电动矿卡动态充电接口（DCI）白皮书

发表时间：2025-05-31 21:26来源：IntelMining

执行摘要

动态（运动中）充电被认为是矿业领域脱碳的关键技术。对于电动矿用卡车而言，动态充电允许卡车在行驶过程中为车载电池充电，并通过电动机驱动，从而确保其可用性和利用率。对于柴油电动矿用卡车，动态充电通常能降低燃油消耗，并允许在爬坡时达到更高速度。

本白皮书首次概述了矿业矿用卡车动态充电接口（DCI）的技术要求。DCI是矿用卡车车载系统与从路边电气导体传输电能的硬件（如受电弓、集电器或电气拾取装置）之间的连接点。本白皮书考虑了电气安全、功能安全、硬件互操作性等要求，以及电气接口参数和接口设计考虑因素，旨在实现矿业领域的标准化和互操作性接口。

工作组认识到，实现这一目标将是一个迭代过程。作为起点，本白皮书考虑了“大型”卡车（即170至300+公吨的超大型露天矿用卡车）的DCI，并为其他卡车尺寸类别预留了位置。此外，鉴于该领域技术发展的快速步伐，本白皮书纳入了若干“前瞻性要求”，以应对未来可能的发展需求。

除技术内容外，本白皮书还为行业提供了背景信息和实施指南。随着行业内电气化步伐的加快，本白皮书将成为未来实施动态充电系统的有用资源，有助于促进更大的标准化和分享知识，以促进最佳实践，包括安全实践。

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矿业行业面临的一个紧迫挑战是矿用卡车在矿场运输物料时产生的温室气体（GHG）排放。柴油动力矿用卡车通常占矿山总能耗的30%–50%，一项研究估计，采矿卡车每年排放6800万吨二氧化碳（MtCO2）（Muralidharan等，2019）。因此，鉴于这一规模，矿业行业对推广零排放矿用卡车的兴趣日益浓厚。

同时，随着技术发展步伐的加快，矿用卡车的充电解决方案必须实现标准化和互操作性。这是为了提高安全性、促进创新、减少重复工作，并提高矿业行业充电解决方案的运营效率和成本效益（CharIN，2023）。这些动力促使CharIN和ICMM成立了矿业工作组，作为行业合作组织，解决矿用卡车电气化运营相关的技术问题，并开发解决方案以克服可能限制互操作性的技术瓶颈。

1.2. 白皮书的目标

本白皮书的主要目标是详细阐述矿用卡车动态（运动中）充电接口（DCI）的技术要求，以实现矿业行业的标准化和互操作性接口。为实现这一目标，在制定行业标准、原始设备制造商（OEM）特定设计或现场特定安装时，必须仔细考虑本白皮书。此外，鉴于该领域技术发展的快速步伐，本白皮书纳入了若干“前瞻性要求”，以应对未来可能的发展需求。此外，本白皮书还为行业提供了背景信息和实施指南。随着行业内电气化步伐的加快，本白皮书将成为未来实施动态充电系统的有用资源，有助于促进更大的标准化和分享知识，以促进包括安全在内的最佳实践。这也是对已经完成的工作的认可——承认本白皮书是在一些开创性工作的基础上编写的。

从广义上讲，本白皮书考虑了以下方面的动态充电：

柴油电动矿用卡车（DEHT），代表当前最先进的技术，以及正在行业中崭露头角的电池电动矿用卡车（BEHT）。

为使本白皮书适用于更广泛的矿业行业，我们考虑了露天和地下采矿作业中的动态充电，涵盖所有商品（地下煤矿除外）。

1.3. 电气化和动态充电的动机

电气化车队被认为是矿业行业为实现全球脱碳目标所能贡献的一条重要途径（CharIN，2023）。鉴于矿用卡车在矿场生产力中的关键作用，矿业行业正在寻求充电解决方案，以将对矿用卡车的可用性或利用率的影响降至最低。

动态充电代表了这样一种解决方案。本白皮书将动态充电定义为在移动设备行驶过程中，从路边电气导体向移动设备传输电能的过程①。图1.1以简化的示意图说明了这一概念，以集电辅助系统为例。

图1.1 动态充电系统的关键硬件和组件。为说明目的，使用集电系统作为示例。

①矿用卡车也可能在静止时通过相同硬件充电。此类双重用途应用正处于早期考虑阶段。虽然本白皮书将此类应用作为未来要求纳入其中，但重点在于矿用卡车行驶过程中的电能传输。

该图确定了动态充电系统中的一些关键要素②：

A. 整流器变电站

B. 路边基础设施，如支撑塔

C. 接触线或侧轨（图1.1中未显示）

D. 电源连接器，如图1.1所示的受电弓

E. 车载电源接入模块，将电能传输到矿用卡车的其余电气系统中。动态充电接口是电源连接器（D）与车载电源接入模块之间的连接点。

②第9节提供了图1.1中所示元素的进一步技术细节。

表1.1总结了动态充电系统的高级特性和优势。无论卡车类型如何，推进动力均来自动态充电系统，而非车载能源。这为在行驶过程中实现更快速度和电池充电提供了机会。

表1.1 动态充电的优势

矿用卡车类型

运行状态

电能使用方式

优势描述

柴油电动矿用卡车（DEHT）

行驶中
驱动系统推进

传动系统推进

通常上坡速度更快，燃油消耗更低

电池电动矿用卡车（BEHT）

传动系统推

进车载电池充电供电

潜在速度提升，续航里程因电池充电得以改善，与静态充电相比利用率提高（无需停车充电）

1.4. 矿业工作组动态充电接口小组的目标

DCI小组成立于2023年初，是矿业工作组的五个工作流之一。该小组就移动矿用卡车与矿场电力基础设施之间能量传输的电气、机械和通信接口要求进行合作。

该小组的目标包括：

就车载充电系统的技术接口（电气、机械和通信）达成共识和协议，允许每种卡车尺寸类别进行动态和静态充电操作。

确定动态充电的用例、卡车类别和场景，同时界定技术和解决方案的边界。

小组的长期目标是提供输入，以推动未来由标准制定组织（SDO）为矿业矿用卡车上的动态充电接口（DCI）制定标准/指南。通过实现这一目标，将为矿用卡车实现标准化和互操作性，并制定出适合矿业行业的‘适用’标准。目前，此类标准尚不存在，因此行业在寻求动态充电要求指导时，需参考相邻领域（即铁路，甚至无轨电车）的相关标准。例如，IEC 60077-3《铁路应用——机车车辆电气设备——第3部分：电技术组件——直流断路器规则》、EN 50119《铁路应用——固定装置——电气牵引架空接触线》或EN 50502《铁路应用——机车车辆——无轨电车电气设备——安全要求和集电系统》。

小组设想，该标准/指南可应用于矿业领域当前及未来的各种矿用卡车。参照第2.1节中的卡车尺寸分类，这涵盖了从‘大型’卡车（即170至300+公吨的超大型露天矿用卡车）到地下金属矿使用的20-40公吨‘小型（地下）’卡车。

本白皮书详细记录了DCI小组在2023年的工作，阐述了接口的初始用例技术要素。此外，本文还提出了下一阶段的路线图，并记录了未来需考虑的要求。

1.5. 排除范围

以下简要说明当前不在小组考虑范围内，因此未包含在本白皮书中的项目：

氢燃料电池矿用卡车：尽管氢燃料电池矿用卡车在技术上可实现动态充电，但燃料电池实际上已提供了动态充电能力。因此，小组认为在近期内，这并非关键需求。

使用非烃类燃料的矿用卡车：虽然柴油电动矿用卡车（DEHT）在本白皮书范围内（并代表当前最先进的技术），但使用‘特殊’燃料（如氢气和氨气）的矿用卡车已被排除在外。鉴于此类技术的准备程度较低，且商业可行性存在不确定性，因此做出此排除决定。

