趙 映，盧艷林，許文笛

(中國電力工程顧問集團中南電力設計院有限公司，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，電動汽車作為取代傳統(tǒng)汽車的交通工具，其綠色環(huán)保、零排放無污染、能源利用率高等優(yōu)點得到了極大的發(fā)展?？ㄜ嚨娜加拖牧看?，單體尾氣排放量多，卡車電動化可實現降本節(jié)能。電動汽車還具備動力響應及時，短時間內可以爆發(fā)大扭矩的特點，在需要大扭矩、爬坡能力強的礦用卡車領域具有非常好的發(fā)展前景。但是電動汽車的續(xù)航里程、充電時間受動力電池和配套設施限制較大，“里程焦慮”和充電時間較長是影響電動汽車進一步推廣普及的重要因素。礦用卡車作業(yè)任務固定，并且單程行駛距離相對短，受動力電池容量限制相對較小，因此礦用卡車電動化發(fā)展迅速[1]。

礦用電動卡車采用充電式補充電能，單次充電時間較長，導致設備生產延誤率較高，有效作業(yè)時間較短，不能充分發(fā)揮生產效率[2]。換電站將電動汽車的動力電池充電過程獨立在充電機座上進行，通過換電設備對汽車完成更換電池的操作，具有電能補充速度快、充電管理方便等優(yōu)點，可以有效提高電動汽車使用效率，是未來推廣電動汽車發(fā)展的主要方向和趨勢[3]。在礦區(qū)建設換電站能滿足礦用電動卡車續(xù)航需求，相比充電式可顯著縮短礦用電動卡車能源補充時間，提高生產效率。

隨著礦山開采工作推展，卡車工作范圍會逐步增大，新的開采面與原換電站位置距離變大，會導致礦用電動卡車每次往返換電站進行換電的時間和能量損耗增大。當礦山開采面推進到一定階段時，將可移動式換電站拆裝后整體移動至新場址，盡量縮短礦用卡車換電距離，從而使礦用電動卡車生產效率維持在較高水平，降低換電過程的時間和能量損耗。

1 工程概況

內蒙古某露天煤礦(規(guī)模 6.0 Mt/a)和一期電廠(規(guī)模 2×660 MW)均已建成并運行。再電氣化是該露天煤礦智能化建設進程中的一個新技術研究項目，用新型電動卡車代替普通柴油卡車，根據該露天煤礦生產實際，需配置礦用電動卡車40臺[4]。

在礦區(qū)配套建設換電站供車輛更換動力電池并對更換電池進行充電，以滿足礦用電動卡車電能補充的需求。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)。通過對換電站進行以功能實現為主的模塊化分區(qū)、設備為主的高度集成化設計以及便于整體拆裝搬運的裝配式鋼結構和整板基礎設計，使換電站具備隨著礦山開挖推進而整體移動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電纜與儲能變流器(power conversion system，PCS)連接，PCS與預裝充電機座電池架通過電纜連接，以實現對電池進行充電；站用電變壓器與低壓配電裝置通過母排連接，為換電設備、監(jiān)控系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)(battery management system，BMS)、地面充電樁(換電設施檢修時使用)及照明、暖通、火災報警系統(tǒng)等低壓負荷供電。

圖1 換電站系統(tǒng)一次架構圖

換電站采用兩臺獨立的變壓器分別為電池充電系統(tǒng)和其他系統(tǒng)供電，提升了換電站運行的靈活性與可靠性：當充電變壓器停電檢修時，換電系統(tǒng)仍可對已充滿電的電池進行換電操作，同時地面充電樁可直接為礦用電動卡車進行充電。

2.2 換電站監(jiān)控系統(tǒng)

換電系統(tǒng)采用全自動化設計，通過圖像識別技術實現無人換電，換電時間在5～6 min左右，達到國內先進水平。

換電站系統(tǒng)二次架構圖如圖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)控和計量等功能。

圖2 換電站系統(tǒng)二次架構圖

設備層的換/充電設備和電池充電設備通過以太網接入換電站級監(jiān)控系統(tǒng)，充換電站級監(jiān)控系統(tǒng)通過數據接口對充電樁、換電設備和電池充電設備進行數據采集控制，以實現對車載電池充電過程、換電過程和庫內電池充電過程的監(jiān)控。

集中器通過RS 485通訊以及電力載波方式從電能表中獲取站內充換電設備所使用的電量，并將電量信息通過以太網通訊方式傳輸到充換電站級監(jiān)控系統(tǒng)中，以實現對站內用電量的計量與計費。

環(huán)境監(jiān)測設備和配電監(jiān)測設備通過有線連接到換電站級監(jiān)控系統(tǒng)，以實現對站內環(huán)境與配電設備的實時監(jiān)測。

電動礦卡通過車載T-box設備通過4G方式將車輛信息上傳到充換電站級監(jiān)控系統(tǒng)，實現對車輛和電池信息的完整數據采集；電動車到達充換電站后，充換電站級監(jiān)控系統(tǒng)通過車上裝載的藍牙以及RFID裝置，獲取電動車停車位置、車帽沿抬起等狀態(tài)，發(fā)送指令給換電設備開始換電操作。

站控層提供充換電站內運行各系統(tǒng)的人機界面，實現相關信息的收集和實時顯示以及設備的遠方控制及數據的存儲、查詢和統(tǒng)計等，并可與上級系統(tǒng)進行通信，在煤電公司或礦級控制中心同步實現儲能調度和遠程監(jiān)控。

全部車輛和電池狀態(tài)信息上傳到云控層智能云平臺，可供實時監(jiān)控，同時通過后臺人工智能算法結合歷史數據分析預測電池的健康狀態(tài)，對故障和火災隱患進行提前預警和自動干預，提升系統(tǒng)設備的可靠性和安全性，并為未來電池退役后的梯次利用提供支撐。

