国内外动力电池地下装载机现状与发展趋势

何文胜， 赵金元

(中钢集团衡阳机械公司， 湖南 衡阳 421002)

0 前言

随着地下矿山每年以平均30 m速度向下延伸开采，地下矿山面临着地热和难开采矿藏、政府的安全和职业健康法规要求，地下矿山向全电动化和全自动化成为今后的发展方向[1]。与柴油机驱动的地下装载机(LHD)相比，动力电池驱动地下装载机(Battery Powerd LHD)除了具有高效节能、降低运行成本的优势以外，还具有低噪声、低发热、零排放、低振动的工作环境优势，它还能更好地满足全自动化矿山和无人矿山发展的要求。因此，近十年来，许多动力电池研发企业和地下无轨采矿OEM加大对电池驱动地下采矿车辆(BEV)研发力度[2]，国外一些大型地下矿山也开始试验和规模化应用BEV[1]。装载机是地下无轨采矿主要设备，本文将对当前国外主要的电池LHD发展现状和动态进行介绍，对国内主要企业现状也一并介绍，希望有助于国内相关企业的研发和应用。

1 国外动力电池LHD

1.1 RDH采矿设备公司(RDH Mining Equipment)

RDH公司有30多年的地下采矿和巷道施工设备经验，2011年因率先在非煤地下采矿设备使用电池驱动而闻名。2019年RDH公司被SMT Scharf AG间接以800万欧元100%收购。

2011年RDH公司推出了第一台电池地下装载机 Muckmaster 300EB(如图1所示)，铲斗斗容在1.5～2.3 m3之间，使用LiFePO4电池组，AC牵引驱动系统，操作平稳、少维护、重负荷、低噪声，降低巷道通风要求。

图1 Muckmaster 300EB电池地下装载机

图2 RDH带充电桩的Muckmaster 600EB电池地下装载机

对于硬岩矿业的恶劣条件下,磷酸铁锂电池技术提供了最好的组合性能：安全、成本低、可靠性高和环境好。在充电时，没有电压下降，条件非常稳定,能够耐高温不分解,不容易产生热失控,不燃烧,不含重金属,表现出“记忆效应”,循环寿命长,维修小,提供了可用的最大功率,直到完全放电(没有电压下降)和可以安全快速充电。相比传统的地下柴油装载机，具有寿命长、成本低的优势,消除了柴油机有关维修、换油、过滤器和燃料成本，电池的充电成本是油箱装满柴油成本的大约20%。它减少了通风需求，提高了司机的健康和安全性，节约成本计算在内给矿山带来了很大的节约。由于研发电池驱动的设备的成功，电池驱动采矿设备需求量增加,RDH目前正在开发一台窄脉采矿的1立方米地下电池装载机。

LiFePO4电池性能特点：(1)高功率：性能好、效率高的高充和放电率。(2)高可用的能量：广的SoC(State of Charge——电池的剩余电量比，等于电池的剩余电量/电池的总电量)范围让电池使用得更好。(3)特别安全：稳定性好，决不会爆炸，即使在高温度下。(4)长的循环寿命，长的使用寿命。(5)没有“记忆效应”(任何时间再充电，也不会降低能力)。(6)环境友好：没有重金属。(7)高的能量密度(50%～70%尺寸/铅酸/镍氢/镍镉)。

1.2 GE公司

GE公司2012年收购了Fairchild公司。Fairchild的设备和设计在地下煤矿知名，产品包括电池驱动带变频(VFD)的35C- WH- AC煤铲车和窄矿用35C- LV- A。它还在Westwood地下矿试验硬岩作业的LHD- 5- LB电池驱动装载机(如图3所示)。这些产品的核心技术是GE的Durathon电池技术。

图3 GE- Fairchild LHD- 5- LB蓄电池地下装载机

当GE Fairchild LHD- 5- LB型蓄电池地下装载机在 IAMGOLD Westwood金矿进行了测试时，加速了GE硬岩计划。该型是GE FastWorks计划的一部分,设计它，是为了迅速获得客户反馈的性能和基于市场对电池驱动地下装载机整体需要。因此,它本质上是一种设有硬岩地下装载机所需的全部功能的升级煤铲车。

