電動叉車電器線路的防干擾設計

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。 電動叉車主要由電池、 電機、 電控3部分組成， 其動力來源從傳統的燃油發動機變成了電池， 電控取代了發動機ECU部分， 牽引電機的作用相當于燃油車的驅動部分。

在政策的鼓勵下， 國內的電動車廠家發展迅速， 為了搶占市場和提升產品競爭力， 不同的廠家都在采取措施進行降本增效， 以實現市場占有率的擴大和利潤的增加。 國產零部件憑借價格的巨大優勢， 以及品質的不斷提升， 在國內的主機廠配件采購中逐步占據較大的市場份額。 但在很多關鍵部件的生產上， 國產廠家與很多進口廠商之間還是存在差距， 比如電控， 國產件的差距主要表現在抗干擾能力差、 異常狀況防控不到位、 易損壞等。 如從降低成本角度出發， 可以選擇國產電控， 價格優勢也很明顯， 前提是從其他方面減少干擾， 最好是可以過濾掉干擾， 減小外部干擾對電控的影響， 保證電控的正常工作和使用。

車架線束作為電動叉車上傳輸信號的介質， 在傳導負載用電的同時， 也會把各種原因導致的瞬時大電流等尖峰信號傳到負載。 尤其是電控， 受到這種異常電流影響， 就會出現儀表顯示不準確、 故障代碼提示、 車輛無法啟動等情況， 嚴重的會導致電控內部MOS管燒蝕， 電控損壞。 為了抑制和消除這種異常信號， 本文從增加續流二極管、 并聯DC-DC分流電阻、 串聯靜電泄放器、 DC-DC負極隔離4個方面進行改進， 從而實現對電控的保護。

2 防干擾設計

2.1 并聯DC-DC分流電阻

電動叉車的電器負載， 如前照燈、 轉向燈、 后尾燈、散熱風扇、 倒車蜂鳴器、 喇叭、 轉角傳感器等， 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， 都是電池單體串聯起來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載供電的。 這就需要一個變壓器作用的元件把電池輸出的高壓電轉化成可接入負載使用的低壓電， 在電動叉車上， 此功能是由DC-DC轉換器 （DIRECT CURRENT-DIRECT CURRENT CONVERTER）實現的。

如圖1所示， 引腳1、 2是高電壓輸入端， 蓄電池的48V電壓經過一個10A的熔斷絲， 直接跟轉換器的正極相連，負極出來接入蓄電池負極， 形成高電壓輸入回路。 引腳3、4是低電壓輸出端， 經轉化器變壓后的低電壓正極從3引腳輸出， 連通負載后， 跟4引腳負極形成電器工作的回路。 引腳5是從鑰匙開關輸出的高電壓， 相當于DC轉換器的使能端， 打開鑰匙開關， 引腳5電路接通， 轉換器開始工作。 由于輸入端直接連接電池高電壓， 鑰匙啟動的瞬間， 容易產生大電流， 對轉換器的輸入端產生沖擊， 長此以往， 不穩定的電流環境會對轉換器造成損壞， 大大縮短轉換器的使用壽命。

圖1 并聯分流電阻

在DC-DC轉換器的高電壓輸入端并聯一個大電阻， 可以在大電流產生時， 通過這個并聯電阻分流， 使瞬時大電流在并聯電阻上消耗掉， 避免了尖峰電流對轉換器的影響，從而為轉換器的正常工作提供了保護。

2.2 DC-DC負極隔離

電車的電器線路的負極一般分為電池負極、 DC轉換器負極、 控制器負極。 控制器負極根據廠家的不同， 設計邏輯也存在差異， 有的是跟電池負極接在一起， 有的是隔離開的， 是單獨的負極。 通常情況的電路設計中， 不同電器負載的負極最后都匯總到電池負極。 由于不同回路的電流交叉匯集在一起， 極易在線路中產生電流擾動， 再加上繼電器線圈產生的磁場以及外部電磁場的一些信號干擾， 這些干擾源疊加在一起對控制器等的影響就比較大。 國產控制器受限于研發和生產制造水平跟國外老牌控制器廠家的差距， 產品抗干擾能力差， 輕則報故障提示， 影響叉車的正常使用， 重則直接燒壞控制器的MOS管等內部元器件，導致控制器損壞。

