Nyheter

Det finns flera batteri- och laddningstekniker som måste beaktas vid övergången till elektromobilitet i underjordisk gruvdrift.

Batteridrivna gruvfordon är idealiska för gruvdrift under jord.Eftersom de inte släpper ut avgaser, minskar de kylnings- och ventilationskraven, minskar utsläppen av växthusgaser (GHG) och underhållskostnaderna och förbättrar arbetsförhållandena.

Nästan all underjordisk gruvutrustning är idag dieseldriven och skapar avgaser.Detta driver behovet av omfattande ventilationssystem för att upprätthålla säkerheten för arbetare.Eftersom dagens gruvoperatörer dessutom gräver så djupt som 4 km (13 123,4 fot) för att komma åt malmfyndigheter, blir dessa system exponentiellt större.Det gör dem dyrare att installera och köra och mer energikrävande.

Samtidigt förändras marknaden.Regeringar sätter upp miljömål och konsumenter är alltmer villiga att betala en premie för slutprodukter som kan visa ett lägre koldioxidavtryck.Det skapar mer intresse för att koldioxidutvinna gruvor.

Lasta, dra och dumpa (LHD) maskiner är ett utmärkt tillfälle att göra detta.De står för cirka 80 % av energibehovet för underjordsbrytning när de flyttar människor och utrustning genom gruvan.

Att byta till batteridrivna fordon kan koldioxidutlösa gruvdrift och förenkla ventilationssystem.

Detta kräver batterier med hög effekt och lång livslängd – en uppgift som var utöver den tidigare teknikens kapacitet.Men forskning och utveckling under de senaste åren har skapat en ny sort av litiumjonbatterier (Li-ion) med rätt nivå av prestanda, säkerhet, prisvärdhet och tillförlitlighet.

Fem års förväntan

När operatörer köper LHD-maskiner förväntar de sig en livslängd på högst 5 år på grund av de tuffa förhållandena.Maskiner behöver transportera tunga laster 24 timmar om dygnet under ojämna förhållanden med fukt, damm och stenar, mekaniska stötar och vibrationer.

När det kommer till kraft behöver förarna batterisystem som matchar maskinens livslängd.Batterierna måste också tåla frekventa och djupa laddnings- och urladdningscykler.De måste också kunna snabbladda för att maximera fordonets tillgänglighet.Detta innebär 4 timmars tjänst åt gången, vilket motsvarar mönstret för halvdagsskift.

Batteribyte kontra snabbladdning

Batteribyte och snabbladdning uppstod som de två alternativen för att uppnå detta.Batteribyte kräver två identiska uppsättningar batterier – en som driver fordonet och en på laddning.Efter ett 4-timmarsskift byts det använda batteriet ut mot ett nyladdat.

Fördelen är att detta inte kräver högeffektsladdning och vanligtvis kan stödjas av gruvans befintliga elektriska infrastruktur.Omställningen kräver dock lyft och hantering, vilket skapar en extra uppgift.

Den andra metoden är att använda ett enda batteri som kan snabbladdas inom cirka 10 minuter under pauser, raster och skiftbyten.Detta eliminerar behovet av att byta batteri, vilket gör livet enklare.

Snabbladdning förlitar sig dock på en nätanslutning med hög effekt och gruvoperatörer kan behöva uppgradera sin elektriska infrastruktur eller installera energilagring längs vägen, särskilt för större flottor som behöver ladda samtidigt.

Li-ion kemi för batteribyte

Valet mellan byte och snabbladdning informerar om vilken typ av batterikemi som ska användas.

Li-ion är ett paraplybegrepp som täcker ett brett spektrum av elektrokemi.Dessa kan användas individuellt eller blandas för att leverera den nödvändiga cykellivslängden, kalenderlivslängden, energitätheten, snabbladdningen och säkerheten.

De flesta Li-ion-batterier är gjorda med grafit som negativ elektrod och har olika material som den positiva elektroden, såsom litiumnickel-mangan-koboltoxid (NMC), litiumnickel-kobolt aluminiumoxid (NCA) och litiumjärnfosfat (LFP) ).

Av dessa ger NMC och LFP båda bra energiinnehåll med tillräcklig laddningsprestanda.Detta gör någon av dessa idealisk för batteribyte.

En ny kemi för snabbladdning

För snabbladdning har ett attraktivt alternativ dykt upp.Detta är litiumtitanatoxid (LTO), som har en positiv elektrod gjord av NMC.Istället för grafit är dess negativa elektrod baserad på LTO.

