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一种适用于纯电动重卡矿卡充电的兆瓦级高压充电方案分享

发布时间：

2025-03-07

摘要：在追求环境可持续性和经济效益的双重目标推动下，港口矿山运输领域正在经历一场由电动技术引领的变革。这一变革的核心在于采用纯电动矿卡重卡，这些车辆因其零排放、低噪音和长期经济效益而日益受到重视。然而，这种转型也带来了对充电基础设施的重大挑战。

电动矿卡重卡通常配备有大容量的电池包和高电压等级，这意味着它们需要高功率的充电系统来满足快速充电的需求。为了应对这一挑战，港口矿山的电力系统必须进行升级。一个常见的解决方案是转向使用单独的10KV高压直接供电系统。

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采用10KV高压供电可以直接连接到充电机系统，这样的系统能够提供高达兆瓦级别的功率，以满足超级充电机的需求。这种高压供电系统可以显著提高充电效率，缩短电动矿卡重卡的充电时间，从而增强整体的运营效率。

在这样的系统中，充电终端的最大电压可以达到1500V，最大电流可以达到1500A，这使得充电系统能够在短时间内为电动矿卡重卡的大容量电池包提供所需的能量。这种高功率的充电能力对于确保电动矿卡重卡能够满足港口矿山领域繁重的运输任务至关重要。

本文讨论了在港口矿山10KV高压系统直接供电的兆瓦机大功率超级充电机系统。

关键字：电动重卡矿卡；10KV高压供电；兆瓦级充电机；单枪1500A充电电流；功率分配单元。

引言:在港口矿山运输领域，纯电动矿卡重卡正逐渐成为新的标准。随着这些电动车辆电池容量和电压等级的增加，对充电系统功率的需求也相应提升。目前，为了应对这一挑战，港口矿山的电力系统已经转向采用单独的10KV高压直接供电。本文将针对车辆的充电需求进行详细分析，并探讨如何满足这些要求。

1.适应国内10kV输入的各场所的大功率充电需求：

为了满足国内不同场所的大功率充电需求，充电系统需要能够兼容和稳定运行在10kV的输入电压下。这要求系统具备高性能的变压器和电压调节设备，以确保输入电压的稳定性，并能够适应不同的电网条件。

2.六回路240kW单枪充电输出，六回路能汇流并至一回路达到1.5MW功率输出：

该系统设计了六条独立的充电回路，每条回路都能提供240kW的充电功率。当需要更大的充电功率时，这六条回路可以汇流合并，形成一个高达1.5MW的超级充电回路。这种设计既保证了多个车辆同时充电的灵活性，又能满足单个车辆快速充电的高功率需求。

3.单枪充电电流1500A，最高电压1500V：

为了满足高电压、大电流的充电需求，充电枪设计需要承受高达1500A的电流和1500V的电压。这对充电枪的材料、设计和制造工艺提出了极高的要求，以确保安全和可靠性。

4.充电输出电压约DC1500V，电池容量500～600KWh，充电倍率约2～3C：

考虑到电池包的电压等级和容量，充电系统需要能够提供大约DC1500V的输出电压，以适配车辆的电池系统。同时，电池容量在500～600KWh范围内，要求充电系统能够支持高达2～3C的充电倍率，这意味着充电系统需要能够在较短的时间内为电池充入大量的电能。

为了满足港口矿山运输领域纯电动矿卡重卡的充电需求，充电系统必须具备高性能的电力转换与调控能力，以及能够适应高电压、大电流的充电枪设计。此外，系统还需要具备良好的兼容性和扩展性，以适应不同场所和不同车辆的充电需求。随着技术的不断进步和创新，我们有理由相信，这样的充电系统将为港口矿山的电动化转型提供坚实的基础，推动整个行业向着更高效、更环保的方向发展。

二、10KV高压兆瓦级充电系统整体方案设计

以几种典型的大功率充电模块（如120kW、240kW、400kW、600kW、1500kW）为基础，设计定型产品，以适应不同功率容量、充电回路的大功率充电场景1.5MW高压充电集大功率充电系统设计规划是，10kV经过环网柜进入特种整流变压器，变压器副边设计为6路充电240kW，6台240kW充电机，（可以设计多预留一路为场站常规用电输出），在监控单元控制下，完成整个充电服务流程的充电系统。其构成如下图所示。

图1 1.5MW高压充电集大功率充电系统

三、10KV高压兆瓦级充电系统的开发难点及及解决方案

在港口矿山运输领域，纯电动矿卡重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。

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。这种设计使得每个模块都拥有自己的散热通道，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，我们确保了空气流动的最优化，以实现快速热传导和对流散热。

