基于繼電器應用的叉車電器安全設計

趙 龍

（山東柳工叉車有限公司，山東 臨沂 276000）

1 引言

近年來，不管是乘用車領域還是工程用車制造業，電動車的發展逐漸形成了不可阻擋的趨勢。一方面是響應國家政策號召，發展清潔能源用車，減少碳排放；另一方面，新能源用車具有噪聲小、維護保養費用低、智能化程度高等優勢，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，但是隨著快充技術的發展、電池充放電介質材料的開發、電池制造生產工藝的提升，電車的上述缺點在不斷被克服和攻關，電動車應用的前景在向著越來越寬廣的方向進步。

隨著電池和各種電器設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、智能化的方向發展。由此產生的電器問題也越來越多，比如電子制動系統失靈、電池在充電過程中發生自燃、多功能顯示屏黑屏、車用升降開關功能異常、車輛使用過程中故障代碼提示等。如果只是娛樂影音系統的功能障礙，只會影響到用戶的使用體驗，往往進行系統升級修復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，這些應該是在產品設計的初始階段就必須做好防護和預判的，必須引起重視。

電池的安全通常是通過電池管理系統BMS（Battery Management System）進行監控和維護，該系統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、預計可使用時間、電池健康狀況等信息。該系統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計很多熔斷絲，以起到防止線路出現過大電流沖擊，避免產生燒壞電器元件，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，可以起到保護線路、限制線路過大電流、開關控制的作用。由于其巧妙的設計，以及保障線路安全性的重要作用，繼電器在叉車上的應用非常廣泛。

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

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實現內部接觸開關的打開和閉合。在繼電器輸入端，一般是串聯了一個電磁線圈。導線的電阻ρ×，其中ρ是電阻率，它是跟導線的材質有關的參數，是導線的長度，是導線的橫截面積。通過導線電阻的計算公式可以看出，導線的電阻跟長度成正比，跟導線的橫截面積成反比。線圈的導線做得很細，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，從而在輸入端實現了小電流控制。

通電的線圈產生磁場，磁感應強度μ××，μ是磁導率，是纏繞線圈的圈數，是通過線圈的電流。由磁感應強度計算公式可知，線圈纏繞圈數越多，通過線圈的電流越大，磁場越強。在正常工作狀態下，輸入端通電后，通電線圈產生磁場，引起動觸點的吸合，從而實現內部開關的通斷。雖然繼電器輸入端是小電流，但在線路串聯電阻過大，或者接入的電壓過小時，線圈產生的磁場強度過小，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。

繼電器根據功能，一般可分為基礎繼電器、時間繼電器和閃光繼電器，其中基礎繼電器應用最為廣泛。基礎繼電器依據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。本文的設計方案采用的是最常見的五引腳的基礎繼電器，如圖1所示，其中86、85引腳是輸入控制端，相當于信號輸入的使能端。86接正極輸入，85接負極，86、85接通以后，繼電器線圈產生磁場，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和原來的觸點吸合的狀態。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 繼電器的應用設計

3.1 制動燈開關替代方案

傳統的制動燈開關是接觸式的，如圖2所示，因其制造成本低、品質穩定、價格低廉而在市場上廣泛應用。它是通過頂桿的伸縮運動頂開和關閉兩觸點實現線路的打開和閉合的。在一般應用場合，只要接觸的瞬時電流在允許范圍內，接觸式開關的工作壽命就比較長，也不會出現損壞的情況。但是在特殊工況下，如化肥廠、食鹽加工廠、化工廠等，叉車運輸的物料往往是具有腐蝕性或者導電性能的固體或者液體，這些物料通過制動燈開關的頂桿縫隙進入到內部，就會導致兩觸點的導通，從而引起制動燈開關失靈，制動燈常亮。

圖2 接觸式制動燈開關

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就成為一個可選方案。接近傳感器（圖3）多用于微動控制領域，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過直流電壓轉換器變成12V或者24V的低壓，給全車的LED燈、喇叭、風扇、制動燈開關等負載供電。由于叉車實際使用過程中，各負載的使用情況不同，電路中電流會有波動變化，有的大功率負載在打開和關閉的瞬間，會產生瞬時過大電流。這種電路狀況下，微動開關直接接入線路，極易被不穩定的電流損壞，導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控制繼電器輸入的接通和斷開，從而實現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，實現了對接近傳感器的保護。

圖3 接近傳感器開關

圖4 非接觸式制動燈開關電器原理圖

3.2 CE安全認證

不同的國家和地區，工程用車的排放標準、認證標準等都是有差異的。比如在歐盟國家準許銷售和合法上路的叉車，除了滿足歐三排放標準以外，還要符合CE認證（CONFORMITE EUROPEENNE）的要求。對于叉車而言，CE認證，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，造成提示燈亮度產生變化，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，安全性增強。

圖5 指示燈

圖6 安全帶卡扣

圖7 CE認證電器原理圖

3.3 暖風機設計安裝

叉車除了主流配置以外，也會根據客戶的特定需求，進行差異化的定制。例如北方的冬天，很多地區溫度普遍過低，配置了駕駛室的叉車，有的要求安裝暖風機 （圖8）。暖風機功率比較大，常見的型號功率在800W左右，假設配置80V電壓的電池，電池電源直接給暖風機供電，線路電流=/=800W/80V=10A。這樣的大電流是沒法把暖風機開關直接串聯在線路里的，大電流會在開關通斷的瞬間產生強電弧，一方面極易對開關造成損壞，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 暖風機安裝效果圖

應用繼電器對線路進行設計，可以完全避免上述隱患的發生。如圖9所示，繼電器的控制端接入經過電壓轉換器輸出的12V低電壓，開關串聯在此低壓電路中，用于控制繼電器輸入端的給電和斷電。暖風機由于功率較大，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）。這種設計下，開關閉合，繼電器吸合，動觸點跟常閉引腳接通，暖風機供電回路形成。同時，在輸入端的小電流回路接入一個風扇，開關閉合，風扇開始工作，把暖風機產生的熱量傳輸到駕駛室內部。

圖9 暖風機系統原理圖

3.4 雙后大燈的選配

叉車的設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和控制。同樣地，翹板開關串聯在繼電器的控制端，控制端的小電流可以對開關起到保護作用。雙后大燈串聯后接到常閉引腳 （30）和常開引腳 （87），翹板開關接通，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 結論

在對用電安全要求越來越嚴格的今天，研發人員從不同的方面對線路安全進行了設計和故障預防。本文從實際案例出發，在電器電路中通過引入繼電器的使用，實現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。