可移動(dòng)式礦用電動(dòng)卡車(chē)換電站的設(shè)計(jì)和應(yīng)用

趙 映，盧艷林，許文笛

(中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)中南電力設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢 430000)

0 引言

在全球環(huán)境不斷變化，傳統(tǒng)化石能源逐漸短缺的大背景下，電動(dòng)汽車(chē)作為取代傳統(tǒng)汽車(chē)的交通工具，其綠色環(huán)保、零排放無(wú)污染、能源利用率高等優(yōu)點(diǎn)得到了極大的發(fā)展?？ㄜ?chē)的燃油消耗量大，單體尾氣排放量多，卡車(chē)電動(dòng)化可實(shí)現(xiàn)降本節(jié)能。電動(dòng)汽車(chē)還具備動(dòng)力響應(yīng)及時(shí)，短時(shí)間內(nèi)可以爆發(fā)大扭矩的特點(diǎn)，在需要大扭矩、爬坡能力強(qiáng)的礦用卡車(chē)領(lǐng)域具有非常好的發(fā)展前景。但是電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航里程、充電時(shí)間受動(dòng)力電池和配套設(shè)施限制較大，“里程焦慮”和充電時(shí)間較長(zhǎng)是影響電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)一步推廣普及的重要因素。礦用卡車(chē)作業(yè)任務(wù)固定，并且單程行駛距離相對(duì)短，受動(dòng)力電池容量限制相對(duì)較小，因此礦用卡車(chē)電動(dòng)化發(fā)展迅速[1]。

礦用電動(dòng)卡車(chē)采用充電式補(bǔ)充電能，單次充電時(shí)間較長(zhǎng)，導(dǎo)致設(shè)備生產(chǎn)延誤率較高，有效作業(yè)時(shí)間較短，不能充分發(fā)揮生產(chǎn)效率[2]。換電站將電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力電池充電過(guò)程獨(dú)立在充電機(jī)座上進(jìn)行，通過(guò)換電設(shè)備對(duì)汽車(chē)完成更換電池的操作，具有電能補(bǔ)充速度快、充電管理方便等優(yōu)點(diǎn)，可以有效提高電動(dòng)汽車(chē)使用效率，是未來(lái)推廣電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展的主要方向和趨勢(shì)[3]。在礦區(qū)建設(shè)換電站能滿(mǎn)足礦用電動(dòng)卡車(chē)?yán)m(xù)航需求，相比充電式可顯著縮短礦用電動(dòng)卡車(chē)能源補(bǔ)充時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。

隨著礦山開(kāi)采工作推展，卡車(chē)工作范圍會(huì)逐步增大，新的開(kāi)采面與原換電站位置距離變大，會(huì)導(dǎo)致礦用電動(dòng)卡車(chē)每次往返換電站進(jìn)行換電的時(shí)間和能量損耗增大。當(dāng)?shù)V山開(kāi)采面推進(jìn)到一定階段時(shí)，將可移動(dòng)式換電站拆裝后整體移動(dòng)至新場(chǎng)址，盡量縮短礦用卡車(chē)換電距離，從而使礦用電動(dòng)卡車(chē)生產(chǎn)效率維持在較高水平，降低換電過(guò)程的時(shí)間和能量損耗。

1 工程概況

內(nèi)蒙古某露天煤礦(規(guī)模 6.0 Mt/a)和一期電廠(規(guī)模 2×660 MW)均已建成并運(yùn)行。再電氣化是該露天煤礦智能化建設(shè)進(jìn)程中的一個(gè)新技術(shù)研究項(xiàng)目，用新型電動(dòng)卡車(chē)代替普通柴油卡車(chē)，根據(jù)該露天煤礦生產(chǎn)實(shí)際，需配置礦用電動(dòng)卡車(chē)40臺(tái)[4]。

在礦區(qū)配套建設(shè)換電站供車(chē)輛更換動(dòng)力電池并對(duì)更換電池進(jìn)行充電，以滿(mǎn)足礦用電動(dòng)卡車(chē)電能補(bǔ)充的需求。換電站包括供配電系統(tǒng)、電池及電池管理系統(tǒng)、換電操作系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)以及配套的地面充電樁、照明檢修、暖通、消防等站用電系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)換電站進(jìn)行以功能實(shí)現(xiàn)為主的模塊化分區(qū)、設(shè)備為主的高度集成化設(shè)計(jì)以及便于整體拆裝搬運(yùn)的裝配式鋼結(jié)構(gòu)和整板基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，使換電站具備隨著礦山開(kāi)挖推進(jìn)而整體移動(dòng)并快速裝配到新位置的條件。

