國內外動力電池地下裝載機現狀與發展趨勢

何文勝， 趙金元

(中鋼集團衡陽機械公司， 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，地下礦山面臨著地熱和難開采礦藏、政府的安全和職業健康法規要求，地下礦山向全電動化和全自動化成為今后的發展方向[1]。與柴油機驅動的地下裝載機(LHD)相比，動力電池驅動地下裝載機(Battery Powerd LHD)除了具有高效節能、降低運行成本的優勢以外，還具有低噪聲、低發熱、零排放、低振動的工作環境優勢，它還能更好地滿足全自動化礦山和無人礦山發展的要求。因此，近十年來，許多動力電池研發企業和地下無軌采礦OEM加大對電池驅動地下采礦車輛(BEV)研發力度[2]，國外一些大型地下礦山也開始試驗和規模化應用BEV[1]。裝載機是地下無軌采礦主要設備，本文將對當前國外主要的電池LHD發展現狀和動態進行介紹，對國內主要企業現狀也一并介紹，希望有助于國內相關企業的研發和應用。

1 國外動力電池LHD

1.1 RDH采礦設備公司(RDH Mining Equipment)

RDH公司有30多年的地下采礦和巷道施工設備經驗，2011年因率先在非煤地下采礦設備使用電池驅動而聞名。2019年RDH公司被SMT Scharf AG間接以800萬歐元100%收購。

2011年RDH公司推出了第一臺電池地下裝載機 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牽引驅動系統，操作平穩、少維護、重負荷、低噪聲，降低巷道通風要求。

圖1 Muckmaster 300EB電池地下裝載機

圖2 RDH帶充電樁的Muckmaster 600EB電池地下裝載機

對于硬巖礦業的惡劣條件下,磷酸鐵鋰電池技術提供了最好的組合性能：安全、成本低、可靠性高和環境好。在充電時，沒有電壓下降，條件非常穩定,能夠耐高溫不分解,不容易產生熱失控,不燃燒,不含重金屬,表現出“記憶效應”,循環壽命長,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。相比傳統的地下柴油裝載機，具有壽命長、成本低的優勢,消除了柴油機有關維修、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%。它減少了通風需求，提高了司機的健康和安全性，節約成本計算在內給礦山帶來了很大的節約。由于研發電池驅動的設備的成功，電池驅動采礦設備需求量增加,RDH目前正在開發一臺窄脈采礦的1立方米地下電池裝載機。

LiFePO4電池性能特點：(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：穩定性好，決不會爆炸，即使在高溫度下。(4)長的循環壽命，長的使用壽命。(5)沒有“記憶效應”(任何時間再充電，也不會降低能力)。(6)環境友好：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的設備和設計在地下煤礦知名，產品包括電池驅動帶變頻(VFD)的35C- WH- AC煤鏟車和窄礦用35C- LV- A。它還在Westwood地下礦試驗硬巖作業的LHD- 5- LB電池驅動裝載機(如圖3所示)。這些產品的核心技術是GE的Durathon電池技術。

圖3 GE- Fairchild LHD- 5- LB蓄電池地下裝載機

當GE Fairchild LHD- 5- LB型蓄電池地下裝載機在 IAMGOLD Westwood金礦進行了測試時，加速了GE硬巖計劃。該型是GE FastWorks計劃的一部分,設計它，是為了迅速獲得客戶反饋的性能和基于市場對電池驅動地下裝載機整體需要。因此,它本質上是一種設有硬巖地下裝載機所需的全部功能的升級煤鏟車。

GE開發真正的電池驅動硬巖地下裝載機——7 t蓄電池地下裝載機(如圖4所示)。

圖4 GE新開發的7 t B電池地下裝載機

GE 7 t地下裝載機特性不同于之前的5 t型，包括運輸重量由5 t增加到7 t(3.1立方米)，優化電池更長時間壽命和自動化準備。GE使廣泛的工程、推進和電動機領先技術與能源存儲能力結合,推出集成采礦推進創新方案,來解決全世界當前和未來基于電池技術的地下車輛動力問題。GE公司突破性的Durathon電池技術,允許OEM和礦山用先進儲能技術取代柴油或現有的鉛酸電池系統,提高性能,增加可靠性,降低生命周期成本,減少維護和提高礦山能力。Durathon電池提供最佳能量密度和設計多年的日常循環操作。利用這一技術使GE礦業的Invertex地下驅動系統降低了熱量、柴油微粒和排放以及通風成本。這個Durathon電池的化學過程產生持久、無毒、溫度穩定、可靠性高和更持久的能源存儲方案。該綠色創想合格的電池比相同體積的傳統鉛酸電池高30%裝機容量。

獨特的Durathon電池系統模塊實質是免維護和替換的，甚至在電池系統壽命期間內的任何時間，舊電池與新電池都可以混合在一起使用。

建設并運營茶葉、咖啡、果蔬和食用菌等大宗農產品國際交易中心，經營的“云啡”牌咖啡、“八角亭”牌茶葉、“天使”土豆片系列產品等在國內外擁有較高的知名度和美譽度。

與先進Durathon電池能量存儲系統相結合，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。這項新技術代表GE礦業的承諾，地下開采更安全和更符合成本效益，以及帶來GE的采礦業綠色創想的創新解決方案。

GE公司之所以選擇鈉鎳電池作為其進入移動和儲能領域的發展方向，主要是這種儲能電池技術優勢明顯：首先，電池質量比能量高，達150～200 Wh/L。傳統儲能電池從技術、材料、工藝、包裝到最后的成品，每個環節都對最終產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，這是目前傳統電池企業難以達到的技術要求。另外，Durathon擁有先進的智能化電池管理系統(BMS)，客戶可以通過這個智能化電池管理系統有效預防過充，即使單節電池失效，整個電池組的運行也不會受太大影響。再者，由于Duralhon的核心材料是鹽和鎳，這些材料具有無毒和穩定性高的特點，避免了同類電池技術的安全和環保隱患。

