基于继电器应用的叉车电器安全设计

赵 龙

（山东柳工叉车有限公司，山东 临沂 276000）

1 引言

近年来，不管是乘用车领域还是工程用车制造业，电动车的发展逐渐形成了不可阻挡的趋势。一方面是响应国家政策号召，发展清洁能源用车，减少碳排放；另一方面，新能源用车具有噪声小、维护保养费用低、智能化程度高等优势，用户体验更好。而且在政策扶持下，购买新能源用车还可以享受到国家政策补贴。虽然电动车存在充电时间长、长途行车充电不方便、电池受温度影响大等缺点，但是随着快充技术的发展、电池充放电介质材料的开发、电池制造生产工艺的提升，电车的上述缺点在不断被克服和攻关，电动车应用的前景在向着越来越宽广的方向进步。

随着电池和各种电器设备在电动车上的普及和推广，电动车的各种功能在向着多元化、无人化、智能化的方向发展。由此产生的电器问题也越来越多，比如电子制动系统失灵、电池在充电过程中发生自燃、多功能显示屏黑屏、车用升降开关功能异常、车辆使用过程中故障代码提示等。如果只是娱乐影音系统的功能障碍，只会影响到用户的使用体验，往往进行系统升级修复以后就能够解决问题。但有些是涉及到用户人身安全的原则性问题，这些应该是在产品设计的初始阶段就必须做好防护和预判的，必须引起重视。

电池的安全通常是通过电池管理系统BMS（Battery Management System）进行监控和维护，该系统利用不同的模块采集、处理、分析和传输电池信息，通过显示单元就可以看到剩余电量、电池电压、预计可使用时间、电池健康状况等信息。该系统可以通过信息的采集和获取，提前获知电池的状况，及时采取措施防止电池亏电、电池过充电和过放电等损坏电池情况的发生。

为了保障汽车电器的用电安全，电动车的车架线路上通常会设计很多熔断丝，以起到防止线路出现过大电流冲击，避免产生烧坏电器元件，损坏线路，甚至引起线路自燃的情况。除此以外，继电器作为一种常见的电器元件，跟熔断丝的功能类似，可以起到保护线路、限制线路过大电流、开关控制的作用。由于其巧妙的设计，以及保障线路安全性的重要作用，继电器在叉车上的应用非常广泛。

本文从继电器的基本原理以及继电器的应用设计两个方面出发，阐述了继电器的基本工作逻辑和应用设计方面的技巧，为研发设计人员进行继电器方面的开发和应用提供思路和借鉴。

2 继电器控制的原理

继电器的最常用功能是通过输入端的小电流控制输出端的大电流，它的原理就是利用了通电线圈的电磁感应实现内部接触开关的打开和闭合。在继电器输入端，一般是串联了一个电磁线圈。导线的电阻ρ×，其中ρ是电阻率，它是跟导线的材质有关的参数，是导线的长度，是导线的横截面积。通过导线电阻的计算公式可以看出，导线的电阻跟长度成正比，跟导线的横截面积成反比。线圈的导线做得很细，横截面积小，电阻相对大，同时，通过一圈一圈的缠绕，增加了导线的长度，从而使电磁线圈有一个较大的电阻。继电器输入端一般接入的是一个低电压，十几到二十几伏特不等，电流，从而在输入端实现了小电流控制。

通电的线圈产生磁场，磁感应强度μ××，μ是磁导率，是缠绕线圈的圈数，是通过线圈的电流。由磁感应强度计算公式可知，线圈缠绕圈数越多，通过线圈的电流越大，磁场越强。在正常工作状态下，输入端通电后，通电线圈产生磁场，引起动触点的吸合，从而实现内部开关的通断。虽然继电器输入端是小电流，但在线路串联电阻过大，或者接入的电压过小时，线圈产生的磁场强度过小，动弹片不足以克服弹簧力跟对向的触点吸合。这就解释了，输入回路的电流过小，继电器不吸合的原因。

继电器根据功能，一般可分为基础继电器、时间继电器和闪光继电器，其中基础继电器应用最为广泛。基础继电器依据触点接口和线圈接口的尺寸大小，可分为超微型、微型、小型、大电流小型4种继电器。本文的设计方案采用的是最常见的五引脚的基础继电器，如图1所示，其中86、85引脚是输入控制端，相当于信号输入的使能端。86接正极输入，85接负极，86、85接通以后，继电器线圈产生磁场，动弹片在磁场作用下克服弹簧力脱离原来的触点，跟对向的触点吸合，继电器的控制逻辑动作完成。86、85断电以后，磁场磁力消失，动弹片在弹簧力的作用下恢复和原来的触点吸合的状态。87a是常闭引脚，输入端未接通情况下，30、87a是连通的。输入端86、85接通，动弹片吸合，30、87a断开连接。87是常开引脚，通电和断电后的动作逻辑跟87a相反。

