一种适用于纯电动重卡充电的兆瓦级高压充电集方案

关键词：电动矿卡；10kV高压供电；兆瓦级充电机；单枪1500A充电电流；功率分配单元

0引言

在港口矿山运输领域，纯电动矿卡正逐渐确立其主导地位，成为行业的新标准。随着电池技术的快速发展，其电池容量和电压等级均得到显著提升，这导致了对充电系统功率需求的日益增大。为了应对这一挑战，港口矿山的电力系统已逐步转向采用单独的10kV高压直接供电。本文旨在深入分析纯电动矿卡的充电需求，并探讨如何有效满足这些要求。

为了适应国内10kV输入的各类场所大功率充电需求，充电系统需在保证输入电压稳定性的前提下，高效运行于多样化的电网环境。这要求系统配备高性能的变压器和电压调控设备，以确保稳定且可靠的电力供应。

系统设计的亮点在于其六回路240kW单枪充电输出能力，且六回路可以智能汇流合并，实现高达1.5MW的功率输出。这种设计不仅支持多辆车同时充电，还能满足单车快速高功率充电的需求，极大提高了充电效率。

为了满足高压大电流的充电要求，充电枪的设计也至关重要。充电枪必须能够承受高达1500A的电流和1500V的电压，这对充电枪的选材、设计以及生产工艺提出了极高的要求。同时，充电系统还需输出约DC1500V的电压，以适配矿卡的电池系统。对于容量为500～600kWh的电池，系统支持2～3C的高充电倍率，确保了充电的迅速与高效。

为了满足不同场所和车辆的充电需求，充电系统还需具备优秀的电力转换与调节能力，以及良好的兼容性和可扩展性。随着技术的不断进步与创新，这样的充电系统将为港口矿山的电动化转型提供强大的技术支持，推动整个行业向更高效、更环保的方向发展。

110kV高压兆瓦级充电系统整体方案设计

为满足不同功率容量、充电回路的大功率充电场景，我们基于几种典型的大功率充电模块（如120kW、240 kW、400kW、600 kW．1500 kW）进行了设计定型产品。其中，1.5MW高压充电系统的设计规划是，10kV电源通过环网柜进入特种整流变压器，变压器的副边设计为6路，每路充电功率为240kW。系统包含6台240kW充电机（并可以设计多预留一路作为场站常规用电输出）。在监控单元的控制下，完成整个充电服务流程的充电系统。其构成如图1所示。

2 10kV高压兆瓦级充电系统的开发难点及解决方案

在港口矿山运输领域，纯电动矿卡的广泛应用对充电基础设施提出了更高的要求。特别是在开发兆瓦级充电系统时，散热处理和大功率模块技术成为关键的开发难点。为了克服这些挑战，我们提出了一系列创新的解决方案。

2.1独立通风散热通道

为了有效管理兆瓦级充电系统产生的热量，我们设计了独立的通风散热通道。这种设计确保了每个充电模块都拥有自己独立的散热通道，互不干扰，从而最大化整个系统的散热效率。通过精确计算流体动力学（CFD）模拟，我们优化了空气流动路径，以实现快速热传导和对流散热，确保充电系统在高负载运行时仍能保持稳定的温度。

2.2液冷系统散热

针对大功率超级充电终端的散热需求，我们选择了液冷系统作为散热方案。与传统的自然散热相比，液冷系统提供了更高效的热管理能力。通过循环的冷却液，热量被迅速带走并传递到远离充电模块的地方进行释放。这种设计不仅提高了散热效率，还降低了设备运行的噪声水平。

2.3采用120 kWIGBT充电模块技术

为了满足高效率、稳定性和长寿命的要求，我们采用了120kW的IGBT（绝缘栅双极晶体管）充电模块技术。IGBT是一种高效能的半导体器件，适用于高电压和大电流的应用场景。这些模块在提供稳定充电功率的同时，保持了较高的能量转换效率，减少了热损失，从而延长了模块的使用寿命。

通过这些技术措施，我们能够有效地解决兆瓦级充电系统在散热和大功率模块方面的技术难题。这不仅提升了充电系统的性能和可靠性，也为港口矿山的电动化转型提供了坚实的技术支持。

3 10kV高压兆瓦级充电充电系统构成

3.1高压单元

电网侧的10kV电源经过高压进线柜、高压计量柜、高压出线柜直接接入系统，为整个充电系统提供稳定的动力支持。

3.1.1单元组成

◆高压进线柜：

◆高压计量柜；

◆高压出线柜；

3.1.2高压进线

1.5MW高压变充一体式大功率充电系统内置一套高压环网柜，包括1台进线柜、1台计量柜和1台出线柜。这些柜体共同协作，确保电源的稳定接入和准确计量。

本方案计量方式为高供高计，在环网柜内设总计量，计量互感器由供电部门确认。电能表将电度量通过有线（或无线）通信方式上送到电网系统（或其他指定系统）进行处理。三单元环网柜系统图如图2所示（最终以供电部门方案为准）。

3.2变电整流单元

该单元采用了特种变压器，通过多绕组设计，为IGBT充电机及常规用电提供所需要的电压等级和功率回路。特种变压器负责将电网侧的10kV高压转换为适合充电机使用的低电压等级。特种变压器技术参数如表1所示。

3.3 240 kW充电单元

充电单元作为系统的核心组成部分，具有以下功能特点：

（1）在全功率范围内，能够精确控制功率因数和谐波因数，确保其在标准要求的范围以内。

（2）支持能量双向流动，可扩展为光储充一体设备，拓展能源来源和应用途径。

（3）设计简洁，高压变压器的次级绕组直接接入充电机。

（4）核心模块设计寿命超过15年，保证了系统的长期稳定运行。

（5）模块化设计使得充电单元的安装调试更为方便，同时降低了维护成本，提高了系统的可维护性。

充电单元的逻辑示意图如图3所示。

3.4充电集功率分配单元

按照需求，1.5MW高压充电集功率调度单元采用了开关矩阵方式，如图4所示。该单元可实现以下功能：

（1）正常输出时，每个快充回路输出为240kW。

（2）当超级充电终端有充电需求时，调度6个回路中的空闲回路至超级充电终端，最大输出功率可达1.5MW。

3.5充电终端

本1.5MW高压充电集大功率充电系统配备6路液冷充电终端，其中一路为兆瓦级输出超级终端。

4结论

在当今港口矿山运输领域，纯电动矿卡凭借其环保和高效的特点正逐步取代传统燃油车辆。这些电动车辆配备了大容量电池和高电压等级的电池包，以满足长时间和高强度的作业需求。许多港口矿山已经采用了由单独10kV高压直接供电的电力系统，该系统直接接入充电机，为电动车辆提供强大的充电功率。

这种高压供电系统的设计允许充电终端支持最大1500V的电压和最大1500A的电流，这样的性能指标确保了充电设备能够满足各种电动车辆的充电需求。无论是单枪充电还是四枪同时充电，该系统都能够提供稳定和高效的充电服务，从而大大优化了充电过程，解决了电动重卡在实际操作中可能面临的多枪充电问题。

在港口矿山领域，高压供电和多枪充电技术的推广应用不仅提高了电动车辆的运营效率，还为企业带来了显著的经济效益。通过减少燃油消耗和降低运营成本，这些技术为企业节省了大量的费用。同时．从社会价值的角度来看，这些技术有助于减少温室气体排放，推动了港口矿山行业的绿色发展。