地下煤矿：本白皮书考虑了动态充电在更广泛矿业行业（商品类型、露天和地下）的应用。然而，出于第2.3节所述原因，地下煤矿的动态充电应用已被排除。

矿用卡车以外的其他车辆：小组认识到，未来其他采矿车辆（如地面平地机）可能会实现电气化，并可能受益于动态充电能力。然而，鉴于矿用卡车对采矿作业的关键重要性，为保持范围明确，本白皮书仅考虑矿用卡车的动态充电。

矿场电气基础设施：小组承认，要在矿场成功实施动态充电系统，可靠且有弹性的电气网络至关重要。例如，实现这一点可能需要安装额外的备用发电能力和/或储能系统。尽管这是一个重要议题，但考虑矿场电气基础设施超出了小组当前的重点——即矿用卡车上的DCI。

土木结构和土方工程：由上述观点延伸而来，还包括与动态充电系统相关的电气基础设施的土木结构（如混凝土板基础）和土方工程（如挖掘或风墙/路堤）。

交流系统：全球铁路行业普遍采用高压交流系统（如25 kV交流电），因其允许更高的功率容量。然而，鉴于矿用卡车与火车之间应用配置的差异，小组预计在近期内，动态充电不会采用高压交流系统。这反映了在矿用卡车上安装额外硬件（如整流系统）以利用高压交流电所带来的重量惩罚。这会占用矿用卡车的有效载荷容量——而这是其主要功能。

电源连接器系统（如受电弓、集电器、拾取装置）：电源连接器系统的规格超出了小组的范围③。这是因为某些系统已商业化可用，铁路行业已有相关标准，且不希望限制新解决方案的创新。但鉴于这些系统需要作为整体解决方案的一部分工作，我们确实提供了一些建议，可能有助于制造商——用于采矿应用或更好地与DCI集成。

适应极端环境条件的适应性：鉴于采矿行业的地理多样性，可能会遇到各种操作条件。本白皮书基于公认的常见操作条件提出了DCI性能要求。任何超出所概述范围的极端条件，均被视为超出本白皮书的范围。

系统间数据交换协议：小组将采用系统间数据交换的常用协议。我们还注意到，矿业工作组将单独开展工作，探索适合采矿应用充电系统的协议。

③本白皮书使用此术语来描述受电弓、集电器和电气拾取装置。

2. 范围

为使本白皮书定义DCI的技术要求，我们概述了动态充电的使用方式和地点，从而提供了必要的背景信息。本节讨论了本白皮书将考虑的动态充电范围，包括矿用卡车尺寸分类、动态充电技术和采矿应用等因素。

2.1. 矿用卡车尺寸分类

图2.1说明了DCI小组将考虑的卡车尺寸范围。如图所示，在所有卡车尺寸类别中，均有动态充电（集电辅助）的经验。

图2.1 DCI小组将考虑的卡车尺寸范围。图片由Boliden（‘大型’尺寸卡车）、Liebherr（‘中型’尺寸卡车）、Epiroc（‘小型（地下）’尺寸卡车）和Scania（‘小型（公路）’尺寸卡车）提供。

本白皮书将矿用卡车分为以下几类：

大型：属于设备制造商协会（AEM）EM08类别（‘刚性框架自卸车’），有效载荷大于170公吨的卡车。这些卡车用于露天采矿作业。

中型：属于AEM EM08类别（‘刚性框架自卸车’），有效载荷小于170公吨的卡车。这些卡车也用于露天采矿作业。

小型（地下）：属于AEM EM80类别（‘地下自卸车’）的卡车。

小型（公路）：根据美国GVWR分类，归类为‘8类’的卡车。这些卡车用于露天采矿作业。

如前所述，本白皮书提供了适用于所有矿用卡车类别的DCI一般技术要求（第6节），但鉴于以下原因，重点放在了‘大型’和‘中型’矿用卡车类别上：

‘大型’和‘中型’类别矿用卡车的原始设备制造商（OEM）参与了小组（Caterpillar、Liebherr和Komatsu）。因此，这提供了必要的技术输入，对塑造DCI的拟议技术要求非常有价值。

在多个采矿作业中，已有集电辅助（动态充电）的经验。

我们建议在白皮书的未来版本中考虑以下主题：

未来工作——其他卡车尺寸类别

CharIN/ICMM矿业工作组旨在加速矿用卡车电气化运营的采用，并解决互操作性方面的技术瓶颈。为与此目标保持一致，DCI小组旨在为所有矿用卡车类别提供DCI的技术要求。对于‘小型（地下）’和‘小型（公路）’类别，Epiroc和Scania已参与并为白皮书做出了贡献。让Epiroc和Scania的同行加入小组将是有益的，因为这将激发全行业的技术讨论（就像在‘大型’和‘中型’卡车类别中所取得的成就一样）。

未来工作——其他设备类型

本白皮书有意将重点放在矿用卡车上，因为这些设备类型在矿场产生显著的直接碳排放（如第1.3节所述）。但我们承认，DCI的技术要求也可能适用于各种其他采矿移动设备。因此，作为未来工作的一部分，DCI小组可能希望考虑其他采矿移动设备。

2.2. 动态充电技术

尽管小组的重点在于接口，但为提供讨论背景，我们需要考虑‘更大的画面’并考虑动态充电技术。本白皮书考虑了以下两种动态充电技术，如图2.2所示。

这些技术是基于现有实施或矿业应用中可能使用的潜力而选择的。

集电辅助：电能通过连接到架空接触网或‘集电线路’的集电器传输到矿用卡车。集电器可以是受电弓（如火车或电车所见）或安装在集电杆上的集电器头（如无轨电车所见）。集电辅助系统已在多个矿场为柴油电动矿用卡车（DEHT）部署，第3.1节和第3.2节描述了示例实施。

侧轨安装：电能通过连接到安装在运输道路侧面的电气导体的电气拾取装置传输到矿用卡车。这与某些铁路/地铁系统中的‘第三轨’解决方案相似。但区别在于，在铁路应用中，回馈/接地通过轮轨接口提供。矿用卡车应用要求侧轨上至少有两根导体——用于电源和回馈。

图2.2 本白皮书考虑的动态充电技术。集电辅助系统（图片由Komatsu提供）和侧轨安装系统（图片由BluVein提供）。

除集电辅助和侧轨安装系统外，还有为汽车和重型公路市场开发的其他动态充电技术。我们简要说明以下原因，为什么这些技术未被小组纳入本白皮书的考虑范围：

地面安装导体系统：导电轨安装在道路上，电气拾取装置在地面行驶。鉴于矿场的道路条件（即未密封、多尘），这在采矿环境中被视为不切实际。此外，由于导电轨需要安装在道路中，因此需要进行额外的土方工程。这给在某些商品（运输道路位置随采矿作业而变化）中使用带来了更大的挑战。

无线（感应）充电系统：与地面安装导体系统类似，在道路上安装使得这项技术不太可行。此外，作为无线系统，其电力传输能力低于导电解决方案。

机会充电：这是静态和动态充电的混合体。在某些应用（如公共交通）中非常有效。例如，当电池电动巴士到达站点时，在乘客上下车的同时，受电弓会伸出为巴士充电。受电弓可以安装在巴士或充电基础设施上（这被称为‘反向受电弓’）。此类系统已商业化可用，其技术要求在SAE J3105《使用导电自动连接装置的电动汽车电力传输系统》中有详细说明。然而，鉴于矿业中需要最大化设备利用率，这一解决方案对大多数采矿应用来说似乎并不实际。

