一種適用于純電動(dòng)重卡充電的兆瓦級(jí)高壓充電集方案

關(guān)鍵詞：電動(dòng)礦卡；10kV高壓供電；兆瓦級(jí)充電機(jī)；單槍1500A充電電流；功率分配單元

0引言

在港口礦山運(yùn)輸領(lǐng)域，純電動(dòng)礦卡正逐漸確立其主導(dǎo)地位，成為行業(yè)的新標(biāo)準(zhǔn)。隨著電池技術(shù)的快速發(fā)展，其電池容量和電壓等級(jí)均得到顯著提升，這導(dǎo)致了對(duì)充電系統(tǒng)功率需求的日益增大。為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，港口礦山的電力系統(tǒng)已逐步轉(zhuǎn)向采用單獨(dú)的10kV高壓直接供電。本文旨在深入分析純電動(dòng)礦卡的充電需求，并探討如何有效滿足這些要求。

為了適應(yīng)國(guó)內(nèi)10kV輸入的各類場(chǎng)所大功率充電需求，充電系統(tǒng)需在保證輸入電壓穩(wěn)定性的前提下，高效運(yùn)行于多樣化的電網(wǎng)環(huán)境。這要求系統(tǒng)配備高性能的變壓器和電壓調(diào)控設(shè)備，以確保穩(wěn)定且可靠的電力供應(yīng)。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的亮點(diǎn)在于其六回路240kW單槍充電輸出能力，且六回路可以智能匯流合并，實(shí)現(xiàn)高達(dá)1.5MW的功率輸出。這種設(shè)計(jì)不僅支持多輛車同時(shí)充電，還能滿足單車快速高功率充電的需求，極大提高了充電效率。

為了滿足高壓大電流的充電要求，充電槍的設(shè)計(jì)也至關(guān)重要。充電槍必須能夠承受高達(dá)1500A的電流和1500V的電壓，這對(duì)充電槍的選材、設(shè)計(jì)以及生產(chǎn)工藝提出了極高的要求。同時(shí)，充電系統(tǒng)還需輸出約DC1500V的電壓，以適配礦卡的電池系統(tǒng)。對(duì)于容量為500～600kWh的電池，系統(tǒng)支持2～3C的高充電倍率，確保了充電的迅速與高效。

為了滿足不同場(chǎng)所和車輛的充電需求，充電系統(tǒng)還需具備優(yōu)秀的電力轉(zhuǎn)換與調(diào)節(jié)能力，以及良好的兼容性和可擴(kuò)展性。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步與創(chuàng)新，這樣的充電系統(tǒng)將為港口礦山的電動(dòng)化轉(zhuǎn)型提供強(qiáng)大的技術(shù)支持，推動(dòng)整個(gè)行業(yè)向更高效、更環(huán)保的方向發(fā)展。

110kV高壓兆瓦級(jí)充電系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

為滿足不同功率容量、充電回路的大功率充電場(chǎng)景，我們基于幾種典型的大功率充電模塊（如120kW、240 kW、400kW、600 kW．1500 kW）進(jìn)行了設(shè)計(jì)定型產(chǎn)品。其中，1.5MW高壓充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)規(guī)劃是，10kV電源通過環(huán)網(wǎng)柜進(jìn)入特種整流變壓器，變壓器的副邊設(shè)計(jì)為6路，每路充電功率為240kW。系統(tǒng)包含6臺(tái)240kW充電機(jī)（并可以設(shè)計(jì)多預(yù)留一路作為場(chǎng)站常規(guī)用電輸出）。在監(jiān)控單元的控制下，完成整個(gè)充電服務(wù)流程的充電系統(tǒng)。其構(gòu)成如圖1所示。