Detta ger LTO-batterier en annan prestandaprofil.De kan acceptera mycket hög effektladdning så att laddningstiden kan vara så lite som 10 minuter.De kan också stödja tre till fem gånger fler laddnings- och urladdningscykler än andra typer av Li-ion-kemi.Detta leder till ett längre kalenderliv.

Dessutom har LTO extremt hög inneboende säkerhet då den tål elektrisk misshandel som djupurladdning eller kortslutning, samt mekaniska skador.

Batterihantering

En annan viktig designfaktor för OEM är elektronisk övervakning och kontroll.De måste integrera fordonet med ett batterihanteringssystem (BMS) som hanterar prestanda samtidigt som säkerheten skyddas i hela systemet.

En bra BMS kommer också att kontrollera laddningen och urladdningen av enskilda celler för att hålla en konstant temperatur.Detta säkerställer konsekvent prestanda och maximerar batteritiden.Den kommer också att ge feedback om laddningstillstånd (SOC) och hälsotillstånd (SOH).Dessa är viktiga indikatorer på batterilivslängd, där SOC visar hur mycket längre föraren kan köra fordonet under ett skift, och SOH är en indikator på återstående kalenderlivslängd.

Plug-and-play-möjlighet

När det gäller att specificera batterisystem för fordon är det mycket vettigt att använda moduler.Detta kan jämföras med det alternativa tillvägagångssättet att be batteritillverkare att utveckla skräddarsydda batterisystem för varje fordon.

Den stora fördelen med det modulära tillvägagångssättet är att OEM-tillverkare kan utveckla en grundläggande plattform för flera fordon.De kan sedan lägga till batterimoduler i serie för att bygga strängar som levererar den spänning som krävs för varje modell.Detta styr uteffekten.De kan sedan kombinera dessa strängar parallellt för att bygga den erforderliga energilagringskapaciteten och ge den nödvändiga varaktigheten.

De tunga lasterna i gruvdrift under jord gör att fordon måste leverera hög effekt.Det kräver batterisystem klassade till 650-850V.Även om uppgradering till högre spänningar skulle ge högre effekt, skulle det också leda till högre systemkostnader, så man tror att systemen kommer att förbli under 1 000 V under överskådlig framtid.

För att uppnå 4 timmars kontinuerlig drift, letar designers vanligtvis efter energilagringskapacitet på 200-250 kWh, även om vissa kommer att behöva 300 kWh eller mer.

Detta modulära tillvägagångssätt hjälper OEM-tillverkare att kontrollera utvecklingskostnaderna och minska tiden till marknaden genom att minska behovet av typtestning.Med tanke på detta utvecklade Saft en plug-and-play-batterilösning tillgänglig i både NMC- och LTO-elektrokemi.

En praktisk jämförelse

För att få en känsla för hur modulerna jämförs är det värt att titta på två alternativa scenarier för ett typiskt LHD-fordon baserat på batteribyte och snabbladdning.I båda scenarierna väger fordonet 45 ton olastat och 60 ton fullastat med en lastkapacitet på 6-8 m3 (7,8-10,5 yd3).För att möjliggöra en liknande jämförelse visualiserade Saft batterier med liknande vikt (3,5 ton) och volym (4 m3 [5,2 yd3]).

I scenariot med batteribyte kan batteriet baseras på antingen NMC- eller LFP-kemi och skulle stödja en 6-timmars LHD-växling från storleks- och viktenveloppen.De två batterierna, märkta på 650V med 400 Ah kapacitet, skulle kräva en 3-timmars laddning när de byttes från fordonet.Var och en skulle pågå 2 500 cykler under en total kalenderlivslängd på 3-5 år.

För snabbladdning skulle ett enda inbyggt LTO-batteri av samma dimensioner klassas till 800V med 250 Ah kapacitet, vilket ger 3 timmars drift med en 15-minuters ultrasnabb laddning.Eftersom kemin tål många fler cykler skulle den leverera 20 000 cykler, med en förväntad kalenderlivslängd på 5-7 år.

I den verkliga världen kan en fordonsdesigner använda detta tillvägagångssätt för att möta en kunds preferenser.Till exempel att förlänga skiftets varaktighet genom att öka energilagringskapaciteten.

Flexibel design

I slutändan blir det gruvoperatörerna som väljer om de föredrar batteribyte eller snabbladdning.Och deras val kan variera beroende på den elektriska kraften och det tillgängliga utrymmet på var och en av deras platser.

Därför är det viktigt för LHD-tillverkare att ge dem flexibiliteten att välja.