然而，鉴于该领域技术发展的快速步伐，小组将对未被纳入本白皮书的动态充电技术保持开放态度。只要行业能够提出或带来令人信服的用例/应用，小组愿意在未来将这些技术纳入考虑范围。

2.3. 采矿应用

DCI小组提出的指南还需要考虑动态充电解决方案的采矿应用。鉴于‘大型’和‘中型’类别矿用卡车的原始设备制造商（OEM）的参与（第2.1节），小组最初将重点放在了所有开采商品类型的露天采矿应用上。一旦有足够的‘小型（地下）’卡车类别原始设备制造商参与，小组将把重点扩展到地下金属采矿应用。

小组不会为地下煤矿应用制定标准/指南。这是因为在此类危险环境中操作需要独特的工程设计和控制措施。例如，需要满足IEC 60079《爆炸性环境》系列标准的要求，以及任何司法管辖区的特定立法（如《2017年昆士兰煤矿安全与健康法规》）。

3. 实施示例

在各种卡车尺寸中，采矿行业都有众所周知的实施案例，而对于‘小型（公路）’类别，德国的电动高速公路是一个广为人知的系统。本节概述了这些实施案例。这是为了向行业介绍已经完成的工作，从而为用例提供具体示例，并强调动态充电适用于广泛的卡车尺寸类别和采矿应用。

3.1. ‘大型’卡车——Aitik矿（Boliden Mineral AB）

Aitik矿由Boliden Mineral AB拥有和运营，是瑞典最大的露天铜矿（Boliden，无日期）。它还因已为‘大型’尺寸卡车类别实施的集电辅助（动态充电）系统而闻名，同时也是在北极环境中首次为矿用卡车实施电动道路的系统（Lindgren等，2022）。自Aitik成功实施集电辅助后，Boliden已将其扩展至Kevitsa矿。

Aitik实施集电辅助的初始试点项目始于2017年。最初，四辆Caterpillar 795F AC矿用卡车被改装为集电辅助操作（如图3.1所示），并建造了一条700米长的测试车道，于2018年投入使用。鉴于令人鼓舞的结果，2019年底决定扩大项目规模——再改装10辆卡车进行集电辅助操作，并将集电辅助运输路线扩展至1.6公里（包括测试车道）。

当连接到集电线路时，矿用卡车可从电气系统中汲取4,500 kW的功率（Lindgren等，2022），同时燃油消耗和排放量减少80-90%。此外，当连接到集电线路时，上坡速度比仅使用柴油时提高高达100%。使用集电线路时，满载的795F可在物理坡度为10%的坚实运输道路上以28公里/小时的速度运行（Caterpillar，2020）。

图3.1 Boliden Mineral AB的Aitik矿使用的Caterpillar 795F AC矿用卡车（图片由Mats Hillblom拍摄，Boliden提供）。

3.2. ‘中型’卡车——VA Erzberg

Erzberg矿（由VA Erzberg GmbH拥有和运营）位于奥地利施蒂里亚州，是中欧最大的硬岩矿。Erzberg矿已为其100吨‘中型’尺寸卡车车队（7x Liebherr T236）实施了集电辅助系统，其中一辆卡车如图3.2所示。Erzberg矿实施的集电系统以其几个独特特点而闻名。它专为奥地利阿尔卑斯山的极端天气条件和机械的机动性（通过180°回转）而设计。使用Schimek等人（2022；2023）文章中提供的信息，本节概述了Erzberg矿集电系统的实施情况。

图3.2 Erzberg矿的Liebherr T236矿用卡车（图片由Liebherr提供）。

如图3.2所示，集电系统设计有双绝缘接触线，并采用无轨电车领域的标准组件，如集电器系统（这与受电弓不同）。其他细节包括：

接触线电压为900 V直流电±200 V，所有组件均设计为额定工作电压1500 V直流电，持续负载3000 A。根据接触线电压（如初级电压、架空线中的车辆数量、距最近整流器站的距离等），每辆T236可从架空线汲取1300至1500 A的电流。

从电气基础设施的角度来看，变电站已设计为短期峰值电流流量为6000 A（在整流器处）。这允许在接触线的每个路段中至少有三辆卡车直接跟在后面运行。

整个接触线网络覆盖4.7公里的坡道，有三个变电站（3 MVA），通过母线排进行电连接。最长的连续线路（3.8公里长）已通过二极管绝缘体分为三个部分，允许对线路的各个部分进行维护工作，而无需关闭整个系统。

最长的接触线沿着主路铺设，包括一个180°回转和几个半径低至13米的弯道。几个次要道路在不同点与主接触线相连。

当卡车接近集电系统入口时，操作员通过按下驾驶室内的按钮来激活‘集电模式’。这会自动将集电器头移动到尽可能高的位置，并以2.0米的距离展开。此外，在瞄准过程中，限速器会自动激活至7公里/小时，这允许驾驶员完全专注于‘瞄准’目标以到达入口漏斗。一旦集电器头与入口导轨接触，集电器杆的水平和垂直移动执行器就会停用，只有预载弹簧的力确保集电器头与接触线之间保持良好的接触。

一旦车辆连接到架空线并检测到接触线电压，柴油发电机操作就会关闭，同时从架空线提供的电力逐渐增加。机械连接（和断开）在0 A时进行。此外，发电机通过架空线进入发动机操作模式，驱动泵变速箱并将柴油发动机推至1300 rpm。因此，它几乎以零燃油消耗运行。该系统需要从架空线额外获取约150 kW的电能。

在T236上安装了一个集电控制箱，用于平稳切换操作模式。直流断路器保护电气系统免受过载和短路的影响。集电器头在几何上与无轨电车的非常相似——但由于需要传输更高的电流，开发了金属含量更高的新滑动元件。在安装配置下，可能的摆动范围为水平±3.0米，垂直±0.5米。

3.3. ‘小型（地下）’卡车——Kiruna卡车

尽管目前对地下金属采矿中的电池电动矿用卡车（BEHT）兴趣浓厚，但‘Kiruna卡车’仍是‘小型（地下）’卡车类别中唯一商业化的动态充电系统。

‘Kiruna卡车’首次出现在采矿行业大约是在20世纪80年代中期（Paraszczak等，2014a）。最初由Kiruna Truck Company制造，后来被GIA收购，然后是Atlas Copco（Epiroc的前身）。‘Kiruna卡车’在瑞典、加拿大、澳大利亚、西班牙、美国和哈萨克斯坦的不同矿场实施（Paraszczak等，2014b），目前在加拿大仍在运行。‘Kiruna卡车’提供35吨（EMT-35）或50吨（EMT-50）的卡车选项。有趣的是，第一版‘Kiruna卡车’是BEHT，当未连接到轨道时，使用车载电池组进行操作，然后为直流电动机供电。后来版本的卡车使用了三级辅助柴油发电机和交流电动机。对于这两个版本，动态充电都依赖于卡车从屋顶安装的（架空）三相690V交流电源线上汲取电力，该电源线由三根50毫米铜管和两根方形截面导轨组成。这可以在图3.3中看到。

与露天采矿卡车一样，‘Kiruna卡车’在满载上坡时也表现出优势。在14%的坡道上，电动卡车的上坡速度几乎是类似柴油卡车的两倍（Paraszczak等，2014b）。然而，这需要付出基础设施的成本，包括电源线设计的复杂性以及巷道中需要更宽的横截面轮廓。

Epiroc、Boliden和ABB宣布了一项联合合作，以开发具有动态充电能力的下一代地下金属采矿卡车（ABB，2021）。基于MT42，合作伙伴正在寻求在瑞典北部Kristineberg矿的卫星矿体Rävliden矿的测试轨道上开发和演示电池电动集电卡车系统。目标是在2024年在Rävliden矿实施全规模的电动集电系统。