GE开发真正的电池驱动硬岩地下装载机——7 t蓄电池地下装载机(如图4所示)。

图4 GE新开发的7 t B电池地下装载机

GE 7 t地下装载机特性不同于之前的5 t型，包括运输重量由5 t增加到7 t(3.1立方米)，优化电池更长时间寿命和自动化准备。GE使广泛的工程、推进和电动机领先技术与能源存储能力结合,推出集成采矿推进创新方案,来解决全世界当前和未来基于电池技术的地下车辆动力问题。GE公司突破性的Durathon电池技术,允许OEM和矿山用先进储能技术取代柴油或现有的铅酸电池系统,提高性能,增加可靠性,降低生命周期成本,减少维护和提高矿山能力。Durathon电池提供最佳能量密度和设计多年的日常循环操作。利用这一技术使GE矿业的Invertex地下驱动系统降低了热量、柴油微粒和排放以及通风成本。这个Durathon电池的化学过程产生持久、无毒、温度稳定、可靠性高和更持久的能源存储方案。该绿色创想合格的电池比相同体积的传统铅酸电池高30%装机容量。

独特的Durathon电池系统模块实质是免维护和替换的，甚至在电池系统寿命期间内的任何时间，旧电池与新电池都可以混合在一起使用。

建设并运营茶叶、咖啡、果蔬和食用菌等大宗农产品国际交易中心，经营的“云啡”牌咖啡、“八角亭”牌茶叶、“天使”土豆片系列产品等在国内外拥有较高的知名度和美誉度。

与先进Durathon电池能量存储系统相结合，使地下采矿车辆具有更高的性能、更高的可靠性和更低的寿命周期成本。这项新技术代表GE矿业的承诺，地下开采更安全和更符合成本效益，以及带来GE的采矿业绿色创想的创新解决方案。

GE公司之所以选择钠镍电池作为其进入移动和储能领域的发展方向，主要是这种储能电池技术优势明显：首先，电池质量比能量高，达150～200 Wh/L。传统储能电池从技术、材料、工艺、包装到最后的成品，每个环节都对最终产品有不同程度的能量损耗，而GE的成品在此前提下依旧可以保持很高的能量密度，这是目前传统电池企业难以达到的技术要求。另外，Durathon拥有先进的智能化电池管理系统(BMS)，客户可以通过这个智能化电池管理系统有效预防过充，即使单节电池失效，整个电池组的运行也不会受太大影响。再者，由于Duralhon的核心材料是盐和镍，这些材料具有无毒和稳定性高的特点，避免了同类电池技术的安全和环保隐患。

以上三点是Durathon电池技术的核心优势，同时它还具有使用寿命长，循环寿命可超过3 000次，一般寿命可超过15年，不需要维护，可远程监控；在宽泛的使用环境(-40 ℃～60 ℃)下都可正常工作，且电池性能都不会受到影响等显著优势。

1.2.1 Durathon电池

(1)Durathon电池构造(如图5所示)

图5 Durathon电池构造图

(2)Durathon电池特性

Durathon不仅仅是一个电池，它是一个完整的能量存储模块，具有远程监控功能，因此无需第三方电池监控设备。Durathon可非常容易地被集成到能量存储系统中，并与电力设备完全兼容。由于具有创新模块化的设计，所以Durathon电池模块可进行并联，以提供所需的电力。Durahon具有非常强健的失效- 安全设计，所以一旦某个单体电池出现失效现象，整个电池组也能正常工作，只是电池组的电压与之前比较，可能稍微降低一些。Durathon电池具有如下特点,如表1、表2所示。

表1 Durathon动力电池特性

表2 电池比较

(3)Durathon工作原理

GE的钠镍电池以氯化镍为正极，β—氧化铝为隔膜，液态钠为负极。充电时，Cl从NaCl析出，并与N形成NCl2，然后钠离子通过β—氧化铝被输送到负极槽。放电正好是这一过程的反向。由于钠离子可以很容易地通过氧化铝，而电子却不能通过，所以该反应在发生过程中不存在副反应，因此使得制成的电池也没有自放电。电池的所有材料都存储在密封钢壳内，组成单体电池。然后，单体电池组合成具有热绝缘性能的电池模块。每个电池模块还集成有电池管理系统，来控制充放电，监测电池的各项参数，并提供电池保护功能，再通过通用Modbus协议将信息传递给外界。

Durathon电池储能系统，是一个具有绿色创想(ecomagination)的产品，用一个无毒的钠镍化学电池代替柴油或铅酸电池系统。DurathonTM电池具备同类最佳的能量密度和性能，可满足采矿业不同的电力需求。Durathon电池比传统电池小50%和重量轻25%，使更多的能量被存储在一个较小的空间。此外，Durathon电池的寿命增加一倍，在极端的温度下,不需要冷却，只作很少的维护便能有效运作。GE的Durathon电池是可回收的，能循环使用。Durathon电池成了一个真正的可持续发展的技术。绿色创想是GE公司给市场带来新的技术，它帮助用户满足他们最紧迫的环境挑战。

