电动叉车电器线路的防干扰设计

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。 电动叉车主要由电池、 电机、 电控3部分组成， 其动力来源从传统的燃油发动机变成了电池， 电控取代了发动机ECU部分， 牵引电机的作用相当于燃油车的驱动部分。

在政策的鼓励下， 国内的电动车厂家发展迅速， 为了抢占市场和提升产品竞争力， 不同的厂家都在采取措施进行降本增效， 以实现市场占有率的扩大和利润的增加。 国产零部件凭借价格的巨大优势， 以及品质的不断提升， 在国内的主机厂配件采购中逐步占据较大的市场份额。 但在很多关键部件的生产上， 国产厂家与很多进口厂商之间还是存在差距， 比如电控， 国产件的差距主要表现在抗干扰能力差、 异常状况防控不到位、 易损坏等。 如从降低成本角度出发， 可以选择国产电控， 价格优势也很明显， 前提是从其他方面减少干扰， 最好是可以过滤掉干扰， 减小外部干扰对电控的影响， 保证电控的正常工作和使用。

车架线束作为电动叉车上传输信号的介质， 在传导负载用电的同时， 也会把各种原因导致的瞬时大电流等尖峰信号传到负载。 尤其是电控， 受到这种异常电流影响， 就会出现仪表显示不准确、 故障代码提示、 车辆无法启动等情况， 严重的会导致电控内部MOS管烧蚀， 电控损坏。 为了抑制和消除这种异常信号， 本文从增加续流二极管、 并联DC-DC分流电阻、 串联静电泄放器、 DC-DC负极隔离4个方面进行改进， 从而实现对电控的保护。

2 防干扰设计

2.1 并联DC-DC分流电阻

电动叉车的电器负载， 如前照灯、 转向灯、 后尾灯、散热风扇、 倒车蜂鸣器、 喇叭、 转角传感器等， 一般是额定输入电压在30V以下的小功率电器。 而电池电源， 不管是铅酸蓄电池还是锂离子电池， 都是电池单体串联起来组成的高压电源输出， 一般受车架体积和电池容量的限制，最终电池组装集合体输出的电压在48V或者80V左右， 这样的高电压是没法直接给车用电器负载供电的。 这就需要一个变压器作用的元件把电池输出的高压电转化成可接入负载使用的低压电， 在电动叉车上， 此功能是由DC-DC转换器 （DIRECT CURRENT-DIRECT CURRENT CONVERTER）实现的。

如图1所示， 引脚1、 2是高电压输入端， 蓄电池的48V电压经过一个10A的熔断丝， 直接跟转换器的正极相连，负极出来接入蓄电池负极， 形成高电压输入回路。 引脚3、4是低电压输出端， 经转化器变压后的低电压正极从3引脚输出， 连通负载后， 跟4引脚负极形成电器工作的回路。 引脚5是从钥匙开关输出的高电压， 相当于DC转换器的使能端， 打开钥匙开关， 引脚5电路接通， 转换器开始工作。 由于输入端直接连接电池高电压， 钥匙启动的瞬间， 容易产生大电流， 对转换器的输入端产生冲击， 长此以往， 不稳定的电流环境会对转换器造成损坏， 大大缩短转换器的使用寿命。

图1 并联分流电阻

在DC-DC转换器的高电压输入端并联一个大电阻， 可以在大电流产生时， 通过这个并联电阻分流， 使瞬时大电流在并联电阻上消耗掉， 避免了尖峰电流对转换器的影响，从而为转换器的正常工作提供了保护。

2.2 DC-DC负极隔离

电车的电器线路的负极一般分为电池负极、 DC转换器负极、 控制器负极。 控制器负极根据厂家的不同， 设计逻辑也存在差异， 有的是跟电池负极接在一起， 有的是隔离开的， 是单独的负极。 通常情况的电路设计中， 不同电器负载的负极最后都汇总到电池负极。 由于不同回路的电流交叉汇集在一起， 极易在线路中产生电流扰动， 再加上继电器线圈产生的磁场以及外部电磁场的一些信号干扰， 这些干扰源叠加在一起对控制器等的影响就比较大。 国产控制器受限于研发和生产制造水平跟国外老牌控制器厂家的差距， 产品抗干扰能力差， 轻则报故障提示， 影响叉车的正常使用， 重则直接烧坏控制器的MOS管等内部元器件，导致控制器损坏。

