Синтез имитационной модели быстрой зарядной станции с накопителем энергии для карьерного транспорта

Представлено решение задачи выбора параметров электрозарядного устройства постоянного тока с буферным накопителем энергии для аккумуляторной карьерной транспортной техники в условиях ограничения мощности сети и минимизации времени заряда. Быстрые темпы электрификации горной отрасли способствуют увеличению количества и мощности применяемых зарядных станций. Актуальным вопросом является оптимальная инфраструктура и топология зарядных устройств. На основе анализа наиболее применяемых моделей электрических карьерных самосвалов определена требуемая мощность электрозарядной станции, способная обеспечить достаточную скорость заряда. Выполнено имитационное моделирование в программной среде MATLAB Simulink зарядной станции с шиной постоянного тока, выполняющей распределение запрашиваемой транспортным средством мощности между входным AC/DC-преобразователем и буферным накопителем энергии. Функционал синтезированной модели позволяет проводить гибкую настройку параметров, таких как мощность AC/DC-преобразователя, энергоемкость буферного накопителя и его рабочий диапазон уровня заряда, а также формировать нагрузочную диаграмму потребителя. Результаты моделирования использованы для анализа основных режимов работы электрозарядной станции с накопителем для последующего их внедрения в физическую лабораторную исследовательскую установку. Получена зависимость длительности заряда аккумуляторных батарей карьерного самосвала от энергоемкости установленного буферного накопителя, на основе которой предложен рациональный выбор параметров электрозарядной станции. Дальнейшие исследования будут направлены на расширение функционала имитационной модели, согласование с реальным графиком нагрузки, сравнение разных принципов управления и модернизации исследовательской установки.

Дедов С.И., Щуров Н. И., Штанг А. А. Синтез имитационной модели быстрой зарядной станции с накопителем энергии для карьерного транспорта // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2024. — № 11−1. — С. 187—200. DOI: 10.25018/0236_1493_2024_111_0_187.

Дедов Сергей Игоревич¹ — канд. техн. наук, доцент каф. Электротехнических комплексов, dedov@corp.nstu.ru, ORCID ID: 0000−0003−4750−3927;
Щуров Николай Иванович¹ — докт. техн. наук, профессор, заведующий каф. Электротехнических комплексов, e-mail: shhurov@corp.nstu.ru, ORCID ID: 0000−0002−5459−9544;
Штанг Александр Александрович¹ — канд. техн. наук, доцент, доцент каф. Электротехнических комплексов, shtang@corp.nstu.ru, ORCID ID: 0000−0001−9772−1784;
¹ Новосибирский государственный технический университет, Новосибирск, Россия, 630073.

Дедов С. И., e-mail: dedov@corp.nstu.ru.

1. Lindgren L., Grauers A., Ranggård J., Mäki R. Drive-Cycle Simulations of BatteryElectric Large Haul Trucks for Open-Pit Mining with Electric Roads // Energies. 2022, vol. 15, no. 4871, pp. 1–19. DOI: 10.3390/en15134871.

2. Moore P. Plugging the gap underground // Mining Mag. 2010, vol. 201, no. 11, pp. 40–46.

3. Paraszczak J., Svedlund E., Fytas K., Laflamme M. Electrification of Loaders and Trucks — A Step Towards More Sustainable Underground Mining // RE&PQJ. 2014, vol. 1, no. 12, pp. 81–86. DOI: 10.24084/repqj12.240.

4. Grycan W. Electric Vehicles in Mining for the Aspect of Operational Safety // Przegląd Elektrotechniczny. 2022, pp. 110—113. DOI: 10.15199/48.2022.12.27.

5. Sánchez F., Hartlieb P. Innovation in the Mining Industry: Technological Trends and a Case Study of the Challenges of Disruptive Innovation // Mining, Metallurgy & Exploration. 2020, vol. 37, pp. 1385–1399. DOI: 10.1007/s42461−020−00262−1.

6. Yanbiao Feng, Zuomin Dong. Optimal energy management with balanced fuel economy and battery life for large hybrid electric mining truck // Journal of Power Sources. 2020, vol. 454. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2020.227948.

7. Jacobs W., Hodkiewicz M. R., Bräunl T. A Cost–Benefit Analysis of Electric Loaders to Reduce Diesel Emissions in Underground Hard Rock Mines // IEEE Transactions on Industry Applications. 2014, vol. 51, iss. 3. DOI: 10.1109/TIA.2014.2372046.

8. Esfahanian E., Meech J. A. Hybrid Electric Haulage Trucks for Open Pit Mining // IFAC Proceedings Volumes. 2013, vol. 46, no. 16, pp. 104–109. DOI: 10.3182/20130825−4US-2038.00042.

