一種適用于純電動重卡充電的兆瓦級高壓充電集方案

關鍵詞：電動礦卡；10kV高壓供電；兆瓦級充電機；單槍1500A充電電流；功率分配單元

0引言

在港口礦山運輸領域，純電動礦卡正逐漸確立其主導地位，成為行業的新標準。隨著電池技術的快速發展，其電池容量和電壓等級均得到顯著提升，這導致了對充電系統功率需求的日益增大。為了應對這一挑戰，港口礦山的電力系統已逐步轉向采用單獨的10kV高壓直接供電。本文旨在深入分析純電動礦卡的充電需求，并探討如何有效滿足這些要求。

為了適應國內10kV輸入的各類場所大功率充電需求，充電系統需在保證輸入電壓穩定性的前提下，高效運行于多樣化的電網環境。這要求系統配備高性能的變壓器和電壓調控設備，以確保穩定且可靠的電力供應。

系統設計的亮點在于其六回路240kW單槍充電輸出能力，且六回路可以智能匯流合并，實現高達1.5MW的功率輸出。這種設計不僅支持多輛車同時充電，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，充電槍的設計也至關重要。充電槍必須能夠承受高達1500A的電流和1500V的電壓，這對充電槍的選材、設計以及生產工藝提出了極高的要求。同時，充電系統還需輸出約DC1500V的電壓，以適配礦卡的電池系統。對于容量為500～600kWh的電池，系統支持2～3C的高充電倍率，確保了充電的迅速與高效。

為了滿足不同場所和車輛的充電需求，充電系統還需具備優秀的電力轉換與調節能力，以及良好的兼容性和可擴展性。隨著技術的不斷進步與創新，這樣的充電系統將為港口礦山的電動化轉型提供強大的技術支持，推動整個行業向更高效、更環保的方向發展。

110kV高壓兆瓦級充電系統整體方案設計

為滿足不同功率容量、充電回路的大功率充電場景，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）進行了設計定型產品。其中，1.5MW高壓充電系統的設計規劃是，10kV電源通過環網柜進入特種整流變壓器，變壓器的副邊設計為6路，每路充電功率為240kW。系統包含6臺240kW充電機（并可以設計多預留一路作為場站常規用電輸出）。在監控單元的控制下，完成整個充電服務流程的充電系統。其構成如圖1所示。

2 10kV高壓兆瓦級充電系統的開發難點及解決方案

在港口礦山運輸領域，純電動礦卡的廣泛應用對充電基礎設施提出了更高的要求。特別是在開發兆瓦級充電系統時，散熱處理和大功率模塊技術成為關鍵的開發難點。為了克服這些挑戰，我們提出了一系列創新的解決方案。

2.1獨立通風散熱通道

為了有效管理兆瓦級充電系統產生的熱量，我們設計了獨立的通風散熱通道。這種設計確保了每個充電模塊都擁有自己獨立的散熱通道，互不干擾，從而最大化整個系統的散熱效率。通過精確計算流體動力學（CFD）模擬，我們優化了空氣流動路徑，以實現快速熱傳導和對流散熱，確保充電系統在高負載運行時仍能保持穩定的溫度。

2.2液冷系統散熱

針對大功率超級充電終端的散熱需求，我們選擇了液冷系統作為散熱方案。與傳統的自然散熱相比，液冷系統提供了更高效的熱管理能力。通過循環的冷卻液，熱量被迅速帶走并傳遞到遠離充電模塊的地方進行釋放。這種設計不僅提高了散熱效率，還降低了設備運行的噪聲水平。

2.3采用120 kWIGBT充電模塊技術

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

通過這些技術措施，我們能夠有效地解決兆瓦級充電系統在散熱和大功率模塊方面的技術難題。這不僅提升了充電系統的性能和可靠性，也為港口礦山的電動化轉型提供了堅實的技術支持。

3 10kV高壓兆瓦級充電充電系統構成

3.1高壓單元

電網側的10kV電源經過高壓進線柜、高壓計量柜、高壓出線柜直接接入系統，為整個充電系統提供穩定的動力支持。

3.1.1單元組成

◆高壓進線柜：

◆高壓計量柜；

◆高壓出線柜；

3.1.2高壓進線

1.5MW高壓變充一體式大功率充電系統內置一套高壓環網柜，包括1臺進線柜、1臺計量柜和1臺出線柜。這些柜體共同協作，確保電源的穩定接入和準確計量。

本方案計量方式為高供高計，在環網柜內設總計量，計量互感器由供電部門確認。電能表將電度量通過有線（或無線）通信方式上送到電網系統（或其他指定系統）進行處理。三單元環網柜系統圖如圖2所示（最終以供電部門方案為準）。

3.2變電整流單元

該單元采用了特種變壓器，通過多繞組設計，為IGBT充電機及常規用電提供所需要的電壓等級和功率回路。特種變壓器負責將電網側的10kV高壓轉換為適合充電機使用的低電壓等級。特種變壓器技術參數如表1所示。

3.3 240 kW充電單元

充電單元作為系統的核心組成部分，具有以下功能特點：

（1）在全功率范圍內，能夠精確控制功率因數和諧波因數，確保其在標準要求的范圍以內。

（2）支持能量雙向流動，可擴展為光儲充一體設備，拓展能源來源和應用途徑。

（3）設計簡潔，高壓變壓器的次級繞組直接接入充電機。

（4）核心模塊設計壽命超過15年，保證了系統的長期穩定運行。

（5）模塊化設計使得充電單元的安裝調試更為方便，同時降低了維護成本，提高了系統的可維護性。

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高壓充電集功率調度單元采用了開關矩陣方式，如圖4所示。該單元可實現以下功能：

（1）正常輸出時，每個快充回路輸出為240kW。

（2）當超級充電終端有充電需求時，調度6個回路中的空閑回路至超級充電終端，最大輸出功率可達1.5MW。

3.5充電終端

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

4結論

在當今港口礦山運輸領域，純電動礦卡憑借其環保和高效的特點正逐步取代傳統燃油車輛。這些電動車輛配備了大容量電池和高電壓等級的電池包，以滿足長時間和高強度的作業需求。許多港口礦山已經采用了由單獨10kV高壓直接供電的電力系統，該系統直接接入充電機，為電動車輛提供強大的充電功率。

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

在港口礦山領域，高壓供電和多槍充電技術的推廣應用不僅提高了電動車輛的運營效率，還為企業帶來了顯著的經濟效益。通過減少燃油消耗和降低運營成本，這些技術為企業節省了大量的費用。同時．從社會價值的角度來看，這些技術有助于減少溫室氣體排放，推動了港口礦山行業的綠色發展。