2 10kV高壓兆瓦級(jí)充電系統(tǒng)的開發(fā)難點(diǎn)及解決方案

在港口礦山運(yùn)輸領(lǐng)域，純電動(dòng)礦卡的廣泛應(yīng)用對(duì)充電基礎(chǔ)設(shè)施提出了更高的要求。特別是在開發(fā)兆瓦級(jí)充電系統(tǒng)時(shí)，散熱處理和大功率模塊技術(shù)成為關(guān)鍵的開發(fā)難點(diǎn)。為了克服這些挑戰(zhàn)，我們提出了一系列創(chuàng)新的解決方案。

2.1獨(dú)立通風(fēng)散熱通道

為了有效管理兆瓦級(jí)充電系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量，我們?cè)O(shè)計(jì)了獨(dú)立的通風(fēng)散熱通道。這種設(shè)計(jì)確保了每個(gè)充電模塊都擁有自己獨(dú)立的散熱通道，互不干擾，從而最大化整個(gè)系統(tǒng)的散熱效率。通過精確計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）模擬，我們優(yōu)化了空氣流動(dòng)路徑，以實(shí)現(xiàn)快速熱傳導(dǎo)和對(duì)流散熱，確保充電系統(tǒng)在高負(fù)載運(yùn)行時(shí)仍能保持穩(wěn)定的溫度。

2.2液冷系統(tǒng)散熱

針對(duì)大功率超級(jí)充電終端的散熱需求，我們選擇了液冷系統(tǒng)作為散熱方案。與傳統(tǒng)的自然散熱相比，液冷系統(tǒng)提供了更高效的熱管理能力。通過循環(huán)的冷卻液，熱量被迅速帶走并傳遞到遠(yuǎn)離充電模塊的地方進(jìn)行釋放。這種設(shè)計(jì)不僅提高了散熱效率，還降低了設(shè)備運(yùn)行的噪聲水平。

2.3采用120 kWIGBT充電模塊技術(shù)

為了滿足高效率、穩(wěn)定性和長(zhǎng)壽命的要求，我們采用了120kW的IGBT（絕緣柵雙極晶體管）充電模塊技術(shù)。IGBT是一種高效能的半導(dǎo)體器件，適用于高電壓和大電流的應(yīng)用場(chǎng)景。這些模塊在提供穩(wěn)定充電功率的同時(shí)，保持了較高的能量轉(zhuǎn)換效率，減少了熱損失，從而延長(zhǎng)了模塊的使用壽命。

通過這些技術(shù)措施，我們能夠有效地解決兆瓦級(jí)充電系統(tǒng)在散熱和大功率模塊方面的技術(shù)難題。這不僅提升了充電系統(tǒng)的性能和可靠性，也為港口礦山的電動(dòng)化轉(zhuǎn)型提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支持。

3 10kV高壓兆瓦級(jí)充電充電系統(tǒng)構(gòu)成

3.1高壓?jiǎn)卧?/p>

電網(wǎng)側(cè)的10kV電源經(jīng)過高壓進(jìn)線柜、高壓計(jì)量柜、高壓出線柜直接接入系統(tǒng)，為整個(gè)充電系統(tǒng)提供穩(wěn)定的動(dòng)力支持。

3.1.1單元組成

◆高壓進(jìn)線柜：

◆高壓計(jì)量柜；

◆高壓出線柜；

3.1.2高壓進(jìn)線

1.5MW高壓變充一體式大功率充電系統(tǒng)內(nèi)置一套高壓環(huán)網(wǎng)柜，包括1臺(tái)進(jìn)線柜、1臺(tái)計(jì)量柜和1臺(tái)出線柜。這些柜體共同協(xié)作，確保電源的穩(wěn)定接入和準(zhǔn)確計(jì)量。

本方案計(jì)量方式為高供高計(jì)，在環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)設(shè)總計(jì)量，計(jì)量互感器由供電部門確認(rèn)。電能表將電度量通過有線（或無線）通信方式上送到電網(wǎng)系統(tǒng)（或其他指定系統(tǒng)）進(jìn)行處理。三單元環(huán)網(wǎng)柜系統(tǒng)圖如圖2所示（最終以供電部門方案為準(zhǔn)）。