9. Zhou M., Gao Z., Zhang H. Research on regenerative braking control strategy of hybrid electric vehicle // Proceedings of 2011 6th International Forum on Strategic Technology. 2011. DOI: 10.1109/ifost.2011.6021027.

10. Brenna M., Foiadelli F., Leone C., Longo M. Electric Vehicles Charging Technology Review and Optimal Size Estimation // Journal of Electrical Engineering & Technology. 2020, no. 15, pp. 2539–2552. DOI: 10.1007/s42835−020−00547-x.

11. Xi Chen, Kai Xing, Feng Ni, Yujie Wu, Yongxiang Xia. An Electric Vehicle Battery-Swapping System: Concept, Architectures, and Implementations // IEEE Intelligent Transportation Systems Magazine. 2021, vol. 14, no. 5, pp. 175—194. DOI: 10.1109/ MITS.2021.3119935.

12. Zaibao Xiong, Lei Li, Di Xu, Guang Su, Huaguang Wang, Yanning Li. Research on Application of DC Microgrid Heavy Truck Battery Charging-Replacement Station // 2022 7th Asia Conference on Power and Electrical Engineering (ACPEE). 2022. DOI: 10.1109/ ACPEE53904.2022.9783673.

13. Md Ahsanul Hoque Rafi, Rennie R., Larsen J., Bauman J. Investigation of Fast Charging and Battery Swapping Options for Electric Haul Trucks in Underground Mines // 2020 IEEE Transportation Electrification Conference & Expo (ITEC). 2020. DOI: 10.1109/ ITEC48692.2020.9161654.

14. Ata Meshginqalam, Muhammad Hosnee Mobarak, Jingting Dong, Md. Ahsanul Hoque Rafi, Rennie R., Bauman J. An Optimization Algorithm for the Design of Battery Electric Fleets in Underground Mines // IEEE Access. 2024, vol. 12, pp. 8513—8525. DOI: 10.1109/ACCESS.2024.3353108.

15. Xiangqi Zhu, Barry Mather, Partha Mishra. Grid Impact Analysis of Heavy-Duty Electric Vehicle Charging Stations // 2020 IEEE Power & Energy Society Innovative Smart Grid Technologies Conference (ISGT). 2020. DOI: 10.1109/ISGT45199.2020.9087651.

16. Ertugrul N., Kani A. P., Davies M., Sbarbaro D., Morán L. Status of Mine Electrification and Future Potentials // 2020 International Conference on Smart Grids and Energy Systems (SGES). 2020. DOI: 10.1109/SGES51519.2020.00034.

17. Kuan-Hung Chen, Min Ji Namkoong, Vishwas Goel, Chenglin Yang. Efficient fast-charging of lithium-ion batteries enabled by laser-patterned three-dimensional graphite anode architectures // Journal of Power Sources. 2020, vol. 471. DOI: 10.1016/j. jpowsour.2020.228475.

18. Gagandeep Sharma, Sood V. K., Mohammad Saad Alam, Samir M. Shariff. Comparison of common DC and AC bus architectures for EV fast charging stations and impact on power quality // eTransportation. 2020, vol. 5. DOI: 10.1016/j.etran.2020.100066.

19. Tingting He, Jianguo Zhu, Dylan Dah-Chuan Lu, Linfeng Zheng, Mahlagha Mahdavi Aghdam, Jianwei Zhang. Comparison study of electric vehicles charging stations with AC and DC buses for bidirectional power flow in smart car parks // IECON 2017−43rd Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society. 2017. DOI: 10.1109/ IECON.2017.8216794.

20. Savio A. D., Verma R., Kanagaraj L., Giri Thulasi Raman S. R., Rajamanickam N., Chokkalingam B., Sekar K. M., Mihet-Popa L. Electric Vehicles Charging Stations’ Architectures, Criteria, Power Converters, and Control Strategies in Microgrids // Electronics. 2021, vol. 10, no. 16. DOI: 10.3390/electronics10161895.

21. Ganta Naveen, Tony Ho-Tung Yip, Yuyu Xie. Modeling and protection of electric vehicle charging station // 2014 6th IEEE Power India International Conference (PIICON). 2014. DOI: 10.1109/POWERI.2014.7117733.

22. Shchurov N. I., Dedov S. I., Malozyomov B. V., Shtang A. A., Andriashin S. N., Martyushev N. V., Klyuev R. V. Degradation of Lithium-Ion Batteries in an Electric Transport Complex // Energies. 2021, vol. 14, iss. 23, 1872. DOI: 10.3390/en14238072.