图1 继电器引脚定义

3 继电器的应用设计

3.1 制动灯开关替代方案

传统的制动灯开关是接触式的，如图2所示，因其制造成本低、品质稳定、价格低廉而在市场上广泛应用。它是通过顶杆的伸缩运动顶开和关闭两触点实现线路的打开和闭合的。在一般应用场合，只要接触的瞬时电流在允许范围内，接触式开关的工作寿命就比较长，也不会出现损坏的情况。但是在特殊工况下，如化肥厂、食盐加工厂、化工厂等，叉车运输的物料往往是具有腐蚀性或者导电性能的固体或者液体，这些物料通过制动灯开关的顶杆缝隙进入到内部，就会导致两触点的导通，从而引起制动灯开关失灵，制动灯常亮。

图2 接触式制动灯开关

为了解决叉车在恶劣工况下制动灯失灵的情况，采用非接触式的开关就成为一个可选方案。接近传感器（图3）多用于微动控制领域，属于弱电控制的一种。目前电动叉车的电路，是从电池出来的高电压经过直流电压转换器变成12V或者24V的低压，给全车的LED灯、喇叭、风扇、制动灯开关等负载供电。由于叉车实际使用过程中，各负载的使用情况不同，电路中电流会有波动变化，有的大功率负载在打开和关闭的瞬间，会产生瞬时过大电流。这种电路状况下，微动开关直接接入线路，极易被不稳定的电流损坏，导致使用寿命大大缩短。继电器作为一款起控制作用的单元，由于其输入回路电流小，可将接近传感器串联到继电器输入端，输出端接常开触点，通过接近传感器的开和关控制继电器输入的接通和断开，从而实现继电器输出端的闭合和打开。电器原理如图4所示，这种连接方式，利用继电器输入端的小电流，实现了对接近传感器的保护。

图3 接近传感器开关

图4 非接触式制动灯开关电器原理图

3.2 CE安全认证

不同的国家和地区，工程用车的排放标准、认证标准等都是有差异的。比如在欧盟国家准许销售和合法上路的叉车，除了满足欧三排放标准以外，还要符合CE认证（CONFORMITE EUROPEENNE）的要求。对于叉车而言，CE认证，简单来说，就是驾驶员操作叉车前，必须先坐在座椅上，并且系好安全带。安全带没系，必须有声音或者灯光的提示，安全带系好以后，提示消失。

同样，由于提示灯采用LED小灯，如图5所示，允许通过的电流比较小，一般为2～20mA。直接跟安全带线路连接，安全带卡扣（图6）插入拔出的瞬间容易引起线路电流不稳，造成提示灯亮度产生变化，甚至受瞬时大电流影响，烧坏指示灯。如图7所示，加上继电器后，安全带线路只控制继电器输入端的连通和断开，从而控制输出端指示灯的开和关，安全性增强。

图5 指示灯

图6 安全带卡扣

图7 CE认证电器原理图

3.3 暖风机设计安装

叉车除了主流配置以外，也会根据客户的特定需求，进行差异化的定制。例如北方的冬天，很多地区温度普遍过低，配置了驾驶室的叉车，有的要求安装暖风机 （图8）。暖风机功率比较大，常见的型号功率在800W左右，假设配置80V电压的电池，电池电源直接给暖风机供电，线路电流=/=800W/80V=10A。这样的大电流是没法把暖风机开关直接串联在线路里的，大电流会在开关通断的瞬间产生强电弧，一方面极易对开关造成损坏，另一方面也容易电击到操作人员，存在很大的安全隐患。

图8 暖风机安装效果图

应用继电器对线路进行设计，可以完全避免上述隐患的发生。如图9所示，继电器的控制端接入经过电压转换器输出的12V低电压，开关串联在此低压电路中，用于控制继电器输入端的给电和断电。暖风机由于功率较大，从电池电源直接取电（80V），接到继电器的电源输入引脚 （30）和常开引脚（87）。这种设计下，开关闭合，继电器吸合，动触点跟常闭引脚接通，暖风机供电回路形成。同时，在输入端的小电流回路接入一个风扇，开关闭合，风扇开始工作，把暖风机产生的热量传输到驾驶室内部。

图9 暖风机系统原理图

3.4 双后大灯的选配

叉车的设计原则在很多地方跟乘用车是相通的，比如前照明灯。但是由于叉车使用工况的特殊性，会根据需要，在叉车尾部配置单后大灯或者双后大灯 （图10），以起到照明和警示路人的作用。

图10 双后大灯安装示意图

两个大灯加在一起，实际使用功率在电器负载中属于比较大的。如图11所示，一般采用继电器加熔断丝的组合来防护和控制。同样地，翘板开关串联在继电器的控制端，控制端的小电流可以对开关起到保护作用。双后大灯串联后接到常闭引脚 （30）和常开引脚 （87），翘板开关接通，继电器吸合，30、87引脚连通，给后大灯供电工作。

图11 双后大灯电器原理图

4 结论

在对用电安全要求越来越严格的今天，研发人员从不同的方面对线路安全进行了设计和故障预防。本文从实际案例出发，在电器电路中通过引入继电器的使用，实现了小电流控制大电流，在较少的成本投入和线路简化的原则下，使电器的使用安全得到了保障。