2.3 換電站布置設計

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

根據換電站工作流程將功能分區(qū)進行模塊化設計，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能變流器；控制艙用于布置換電站控制系統(tǒng)、引導系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)及火災報警系統(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；換電艙為礦用電動卡車駛入通道并進行換電操作的區(qū)域，車輛可貫穿通過，采用頂部吊裝的換電模式。檢修艙為電池進行檢修和應急處理的區(qū)域。

圖3 換電站功能分區(qū)模塊化設計的典型布置圖

充換電車間電池充電艙內兩側設置有多個預裝充電機座的電池架；換電艙與礦用電動卡車駛入通道重合，車輛可貫穿通過；檢修艙設置有檢修電池架和應急處理箱，用于電池檢修和應急處理。充換電車間通過換電通道連通，換電設備工作在換電通道內，采用頂部吊裝換電模式，換電通道與礦用電動卡車駛入通道垂直。換電設備包含橫向行走機構、縱向行走機構和升降抓取機構3部分，能夠在電池充電艙預裝充電機座的電池架、換電艙礦用電動卡車以及檢修艙之間進行全自動交換電池。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 礦用電動卡車換電流程

換電操作系統(tǒng)能夠在預裝充電機座電池架和礦用電動卡車之間進行全自動交換電池；能在預裝充電機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的應急處理箱內或者檢修電池架上。

換電流程包括車輛駛入、換電準備、更換車載電池和車輛駛離。

1)車輛駛入：礦用電動卡車在引導系統(tǒng)指示下駛入換電艙，車輛檢測系統(tǒng)確認停放位置及車身姿態(tài)滿足換電要求后，引導系統(tǒng)向司機發(fā)出確認提示。

2)換電準備：礦用電動卡車與監(jiān)控系統(tǒng)通信，完成身份識別，司機確認操作，完成車身電池斷電、鎖止機構打開、車身鎖定等準備工作，并向換電設備發(fā)送確認信號。

3)更換車載電池：換電設備自動完成車載電池的檢測和精確定位，吊臂下降將車載電池取出并沿換電通道運行吊裝到可用的預裝充電機座電池架上，完成充電自動插接；換電設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應的充電機座斷電，做好更換準備，換電設備將該待換電池吊裝到車上并向換電站控制系統(tǒng)和車輛同步發(fā)送換電動作完成信號。

4)車輛駛離：引導系統(tǒng)向司機發(fā)出換電完成提示，司機操作完成電池鎖止及電池自檢，向監(jiān)控系統(tǒng)確認電池狀態(tài)正常，最后駛離換電站。

4 換電站可移動性的實現

通過根據換電站工作流程將功能分區(qū)進行模塊化設計并結合礦卡換電工作流程進行布置組合，合理設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構，換電站采用現澆混凝土整板基礎，上部結構采用門式鋼架結構形式，門式鋼架結構與基礎采用螺栓連接，便于拆裝和整體搬運。

將換電站4個電池充電艙、1個換電艙、1個檢修艙、1個中壓配電艙、2個低壓配電艙、1個控制艙共設置為10個獨立門式鋼架模塊，按兩跨布置，各模塊中間預留適當寬度的變形縫，圍護結構為帶保溫的復合彩鋼板。在鋼結構基礎頂面設圈梁，便于后期鋼結構整體搬運時加固；在圈梁上方設活動地板，設備布置在活動地板上，電纜設施布置在活動地板下，由此避免了電纜溝開挖的工序，建設周期可大為縮短，并為后期換電站整體移動提供了便利?？梢苿邮綋Q電站模塊化結構基礎示意圖如圖5所示。

圖5 可移動式換電站模塊化結構基礎平面示意圖

隨著煤礦開采工作的推進，當換電站需要更換場址時，可將換電站上部結構拆成十個獨立的模塊，每個模塊搬運時采用適當的臨時加固措施，采用平板車將各獨立模塊整體搬遷至新的選址位置澆筑的整板基礎上。此方案能極大降低換電站搬遷時鋼結構重新拼裝的工程量，有效縮短工期及節(jié)約建造人力成本。最后完成設備轉運安裝與接線調試，換電站便可以在新的位置投入運行。在建設周期短平快的基礎上，實現了礦卡換電站隨著礦山挖掘推進可以同步移動的功能。

5 結語

礦用電動卡車憑借其作業(yè)任務固定、受動力電池容量限制相對較小、動力響應及時、短時輸出扭矩大等特點獲得迅速發(fā)展。換電站可以解決礦用電動卡車充電慢的問題，而基于模塊化設計的移動式換電站則可以解決因開采區(qū)轉移而導致往返換電站過程中能量損耗增大的問題，并實現了各項結構材料和設備的重復利用，大大提升了資源利用效率。同時可以在采煤沉陷區(qū)或者礦區(qū)周邊位置開發(fā)光伏發(fā)電項目，利用換電站內充電電池作為儲能裝置，結合礦用電動卡車的電能需求，充分消納利用光伏發(fā)出的電能，助力煤礦開采區(qū)生態(tài)治理的良性循環(huán)發(fā)展。

相信在國家新能源政策支持和電動汽車行業(yè)發(fā)展的推動下，礦用電動卡車相關的車輛、電池、換電站等配套設施會形成統(tǒng)一的標準，節(jié)約資源，提升礦用電動卡車的利用效率。這一過程積累的經驗也將進一步推動新能源乘用車換電站的發(fā)展，讓電動汽車換電像燃油車加油一樣方便，最終實現“電”取代“油”，真正實現綠色環(huán)保出行。