2 換電站主要系統(tǒng)

2.1 換電站供配電系統(tǒng)

換電站系統(tǒng)一次架構(gòu)圖如圖1所示。換電站總電源從站外引接至中壓配電裝置，然后分配給充電變壓器和站用電變壓器。其中充電變壓器通過(guò)電纜與儲(chǔ)能變流器(power conversion system，PCS)連接，PCS與預(yù)裝充電機(jī)座電池架通過(guò)電纜連接，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電池進(jìn)行充電；站用電變壓器與低壓配電裝置通過(guò)母排連接，為換電設(shè)備、監(jiān)控系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)(battery management system，BMS)、地面充電樁(換電設(shè)施檢修時(shí)使用)及照明、暖通、火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)等低壓負(fù)荷供電。

圖1 換電站系統(tǒng)一次架構(gòu)圖

換電站采用兩臺(tái)獨(dú)立的變壓器分別為電池充電系統(tǒng)和其他系統(tǒng)供電，提升了換電站運(yùn)行的靈活性與可靠性：當(dāng)充電變壓器停電檢修時(shí)，換電系統(tǒng)仍可對(duì)已充滿(mǎn)電的電池進(jìn)行換電操作，同時(shí)地面充電樁可直接為礦用電動(dòng)卡車(chē)進(jìn)行充電。

2.2 換電站監(jiān)控系統(tǒng)

換電系統(tǒng)采用全自動(dòng)化設(shè)計(jì)，通過(guò)圖像識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)無(wú)人換電，換電時(shí)間在5～6 min左右，達(dá)到國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平。

換電站系統(tǒng)二次架構(gòu)圖如圖2所示。監(jiān)控系統(tǒng)包含供電監(jiān)控、充電監(jiān)控、換電監(jiān)控、安防監(jiān)控和計(jì)量等功能。

圖2 換電站系統(tǒng)二次架構(gòu)圖

設(shè)備層的換/充電設(shè)備和電池充電設(shè)備通過(guò)以太網(wǎng)接入換電站級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)，充換電站級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)數(shù)據(jù)接口對(duì)充電樁、換電設(shè)備和電池充電設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集控制，以實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)載電池充電過(guò)程、換電過(guò)程和庫(kù)內(nèi)電池充電過(guò)程的監(jiān)控。

集中器通過(guò)RS 485通訊以及電力載波方式從電能表中獲取站內(nèi)充換電設(shè)備所使用的電量，并將電量信息通過(guò)以太網(wǎng)通訊方式傳輸?shù)匠鋼Q電站級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)中，以實(shí)現(xiàn)對(duì)站內(nèi)用電量的計(jì)量與計(jì)費(fèi)。

環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備和配電監(jiān)測(cè)設(shè)備通過(guò)有線連接到換電站級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)站內(nèi)環(huán)境與配電設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

電動(dòng)礦卡通過(guò)車(chē)載T-box設(shè)備通過(guò)4G方式將車(chē)輛信息上傳到充換電站級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)輛和電池信息的完整數(shù)據(jù)采集；電動(dòng)車(chē)到達(dá)充換電站后，充換電站級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)車(chē)上裝載的藍(lán)牙以及RFID裝置，獲取電動(dòng)車(chē)停車(chē)位置、車(chē)帽沿抬起等狀態(tài)，發(fā)送指令給換電設(shè)備開(kāi)始換電操作。

站控層提供充換電站內(nèi)運(yùn)行各系統(tǒng)的人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)相關(guān)信息的收集和實(shí)時(shí)顯示以及設(shè)備的遠(yuǎn)方控制及數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、查詢(xún)和統(tǒng)計(jì)等，并可與上級(jí)系統(tǒng)進(jìn)行通信，在煤電公司或礦級(jí)控制中心同步實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能調(diào)度和遠(yuǎn)程監(jiān)控。

全部車(chē)輛和電池狀態(tài)信息上傳到云控層智能云平臺(tái)，可供實(shí)時(shí)監(jiān)控，同時(shí)通過(guò)后臺(tái)人工智能算法結(jié)合歷史數(shù)據(jù)分析預(yù)測(cè)電池的健康狀態(tài)，對(duì)故障和火災(zāi)隱患進(jìn)行提前預(yù)警和自動(dòng)干預(yù)，提升系統(tǒng)設(shè)備的可靠性和安全性，并為未來(lái)電池退役后的梯次利用提供支撐。

2.3 換電站布置設(shè)計(jì)