图3.3 早期‘Kiruna卡车’在地下矿场的运行情况（图片由ABB提供）。

3.4. ‘小型（公路）’卡车——德国E-Highway（ELISA）

除了为非公路（即采矿）应用提供动态充电外，还有几个项目正在进行中，以探索公路/高速公路应用的动态充电。ELISA（‘EL ektrifizierter, I nnovativer Schwerverkehr auf A utobahnen’ = ‘高速公路上的电动化、创新型重型货运’）是德国政府资助的一个项目（Linke等，2022）。试点项目的第一阶段涉及在法兰克福至达姆施塔特之间的A5高速公路上建造一条5公里长的测试轨道（双向）。建设工作于2018年开始，测试轨道于2019年5月投入运营（Autobahn，无日期）。

这涉及安装由西门子移动提供的电气基础设施和架空导体。这包括两个1 MVA 20kV交流电/670 V直流电整流器变电站、沿5公里测试轨道的223根电线杆以及中间隔离带的另外6根电线杆（Giebel，2019）。

自2019年测试轨道投入运营以来，混合动力卡车现已每天多次在电动高速公路上行驶，并在5公里长的测试轨道上使用动态充电技术。该项目最初车队由五辆斯堪尼亚R450混合动力卡车组成，但此后又增加了七辆卡车。这些卡车为混合动力型，配备有450马力的柴油发动机，以及18.5千瓦时或74千瓦时的车载电池，并采用了西门子移动公司的受电弓系统。整个卡车车队已累计行驶约200万公里，其中5-10%的行程是在电动高速公路段完成的。这将允许在实际应用中对动态充电技术进行全面评估，包括电动高速公路如何用于短途货运（Hanesch等人，2022年）。

图3.4 一辆斯堪尼亚R450混合动力卡车在德国ELISA测试轨道上使用（图片由西门子移动公司提供）。

4. 路线图与使用案例

图4.1展示了动态充电接口（DCI）小组的高级路线图，该路线图与本白皮书中将考虑的使用案例相对应。使用案例#1代表了当前最先进的技术水平，也是本白皮书讨论的起点。如图4.1所示，我们预计行业将继续并行探索不同的使用案例，每个案例的复杂程度都在不断增加。因此，随着技术的不断发展，使用案例#2至#4的元素将构成行业的“未来状态”。

本白皮书中提出的使用案例是针对“大型”和“中型”卡车类别开发的。但一旦其他卡车类别的原始设备制造商（OEM）参与度增加，将重新审视这些使用案例，以确保捕获并纳入来自这些卡车类别的任何特定使用案例到路线图中。

图4.1 DCI小组活动的高级路线图。

我们还强调，在部署其他技术复杂系统（如自动化）时学到的经验和最佳实践，在实施动态充电系统时应加以利用。因此，矿场在实施动态充电系统时，可能会考虑运营准备和变更管理等主题。

4.1. 使用案例#1 – 当前系统

使用案例#1代表了动态充电系统的当前实现方式，如第三节所述的受电弓辅助系统。从高级层面来看，使用案例#1涉及：

自卸卡车保持其原始配置，即由原始设备制造商（OEM）制造，无论是柴油电动混合动力卡车（DEHT）还是电池电动混合动力卡车（BEHT）。它尚未被改装——例如，通过拆除发动机并改装DEHT，添加电池和其他组件，将其转变为BEHT。

动态充电系统由同一OEM和型号的自卸卡车车队使用。

即使矿场拥有一支由同一OEM制造的两个（或更多）不同自卸卡车车型组成的车队，也只有其中一个车型将使用动态充电系统。其他自卸卡车车队将不使用动态充电系统。

因此，只需考虑一个牵引母线电压。因此，电气导体电压已设计为与自卸卡车的牵引母线电压相匹配。

单向电力流向自卸卡车。自卸卡车仅从动态充电系统中“消耗”能量。虽然自卸卡车可以通过再生制动产生能量，但任何多余的能量都不会返回到矿场的电网中。

虽然自卸卡车可能配备有无线通信设备（如Wi-Fi或LTE），但它并不与电气基础设施系统通信。例如，它不提供改变整流器变电站电气导体电压的输入。

4.2. 使用案例#2 – 混合车队

使用案例#2是对使用案例#1的修改，其中动态充电系统由混合车队使用。使用案例#2的“混合”性质可能源于：

BEHT和DEHT使用动态充电系统。

同一OEM的两个（或更多）不同自卸卡车车型使用动态充电系统。

不同OEM的两个（或更多）不同自卸卡车车型使用动态充电系统。

对于使用案例#2，理想情况下，混合车队中的牵引母线电压和电气接口参数将相似或兼容。然而，如果存在显著差异，则自卸卡车上的电气系统将需要能够执行直流/直流电压转换。如第8.1节所述，可能还需要设计DCI来执行直流/直流电压转换。此外，电气基础设施将针对最高的牵引电压要求和最高的电流需求进行设计。

4.3. 使用案例#3 – V2X/与EMS的交互

使用案例#3代表了动态充电系统当前技术水平的扩展，通过实现自卸卡车与充电系统（如能源管理系统EMS）之间的集成。此外，该使用案例还设想了V2X（车辆到一切）功能。例如，V2G（车辆到电网），即自卸卡车向矿场电网提供电力；或V2V（车辆到车辆），即一辆自卸卡车的再生制动能量转移到另一辆连接到动态充电系统的自卸卡车上。如本白皮书其他部分所述（第6.1.4节），小组认识到此类功能是未来的要求。目前尚无此类功能何时需要的具体时间表。

4.4. 使用案例#4 – 改装/转换现有机械

使用案例#4反映了将现有DEHT转换为BEHT操作的兴趣日益增加。这是因为：

将车队转换为BEHT需要时间，考虑到生产周期。

此外，仍有大量DEHT剩余使用寿命较长。因此，如何处理现有车队的问题仍然存在。

从高级层面来看，这涉及从DEHT上拆除柴油发动机，并改装电池和其他BEHT操作所需的组件。本白皮书将其视为一个单独的使用案例，因为小组承认需要进行工程开发。此外，还需要评估进行改装的商业案例，这超出了本白皮书的范围。由于是改装，并非本白皮书中概述的所有功能都可能实现，因此可能需要评估并添加新的要求到未来版本的白皮书或指南中。

5. 系统图

图5.1展示了通用动态充电解决方案的系统图。为确保本白皮书描述的是通用动态充电解决方案，白皮书引用了如图5.1所示的系统和模块。例如，它引用的是“电力连接器”（即通用术语），而不是“受电弓”（即特定实例）。我们还注意到，图5.1中的系统图是针对“大型”和“中型”卡车类别设计的。但随着“小型（地下）”和“小型（公路）”卡车类别的要求被纳入，系统图很可能会进行进一步修改以反映这一点。

图5.1 动态充电系统图。在底部方框中，列出了每个元素的示例。

动态充电接口被定义为电力连接器与卡车上的电力接入模块之间的点（即“接口盒”），其中可能包含接触器、断路器和电抗器等组件。我们强调，本白皮书重点关注接口，而不是接口两侧的设计或系统。

电力接入模块连接并将电力传输到卡车电气系统，该系统由直流/直流转换器、电池和牵引系统（逆变器、电机）等其他系统组成。在数据和通信方面，电力接入模块连接到卡车控制系统。这些由自卸卡车原始设备制造商设计。

电力从电气导体（架空接触网或侧轨）由动态充电电力连接器抽取。这可以是受电弓（传统电车）或电动拾取器（侧轨安装）。电力连接器由动态充电执行器机械控制，该执行器接收来自电力接入模块的命令。

