何文勝， 趙金元

(中鋼集團(tuán)衡陽機(jī)械公司， 湖南 衡陽 421002)

0 前言

隨著地下礦山每年以平均30 m速度向下延伸開采，地下礦山面臨著地?zé)岷碗y開采礦藏、政府的安全和職業(yè)健康法規(guī)要求，地下礦山向全電動(dòng)化和全自動(dòng)化成為今后的發(fā)展方向[1]。與柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)的地下裝載機(jī)(LHD)相比，動(dòng)力電池驅(qū)動(dòng)地下裝載機(jī)(Battery Powerd LHD)除了具有高效節(jié)能、降低運(yùn)行成本的優(yōu)勢(shì)以外，還具有低噪聲、低發(fā)熱、零排放、低振動(dòng)的工作環(huán)境優(yōu)勢(shì)，它還能更好地滿足全自動(dòng)化礦山和無人礦山發(fā)展的要求。因此，近十年來，許多動(dòng)力電池研發(fā)企業(yè)和地下無軌采礦OEM加大對(duì)電池驅(qū)動(dòng)地下采礦車輛(BEV)研發(fā)力度[2]，國外一些大型地下礦山也開始試驗(yàn)和規(guī)?；瘧?yīng)用BEV[1]。裝載機(jī)是地下無軌采礦主要設(shè)備，本文將對(duì)當(dāng)前國外主要的電池LHD發(fā)展現(xiàn)狀和動(dòng)態(tài)進(jìn)行介紹，對(duì)國內(nèi)主要企業(yè)現(xiàn)狀也一并介紹，希望有助于國內(nèi)相關(guān)企業(yè)的研發(fā)和應(yīng)用。

1 國外動(dòng)力電池LHD

1.1 RDH采礦設(shè)備公司(RDH Mining Equipment)

RDH公司有30多年的地下采礦和巷道施工設(shè)備經(jīng)驗(yàn)，2011年因率先在非煤地下采礦設(shè)備使用電池驅(qū)動(dòng)而聞名。2019年RDH公司被SMT Scharf AG間接以800萬歐元100%收購。

2011年RDH公司推出了第一臺(tái)電池地下裝載機(jī) Muckmaster 300EB(如圖1所示)，鏟斗斗容在1.5～2.3 m3之間，使用LiFePO4電池組，AC牽引驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，操作平穩(wěn)、少維護(hù)、重負(fù)荷、低噪聲，降低巷道通風(fēng)要求。

圖1 Muckmaster 300EB電池地下裝載機(jī)

圖2 RDH帶充電樁的Muckmaster 600EB電池地下裝載機(jī)

對(duì)于硬巖礦業(yè)的惡劣條件下,磷酸鐵鋰電池技術(shù)提供了最好的組合性能：安全、成本低、可靠性高和環(huán)境好。在充電時(shí)，沒有電壓下降，條件非常穩(wěn)定,能夠耐高溫不分解,不容易產(chǎn)生熱失控,不燃燒,不含重金屬,表現(xiàn)出“記憶效應(yīng)”,循環(huán)壽命長(zhǎng),維修小,提供了可用的最大功率,直到完全放電(沒有電壓下降)和可以安全快速充電。相比傳統(tǒng)的地下柴油裝載機(jī)，具有壽命長(zhǎng)、成本低的優(yōu)勢(shì),消除了柴油機(jī)有關(guān)維修、換油、過濾器和燃料成本，電池的充電成本是油箱裝滿柴油成本的大約20%。它減少了通風(fēng)需求，提高了司機(jī)的健康和安全性，節(jié)約成本計(jì)算在內(nèi)給礦山帶來了很大的節(jié)約。由于研發(fā)電池驅(qū)動(dòng)的設(shè)備的成功，電池驅(qū)動(dòng)采礦設(shè)備需求量增加,RDH目前正在開發(fā)一臺(tái)窄脈采礦的1立方米地下電池裝載機(jī)。