为了减小线路中这些干扰对控制器的影响， 电器线路重新布局， 设计成负极之间相互隔离的状态。 简单来说，就是直接接入电池正极的用电设备， 比如DC转换器的高电压输入端、 分流电阻等， 负极回路最后也回到电池负极。使用DC转换器输出的低压电的负载， 比如前照灯、 电子闪光器、 后尾灯、 散热风扇、 倒车蜂鸣器等， 负极接回到DC转换器的负极。 控制器直接供电的负载， 比如加速踏板、转角传感器、 驻车制动， 以及倾斜、 举升、 侧移开关等，负极接到控制器负极。 这种设计下， 不同的供电环境接入了对应的负载， 各自形成相应的循环， 彼此之间不存在干扰和影响。 这样就从源头上切断了电流扰动的可能， 控制器回路可以形成一个干净、 纯粹的用电环境， 极大地减少了其他线路分支对控制器回路的影响。 行车制动原理图中转换器负极隔离前后对比， 详见图2～图3。

图2 行车制动原理图 （转换器负极隔离前）

图3 行车制动原理图 （转换器负极隔离后）

2.3 外接续流二极管

喇叭、 OPS阀、 继电器等感性负载在开关断开的瞬间，会产生感应电动势， 以 “阻止” 电流的减小和消失， 这也是楞次定律的基本原理。 现在的问题是， 开关已经断开，线圈的感应电动势已经产生， 高电动势没法在原来的线路形成回路， 这就容易造成断电后的感应电动势变成一个干扰信号， 影响到其他分支或者回路。

为了避免这种干扰的产生， 可以在感性负载的回路外接一个续流二极管， 如图4所示。 这是利用了二极管的单向导通性， 如图5所示， 在二极管的两侧， 位置1到位置2电流是导通的， 位置2到位置1电流是截止的。 开关闭合， 电源给感性负载供电， 感性负载工作， 而2到1是截止的， 此时并没有电流从二极管流过， 所以不会对感性负载工作产生影响。 开关断开， 感性负载会产生感应电动势， 电流方向跟开关断开前电流方向一致， 即 “阻止” 电流减小， 如图5所示， 是从位置4流向位置3。 因为电源支路已断开， 感性负载产生的电流就会沿4→3→1→2→4方向形成回路， 从而把感应电动势的电流消耗掉。

2.4 增加静电泄放器

静电释放， 即ESD （ELECTRO-STATIC DISCHARGE），是一个老生常谈的问题。 在日常生活中， 梳头、 脱毛衣、摸门把手等存在摩擦动作的行为， 都很容易产生静电。 因为这些电流很微小， 不会对人体产生伤害， 所以就没有规避的必要。 电动叉车作为一款本来就带电并且传输电的载体， 在实际使用过程中， 受季节和天气的影响， 以及各个电器元件之间、 零部件与车体之间、 结构件之间等在颠簸和碰撞过程中都容易产生静电， 这些静电可能不大， 但是如果没有泄放通道， 静电一直累积， 就会形成比较大的电流， 对车上的电器元件产生影响。

为了消除这种不好的影响， 在电器电路设计中加入静电泄放器， 以使车上产生的静电在泄放电阻上流过并消耗，从而过滤掉静电， 如图6所示。 叉车的静电泄放电阻是串联在蓄电池负极线路的， 因为蓄电池供电回路本身就是一个高压输出的线路， 再加上静电影响， 多余的电流就得增加一个过滤消耗的渠道， 否则不仅对自身线路的负载和电池造成冲击， 也会产生电磁场或者脉冲信号干扰其他电器和支路。 静电泄放电阻的另一端接搭铁， 也就是连接车体，由于车体也是极易产生静电的载体， 这样， 车体产生的静电也可以通过这个电阻消耗掉。

图6 增加静电泄放器

3 结论

在对电动车的用户体验要求越来越高的今天， 电车制造行业只有快速完成技术完善和标准认定， 不断提升用户体验， 获得更多用户认可， 才能在内燃机统治的市场占有足够的市场份额。 提升线路的抗干扰能力， 保证电器用电环境的安全和稳定， 是对电器线路设计的基本要求。 本文从具体措施的设计和实施出发， 以基础物理知识和电气原理为指导， 从不同方面进行了设计改进， 有效改善了电器线路出现干扰的状况。