电源由矿场的电气配电网络和充电基础设施（如整流器变电站）组成。鉴于这是一个“封闭环境”，矿场所有者充当充电点运营商（CPO）。

电源的元素与现场运营系统接口，如控制推进和/或充电可用电力的能源管理系统（EMS），以及调度卡车充电的车队管理系统（FMS）。此外，在操作自动驾驶自卸卡车时，还需要与车队自动化系统接口。

如图5.1所示，与电力接入模块的通信可以通过无线（如Wi-Fi或LTE）或有线（如PLC）通信技术执行。虽然无线技术可能是首选，但白皮书考虑了所有可能选项。

表5.1概述了DCI处的连接，实施细节在第6.1节中提供。

表5.1 动态充电接口参数

名称（简称）	名称（全称）	组别	注释
DC+	正极电源	电源	电压和电流额定值见第 7 节。
DC-	负极电源	电源	电压和电流额定值见第 7 节。
PE	保护接地	接地	4-GA
DC+（24V）	24V 正极电源	通信	+24 Vdc
DC-（24V）	24V 负极电源	通信	+0 Vdc
钥匙开关	机器钥匙状态	通信	+24 Vdc
控制消息	控制消息	通信	见第 6.1.7 节

6. 要求

本节介绍并描述了DCI的要求。这涵盖了自卸卡车与矿场基础设施之间的电气、机械和通信接口。这些要求对于实现小组在第1.4节中概述的目标是必要的。

第6.1节涵盖了适用于所有卡车类别尺寸和采矿应用的通用要求，而文档的其余部分则针对特定卡车类别尺寸的要求。第2.1节解释了最初关注“大型”卡车类别的原因，并结合了此类机器的相对排放水平。但意图是在未来版本的白皮书中将其扩展到其他卡车类别尺寸和采矿应用。

6.1. 通用要求

6.1.1. 电气安全

DCI以及电力接入模块和动态充电电力连接器必须设计并制造以满足电气安全要求。这包括但不限于电弧闪光、照明、绝缘水平、短路耐受能力、接地故障保护和接地。

鉴于采矿行业的全球性，电气安全立法和标准因国家（甚至同一国家内的州）而异。因此，DCI必须遵守部署系统所在司法管辖区的电气安全立法和标准。

澳大利亚

例如，从澳大利亚采矿作业和维护的角度来看，这包括但不限于：

AS 1768 防雷保护。
AS/NZS 3000 电气安装（称为澳大利亚/新西兰布线规则）。
AS/NZS 3007 矿山和采石场的电气设备——地面装置及相关加工厂。
AS/NZS 4024 机械安全系列，包括第2901部分：机器电气设备——电压超过1000 V交流或1500 V直流且不超过36 kV的要求。
AS/NZS 4871.1 矿山和采石场的电气设备——一般要求。
AS/NZS 4871.5 矿山和采石场的电气设备——电池供电的电动移动机械。
AS/NZS 4871.6 矿山和采石场的电气设备——柴油动力机械和辅助设备。

虽然电源（即矿场的电气基础设施）超出了本白皮书的范围，但我们强调应参考AS/NZS 2067 变电站和超过1 kV交流的高压装置。

此外，鉴于这是采矿行业的一个新兴领域，借鉴相邻行业（如铁路）的丰富经验作为指导和最佳实践是有益的。例如：AS 7530 电气系统。

重要的是要注意，一些司法管辖区（例如澳大利亚）要求高压设备在需要访问电气设备时进行接地和隔离。这可能需要安装接地开关、联锁以及带电线路指示，以便对电力接入模块进行维护访问，因此也是对DCI的访问。还需要考虑行人相对于未隔离和接地的高压动态接口设备的安全通道。

美国

CFR第30卷，第I章，B子章，第18部分：电动驱动矿山设备和配件（矿山产品的测试、评估和批准）。
CFR第30卷，第I章，K子章，第56部分，K子部分：电力（安全与健康标准——地表金属和非金属矿山）。
CFR第30卷，第I章，K子章，第56部分，C子部分：防火与控制（安全与健康标准——地表金属和非金属矿山）。
CFR第30卷，第I章，O子章，第75部分，T子部分：柴油动力设备（煤矿安全与健康）。
CFR第30卷，第I章，O子章，第77部分，F子部分：电气设备——一般（煤矿安全与健康）。

加拿大

R.R.O. 1990，条例854：根据《职业健康与安全法》制定的矿山和采矿厂，R.S.O. 1990，c. O.1。
CSA C22.2 No. 0-20——一般要求——加拿大电气规范，第二部分。
C22.2 NO. 281.1-12 (R2017)（电动汽车（EV）供电电路人员保护系统安全标准：一般要求（三国标准，与UL 2231-1和NMX-J-668/1-ANCE相同））。
安大略省电气安全规范（第28版）。
CSA M421——矿山用电。

南非

1996年《矿山健康与安全法》。
1993年《职业健康与安全法》。
2006年《电力管理法》。

原始设备制造商和国际标准

从原始设备制造商的设计角度来看，这包括但不限于：

IEC 60204-1 机械安全——机器电气设备——第1部分：一般要求。
IEC 60204-11 机械安全——机器电气设备——第11部分：电压超过1000 V交流或1500 V直流且不超过36 kV的设备要求。
ISO 14990-1 土方机械——利用电动驱动和相关组件及系统的机器的电气安全——第1部分：一般要求。
ISO 14990-2 土方机械——利用电动驱动和相关组件及系统的机器的电气安全——第2部分：外部供电机器的特定要求。
ISO 14990-3 土方机械——利用电动驱动和相关组件及系统的机器的电气安全——第3部分：自供电机器的特定要求。
AS/NZS 4024.1204 机械安全——机器电气设备——第1204部分：一般要求。

6.1.2. 功能安全

接口必须设计并制造以满足相关的功能安全标准，如：

ISO 13849 机械安全——控制系统的安全相关部分。
ISO 19014 土方机械——功能安全。
IEC 61508 电气/电子/可编程电子安全相关系统的功能安全。

鉴于动态充电正常运行时可能存在的致命风险或对财产和设备的损害（如电击或机械驱动造成的挤压伤害），这是一个关键要求。因此，必须应用功能安全标准，以便DCI能够以可接受的广泛风险水平运行。

这也延伸到动态充电电力连接器的机械驱动方式。例如，在受电弓辅助系统中提升和降低受电弓，或在侧轨安装系统中伸出和缩回电动拾取器。白皮书建议使用液压控制动态充电执行器。这提供了一个用于隔离和断电的独立系统。也就是说，如果卡车电气系统出现问题，并且需要将自卸卡车从电气导体上断开连接，则可以使用卡车的液压系统或甚至外部电源来实现这一点。这将显著提高安全完整性等级（SIL）评级。

6.1.3. 硬件互操作性

与安全一样，互操作性也是小组的一个关键目标，如第1.4节所述。接口硬件应设计并制造以满足以下硬件级互操作性要求：

电源电缆应使用密封入口或端子块，如第8.2.2节所述。
使用在各个卡车类别尺寸中常见的通用连接器类型。例如，在“大型”和“中型”卡车类别尺寸中，我们建议使用Deutsch® DT系列或Tyco® Ampseal 16系列连接器的12位变体进行通信连接。
采用接口的通用引脚定义。这将允许相同的动态充电电力连接器无需任何额外修改即可连接到任何原始设备制造商的卡车上。

此外，DCI所在的电力接入模块可能是模块化的（即具有子模块）。这为动态充电系统提供了许多优势，包括硬件能够改装到现有卡车上（使用案例#4）以及易于服务和维修。

6.1.4. 电力传输

动态充电电力连接器与电力接入模块之间的电力传输是DCI的主要功能之一。接口必须设计并额定，以便对于柴油电动混合动力卡车（DEHT）能够驱动，而对于电池电动混合动力卡车（BEHT）则能够同时充电和驱动。

