(xiàn)內(nèi)部接觸開關(guān)的打開和閉合。在繼電器輸入端，一般是串聯(lián)了一個電磁線圈。導(dǎo)線的電阻ρ×，其中ρ是電阻率，它是跟導(dǎo)線的材質(zhì)有關(guān)的參數(shù)，是導(dǎo)線的長度，是導(dǎo)線的橫截面積。通過導(dǎo)線電阻的計算公式可以看出，導(dǎo)線的電阻跟長度成正比，跟導(dǎo)線的橫截面積成反比。線圈的導(dǎo)線做得很細(xì)，橫截面積小，電阻相對大，同時，通過一圈一圈的纏繞，增加了導(dǎo)線的長度，從而使電磁線圈有一個較大的電阻。繼電器輸入端一般接入的是一個低電壓，十幾到二十幾伏特不等，電流，從而在輸入端實現(xiàn)了小電流控制。

通電的線圈產(chǎn)生磁場，磁感應(yīng)強(qiáng)度μ××，μ是磁導(dǎo)率，是纏繞線圈的圈數(shù)，是通過線圈的電流。由磁感應(yīng)強(qiáng)度計算公式可知，線圈纏繞圈數(shù)越多，通過線圈的電流越大，磁場越強(qiáng)。在正常工作狀態(tài)下，輸入端通電后，通電線圈產(chǎn)生磁場，引起動觸點的吸合，從而實現(xiàn)內(nèi)部開關(guān)的通斷。雖然繼電器輸入端是小電流，但在線路串聯(lián)電阻過大，或者接入的電壓過小時，線圈產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度過小，動彈片不足以克服彈簧力跟對向的觸點吸合。這就解釋了，輸入回路的電流過小，繼電器不吸合的原因。

繼電器根據(jù)功能，一般可分為基礎(chǔ)繼電器、時間繼電器和閃光繼電器，其中基礎(chǔ)繼電器應(yīng)用最為廣泛?；A(chǔ)繼電器依據(jù)觸點接口和線圈接口的尺寸大小，可分為超微型、微型、小型、大電流小型4種繼電器。本文的設(shè)計方案采用的是最常見的五引腳的基礎(chǔ)繼電器，如圖1所示，其中86、85引腳是輸入控制端，相當(dāng)于信號輸入的使能端。86接正極輸入，85接負(fù)極，86、85接通以后，繼電器線圈產(chǎn)生磁場，動彈片在磁場作用下克服彈簧力脫離原來的觸點，跟對向的觸點吸合，繼電器的控制邏輯動作完成。86、85斷電以后，磁場磁力消失，動彈片在彈簧力的作用下恢復(fù)和原來的觸點吸合的狀態(tài)。87a是常閉引腳，輸入端未接通情況下，30、87a是連通的。輸入端86、85接通，動彈片吸合，30、87a斷開連接。87是常開引腳，通電和斷電后的動作邏輯跟87a相反。

圖1 繼電器引腳定義

3 繼電器的應(yīng)用設(shè)計

3.1 制動燈開關(guān)替代方案

傳統(tǒng)的制動燈開關(guān)是接觸式的，如圖2所示，因其制造成本低、品質(zhì)穩(wěn)定、價格低廉而在市場上廣泛應(yīng)用。它是通過頂桿的伸縮運動頂開和關(guān)閉兩觸點實現(xiàn)線路的打開和閉合的。在一般應(yīng)用場合，只要接觸的瞬時電流在允許范圍內(nèi)，接觸式開關(guān)的工作壽命就比較長，也不會出現(xiàn)損壞的情況。但是在特殊工況下，如化肥廠、食鹽加工廠、化工廠等，叉車運輸?shù)奈锪贤蔷哂懈g性或者導(dǎo)電性能的固體或者液體，這些物料通過制動燈開關(guān)的頂桿縫隙進(jìn)入到內(nèi)部，就會導(dǎo)致兩觸點的導(dǎo)通，從而引起制動燈開關(guān)失靈，制動燈常亮。

圖2 接觸式制動燈開關(guān)

為了解決叉車在惡劣工況下制動燈失靈的情況，采用非接觸式的開關(guān)就成為一個可選方案。接近傳感器（圖3）多用于微動控制領(lǐng)域，屬于弱電控制的一種。目前電動叉車的電路，是從電池出來的高電壓經(jīng)過直流電壓轉(zhuǎn)換器變成12V或者24V的低壓，給全車的LED燈、喇叭、風(fēng)扇、制動燈開關(guān)等負(fù)載供電。由于叉車實際使用過程中，各負(fù)載的使用情況不同，電路中電流會有波動變化，有的大功率負(fù)載在打開和關(guān)閉的瞬間，會產(chǎn)生瞬時過大電流。這種電路狀況下，微動開關(guān)直接接入線路，極易被不穩(wěn)定的電流損壞，導(dǎo)致使用壽命大大縮短。繼電器作為一款起控制作用的單元，由于其輸入回路電流小，可將接近傳感器串聯(lián)到繼電器輸入端，輸出端接常開觸點，通過接近傳感器的開和關(guān)控制繼電器輸入的接通和斷開，從而實現(xiàn)繼電器輸出端的閉合和打開。電器原理如圖4所示，這種連接方式，利用繼電器輸入端的小電流，實現(xiàn)了對接近傳感器的保護(hù)。