LiFePO4電池性能特點(diǎn)：(1)高功率：性能好、效率高的高充和放電率。(2)高可用的能量：廣的SoC(State of Charge——電池的剩余電量比，等于電池的剩余電量/電池的總電量)范圍讓電池使用得更好。(3)特別安全：穩(wěn)定性好，決不會(huì)爆炸，即使在高溫度下。(4)長(zhǎng)的循環(huán)壽命，長(zhǎng)的使用壽命。(5)沒有“記憶效應(yīng)”(任何時(shí)間再充電，也不會(huì)降低能力)。(6)環(huán)境友好：沒有重金屬。(7)高的能量密度(50%～70%尺寸/鉛酸/鎳氫/鎳鎘)。

1.2 GE公司

GE公司2012年收購了Fairchild公司。Fairchild的設(shè)備和設(shè)計(jì)在地下煤礦知名，產(chǎn)品包括電池驅(qū)動(dòng)帶變頻(VFD)的35C- WH- AC煤鏟車和窄礦用35C- LV- A。它還在Westwood地下礦試驗(yàn)硬巖作業(yè)的LHD- 5- LB電池驅(qū)動(dòng)裝載機(jī)(如圖3所示)。這些產(chǎn)品的核心技術(shù)是GE的Durathon電池技術(shù)。

圖3 GE- Fairchild LHD- 5- LB蓄電池地下裝載機(jī)

當(dāng)GE Fairchild LHD- 5- LB型蓄電池地下裝載機(jī)在 IAMGOLD Westwood金礦進(jìn)行了測(cè)試時(shí)，加速了GE硬巖計(jì)劃。該型是GE FastWorks計(jì)劃的一部分,設(shè)計(jì)它，是為了迅速獲得客戶反饋的性能和基于市場(chǎng)對(duì)電池驅(qū)動(dòng)地下裝載機(jī)整體需要。因此,它本質(zhì)上是一種設(shè)有硬巖地下裝載機(jī)所需的全部功能的升級(jí)煤鏟車。

GE開發(fā)真正的電池驅(qū)動(dòng)硬巖地下裝載機(jī)——7 t蓄電池地下裝載機(jī)(如圖4所示)。

圖4 GE新開發(fā)的7 t B電池地下裝載機(jī)

GE 7 t地下裝載機(jī)特性不同于之前的5 t型，包括運(yùn)輸重量由5 t增加到7 t(3.1立方米)，優(yōu)化電池更長(zhǎng)時(shí)間壽命和自動(dòng)化準(zhǔn)備。GE使廣泛的工程、推進(jìn)和電動(dòng)機(jī)領(lǐng)先技術(shù)與能源存儲(chǔ)能力結(jié)合,推出集成采礦推進(jìn)創(chuàng)新方案,來解決全世界當(dāng)前和未來基于電池技術(shù)的地下車輛動(dòng)力問題。GE公司突破性的Durathon電池技術(shù),允許OEM和礦山用先進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)取代柴油或現(xiàn)有的鉛酸電池系統(tǒng),提高性能,增加可靠性,降低生命周期成本,減少維護(hù)和提高礦山能力。Durathon電池提供最佳能量密度和設(shè)計(jì)多年的日常循環(huán)操作。利用這一技術(shù)使GE礦業(yè)的Invertex地下驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)降低了熱量、柴油微粒和排放以及通風(fēng)成本。這個(gè)Durathon電池的化學(xué)過程產(chǎn)生持久、無毒、溫度穩(wěn)定、可靠性高和更持久的能源存儲(chǔ)方案。該綠色創(chuàng)想合格的電池比相同體積的傳統(tǒng)鉛酸電池高30%裝機(jī)容量。

獨(dú)特的Durathon電池系統(tǒng)模塊實(shí)質(zhì)是免維護(hù)和替換的，甚至在電池系統(tǒng)壽命期間內(nèi)的任何時(shí)間，舊電池與新電池都可以混合在一起使用。