使用案例#1代表了当前最先进的动态充电技术。电力通过DCI从电源传输到卡车电气系统（如轮毂电机和/或电池）。白皮书认为，在不久的将来，这将是情况，电力将仅单向流动。但为了使设计具有前瞻性，一些（但并非所有）利益相关者认为，考虑DCI具有双向电力传输能力是有用的。

展望未来，一些利益相关者认为，DCI可能需要支持以下提到的未来功能。这些功能目前处于早期概念阶段，因此不是DCI的当前要求。白皮书现在正在强调这一点，以便可以在未来版本的白皮书中考虑。

未来工作——双向电力传输/V2X

对于接口支持双向电力流动以便实施涉及BEHT的车辆到电网（V2G）解决方案存在兴趣。对于采矿作业来说，鉴于潜在的好处，对V2G存在兴趣。这包括它在提供电网稳定性方面可以发挥的作用。但同样地，如果管理不当，也可能导致电网不稳定。当整个矿场转换为依赖可再生能源发电来支持自卸卡车车队的BEHT操作时，这一点将至关重要。

此外，这为再生制动产生的能量提供了除为BEHT中的车载电池充电（或将其作为热量耗散）之外的额外能量路径。

未来工作——通过DCI进行动态和静态充电

DCI应设计为能够通过单一接口支持动态和静态充电操作。例如，电力连接器设备经过适当设计和工程，以便能够为动态充电（自卸卡车行驶时）和静态充电（自卸卡车停止时，如换班时）提供通用接口。这将简化自卸卡车上的电气系统。此类功能可能需要降低电力传输额定值，这将由卡车控制系统控制。

6.1.5. 线路谐波

在设计接口时，应考虑尽量减少线路谐波，这些谐波可能会对连接到导体的其他卡车或电源造成干扰。

了解直流系统中的基频为0 Hz，并且根据严格定义，谐波并不存在，但这里的谐波指的是电压和/或电流振荡，与交流系统中的情况类似。

这份文件是《动态充电接口白皮书1.0版》，主要讨论了动态充电接口（DCI）在矿用自卸车上的应用要求、功能、电气参数、设计考虑及实施最佳实践。以下是文件的详细翻译：

6.1.6. 手动或自动操作模式

无论矿用自卸车是在手动操作模式（驾驶员在驾驶室内）还是自动操作模式（例如从控制中心远程操作）下运行，DCI的功能都必须保持一致。这一要求认识到，“大型”和“中型”类别的自卸车可能用于已实施自动驾驶采矿作业的矿场。因此，动态充电功能在手动或自动驾驶模式下都必须相同。

此外，在自动驾驶自卸车中，DCI必须连接到车辆的自动化系统，以部署或收回动态充电电源连接器。考虑到这种连接和交互，对车辆自动化系统的影响以及未来的安全考虑被突出强调。本白皮书指出，这一主题需要进一步考虑，并将成为小组未来工作的重点。

6.1.7. 与动态充电执行器的接口

DCI的另一个功能是提供卡车控制系统与动态充电执行器之间的连接，从而实现数据的双向交换。从DCI的角度定义了数据交换：

发送：数据源自卡车控制系统。DCI将其发送到动态充电执行器，以控制动态电源连接器。

接收：数据从动态充电执行器接收。DCI将其传输到卡车控制系统，提供动态充电电源连接器的必要状态。

数据的双向交换是必要的，因为它可以向手动操作自卸车的操作员或自动驾驶自卸车的自动化系统提供反馈，从而确保动态充电系统能够安全有效地运行。

至少应有一个通用/公共数据集通过接口交换，如表6.1所述。

表6.1 控制接口数据集

名称	类型	目的
连接	发送	向动态充电执行器发送命令，使动态充电电源连接器连接到电导体。
断开连接	发送	向动态充电执行器发送命令，使动态充电电源连接器从电导体上收回。
快速断开连接	发送	向动态充电执行器发送命令，使动态充电电源连接器以最高可能速率从电导体上收回。
准备连接	接收	动态充电电源连接器状态 - 准备连接到电导体。
存储	接收	动态充电电源连接器状态 - 已收起。
线路供电	接收	动态充电电源连接器状态 - 已连接到电导体且有线路电压。
故障状态	接收	动态充电执行器的故障状态。
执行器状态	接收	动态充电执行器的状态。

在物理层，DCI与动态充电执行器之间的连接应使用现有标准，如CAN（SAE J1939）或以太网。

6.1.8. 紧急停机（动态充电系统）

除了6.1.7节中描述的数据交换外，DCI还必须为动态充电系统的紧急停机提供单独的命令或信号。

紧急停机命令不会影响自卸车的推进、制动、转向、控制或其他系统。
如第0节所述，由于自卸车可以手动或自动驾驶，因此紧急停机命令必须能够由操作员或自动化系统启动。
触发后，这将迅速断开动态充电电源连接器，并切断并隔离车载动态充电系统的元件。此命令也可发送到非车载系统，然后这些系统可确定适当的操作，包括隔离和切断非车载系统的电源。
“快速断开连接”消息也可用于控制动态充电执行器并收回动态充电电源连接器。

由于此功能是车载安全系统的一部分，因此接口必须满足功能安全要求。

6.1.9. 电源连接器连接/断开

DCI硬件必须允许动态充电电源连接器安全连接和断开，同时将对自卸车速度的影响降至最低。

6.1.10. 与现场运营系统的通信

虽然自卸车配备了用于遥测或自动驾驶的Wi-Fi和LTE等通信系统，但这些系统并不用于向电源提供反馈。目前，DCI从电导体中汲取电力，由卡车控制系统决定，并与连接到动态充电系统的其他自卸车无关。

展望未来，DCI将支持额外的功能，其中一些已在本白皮书中提出并强调。这是用例#3的意图，其中DCI与现场运营系统集成，并与额外功能所需的不同数字系统进行交互。

未来工作 - “智能”功耗（与EMS和FMS集成）

用例#3设想自卸车与充电系统（如与EMS）之间的通信将是必要的。这将允许自卸车根据操作条件控制通过动态充电汲取的电力。例如：

如果发电出现问题，EMS可以要求自卸车限制其功耗，或在极端情况下，要求自卸车从动态充电中断开连接。
FMS可以确定用于充电与推进的电力比例，以优化生产力和可靠性。这需要自卸车与FMS之间的连接，以确保在采矿作业进行过程中更新计划。
向FMS和EMS传输的实际功耗信息对于“闭环”和优化接触线中剩余电力至关重要。
仅在自卸车连接并需要动态充电时才给轨道/导体通电。
DCI将通过提供与各种现场运营系统的连接性，在这一反馈循环中发挥作用。

为实现这一能力，接口还将包括外部通信能力。选项可能包括使用现有的无线通信技术（如Wi-Fi或LTE）。然而，也可以考虑其他技术，如PLC（如图5.1所示）。决策必须在明确需要与哪些系统接口后做出。此外，还需要考虑通信技术的局限性，如可靠性和范围。

7. 电气接口参数

本节根据一些常见的牵引母线电压，提出了DCI的电气参数。

如前所述，鉴于小组的初始重点，本节详细介绍了在2.6 kV DC牵引母线系统（第7.2.1节）和1.8 kV DC牵引母线系统（第7.2.2节）下运行的“大型”自卸车的DCI电气参数。其他卡车类别（“中型”、“小型（地下）”和“小型（公路）”）的DCI电气参数部分作为未来工作的占位符包含在本白皮书中。