換電站按功能分區(qū)可分為電控車(chē)間和充換電車(chē)間。其中電控車(chē)間由中壓配電艙、低壓配電艙和控制艙組成；充換電車(chē)間由電池充電艙、換電艙和檢修艙組成。

根據(jù)換電站工作流程將功能分區(qū)進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，典型布置圖如圖3所示。中壓配電艙用于布置中壓配電裝置，為換電站提供總電源；低壓配電艙用于布置低壓配電裝置和與電池配套的儲(chǔ)能變流器；控制艙用于布置換電站控制系統(tǒng)、引導(dǎo)系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)及火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)。電池充電艙用于存放待更換電池以及為待更換電池充電；換電艙為礦用電動(dòng)卡車(chē)駛?cè)胪ǖ啦⑦M(jìn)行換電操作的區(qū)域，車(chē)輛可貫穿通過(guò)，采用頂部吊裝的換電模式。檢修艙為電池進(jìn)行檢修和應(yīng)急處理的區(qū)域。

圖3 換電站功能分區(qū)模塊化設(shè)計(jì)的典型布置圖

充換電車(chē)間電池充電艙內(nèi)兩側(cè)設(shè)置有多個(gè)預(yù)裝充電機(jī)座的電池架；換電艙與礦用電動(dòng)卡車(chē)駛?cè)胪ǖ乐睾?，?chē)輛可貫穿通過(guò)；檢修艙設(shè)置有檢修電池架和應(yīng)急處理箱，用于電池檢修和應(yīng)急處理。充換電車(chē)間通過(guò)換電通道連通，換電設(shè)備工作在換電通道內(nèi)，采用頂部吊裝換電模式，換電通道與礦用電動(dòng)卡車(chē)駛?cè)胪ǖ来怪薄Q電設(shè)備包含橫向行走機(jī)構(gòu)、縱向行走機(jī)構(gòu)和升降抓取機(jī)構(gòu)3部分，能夠在電池充電艙預(yù)裝充電機(jī)座的電池架、換電艙礦用電動(dòng)卡車(chē)以及檢修艙之間進(jìn)行全自動(dòng)交換電池。換電站典型橫斷面示意圖如圖4所示。

圖4 換電站典型橫斷面示意圖

3 礦用電動(dòng)卡車(chē)換電流程

換電操作系統(tǒng)能夠在預(yù)裝充電機(jī)座電池架和礦用電動(dòng)卡車(chē)之間進(jìn)行全自動(dòng)交換電池；能在預(yù)裝充電機(jī)座電池架中重新布局電池；能將故障電池抓取并置于檢修艙內(nèi)的應(yīng)急處理箱內(nèi)或者檢修電池架上。

換電流程包括車(chē)輛駛?cè)?、換電準(zhǔn)備、更換車(chē)載電池和車(chē)輛駛離。

1)車(chē)輛駛?cè)耄旱V用電動(dòng)卡車(chē)在引導(dǎo)系統(tǒng)指示下駛?cè)霌Q電艙，車(chē)輛檢測(cè)系統(tǒng)確認(rèn)停放位置及車(chē)身姿態(tài)滿(mǎn)足換電要求后，引導(dǎo)系統(tǒng)向司機(jī)發(fā)出確認(rèn)提示。

2)換電準(zhǔn)備：礦用電動(dòng)卡車(chē)與監(jiān)控系統(tǒng)通信，完成身份識(shí)別，司機(jī)確認(rèn)操作，完成車(chē)身電池?cái)嚯?、鎖止機(jī)構(gòu)打開(kāi)、車(chē)身鎖定等準(zhǔn)備工作，并向換電設(shè)備發(fā)送確認(rèn)信號(hào)。

3)更換車(chē)載電池：換電設(shè)備自動(dòng)完成車(chē)載電池的檢測(cè)和精確定位，吊臂下降將車(chē)載電池取出并沿?fù)Q電通道運(yùn)行吊裝到可用的預(yù)裝充電機(jī)座電池架上，完成充電自動(dòng)插接；換電設(shè)備向換電站控制系統(tǒng)發(fā)送指令，已完成充電的待換電池對(duì)應(yīng)的充電機(jī)座斷電，做好更換準(zhǔn)備，換電設(shè)備將該待換電池吊裝到車(chē)上并向換電站控制系統(tǒng)和車(chē)輛同步發(fā)送換電動(dòng)作完成信號(hào)。

4)車(chē)輛駛離：引導(dǎo)系統(tǒng)向司機(jī)發(fā)出換電完成提示，司機(jī)操作完成電池鎖止及電池自檢，向監(jiān)控系統(tǒng)確認(rèn)電池狀態(tài)正常，最后駛離換電站。