以上三點是Durathon電池技術的核心優勢，同時它還具有使用壽命長，循環壽命可超過3 000次，一般壽命可超過15年，不需要維護，可遠程監控；在寬泛的使用環境(-40 ℃～60 ℃)下都可正常工作，且電池性能都不會受到影響等顯著優勢。

1.2.1 Durathon電池

(1)Durathon電池構造(如圖5所示)

圖5 Durathon電池構造圖

(2)Durathon電池特性

Durathon不僅僅是一個電池，它是一個完整的能量存儲模塊，具有遠程監控功能，因此無需第三方電池監控設備。Durathon可非常容易地被集成到能量存儲系統中，并與電力設備完全兼容。由于具有創新模塊化的設計，所以Durathon電池模塊可進行并聯，以提供所需的電力。Durahon具有非常強健的失效- 安全設計，所以一旦某個單體電池出現失效現象，整個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,如表1、表2所示。

表1 Durathon動力電池特性

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，液態鈉為負極。充電時，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，所以該反應在發生過程中不存在副反應，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在密封鋼殼內，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。每個電池模塊還集成有電池管理系統，來控制充放電，監測電池的各項參數，并提供電池保護功能，再通過通用Modbus協議將信息傳遞給外界。

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

1.2.2 Invertex電驅動系統

Invertex電驅動系統采用了緊湊型變頻組合驅動，控制牽引力和泵電動機(pump motors)，目的是為了改善車輪打滑和在坡度上的速度。牽引電機采用無框架結構，以減少整體重量；防水設計，能夠適應潮濕環境。先進的、可擴展的系統控制器提供了多路通信協議通道和一個緊湊型智能顯示器實時顯示車輛和系統診斷。設計的所有組件按一個集成的單元工作，使得有可能進行微調算法，以獲得最佳性能。

匯集在地下車輛里的GE的電氣傳動和能量存儲系統將使礦山降低柴油微粒排放和礦井通風的要求，以及減少維護時間和成本。更進一步，該地下裝載機配備新的修改過的系統，以容納更小的電池單元，并采用了獨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動性。

GE電池地下裝載機與電動地下裝載機比較：需要的基礎設施最少，只需要一個充電樁和兩個電池。GE電池更換系統不需要使用吊車或其他基礎設施。GE的電池快速充電系統允許電池在15 min內充好電。大多數礦山已經支持充電電池所需的電力基礎設施,這就是說無需額外工作支持該技術。由于沒有拖拽電纜限制，其機動靈活性與柴油地下裝載機一樣。

1.3 小松礦山設備(Komatsu Mining)

小松和GE在2014年宣布新合作開發下一代采礦設備，將GE的電能技術、電力驅動系統和電池技術與小松的車輛和ICT技術組合到采礦設備，向全球用戶提供創新性的解決方案。

小松礦山設備公司在Westwood地下礦發現電池驅動采礦設備商機，于2018年6月接手了GE 輸送設備的鏟裝運輸產品線和知識產權，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(如圖5所示)，2019年開始生產第二代電池裝載機ST14和ST18，計劃在5年內將核心產品實現零排放。

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

圖6 ST7電池地下裝載機

1.5 Caterpillar

Cat公司從2017開始開發電池驅動地下裝載機，2018年研制出R1700XE和R1300G電池驅動裝載機。R1700XE電液系統將提升力提高了65%；R1300G于2018年在加拿大Sudbury礦與同規格的R1300柴油機驅動裝載機進行對比試驗，結果超出預期：預期發熱量降低3倍，而實際降低了7.5倍，能源消耗量降低了10倍。Cat公司還開發了MEC- 500快充系統。

1.6 Artisan

美國Artisan Vehicles公司核心技術包括電池、電機、動力電子器件、軟件和控制系統，該公司早在2010年便開始開發動力電池驅動系統，開始是為OEM提供服務，然后自主開發動力電池驅動裝備，現已推出A4(4t)、A10(10t)電池驅動裝載機。動力系統采用LiFePO4電池和高動力密度電機，外形尺寸與7噸普通的裝載機相同，卻可裝載10 t。它由2臺電機驅動，總功率540 kW，4 100 Nm扭矩。

Sandvik在2019年2月完成對Artisan Vehicles的收購，Sandvik也已開發出LH621i和LH517i第二代智能控制i系列電池驅動地下裝載機。

2 國內蓄電池地下裝載機現狀

由于電池驅動地下裝載機具有上述優點，因而引來了采礦行業的重視，國內許多企業與研究院校紛紛投資，開始電池地下裝載機的研究與試驗。例如，中鋼集團衡陽機械有限公司、煙臺興業機械設備有限公司3立方電池地下裝載機，金川金格車輛制造有限公司4立方電池地下裝載機，安百拓Scooptram ST2、ST4電池地下裝載機，先后于2018和2019年在礦山投入試驗，但還存在續航能力不足等一些問題，需進一步改進和完善。

3 結論

隨著對環保和職業健康要求愈來愈重視，地下采礦作業越來越深，地下深部采礦作業越來越復雜和困難。使用清潔能源和無人作業是地下礦山的發展方向。電池驅動地下采礦設備將較好地解決了深部采礦面臨的難題。隨著動力電池技術不斷進步，可以預見到，動力電池驅動地下裝載機將逐步取代柴油地下裝載機。由于電池裝載機的移動靈活性，比電動裝載機更適合于無人作業要求。