為了減小線路中這些干擾對控制器的影響， 電器線路重新布局， 設計成負極之間相互隔離的狀態。 簡單來說，就是直接接入電池正極的用電設備， 比如DC轉換器的高電壓輸入端、 分流電阻等， 負極回路最后也回到電池負極。使用DC轉換器輸出的低壓電的負載， 比如前照燈、 電子閃光器、 后尾燈、 散熱風扇、 倒車蜂鳴器等， 負極接回到DC轉換器的負極。 控制器直接供電的負載， 比如加速踏板、轉角傳感器、 駐車制動， 以及傾斜、 舉升、 側移開關等，負極接到控制器負極。 這種設計下， 不同的供電環境接入了對應的負載， 各自形成相應的循環， 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的可能， 控制器回路可以形成一個干凈、 純粹的用電環境， 極大地減少了其他線路分支對控制器回路的影響。 行車制動原理圖中轉換器負極隔離前后對比， 詳見圖2～圖3。

圖2 行車制動原理圖 （轉換器負極隔離前）

圖3 行車制動原理圖 （轉換器負極隔離后）

2.3 外接續流二極管

喇叭、 OPS閥、 繼電器等感性負載在開關斷開的瞬間，會產生感應電動勢， 以 “阻止” 電流的減小和消失， 這也是楞次定律的基本原理。 現在的問題是， 開關已經斷開，線圈的感應電動勢已經產生， 高電動勢沒法在原來的線路形成回路， 這就容易造成斷電后的感應電動勢變成一個干擾信號， 影響到其他分支或者回路。

為了避免這種干擾的產生， 可以在感性負載的回路外接一個續流二極管， 如圖4所示。 這是利用了二極管的單向導通性， 如圖5所示， 在二極管的兩側， 位置1到位置2電流是導通的， 位置2到位置1電流是截止的。 開關閉合， 電源給感性負載供電， 感性負載工作， 而2到1是截止的， 此時并沒有電流從二極管流過， 所以不會對感性負載工作產生影響。 開關斷開， 感性負載會產生感應電動勢， 電流方向跟開關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。 因為電源支路已斷開， 感性負載產生的電流就會沿4→3→1→2→4方向形成回路， 從而把感應電動勢的電流消耗掉。

2.4 增加靜電泄放器

靜電釋放， 即ESD （ELECTRO-STATIC DISCHARGE），是一個老生常談的問題。 在日常生活中， 梳頭、 脫毛衣、摸門把手等存在摩擦動作的行為， 都很容易產生靜電。 因為這些電流很微小， 不會對人體產生傷害， 所以就沒有規避的必要。 電動叉車作為一款本來就帶電并且傳輸電的載體， 在實際使用過程中， 受季節和天氣的影響， 以及各個電器元件之間、 零部件與車體之間、 結構件之間等在顛簸和碰撞過程中都容易產生靜電， 這些靜電可能不大， 但是如果沒有泄放通道， 靜電一直累積， 就會形成比較大的電流， 對車上的電器元件產生影響。

為了消除這種不好的影響， 在電器電路設計中加入靜電泄放器， 以使車上產生的靜電在泄放電阻上流過并消耗，從而過濾掉靜電， 如圖6所示。 叉車的靜電泄放電阻是串聯在蓄電池負極線路的， 因為蓄電池供電回路本身就是一個高壓輸出的線路， 再加上靜電影響， 多余的電流就得增加一個過濾消耗的渠道， 否則不僅對自身線路的負載和電池造成沖擊， 也會產生電磁場或者脈沖信號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生靜電的載體， 這樣， 車體產生的靜電也可以通過這個電阻消耗掉。

圖6 增加靜電泄放器

3 結論

在對電動車的用戶體驗要求越來越高的今天， 電車制造行業只有快速完成技術完善和標準認定， 不斷提升用戶體驗， 獲得更多用戶認可， 才能在內燃機統治的市場占有足夠的市場份額。 提升線路的抗干擾能力， 保證電器用電環境的安全和穩定， 是對電器線路設計的基本要求。 本文從具體措施的設計和實施出發， 以基礎物理知識和電氣原理為指導， 從不同方面進行了設計改進， 有效改善了電器線路出現干擾的狀況。