圖3 接近傳感器開關(guān)

圖4 非接觸式制動燈開關(guān)電器原理圖

3.2 CE安全認(rèn)證

不同的國家和地區(qū)，工程用車的排放標(biāo)準(zhǔn)、認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)等都是有差異的。比如在歐盟國家準(zhǔn)許銷售和合法上路的叉車，除了滿足歐三排放標(biāo)準(zhǔn)以外，還要符合CE認(rèn)證（CONFORMITE EUROPEENNE）的要求。對于叉車而言，CE認(rèn)證，簡單來說，就是駕駛員操作叉車前，必須先坐在座椅上，并且系好安全帶。安全帶沒系，必須有聲音或者燈光的提示，安全帶系好以后，提示消失。

同樣，由于提示燈采用LED小燈，如圖5所示，允許通過的電流比較小，一般為2～20mA。直接跟安全帶線路連接，安全帶卡扣（圖6）插入拔出的瞬間容易引起線路電流不穩(wěn)，造成提示燈亮度產(chǎn)生變化，甚至受瞬時大電流影響，燒壞指示燈。如圖7所示，加上繼電器后，安全帶線路只控制繼電器輸入端的連通和斷開，從而控制輸出端指示燈的開和關(guān)，安全性增強(qiáng)。

圖5 指示燈

圖6 安全帶卡扣

圖7 CE認(rèn)證電器原理圖

3.3 暖風(fēng)機(jī)設(shè)計安裝

叉車除了主流配置以外，也會根據(jù)客戶的特定需求，進(jìn)行差異化的定制。例如北方的冬天，很多地區(qū)溫度普遍過低，配置了駕駛室的叉車，有的要求安裝暖風(fēng)機(jī) （圖8）。暖風(fēng)機(jī)功率比較大，常見的型號功率在800W左右，假設(shè)配置80V電壓的電池，電池電源直接給暖風(fēng)機(jī)供電，線路電流=/=800W/80V=10A。這樣的大電流是沒法把暖風(fēng)機(jī)開關(guān)直接串聯(lián)在線路里的，大電流會在開關(guān)通斷的瞬間產(chǎn)生強(qiáng)電弧，一方面極易對開關(guān)造成損壞，另一方面也容易電擊到操作人員，存在很大的安全隱患。

圖8 暖風(fēng)機(jī)安裝效果圖

應(yīng)用繼電器對線路進(jìn)行設(shè)計，可以完全避免上述隱患的發(fā)生。如圖9所示，繼電器的控制端接入經(jīng)過電壓轉(zhuǎn)換器輸出的12V低電壓，開關(guān)串聯(lián)在此低壓電路中，用于控制繼電器輸入端的給電和斷電。暖風(fēng)機(jī)由于功率較大，從電池電源直接取電（80V），接到繼電器的電源輸入引腳 （30）和常開引腳（87）。這種設(shè)計下，開關(guān)閉合，繼電器吸合，動觸點跟常閉引腳接通，暖風(fēng)機(jī)供電回路形成。同時，在輸入端的小電流回路接入一個風(fēng)扇，開關(guān)閉合，風(fēng)扇開始工作，把暖風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的熱量傳輸?shù)今{駛室內(nèi)部。

圖9 暖風(fēng)機(jī)系統(tǒng)原理圖

3.4 雙后大燈的選配

叉車的設(shè)計原則在很多地方跟乘用車是相通的，比如前照明燈。但是由于叉車使用工況的特殊性，會根據(jù)需要，在叉車尾部配置單后大燈或者雙后大燈 （圖10），以起到照明和警示路人的作用。

圖10 雙后大燈安裝示意圖

兩個大燈加在一起，實際使用功率在電器負(fù)載中屬于比較大的。如圖11所示，一般采用繼電器加熔斷絲的組合來防護(hù)和控制。同樣地，翹板開關(guān)串聯(lián)在繼電器的控制端，控制端的小電流可以對開關(guān)起到保護(hù)作用。雙后大燈串聯(lián)后接到常閉引腳 （30）和常開引腳 （87），翹板開關(guān)接通，繼電器吸合，30、87引腳連通，給后大燈供電工作。

圖11 雙后大燈電器原理圖

4 結(jié)論

在對用電安全要求越來越嚴(yán)格的今天，研發(fā)人員從不同的方面對線路安全進(jìn)行了設(shè)計和故障預(yù)防。本文從實際案例出發(fā)，在電器電路中通過引入繼電器的使用，實現(xiàn)了小電流控制大電流，在較少的成本投入和線路簡化的原則下，使電器的使用安全得到了保障。