4 換電站可移動(dòng)性的實(shí)現(xiàn)

通過(guò)根據(jù)換電站工作流程將功能分區(qū)進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)并結(jié)合礦卡換電工作流程進(jìn)行布置組合，合理設(shè)置建筑模塊跨度與軸距，各功能艙采用了模塊化裝配式主體鋼結(jié)構(gòu)，換電站采用現(xiàn)澆混凝土整板基礎(chǔ)，上部結(jié)構(gòu)采用門(mén)式鋼架結(jié)構(gòu)形式，門(mén)式鋼架結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)采用螺栓連接，便于拆裝和整體搬運(yùn)。

將換電站4個(gè)電池充電艙、1個(gè)換電艙、1個(gè)檢修艙、1個(gè)中壓配電艙、2個(gè)低壓配電艙、1個(gè)控制艙共設(shè)置為10個(gè)獨(dú)立門(mén)式鋼架模塊，按兩跨布置，各模塊中間預(yù)留適當(dāng)寬度的變形縫，圍護(hù)結(jié)構(gòu)為帶保溫的復(fù)合彩鋼板。在鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)頂面設(shè)圈梁，便于后期鋼結(jié)構(gòu)整體搬運(yùn)時(shí)加固；在圈梁上方設(shè)活動(dòng)地板，設(shè)備布置在活動(dòng)地板上，電纜設(shè)施布置在活動(dòng)地板下，由此避免了電纜溝開(kāi)挖的工序，建設(shè)周期可大為縮短，并為后期換電站整體移動(dòng)提供了便利。可移動(dòng)式換電站模塊化結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)示意圖如圖5所示。

圖5 可移動(dòng)式換電站模塊化結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)平面示意圖

隨著煤礦開(kāi)采工作的推進(jìn)，當(dāng)換電站需要更換場(chǎng)址時(shí)，可將換電站上部結(jié)構(gòu)拆成十個(gè)獨(dú)立的模塊，每個(gè)模塊搬運(yùn)時(shí)采用適當(dāng)?shù)呐R時(shí)加固措施，采用平板車(chē)將各獨(dú)立模塊整體搬遷至新的選址位置澆筑的整板基礎(chǔ)上。此方案能極大降低換電站搬遷時(shí)鋼結(jié)構(gòu)重新拼裝的工程量，有效縮短工期及節(jié)約建造人力成本。最后完成設(shè)備轉(zhuǎn)運(yùn)安裝與接線調(diào)試，換電站便可以在新的位置投入運(yùn)行。在建設(shè)周期短平快的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了礦卡換電站隨著礦山挖掘推進(jìn)可以同步移動(dòng)的功能。

5 結(jié)語(yǔ)

礦用電動(dòng)卡車(chē)憑借其作業(yè)任務(wù)固定、受動(dòng)力電池容量限制相對(duì)較小、動(dòng)力響應(yīng)及時(shí)、短時(shí)輸出扭矩大等特點(diǎn)獲得迅速發(fā)展。換電站可以解決礦用電動(dòng)卡車(chē)充電慢的問(wèn)題，而基于模塊化設(shè)計(jì)的移動(dòng)式換電站則可以解決因開(kāi)采區(qū)轉(zhuǎn)移而導(dǎo)致往返換電站過(guò)程中能量損耗增大的問(wèn)題，并實(shí)現(xiàn)了各項(xiàng)結(jié)構(gòu)材料和設(shè)備的重復(fù)利用，大大提升了資源利用效率。同時(shí)可以在采煤沉陷區(qū)或者礦區(qū)周邊位置開(kāi)發(fā)光伏發(fā)電項(xiàng)目，利用換電站內(nèi)充電電池作為儲(chǔ)能裝置，結(jié)合礦用電動(dòng)卡車(chē)的電能需求，充分消納利用光伏發(fā)出的電能，助力煤礦開(kāi)采區(qū)生態(tài)治理的良性循環(huán)發(fā)展。

相信在國(guó)家新能源政策支持和電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)發(fā)展的推動(dòng)下，礦用電動(dòng)卡車(chē)相關(guān)的車(chē)輛、電池、換電站等配套設(shè)施會(huì)形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，節(jié)約資源，提升礦用電動(dòng)卡車(chē)的利用效率。這一過(guò)程積累的經(jīng)驗(yàn)也將進(jìn)一步推動(dòng)新能源乘用車(chē)換電站的發(fā)展，讓電動(dòng)汽車(chē)換電像燃油車(chē)加油一樣方便，最終實(shí)現(xiàn)“電”取代“油”，真正實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保出行。