建設(shè)并運(yùn)營(yíng)茶葉、咖啡、果蔬和食用菌等大宗農(nóng)產(chǎn)品國際交易中心，經(jīng)營(yíng)的“云啡”牌咖啡、“八角亭”牌茶葉、“天使”土豆片系列產(chǎn)品等在國內(nèi)外擁有較高的知名度和美譽(yù)度。

與先進(jìn)Durathon電池能量存儲(chǔ)系統(tǒng)相結(jié)合，使地下采礦車輛具有更高的性能、更高的可靠性和更低的壽命周期成本。這項(xiàng)新技術(shù)代表GE礦業(yè)的承諾，地下開采更安全和更符合成本效益，以及帶來GE的采礦業(yè)綠色創(chuàng)想的創(chuàng)新解決方案。

GE公司之所以選擇鈉鎳電池作為其進(jìn)入移動(dòng)和儲(chǔ)能領(lǐng)域的發(fā)展方向，主要是這種儲(chǔ)能電池技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯：首先，電池質(zhì)量比能量高，達(dá)150～200 Wh/L。傳統(tǒng)儲(chǔ)能電池從技術(shù)、材料、工藝、包裝到最后的成品，每個(gè)環(huán)節(jié)都對(duì)最終產(chǎn)品有不同程度的能量損耗，而GE的成品在此前提下依舊可以保持很高的能量密度，這是目前傳統(tǒng)電池企業(yè)難以達(dá)到的技術(shù)要求。另外，Durathon擁有先進(jìn)的智能化電池管理系統(tǒng)(BMS)，客戶可以通過這個(gè)智能化電池管理系統(tǒng)有效預(yù)防過充，即使單節(jié)電池失效，整個(gè)電池組的運(yùn)行也不會(huì)受太大影響。再者，由于Duralhon的核心材料是鹽和鎳，這些材料具有無毒和穩(wěn)定性高的特點(diǎn)，避免了同類電池技術(shù)的安全和環(huán)保隱患。

以上三點(diǎn)是Durathon電池技術(shù)的核心優(yōu)勢(shì)，同時(shí)它還具有使用壽命長(zhǎng)，循環(huán)壽命可超過3 000次，一般壽命可超過15年，不需要維護(hù)，可遠(yuǎn)程監(jiān)控；在寬泛的使用環(huán)境(-40 ℃～60 ℃)下都可正常工作，且電池性能都不會(huì)受到影響等顯著優(yōu)勢(shì)。

1.2.1 Durathon電池

(1)Durathon電池構(gòu)造(如圖5所示)

圖5 Durathon電池構(gòu)造圖

(2)Durathon電池特性

Durathon不僅僅是一個(gè)電池，它是一個(gè)完整的能量存儲(chǔ)模塊，具有遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，因此無需第三方電池監(jiān)控設(shè)備。Durathon可非常容易地被集成到能量存儲(chǔ)系統(tǒng)中，并與電力設(shè)備完全兼容。由于具有創(chuàng)新模塊化的設(shè)計(jì)，所以Durathon電池模塊可進(jìn)行并聯(lián)，以提供所需的電力。Durahon具有非常強(qiáng)健的失效- 安全設(shè)計(jì)，所以一旦某個(gè)單體電池出現(xiàn)失效現(xiàn)象，整個(gè)電池組也能正常工作，只是電池組的電壓與之前比較，可能稍微降低一些。Durathon電池具有如下特點(diǎn),如表1、表2所示。

表1 Durathon動(dòng)力電池特性

表2 電池比較

(3)Durathon工作原理

GE的鈉鎳電池以氯化鎳為正極，β—氧化鋁為隔膜，液態(tài)鈉為負(fù)極。充電時(shí)，Cl從NaCl析出，并與N形成NCl2，然后鈉離子通過β—氧化鋁被輸送到負(fù)極槽。放電正好是這一過程的反向。由于鈉離子可以很容易地通過氧化鋁，而電子卻不能通過，所以該反應(yīng)在發(fā)生過程中不存在副反應(yīng)，因此使得制成的電池也沒有自放電。電池的所有材料都存儲(chǔ)在密封鋼殼內(nèi)，組成單體電池。然后，單體電池組合成具有熱絕緣性能的電池模塊。每個(gè)電池模塊還集成有電池管理系統(tǒng)，來控制充放電，監(jiān)測(cè)電池的各項(xiàng)參數(shù)，并提供電池保護(hù)功能，再通過通用Modbus協(xié)議將信息傳遞給外界。

