赵 映，卢艳林，许文笛
(中国电力工程顾问集团中南电力设计院有限公司，湖北 武汉 430000)
在全球环境不断变化，传统化石能源逐渐短缺的大背景下，电动汽车作为取代传统汽车的交通工具，其绿色环保、零排放无污染、能源利用率高等优点得到了极大的发展。卡车的燃油消耗量大，单体尾气排放量多，卡车电动化可实现降本节能。电动汽车还具备动力响应及时，短时间内可以爆发大扭矩的特点，在需要大扭矩、爬坡能力强的矿用卡车领域具有非常好的发展前景。但是电动汽车的续航里程、充电时间受动力电池和配套设施限制较大，“里程焦虑”和充电时间较长是影响电动汽车进一步推广普及的重要因素。矿用卡车作业任务固定，并且单程行驶距离相对短，受动力电池容量限制相对较小，因此矿用卡车电动化发展迅速[1]。
矿用电动卡车采用充电式补充电能，单次充电时间较长，导致设备生产延误率较高，有效作业时间较短，不能充分发挥生产效率[2]。换电站将电动汽车的动力电池充电过程独立在充电机座上进行，通过换电设备对汽车完成更换电池的操作，具有电能补充速度快、充电管理方便等优点，可以有效提高电动汽车使用效率，是未来推广电动汽车发展的主要方向和趋势[3]。在矿区建设换电站能满足矿用电动卡车续航需求，相比充电式可显著缩短矿用电动卡车能源补充时间，提高生产效率。
随着矿山开采工作推展，卡车工作范围会逐步增大，新的开采面与原换电站位置距离变大，会导致矿用电动卡车每次往返换电站进行换电的时间和能量损耗增大。当矿山开采面推进到一定阶段时，将可移动式换电站拆装后整体移动至新场址，尽量缩短矿用卡车换电距离，从而使矿用电动卡车生产效率维持在较高水平，降低换电过程的时间和能量损耗。
内蒙古某露天煤矿(规模 6.0 Mt/a)和一期电厂(规模 2×660 MW)均已建成并运行。再电气化是该露天煤矿智能化建设进程中的一个新技术研究项目，用新型电动卡车代替普通柴油卡车，根据该露天煤矿生产实际，需配置矿用电动卡车40台[4]。
在矿区配套建设换电站供车辆更换动力电池并对更换电池进行充电，以满足矿用电动卡车电能补充的需求。换电站包括供配电系统、电池及电池管理系统、换电操作系统、监控系统以及配套的地面充电桩、照明检修、暖通、消防等站用电系统。通过对换电站进行以功能实现为主的模块化分区、设备为主的高度集成化设计以及便于整体拆装搬运的装配式钢结构和整板基础设计，使换电站具备随着矿山开挖推进而整体移动并快速装配到新位置的条件。
2.1 换电站供配电系统
换电站系统一次架构图如图1所示。换电站总电源从站外引接至中压配电装置，然后分配给充电变压器和站用电变压器。其中充电变压器通过电缆与储能变流器(power conversion system，PCS)连接，PCS与预装充电机座电池架通过电缆连接，以实现对电池进行充电；
站用电变压器与低压配电装置通过母排连接，为换电设备、监控系统、电池管理系统(battery management system，BMS)、地面充电桩(换电设施检修时使用)及照明、暖通、火灾报警系统等低压负荷供电。
图1 换电站系统一次架构图
换电站采用两台独立的变压器分别为电池充电系统和其他系统供电，提升了换电站运行的灵活性与可靠性：当充电变压器停电检修时，换电系统仍可对已充满电的电池进行换电操作，同时地面充电桩可直接为矿用电动卡车进行充电。
2.2 换电站监控系统
换电系统采用全自动化设计，通过图像识别技术实现无人换电，换电时间在5～6 min左右，达到国内先进水平。
换电站系统二次架构图如图2所示。监控系统包含供电监控、充电监控、换电监控、安防监控和计量等功能。
图2 换电站系统二次架构图
设备层的换/充电设备和电池充电设备通过以太网接入换电站级监控系统，充换电站级监控系统通过数据接口对充电桩、换电设备和电池充电设备进行数据采集控制，以实现对车载电池充电过程、换电过程和库内电池充电过程的监控。
集中器通过RS 485通讯以及电力载波方式从电能表中获取站内充换电设备所使用的电量，并将电量信息通过以太网通讯方式传输到充换电站级监控系统中，以实现对站内用电量的计量与计费。
环境监测设备和配电监测设备通过有线连接到换电站级监控系统，以实现对站内环境与配电设备的实时监测。
电动矿卡通过车载T-box设备通过4G方式将车辆信息上传到充换电站级监控系统，实现对车辆和电池信息的完整数据采集；
电动车到达充换电站后，充换电站级监控系统通过车上装载的蓝牙以及RFID装置，获取电动车停车位置、车帽沿抬起等状态，发送指令给换电设备开始换电操作。
站控层提供充换电站内运行各系统的人机界面，实现相关信息的收集和实时显示以及设备的远方控制及数据的存储、查询和统计等，并可与上级系统进行通信，在煤电公司或矿级控制中心同步实现储能调度和远程监控。
全部车辆和电池状态信息上传到云控层智能云平台，可供实时监控，同时通过后台人工智能算法结合历史数据分析预测电池的健康状态，对故障和火灾隐患进行提前预警和自动干预，提升系统设备的可靠性和安全性，并为未来电池退役后的梯次利用提供支撑。
