Battery Power and the Future of Deep-Level Mining

지하 광산에서 전기 이동성으로 전환할 때 고려해야 할 몇 가지 배터리 및 충전 기술이 있습니다.

배터리로 구동되는 채광 차량은 지하 채광에 이상적입니다.배기 가스를 배출하지 않기 때문에 냉각 및 환기 요구 사항을 줄이고 온실 가스(GHG) 배출 및 유지 관리 비용을 줄이고 작업 조건을 개선합니다.

오늘날 거의 모든 지하 광산 장비는 디젤 동력이며 배기 가스를 생성합니다.이로 인해 작업자의 안전을 유지하기 위해 광범위한 환기 시스템이 필요합니다.게다가, 오늘날의 광산 운영자는 광석 매장지에 접근하기 위해 4km(13,123.4피트)의 깊이까지 파고 있기 때문에 이러한 시스템은 기하급수적으로 커집니다.이로 인해 설치 및 실행에 더 많은 비용이 들며 더 많은 에너지가 소모됩니다.

동시에 시장도 변하고 있다.정부는 환경 목표를 설정하고 소비자는 탄소 발자국을 낮출 수 있는 최종 제품에 대해 기꺼이 프리미엄을 지불하려고 합니다.그것은 탈탄소 광산에 대한 더 많은 관심을 불러일으키고 있습니다.

적재, 운반 및 덤프(LHD) 기계는 이를 수행할 수 있는 좋은 기회입니다.이들은 광산을 통해 사람과 장비를 이동시키기 때문에 지하 채굴에 필요한 에너지 수요의 약 80%를 차지합니다.

배터리 구동 차량으로 전환하면 채광을 탈탄소화하고 환기 시스템을 단순화할 수 있습니다. Battery Power and the Future of Deep-Level Mining

이를 위해서는 이전 기술의 능력을 뛰어넘는 높은 전력과 장기간의 배터리가 필요합니다.그러나 지난 몇 년 동안의 연구 개발을 통해 적절한 수준의 성능, 안전성, 경제성 및 신뢰성을 갖춘 새로운 종류의 리튬 이온(Li-ion) 배터리가 탄생했습니다.

5년 기대

운영자는 LHD 기계를 구입할 때 열악한 조건으로 인해 최대 5년의 수명을 기대합니다.기계는 습기, 먼지 및 암석, 기계적 충격 및 진동이 있는 고르지 않은 조건에서 하루 24시간 무거운 하중을 운반해야 합니다.

전원과 관련하여 작업자는 장비의 수명과 일치하는 배터리 시스템이 필요합니다.배터리는 또한 빈번하고 깊은 충전 및 방전 주기를 견뎌야 합니다.또한 차량의 가용성을 극대화하려면 급속 충전이 가능해야 합니다.이것은 반나절 교대 패턴과 일치하는 한 번에 4시간의 서비스를 의미합니다.

배터리 교체 대 고속 충전

이를 달성하기 위한 두 가지 옵션으로 배터리 교체 및 고속 충전이 등장했습니다.배터리 교체에는 두 개의 동일한 배터리 세트가 필요합니다. 하나는 차량에 전원을 공급하고 다른 하나는 충전 중입니다.4시간 교대 후 사용한 배터리는 새로 충전된 배터리로 교체됩니다.

이점은 높은 전력 충전이 필요하지 않으며 일반적으로 광산의 기존 전기 인프라에서 지원할 수 있다는 것입니다.그러나 전환에는 들어 올리고 처리해야 하므로 추가 작업이 필요합니다.

다른 접근 방식은 일시 중지, 휴식 및 교대 근무 중에 약 10분 이내에 급속 충전이 가능한 단일 배터리를 사용하는 것입니다.이렇게 하면 배터리를 교체할 필요가 없어 삶이 더 단순해집니다.

그러나 고속 충전은 고전력 그리드 연결에 의존하며 광산 운영자는 특히 동시에 충전해야 하는 대규모 차량의 경우 전기 인프라를 업그레이드하거나 노변 에너지 저장 장치를 설치해야 할 수 있습니다.

배터리 교체를 위한 리튬 이온 화학

스와핑과 고속 충전 중 선택하면 사용할 배터리 유형을 알 수 있습니다.

리튬 이온은 광범위한 전기화학을 포괄하는 포괄적인 용어입니다.이들은 개별적으로 사용하거나 혼합하여 필요한 주기 수명, 달력 수명, 에너지 밀도, 고속 충전 및 안전성을 제공할 수 있습니다.

대부분의 리튬 이온 배터리는 음극으로 흑연을 사용하고 리튬 니켈-망간-코발트 산화물(NMC), 리튬 니켈-코발트 알루미늄 산화물(NCA) 및 리튬 철 인산염(LFP)과 같이 양극으로 다른 재료를 사용합니다. ).

이 중 NMC와 LFP는 모두 충분한 충전 성능으로 우수한 에너지 함량을 제공합니다.따라서 배터리 교체에 이 둘 중 하나가 이상적입니다.