7.1. 通用接口

通用DCI在车载电源模块上包括以下四个连接点：

电源（DC+）
电源（DC-）
保护接地
通信

位置1 - DC+（24V）

位置2 - DC-（24V）

位置3 - 钥匙开关

位置4 - CAN+

位置5 - CAN-

位置6 - CAN屏蔽

位置7 - 紧急停机

位置8-12 - 保留/未使用

7.2. “大型”自卸车

7.2.1. 2.6 kV DC牵引母线

参数 - 标称	单位	最小值	最大值	备注

功率	MW	4.5	8.5	功率是电压和电流的限制因素。
电压（U1）	kV	2.2	2.8	运行时的电压范围
绝缘电压	kV	4.5
DC纹波	%	5		电压和电流
连续电流	kA	1.6	3.9	在0 A时进行连接（和断开）
峰值电流	kA	8.0
峰值电流持续时间	s	10

表7.1 2.6 kV DC牵引母线系统自卸车的动态充电接口参数

故障条件参数	单位	值	备注
冲击电压（1.2 / 50 µs）	kV	30
过电压类别	类别	3
峰值短路电流	kA	100	基于示例“最坏情况”场景。

短路耐受能力已使用示例“最坏情况”场景确定：

三辆BEHT连接到动态充电系统，每辆自卸车汲取最大功率（8.5 MW）。因此，需求将为25.5 MW。
整流器变电站的设计容量为30 MVA。
故障发生在DC侧的整流器变电站附近。

、

基于此场景，我们估计故障电流可能高达100 kA。如果故障由馈电变压器限制，我们估计在变压器阻抗为10%的情况下，故障电流约为75 kA。（整流变压器的阻抗高于电力变压器。）Breugelmans等人（2014年）以布鲁塞尔区域快线网络（3 kV DC供电）为例，研究了限制直流牵引网络中短路电流的方法，计算出可能遇到的故障电流略高于~100 kA。但要更好地了解DCI可能遇到的故障电流，需要进一步的建模和计算。这将是未来白皮书版本的关注重点。

7.2.2. 1.8 kV DC牵引母线

参数 - 标称	单位	最小值	最大值	备注

功率	MW	4.0	8.0	功率是电压和电流的限制因素。
电压（U1）	kV	1.6	2.0	运行时的电压范围
绝缘电压	kV	3.5
DC纹波	%	5		电压和电流
连续电流	kA	2.0	5.0	在0 A时进行连接（和断开）
峰值电流	kA	8.0
峰值电流持续时间	s	10

表7.2 1.8 kV DC牵引母线系统自卸车的动态充电接口参数

故障条件参数	单位	值	备注
冲击电压（1.2 / 50 µs）	kV	30
过电压类别	类别	3
峰值短路电流	kA	100	基于示例“最坏情况”场景。

7.3. “中型”自卸车

本节为“中型”自卸车类别的电气接口要求保留。

7.4. “小型（地下）”自卸车

本节为“小型（地下）”自卸车类别的电气接口要求保留。

7.5. “小型（公路）”自卸车

本节为“小型（公路）”自卸车类别的电气接口要求保留。

8. 设计考虑 - 车载电源模块

鉴于车载电源模块对DCI的核心作用，本白皮书建议在设计该模块时应用以下设计考虑。与第7节类似，本节重点介绍“大型”和可能的“中型”自卸车类别的设计考虑。“小型（地下）”和“小型（公路）”自卸车类别的设计考虑将在未来版本的白皮书中考虑。

8.1. DC电压转换能力

车载电源模块应设计为以下类型之一：

类型1 - 其中U1 = U2，且车载电源模块内部不进行DC转换。
类型2A - 其中U1 ≠ U2，且车载电源模块内部进行DC转换，但不进行电隔离。
类型2B - 其中U1 ≠ U2，且车载电源模块内部进行DC转换，并进行电隔离。

其中U1为电源连接器电压，U2为卡车电气系统电压，如图5.1所示。

注 - 此处考虑的DC转换过程专门指车载电源模块内部的转换。卡车电气系统内部可能还存在其他DC/DC转换过程。

小组预计类型1将是最常见的实现方式，其中车载电源模块不执行任何DC转换。然而，在某些情况下，可能需要或有益于采用类型2车载电源模块。用例#2设想了混合OEM车队运营，而用例#4设想了将现有DEHT转换为BEHT运营。在这些用例中，卡车电气系统的电压可能在混合车队中有所不同。由于导体电压是固定的，因此可能需要DC转换来解决混合车队中卡车电气系统电压的差异。在这种情况下，OEM可能决定实施类型2车载电源模块。

8.2. “大型”和“中型”自卸车

8.2.1. 运行条件

车载电源模块的运行条件详见表8.1。鉴于采矿作业的全球分布，车载电源模块预计将遇到广泛的运行条件。超出表8.1所列条件的运行可能导致车载电源模块降额。

表8.1 车载电源模块的运行条件

参数	单位	值	备注
环境温度	°C	-40至+55	此温度范围反映了采矿作业的全球分布，从北极到干旱气候。此外，还需考虑太阳辐射等级。这也将对硬件温度产生影响。
湿度	%	0至100	无冷凝
海拔	m	0至2000	大多数作业将在2000 m以下进行。因此，2000 m的常见要求将满足大多数作业需求。
	m	2000+	然而，白皮书认识到，有些作业的海拔超过2000 m（例如在南美洲）。
防护等级	IP 66		根据IEC 60529外壳防护等级（IP代码）。鉴于恶劣的采矿环境，不应允许灰尘进入，并应具有一定程度的防水进入保护（IP 66）。
	IP 69K		由于可使用强力水射流清洗自卸车，因此建议采用更高级别的防水进入保护（IP 69K）。
振动/冲击	1A		对于子模块和组件，根据IEC 61373铁路应用 - 滚动 stock设备 - 冲击和振动测试。外壳和电气柜可根据OEM要求进行设计。
污染等级	3		根据IEC 60664低压系统内设备的绝缘配合。此值反映了恶劣的采矿环境。

8.2.2. 电源电缆入口

车载电源模块之间的电源电缆将通过适当尺寸的电缆 gland 或接线端子进入和离开外壳。电缆 gland 必须设计为保持 IP 等级。

8.2.3. 主动冷却

随着功率水平的提高，除了强制通风冷却外，还应考虑对车载电源模块进行主动液体冷却。

8.2.4. 绝缘监测

由于车载电源模块提供接口，因此可能包含 IMD 以协调车载和非车载系统。

8.2.5. 等电位接地和连接

在车载电源模块的设计中必须考虑等电位连接。风险和潜在故障模式将因机器和电源连接器的不同而大相径庭，并且是否允许静止充电也会有所不同。白皮书建议系统设计师根据各种系统的架构，对相关故障模式和缓解计划进行深入审查。控制动作可通过“准备连接”和“快速断开连接”通信消息通过接口传递。

8.2.6. 风载

虽然目前指定动态充电电源连接器的要求超出了本白皮书的范围，但我们注意到需要考虑风载等因素，以确保动态充电电源连接器系统的机械完整性。

8.3. “小型（地下）”自卸车

本节为“小型（地下）”自卸车类别的车载电源模块设计考虑保留。

8.4. “小型（公路）”自卸车

本节为“小型（公路）”自卸车类别的车载电源模块设计考虑保留。

9. 实施最佳实践

本节提供了实施动态充电系统时需要考虑的事项概述。由于架空接触线辅助系统已在行业中存在，我们使用此类系统的示例。但本节的概念和讨论点适用于其他动态充电技术。本节是根据“大型”自卸车的要求编写的。

我们感谢Boliden允许我们修改并包含其指南中的材料。

9.1. 电力系统

9.1.1. 电气标准

如6.1.1节所述，部署动态充电系统的司法管辖区的电气标准必须得到遵守。此外，由于动态充电将用于采矿环境，因此必须符合相关的采矿法规和采矿专用电气标准。例如，需要隔离自卸车或路边基础设施上能量的必要系统。