2. 液冷系统散热：针对大功率超级充电终端，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音水平。

3. 采用120kW IGBT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。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，从而减少了热损失，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。

四、10KV高压兆瓦级充电充电系统构成

4.1、高压单元

电网侧的10kV电源经高压进线柜、高压计量柜、高压出线柜直接接入系统，为系统提供动力支持。

4.1.1 单元组成

高压进线柜；高压计量柜；高压出线柜；

4.1.2 高压进线

1.5MW高压变充一体式大功率充电系统系统内含一套高压环网柜，分别为1台进线柜、1台计量柜、1台出线柜。

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见下表：(最终以供电部门方案为准）

图2 三单元环网柜系统图

4.2、变电整流单元

特种特种变压器，该单元通过多绕组变电提供IGBT充电机及常规用电所需要的电压等级和功率回路。

变压器技术参数如下：三相特种整流变压器技术参数表（国标）

序号	名称	单位	设计值	备注
1	型式		干式环氧浇注
2	型号		ZSCB-1500/10
3	容量	kVA	1500（6×240）
4	初级电压	kV	10
4	次级电压	kV	0.600（6组）、0.4（1组）
5	频率	HZ	50
6	相数		3
7	连接方式		600V五组Dy11； 400V一组Dyn11
8	绝缘方式		F
9	冷却方式		风冷
10	高压绝缘耐受电压	kV	35
11	高压雷电冲击电压	kV	-85
12	低压绝缘耐受电压	kV	5
13	低压侧雷电冲击电压	kV	/
14	防护等级		/
15	短路阻抗		≤5%
16	负载损耗	kW	≤16.2
	空载损耗	kW	1.68
	总损耗	kW	≤17.88
17	噪声水平	dB	65

4.3、240KW充电单元

充电单元可以实现以下功能特点：

在全功率范围内，将功率因数和谐波因数控制在标准要求的范围以内；
实现能量双向流动，可扩展为光储充一体设备，拓展更广的能源来源和更宽的应用途径；
线路简洁，高压变压器的次级绕组直接接充电机；
可靠性保障，核心模块设计寿命超过15年；
模块化设计，安装调试方便、运行维护简单。

充电单元的逻辑示意图如下：

图3 充电单元逻辑示意图

2*120kW充电单元技术参数表

序号	参数名称	技术指标	备注
1.	额定输出功率	240kW
2.	交流输入电源	600V±15% 50/60±5Hz
3.	交流输入电流	≤462A
4.	输入功率因数	≥0.99
5.	总谐波电流含量	≤5%
6.	直流输出电压范围	DC 800～1500 V
7.	恒功率电压范围	DC 800～1500 V
8.	额定输出电流	253A
9.	最大输出电流	480A
10.	稳流精度	≤±1%
11.	稳压精度	≤±0.5%
12.	电压纹波因数	≤1%
13.	输出电流误差	≤±0.3A（＜20A）、±1%(≥20A)
14.	输出电压误差	≤±0.5%
15.	软启动时间	3*8s
16.	最大效率	97%	满载
17.	待机功耗	≤10W
18.	工作温度	-30℃～55℃（55℃～75℃降额输出）
19.	保护功能	输入过压/欠压,输出过压/过流/短路，模块过温、地址冲突等
20.	尺寸

4.4、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开关矩阵方式。如下图

图4 功率开关矩阵示意图

可实现以下功能：

正常输出为每个快充回路输出为240kW；
当超充终端有充电需求时，调度6个回路中空闲回路至超级终端输出，最大可达1.5WM。

4.5、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。

兆瓦级充电终端详细参数
	产品型号	RSDC1000-3000kW
直流输出	电压范围↵	800-1500
	恒电压范围↵	1000-1500VDC
	最大电流↵	2000A（单枪）
	功率↵	3000kw
	功率因素	0.99
	效率↵	96%
协议/标准	充电协议↵	GB27930-2015、ISO15118、DIN70121
	车桩协议↵	GBT CCS1 CCS2
	后台协议↵	OCPP1.6、锐速1
	充电枪标准	CCS Stype1(ICE 1型)
	充电模式↵	IEC 61851充电模式4
	充电枪长↵	4.5 m(可选5m)+
界面/显示↵	界面接口↵	手机APP
	运行指示↵	电源(绿)、充电(黄)、故障(红)
	外部连接↵	以太网、WIFI、4G/5G(可选)
通用	散热方式↵	强制风冷+液冷
	保护功能↵	防雷、过载、过温、急停等
	安装位置↵	室外
	噪音	<65dB
	工作温度	-25～50℃
	存储温度	-40~70℃
	平均相对湿度↵	5%~95%RH↵