급속 충전을 위한 새로운 화학

급속 충전을 위해 매력적인 대안이 등장했습니다.이것은 NMC로 만든 양극이 있는 리튬 티타네이트 산화물(LTO)입니다.흑연 대신 음극이 LTO를 기반으로 합니다.

이것은 LTO 배터리에 다른 성능 프로필을 제공합니다.그들은 충전 시간이 10분 정도로 짧을 수 있도록 매우 높은 전력 충전을 수용할 수 있습니다.또한 다른 유형의 리튬 이온 화학 물질보다 3~5배 더 많은 충전 및 방전 주기를 지원할 수 있습니다.이것은 더 긴 달력 수명으로 해석됩니다.

또한, LTO는 심방전이나 단락과 같은 전기적 남용과 기계적 손상을 견딜 수 있어 고유의 안전성이 매우 높습니다.

배터리 관리

OEM을 위한 또 다른 중요한 설계 요소는 전자 모니터링 및 제어입니다.그들은 전체 시스템에서 안전을 보호하면서 성능을 관리하는 배터리 관리 시스템(BMS)과 차량을 통합해야 합니다.

우수한 BMS는 또한 개별 셀의 충전 및 방전을 제어하여 일정한 온도를 유지합니다.이는 일관된 성능을 보장하고 배터리 수명을 최대화합니다.또한 충전 상태(SOC) 및 건강 상태(SOH)에 대한 피드백을 제공합니다.이는 배터리 수명의 중요한 지표이며, SOC는 운전자가 교대 근무 중에 차량을 얼마나 오래 운행할 수 있는지를 나타내고 SOH는 남은 달력 수명을 나타냅니다.

플러그 앤 플레이 기능

차량용 배터리 시스템을 지정할 때 모듈을 사용하는 것이 좋습니다.이는 배터리 제조업체에 각 차량에 맞는 맞춤형 배터리 시스템을 개발하도록 요청하는 대안적 접근 방식과 비교됩니다.

모듈식 접근 방식의 가장 큰 이점은 OEM이 여러 차량을 위한 기본 플랫폼을 개발할 수 있다는 것입니다.그런 다음 배터리 모듈을 직렬로 추가하여 각 모델에 필요한 전압을 제공하는 스트링을 구축할 수 있습니다.이것은 전력 출력을 제어합니다.그런 다음 이러한 스트링을 병렬로 결합하여 필요한 에너지 저장 용량을 구축하고 필요한 기간을 제공할 수 있습니다.

지하 광산에서 사용되는 무거운 하중은 차량이 높은 출력을 제공해야 함을 의미합니다.이를 위해서는 650-850V 정격 배터리 시스템이 필요합니다.더 높은 전압으로 업그레이드하면 더 높은 전력을 제공할 수 있지만 시스템 비용도 증가하므로 시스템은 가까운 장래에 1,000V 미만으로 유지될 것으로 생각됩니다.

4시간 연속 작동을 달성하기 위해 설계자는 일반적으로 200-250kWh의 에너지 저장 용량을 찾고 있지만 일부는 300kWh 이상이 필요합니다.

이 모듈식 접근 방식을 통해 OEM은 유형 테스트의 필요성을 줄여 개발 비용을 제어하고 출시 시간을 단축할 수 있습니다.이를 염두에 두고 Saft는 NMC 및 LTO 전기화학 모두에서 사용할 수 있는 플러그 앤 플레이 배터리 솔루션을 개발했습니다.

실용적인 비교

모듈을 비교하는 방법에 대한 느낌을 얻으려면 배터리 교체 및 고속 충전을 기반으로 하는 일반적인 LHD 차량에 대한 두 가지 대안 시나리오를 살펴보는 것이 좋습니다.두 시나리오 모두에서 차량의 무게는 6-8 m3(7.8-10.5 yd3)의 적재 용량과 함께 비적재 45톤, 완전히 적재된 60톤입니다.유사 비교를 가능하게 하기 위해 Saft는 비슷한 무게(3.5톤)와 부피(4m3[5.2yd3])의 배터리를 시각화했습니다.

배터리 교체 시나리오에서 배터리는 NMC 또는 LFP 화학을 기반으로 할 수 있으며 크기 및 무게 엔벨로프에서 6시간 LHD 이동을 지원할 수 있습니다.정격 650V, 400Ah 용량의 배터리 2개는 차량에서 교체할 때 3시간 동안 충전해야 합니다.각각은 3-5년의 총 달력 수명 동안 2,500주기 동안 지속됩니다.

고속 충전의 경우 동일한 크기의 온보드 LTO 배터리 1개의 정격이 800V, 250Ah 용량으로 15분의 초고속 충전으로 3시간 작동이 가능합니다.화학 물질은 더 많은 주기를 견딜 수 있기 때문에 5-7년의 예상 수명으로 20,000주기를 제공할 것입니다.

현실 세계에서 차량 설계자는 이 접근 방식을 사용하여 고객의 선호도를 충족할 수 있습니다.예를 들어, 에너지 저장 용량을 늘려 교대 근무 시간을 늘립니다.