Durathon電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，是一個(gè)具有綠色創(chuàng)想(ecomagination)的產(chǎn)品，用一個(gè)無毒的鈉鎳化學(xué)電池代替柴油或鉛酸電池系統(tǒng)。DurathonTM電池具備同類最佳的能量密度和性能，可滿足采礦業(yè)不同的電力需求。Durathon電池比傳統(tǒng)電池小50%和重量輕25%，使更多的能量被存儲(chǔ)在一個(gè)較小的空間。此外，Durathon電池的壽命增加一倍，在極端的溫度下,不需要冷卻，只作很少的維護(hù)便能有效運(yùn)作。GE的Durathon電池是可回收的，能循環(huán)使用。Durathon電池成了一個(gè)真正的可持續(xù)發(fā)展的技術(shù)。綠色創(chuàng)想是GE公司給市場(chǎng)帶來新的技術(shù)，它幫助用戶滿足他們最緊迫的環(huán)境挑戰(zhàn)。

1.2.2 Invertex電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

Invertex電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用了緊湊型變頻組合驅(qū)動(dòng)，控制牽引力和泵電動(dòng)機(jī)(pump motors)，目的是為了改善車輪打滑和在坡度上的速度。牽引電機(jī)采用無框架結(jié)構(gòu)，以減少整體重量；防水設(shè)計(jì)，能夠適應(yīng)潮濕環(huán)境。先進(jìn)的、可擴(kuò)展的系統(tǒng)控制器提供了多路通信協(xié)議通道和一個(gè)緊湊型智能顯示器實(shí)時(shí)顯示車輛和系統(tǒng)診斷。設(shè)計(jì)的所有組件按一個(gè)集成的單元工作，使得有可能進(jìn)行微調(diào)算法，以獲得最佳性能。

匯集在地下車輛里的GE的電氣傳動(dòng)和能量存儲(chǔ)系統(tǒng)將使礦山降低柴油微粒排放和礦井通風(fēng)的要求，以及減少維護(hù)時(shí)間和成本。更進(jìn)一步，該地下裝載機(jī)配備新的修改過的系統(tǒng)，以容納更小的電池單元，并采用了獨(dú)特的集成式電池托盤。較小的電池組可減少輪胎的磨損，在比較緊湊的地方可以提供更好的機(jī)動(dòng)性。

GE電池地下裝載機(jī)與電動(dòng)地下裝載機(jī)比較：需要的基礎(chǔ)設(shè)施最少，只需要一個(gè)充電樁和兩個(gè)電池。GE電池更換系統(tǒng)不需要使用吊車或其他基礎(chǔ)設(shè)施。GE的電池快速充電系統(tǒng)允許電池在15 min內(nèi)充好電。大多數(shù)礦山已經(jīng)支持充電電池所需的電力基礎(chǔ)設(shè)施,這就是說無需額外工作支持該技術(shù)。由于沒有拖拽電纜限制，其機(jī)動(dòng)靈活性與柴油地下裝載機(jī)一樣。

1.3 小松礦山設(shè)備(Komatsu Mining)

小松和GE在2014年宣布新合作開發(fā)下一代采礦設(shè)備，將GE的電能技術(shù)、電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和電池技術(shù)與小松的車輛和ICT技術(shù)組合到采礦設(shè)備，向全球用戶提供創(chuàng)新性的解決方案。

小松礦山設(shè)備公司在Westwood地下礦發(fā)現(xiàn)電池驅(qū)動(dòng)采礦設(shè)備商機(jī)，于2018年6月接手了GE 輸送設(shè)備的鏟裝運(yùn)輸產(chǎn)品線和知識(shí)產(chǎn)權(quán)，它屬于GE Fairchild公司的一部分。

