地下採掘で電気自動車に移行する際に考慮する必要のあるバッテリーおよび充電技術がいくつかあります。
バッテリー駆動の採掘車両は、地下採掘に最適です。排気ガスを排出しないため、冷却と換気の要件を軽減し、温室効果ガス（GHG）の排出と保守コストを削減し、作業条件を改善します。
今日のほとんどすべての地下鉱山設備はディーゼル動力であり、排気ガスを発生させます。これにより、労働者の安全を維持するための大規模な換気システムの必要性が高まります。さらに、今日の鉱山オペレーターは、鉱床にアクセスするために4 km（13,123.4フィート）の深さまで掘り進んでいるため、これらのシステムは指数関数的に大きくなります。そのため、設置と実行にかかるコストが高くなり、エネルギーを大量に消費します。
同時に、市場は変化しています。政府は環境目標を設定しており、消費者は二酸化炭素排出量の削減を実証できる最終製品にプレミアムを支払うことをますます望んでいます。それは、鉱山の脱炭素化への関心を高めています。
ロード、運搬、およびダンプ（LHD）マシンは、これを行う絶好の機会です。それらは、人や設備を鉱山内で移動させるため、地下採掘のエネルギー需要の約80％を占めます。
バッテリー駆動の車両に切り替えると、鉱業を脱炭素化し、換気システムを簡素化できます。
これには、高出力で長時間のバッテリーが必要です。これは、以前のテクノロジーの能力を超えた義務です。しかし、過去数年間の研究開発により、適切なレベルの性能、安全性、手頃な価格、信頼性を備えた新しい種類のリチウムイオン（Li-ion）電池が生み出されました。
5年間の期待
オペレーターがLHDマシンを購入する場合、厳しい条件のために最大で5年の寿命を期待します。機械は、湿気、ほこり、岩、機械的衝撃、振動などの不均一な条件で、24時間重い荷物を輸送する必要があります。
電力に関しては、オペレーターは機械の寿命に合ったバッテリーシステムを必要としています。バッテリーは、頻繁で深い充電と放電のサイクルにも耐える必要があります。また、車両の可用性を最大化するために急速充電が可能である必要があります。これは、半日のシフトパターンに一致する、一度に4時間のサービスを意味します。
バッテリー交換と急速充電
これを実現するための2つのオプションとして、バッテリー交換と急速充電が登場しました。バッテリー交換には、2つの同一のバッテリーセットが必要です。1つは車両に電力を供給し、もう1つは充電中です。4時間シフトした後、使用済みのバッテリーを新しく充電したバッテリーと交換します。
利点は、これは高電力充電を必要とせず、通常、鉱山の既存の電気インフラストラクチャによってサポートできることです。ただし、切り替えには持ち上げと取り扱いが必要であり、余分な作業が発生します。
もう1つのアプローチは、一時停止、休憩、シフトの変更時に約10分以内に急速充電できる単一のバッテリーを使用することです。これにより、電池を交換する必要がなくなり、生活が楽になります。
ただし、高速充電は高電力グリッド接続に依存しており、鉱山事業者は、特に同時に充電する必要がある大規模なフリートの場合、電気インフラストラクチャをアップグレードするか、路傍のエネルギー貯蔵装置を設置する必要があります。
バッテリー交換のためのリチウムイオン化学
スワッピングと急速充電のどちらを選択するかによって、使用するバッテリーの化学的性質のタイプがわかります。
リチウムイオンは、幅広い電気化学を網羅する総称です。これらは、個別に使用することも、ブレンドして、必要なサイクル寿命、カレンダー寿命、エネルギー密度、急速充電、および安全性を提供することもできます。
ほとんどのリチウムイオン電池は、負極としてグラファイトを使用して作られ、正極として、リチウムニッケル-マンガン-コバルト酸化物（NMC）、リチウムニッケル-コバルトアルミニウム酸化物（NCA）、リチウム鉄リン酸塩（LFP）などのさまざまな材料が使用されています。 ）。
これらのうち、NMCとLFPはどちらも、十分な充電性能を備えた優れたエネルギー量を提供します。これにより、これらのいずれかがバッテリー交換に理想的です。
急速充電のための新しい化学
急速充電のために、魅力的な代替品が登場しました。これはチタン酸リチウム（LTO）で、NMC製の正極を備えています。グラファイトの代わりに、その負極はLTOに基づいています。