2.3 换电站布置设计
换电站按功能分区可分为电控车间和充换电车间。其中电控车间由中压配电舱、低压配电舱和控制舱组成；
充换电车间由电池充电舱、换电舱和检修舱组成。
根据换电站工作流程将功能分区进行模块化设计，典型布置图如图3所示。中压配电舱用于布置中压配电装置，为换电站提供总电源；
低压配电舱用于布置低压配电装置和与电池配套的储能变流器；
控制舱用于布置换电站控制系统、引导系统、监控系统及火灾报警系统。电池充电舱用于存放待更换电池以及为待更换电池充电；
换电舱为矿用电动卡车驶入通道并进行换电操作的区域，车辆可贯穿通过，采用顶部吊装的换电模式。检修舱为电池进行检修和应急处理的区域。
图3 换电站功能分区模块化设计的典型布置图
充换电车间电池充电舱内两侧设置有多个预装充电机座的电池架；
换电舱与矿用电动卡车驶入通道重合，车辆可贯穿通过；
检修舱设置有检修电池架和应急处理箱，用于电池检修和应急处理。充换电车间通过换电通道连通，换电设备工作在换电通道内，采用顶部吊装换电模式，换电通道与矿用电动卡车驶入通道垂直。换电设备包含横向行走机构、纵向行走机构和升降抓取机构3部分，能够在电池充电舱预装充电机座的电池架、换电舱矿用电动卡车以及检修舱之间进行全自动交换电池。换电站典型横断面示意图如图4所示。
图4 换电站典型横断面示意图
换电操作系统能够在预装充电机座电池架和矿用电动卡车之间进行全自动交换电池；
能在预装充电机座电池架中重新布局电池；
能将故障电池抓取并置于检修舱内的应急处理箱内或者检修电池架上。
换电流程包括车辆驶入、换电准备、更换车载电池和车辆驶离。
1)车辆驶入：矿用电动卡车在引导系统指示下驶入换电舱，车辆检测系统确认停放位置及车身姿态满足换电要求后，引导系统向司机发出确认提示。
2)换电准备：矿用电动卡车与监控系统通信，完成身份识别，司机确认操作，完成车身电池断电、锁止机构打开、车身锁定等准备工作，并向换电设备发送确认信号。
3)更换车载电池：换电设备自动完成车载电池的检测和精确定位，吊臂下降将车载电池取出并沿换电通道运行吊装到可用的预装充电机座电池架上，完成充电自动插接；
换电设备向换电站控制系统发送指令，已完成充电的待换电池对应的充电机座断电，做好更换准备，换电设备将该待换电池吊装到车上并向换电站控制系统和车辆同步发送换电动作完成信号。
4)车辆驶离：引导系统向司机发出换电完成提示，司机操作完成电池锁止及电池自检，向监控系统确认电池状态正常，最后驶离换电站。
通过根据换电站工作流程将功能分区进行模块化设计并结合矿卡换电工作流程进行布置组合，合理设置建筑模块跨度与轴距，各功能舱采用了模块化装配式主体钢结构，换电站采用现浇混凝土整板基础，上部结构采用门式钢架结构形式，门式钢架结构与基础采用螺栓连接，便于拆装和整体搬运。
将换电站4个电池充电舱、1个换电舱、1个检修舱、1个中压配电舱、2个低压配电舱、1个控制舱共设置为10个独立门式钢架模块，按两跨布置，各模块中间预留适当宽度的变形缝，围护结构为带保温的复合彩钢板。在钢结构基础顶面设圈梁，便于后期钢结构整体搬运时加固；
在圈梁上方设活动地板，设备布置在活动地板上，电缆设施布置在活动地板下，由此避免了电缆沟开挖的工序，建设周期可大为缩短，并为后期换电站整体移动提供了便利。可移动式换电站模块化结构基础示意图如图5所示。
图5 可移动式换电站模块化结构基础平面示意图
随着煤矿开采工作的推进，当换电站需要更换场址时，可将换电站上部结构拆成十个独立的模块，每个模块搬运时采用适当的临时加固措施，采用平板车将各独立模块整体搬迁至新的选址位置浇筑的整板基础上。此方案能极大降低换电站搬迁时钢结构重新拼装的工程量，有效缩短工期及节约建造人力成本。最后完成设备转运安装与接线调试，换电站便可以在新的位置投入运行。在建设周期短平快的基础上，实现了矿卡换电站随着矿山挖掘推进可以同步移动的功能。
矿用电动卡车凭借其作业任务固定、受动力电池容量限制相对较小、动力响应及时、短时输出扭矩大等特点获得迅速发展。换电站可以解决矿用电动卡车充电慢的问题，而基于模块化设计的移动式换电站则可以解决因开采区转移而导致往返换电站过程中能量损耗增大的问题，并实现了各项结构材料和设备的重复利用，大大提升了资源利用效率。同时可以在采煤沉陷区或者矿区周边位置开发光伏发电项目，利用换电站内充电电池作为储能装置，结合矿用电动卡车的电能需求，充分消纳利用光伏发出的电能，助力煤矿开采区生态治理的良性循环发展。
相信在国家新能源政策支持和电动汽车行业发展的推动下，矿用电动卡车相关的车辆、电池、换电站等配套设施会形成统一的标准，节约资源，提升矿用电动卡车的利用效率。这一过程积累的经验也将进一步推动新能源乘用车换电站的发展，让电动汽车换电像燃油车加油一样方便，最终实现“电”取代“油”，真正实现绿色环保出行。
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