1.4 Epiroc

Epiroc于2013年研制出ST7和ST2G電池地下裝載機(jī)(如圖5所示)，2019年開始生產(chǎn)第二代電池裝載機(jī)ST14和ST18，計(jì)劃在5年內(nèi)將核心產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)零排放。

ST7使用Artisan公司LiFePO4動(dòng)力電池(165 kWh，630 VDC)和電池充電樁(Artisan 65 kW Master Service,輸入575 VAC)，該臺(tái)地下電池地下裝載機(jī)2013年首先被引進(jìn)到加拿大和美國,并將在全球范圍內(nèi)逐步推廣。

圖6 ST7電池地下裝載機(jī)

1.5 Caterpillar

Cat公司從2017開始開發(fā)電池驅(qū)動(dòng)地下裝載機(jī)，2018年研制出R1700XE和R1300G電池驅(qū)動(dòng)裝載機(jī)。R1700XE電液系統(tǒng)將提升力提高了65%；R1300G于2018年在加拿大Sudbury礦與同規(guī)格的R1300柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)裝載機(jī)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果超出預(yù)期：預(yù)期發(fā)熱量降低3倍，而實(shí)際降低了7.5倍，能源消耗量降低了10倍。Cat公司還開發(fā)了MEC- 500快充系統(tǒng)。

1.6 Artisan

美國Artisan Vehicles公司核心技術(shù)包括電池、電機(jī)、動(dòng)力電子器件、軟件和控制系統(tǒng)，該公司早在2010年便開始開發(fā)動(dòng)力電池驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，開始是為OEM提供服務(wù)，然后自主開發(fā)動(dòng)力電池驅(qū)動(dòng)裝備，現(xiàn)已推出A4(4t)、A10(10t)電池驅(qū)動(dòng)裝載機(jī)。動(dòng)力系統(tǒng)采用LiFePO4電池和高動(dòng)力密度電機(jī)，外形尺寸與7噸普通的裝載機(jī)相同，卻可裝載10 t。它由2臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，總功率540 kW，4 100 Nm扭矩。

Sandvik在2019年2月完成對(duì)Artisan Vehicles的收購，Sandvik也已開發(fā)出LH621i和LH517i第二代智能控制i系列電池驅(qū)動(dòng)地下裝載機(jī)。

2 國內(nèi)蓄電池地下裝載機(jī)現(xiàn)狀

由于電池驅(qū)動(dòng)地下裝載機(jī)具有上述優(yōu)點(diǎn)，因而引來了采礦行業(yè)的重視，國內(nèi)許多企業(yè)與研究院校紛紛投資，開始電池地下裝載機(jī)的研究與試驗(yàn)。例如，中鋼集團(tuán)衡陽機(jī)械有限公司、煙臺(tái)興業(yè)機(jī)械設(shè)備有限公司3立方電池地下裝載機(jī)，金川金格車輛制造有限公司4立方電池地下裝載機(jī)，安百拓Scooptram ST2、ST4電池地下裝載機(jī)，先后于2018和2019年在礦山投入試驗(yàn)，但還存在續(xù)航能力不足等一些問題，需進(jìn)一步改進(jìn)和完善。

3 結(jié)論

隨著對(duì)環(huán)保和職業(yè)健康要求愈來愈重視，地下采礦作業(yè)越來越深，地下深部采礦作業(yè)越來越復(fù)雜和困難。使用清潔能源和無人作業(yè)是地下礦山的發(fā)展方向。電池驅(qū)動(dòng)地下采礦設(shè)備將較好地解決了深部采礦面臨的難題。隨著動(dòng)力電池技術(shù)不斷進(jìn)步，可以預(yù)見到，動(dòng)力電池驅(qū)動(dòng)地下裝載機(jī)將逐步取代柴油地下裝載機(jī)。由于電池裝載機(jī)的移動(dòng)靈活性，比電動(dòng)裝載機(jī)更適合于無人作業(yè)要求。