3.2變電整流單元

該單元采用了特種變壓器，通過多繞組設(shè)計(jì)，為IGBT充電機(jī)及常規(guī)用電提供所需要的電壓等級(jí)和功率回路。特種變壓器負(fù)責(zé)將電網(wǎng)側(cè)的10kV高壓轉(zhuǎn)換為適合充電機(jī)使用的低電壓等級(jí)。特種變壓器技術(shù)參數(shù)如表1所示。

3.3 240 kW充電單元

充電單元作為系統(tǒng)的核心組成部分，具有以下功能特點(diǎn)：

（1）在全功率范圍內(nèi)，能夠精確控制功率因數(shù)和諧波因數(shù)，確保其在標(biāo)準(zhǔn)要求的范圍以內(nèi)。

（2）支持能量雙向流動(dòng)，可擴(kuò)展為光儲(chǔ)充一體設(shè)備，拓展能源來源和應(yīng)用途徑。

（3）設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔，高壓變壓器的次級(jí)繞組直接接入充電機(jī)。

（4）核心模塊設(shè)計(jì)壽命超過15年，保證了系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

（5）模塊化設(shè)計(jì)使得充電單元的安裝調(diào)試更為方便，同時(shí)降低了維護(hù)成本，提高了系統(tǒng)的可維護(hù)性。

充電單元的邏輯示意圖如圖3所示。

3.4充電集功率分配單元

按照需求，1.5MW高壓充電集功率調(diào)度單元采用了開關(guān)矩陣方式，如圖4所示。該單元可實(shí)現(xiàn)以下功能：

（1）正常輸出時(shí)，每個(gè)快充回路輸出為240kW。

（2）當(dāng)超級(jí)充電終端有充電需求時(shí)，調(diào)度6個(gè)回路中的空閑回路至超級(jí)充電終端，最大輸出功率可達(dá)1.5MW。

3.5充電終端

本1.5MW高壓充電集大功率充電系統(tǒng)配備6路液冷充電終端，其中一路為兆瓦級(jí)輸出超級(jí)終端。

4結(jié)論

在當(dāng)今港口礦山運(yùn)輸領(lǐng)域，純電動(dòng)礦卡憑借其環(huán)保和高效的特點(diǎn)正逐步取代傳統(tǒng)燃油車輛。這些電動(dòng)車輛配備了大容量電池和高電壓等級(jí)的電池包，以滿足長(zhǎng)時(shí)間和高強(qiáng)度的作業(yè)需求。許多港口礦山已經(jīng)采用了由單獨(dú)10kV高壓直接供電的電力系統(tǒng)，該系統(tǒng)直接接入充電機(jī)，為電動(dòng)車輛提供強(qiáng)大的充電功率。

這種高壓供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)允許充電終端支持最大1500V的電壓和最大1500A的電流，這樣的性能指標(biāo)確保了充電設(shè)備能夠滿足各種電動(dòng)車輛的充電需求。無論是單槍充電還是四槍同時(shí)充電，該系統(tǒng)都能夠提供穩(wěn)定和高效的充電服務(wù)，從而大大優(yōu)化了充電過程，解決了電動(dòng)重卡在實(shí)際操作中可能面臨的多槍充電問題。

在港口礦山領(lǐng)域，高壓供電和多槍充電技術(shù)的推廣應(yīng)用不僅提高了電動(dòng)車輛的運(yùn)營(yíng)效率，還為企業(yè)帶來了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。通過減少燃油消耗和降低運(yùn)營(yíng)成本，這些技術(shù)為企業(yè)節(jié)省了大量的費(fèi)用。同時(shí)．從社會(huì)價(jià)值的角度來看，這些技術(shù)有助于減少溫室氣體排放，推動(dòng)了港口礦山行業(yè)的綠色發(fā)展。