1.2.2 Invertex电驱动系统

Invertex电驱动系统采用了紧凑型变频组合驱动，控制牵引力和泵电动机(pump motors)，目的是为了改善车轮打滑和在坡度上的速度。牵引电机采用无框架结构，以减少整体重量；防水设计，能够适应潮湿环境。先进的、可扩展的系统控制器提供了多路通信协议通道和一个紧凑型智能显示器实时显示车辆和系统诊断。设计的所有组件按一个集成的单元工作，使得有可能进行微调算法，以获得最佳性能。

汇集在地下车辆里的GE的电气传动和能量存储系统将使矿山降低柴油微粒排放和矿井通风的要求，以及减少维护时间和成本。更进一步，该地下装载机配备新的修改过的系统，以容纳更小的电池单元，并采用了独特的集成式电池托盘。较小的电池组可减少轮胎的磨损，在比较紧凑的地方可以提供更好的机动性。

GE电池地下装载机与电动地下装载机比较：需要的基础设施最少，只需要一个充电桩和两个电池。GE电池更换系统不需要使用吊车或其他基础设施。GE的电池快速充电系统允许电池在15 min内充好电。大多数矿山已经支持充电电池所需的电力基础设施,这就是说无需额外工作支持该技术。由于沒有拖拽电缆限制，其机动灵活性与柴油地下装载机一样。

1.3 小松矿山设备(Komatsu Mining)

小松和GE在2014年宣布新合作开发下一代采矿设备，将GE的电能技术、电力驱动系统和电池技术与小松的车辆和ICT技术组合到采矿设备，向全球用户提供创新性的解决方案。

小松矿山设备公司在Westwood地下矿发现电池驱动采矿设备商机，于2018年6月接手了GE 输送设备的铲装运输产品线和知识产权，它属于GE Fairchild公司的一部分。

1.4 Epiroc

Epiroc于2013年研制出ST7和ST2G电池地下装载机(如图5所示)，2019年开始生产第二代电池装载机ST14和ST18，计划在5年内将核心产品实现零排放。

ST7使用Artisan公司LiFePO4动力电池(165 kWh，630 VDC)和电池充电桩(Artisan 65 kW Master Service,输入575 VAC)，该台地下电池地下装载机2013年首先被引进到加拿大和美国,并将在全球范围内逐步推广。

图6 ST7电池地下装载机

1.5 Caterpillar

Cat公司从2017开始开发电池驱动地下装载机，2018年研制出R1700XE和R1300G电池驱动装载机。R1700XE电液系统将提升力提高了65%；R1300G于2018年在加拿大Sudbury矿与同规格的R1300柴油机驱动装载机进行对比试验，结果超出预期：预期发热量降低3倍，而实际降低了7.5倍，能源消耗量降低了10倍。Cat公司还开发了MEC- 500快充系统。

1.6 Artisan

美国Artisan Vehicles公司核心技术包括电池、电机、动力电子器件、软件和控制系统，该公司早在2010年便开始开发动力电池驱动系统，开始是为OEM提供服务，然后自主开发动力电池驱动装备，现已推出A4(4t)、A10(10t)电池驱动装载机。动力系统采用LiFePO4电池和高动力密度电机，外形尺寸与7吨普通的装载机相同，却可装载10 t。它由2台电机驱动，总功率540 kW，4 100 Nm扭矩。

Sandvik在2019年2月完成对Artisan Vehicles的收购，Sandvik也已开发出LH621i和LH517i第二代智能控制i系列电池驱动地下装载机。

2 国内蓄电池地下装载机现状

由于电池驱动地下装载机具有上述优点，因而引来了采矿行业的重视，国内许多企业与研究院校纷纷投资，开始电池地下装载机的研究与试验。例如，中钢集团衡阳机械有限公司、烟台兴业机械设备有限公司3立方电池地下装载机，金川金格车辆制造有限公司4立方电池地下装载机，安百拓Scooptram ST2、ST4电池地下装载机，先后于2018和2019年在矿山投入试验，但还存在续航能力不足等一些问题，需进一步改进和完善。

3 结论

随着对环保和职业健康要求愈来愈重视，地下采矿作业越来越深，地下深部采矿作业越来越复杂和困难。使用清洁能源和无人作业是地下矿山的发展方向。电池驱动地下采矿设备将较好地解决了深部采矿面临的难题。随着动力电池技术不断进步，可以预见到，动力电池驱动地下装载机将逐步取代柴油地下装载机。由于电池装载机的移动灵活性，比电动装载机更适合于无人作业要求。