これにより、LTOバッテリーのパフォーマンスプロファイルが異なります。彼らは非常に高い電力の充電を受け入れることができるので、充電時間はわずか10分です。また、他のタイプのリチウムイオン化学の3〜5倍の充電および放電サイクルをサポートできます。これは、より長いカレンダー寿命につながります。
さらに、LTOは、深い放電や短絡などの電気的乱用や機械的損傷に耐えることができるため、非常に高い固有の安全性を備えています。
バッテリー管理
OEMのもう1つの重要な設計要素は、電子的な監視と制御です。車両を、システム全体の安全性を保護しながらパフォーマンスを管理するバッテリー管理システム（BMS）と統合する必要があります。
優れたBMSは、個々のセルの充電と放電を制御して、一定の温度を維持します。これにより、一貫したパフォーマンスが保証され、バッテリー寿命が最大化されます。また、充電状態（SOC）と健康状態（SOH）に関するフィードバックも提供します。これらはバッテリー寿命の重要な指標であり、SOCはシフト中にオペレーターが車両をどれだけ長く走らせることができるかを示し、SOHは残りのカレンダー寿命の指標です。
プラグアンドプレイ機能
車両のバッテリーシステムを指定する場合、モジュールを使用することは非常に理にかなっています。これは、バッテリーメーカーに各車両用にカスタマイズされたバッテリーシステムを開発するように依頼する代替アプローチと比較されます。
モジュラーアプローチの大きな利点は、OEMが複数の車両用の基本的なプラットフォームを開発できることです。次に、バッテリーモジュールを直列に追加して、各モデルに必要な電圧を供給するストリングを作成できます。これは、電力出力を管理します。次に、これらのストリングを並列に組み合わせて、必要なエネルギー貯蔵容量を構築し、必要な期間を提供できます。
地下採掘での重い負荷は、車両が高出力を提供する必要があることを意味します。そのためには、定格650〜850Vのバッテリーシステムが必要です。より高い電圧にアップグレードすると、より高い電力が提供されますが、システムコストも高くなるため、当面の間、システムは1,000V未満のままであると考えられます。
4時間の連続運転を実現するために、設計者は通常200〜250 kWhのエネルギー貯蔵容量を探していますが、300kWh以上が必要な場合もあります。
このモジュラーアプローチは、OEMが型式テストの必要性を減らすことにより、開発コストを管理し、市場投入までの時間を短縮するのに役立ちます。これを念頭に置いて、SaftはNMCとLTOの両方の電気化学で利用可能なプラグアンドプレイバッテリーソリューションを開発しました。
実用的な比較
モジュールがどのように比較されるかを理解するために、バッテリー交換と急速充電に基づく典型的なLHD車両の2つの代替シナリオを検討する価値があります。どちらのシナリオでも、車両の重量は無負荷で45トン、満載で60トンで、積載量は6〜8 m3（7.8〜10.5 yd3）です。同様の比較を可能にするために、Saftは同様の重量（3.5トン）と体積（4 m3 [5.2 yd3]）のバッテリーを視覚化しました。
バッテリー交換のシナリオでは、バッテリーはNMCまたはLFPの化学的性質に基づいている可能性があり、サイズと重量の範囲から6時間のLHDシフトをサポートします。定格650V、容量400 Ahの2つのバッテリーは、車両から交換するときに3時間の充電が必要になります。それぞれは、3〜5年の合計カレンダー寿命にわたって2,500サイクル続きます。
急速充電の場合、同じ寸法の単一のオンボードLTOバッテリーは、定格が800V、容量が250 Ahで、15分の超高速充電で3時間の動作を実現します。化学物質はさらに多くのサイクルに耐えることができるため、5〜7年の予想カレンダー寿命で20,000サイクルを提供します。
現実の世界では、車両設計者はこのアプローチを使用して顧客の好みに合わせることができます。たとえば、エネルギー貯蔵容量を増やすことによってシフトの期間を長くします。
柔軟な設計
最終的には、バッテリーの交換と急速充電のどちらを好むかを選択するのは鉱山オペレーターです。また、各サイトで利用可能な電力とスペースによって、選択が異なる場合があります。
したがって、LHDメーカーは、選択の柔軟性を提供することが重要です。
投稿時間：2021年10月27日