9.1.2. 接地和绝缘监测

接触线辅助系统采用IT（隔离地）接地配置。为防止危险的接触电位，检测基础设施或连接自卸车上的接地故障至关重要。必须使用IMD检测此类接地故障，以断开整流器变电站的断路器。如8.2.4节所述，如果车载电源模块包含IMD，则需要与整流器变电站的IMD协调。例如，当自卸车连接到接触线辅助系统时，自卸车上的IMD将被禁用。必须安装接地开关，以便对接触线辅助系统进行维护。接地开关的尺寸必须满足最大短路电流的要求。

9.1.3. 整流器变电站

为实现最佳系统，应考虑整流器变电站和架空接触线的特性。由于DEHT和BEHT均使用DC运行，因此电流需要从AC整流。有两种整流器技术：

二极管整流器在铁路部门和接触线系统中很常见。为最大限度地减少谐波，通常避免使用6脉冲二极管整流器，而是通常采用12脉冲整流器。由于输出DC电压取决于输入AC电压，因此显著的AC电压变化（例如，弱网络的特征）将影响接触线系统的运行。然而，如果变化足够慢，则可以使用整流器变压器上的分接开关来缓解此问题。

电压控制整流器允许控制输出电压，即使在系统重载时也能具有更高的输出电压。虽然它提供更好的性能，但成本更高，并且谐波的产生可能需要滤波装置（额外成本）。

这份文件是《动态充电接口白皮书1.0版》的续篇，主要讨论了动态充电接口（DCI）在矿用自卸车实施中的进一步细节，包括整流器变电站的附加系统、路边基础设施、操作考虑、坡道/运输道路设计，以及DCI小组的下一步行动和结论。以下是文件的详细翻译：

此外，整流器变电站应配备其他系统和组件，以确保接触线辅助系统的平稳运行。这包括：

浪涌保护：保护自卸车和整流器免受接触线上任何雷击的影响。
线路测试继电器：建议在闭合直流断路器之前诊断接触线。
通信、控制和监控人机界面（HMI）：带有远程接口，以确保连接在系统上的自卸车的安全、可靠和平稳运行。

如果可能，整流器变电站应尽可能靠近接触线系统，位于坡道/运输道路的中间（以最小化电压降）。但这将取决于其他因素，如矿山规划。

9.2. 路边基础设施

9.2.1. 架空结构

图9.1展示了架空结构的示意图及其主要组件，而图9.2则展示了现场安装的架空结构。

杆/柱
臂
接触线：受电弓升起时连接的电线。
承力索：位于接触线上方的电线，以帮助保持其正确高度。
吊弦：接触线和承力索之间的电线（图9.1中未显示）。
馈电线：如果接触线和吊弦的电阻对于系统来说过高，则帮助系统获得较低的电阻。
接地线：将所有杆连接到地面的电线/电缆，可在地面或空中。
定向灯：帮助操作员保持在接触线下方的灯光。
还讨论了替代方法（见第9.3.2节）。
泛光灯：照亮坡道的灯光。

图9.1展示了架空结构的示意图及其主要组件

图9.2则展示了现场安装的架空结构

9.2.2. 接触线系统末端

建议在接触线系统的两端，接触线的高度应达到受电弓的最大高度。这是为了最小化损坏的可能性。例如，如果操作员过早升起受电弓，可以减少损坏的可能性。

9.2.3. 备件

尽管采取了所有措施来最小化系统停机时间，但最终用户需要为设备损坏导致的停机时间做好准备。为了利用现有的供应链网络来获取设备和组件，建议接触线系统的设计和工程应与当地相邻的行业部门（如铁路和公用事业）保持一致，以增加备件的可用性。

9.2.4. 支撑基础

基础为架空支撑提供稳定性，需要根据架空支撑上的预期负载和地面条件进行设计。为了最小化安装时间，理想情况下基础应预制。此外，如果接触线系统打算可移动，则基础需要设计成允许这种情况发生，即使这意味着初始成本更高。

9.3. 操作

9.3.1. 负载高度测量系统

超载的自卸车可能会损坏架空接触线系统，如果负载高度超过接触线高度。根据评估，如果此类事件发生的风险和可能性高得不可接受，则最终用户应考虑实施监测系统，以警告操作员和/或防止自卸车驶入带有接触线系统的坡道。激光扫描仪（LiDAR）或视频馈送的图像处理可用于提供警告。

9.3.2. 对准

自卸车在坡道上行驶时必须正确对准接触线下方。根据系统设计，系统可能容忍一些横向移动（例如，最多1米）。根据自卸车的能力，对准和定位自卸车可能使用：

手动：操作员使用位置灯或标记来确定对准。
半手动：例如，使用LiDAR系统检测接触线位置，并为操作员提供手动校正的指导。
自动或半自动：使用车载传感器，如LiDAR或GPS，自动转向自卸车并保持对准。

9.4. 坡道/运输道路设计

虽然白皮书侧重于动态充电的电气方面，但鉴于整体系统需要在采矿环境中工作，我们提供了坡道/运输道路设计元素的简要概述，这些元素应予以考虑。

入口点：对于带有受电弓的“大型”自卸车，建议入口点为直路，以避免损坏风险（撕裂）。例如，操作员过早升起受电弓，曲线中的横向运动可能会损坏系统。

长度：鉴于基础设施相关的固定成本，接触线系统的每米成本随着坡道/道路长度的增加而降低。这是直到坡道/道路太长，以至于需要额外的整流器变电站为止。

宽度：需要考虑许多因素，包括使坡道/道路足够宽以避免交互（如果没有风墙/堤坝来分隔交通流）。拓宽坡道/道路以适应接触线将因需要开采更多废石而恶化商业案例。此外，可能需要额外的上坡运输车道，以允许未连接到动态充电的较慢移动设备与连接到动态充电的自卸车并行行驶。

保护：应考虑侧面保护（风墙/堤坝），以最小化损坏的可能性。

坡度：如果坡度变化太大，可能会出现设计问题和架空线路系统的额外成本。问题在于当坡度在短距离内变化太大时。

曲线：曲线将要求架空结构更靠近在一起（这将增加安装成本）。虽然这取决于自卸车的确切型号，但对于手动操作的自卸车，半径为150-200米可能是可能的。如果自卸车是自动驾驶的，这可以进一步减少。此外，在VA Erzberg的“中型”自卸车应用中（第3.2节），已经实现了13米的小半径。

地面条件：地面条件对于基础至关重要。否则，如果需要额外措施（如打桩），成本将会增加。

道路/坡道条件：良好的条件对于确保受电弓和接触线之间的持续连接是必要的。

爆破：根据地点和采矿作业，需要考虑爆破（即飞石）造成的损坏风险。对架空结构的损坏将导致停机，因为可能需要检查损坏并确定适当的行动方案。

10. DCI小组的下一步行动

DCI小组认识到，这份白皮书是采矿行业、自卸车和电气原始设备制造商之间围绕动态充电和未来需求进行接触的开始。白皮书已经确定了未来的工作，其中一些将在发布下一版白皮书时进一步探讨。这包括：

矿山的电气基础设施，包括车载和非车载系统之间更大的集成。
其他卡车类别尺寸，特别是“小型（地下）”和“小型（公路）”卡车类别的电气参数和设计考虑。
除自卸车外的其他设备类型。
双向电力传输（V2X）。
通过DCI硬件进行动态和静态充电。
“智能”功耗（与EMS和FMS集成）。
故障电流计算，以确定短路耐受能力。

将根据未来的讨论和接触来捕获其他主题。

11. 结论

这份白皮书代表了概述自卸车上DCI技术要求的第一次迭代。随着行业见证向电池电动自卸车（BEHT）的过渡，动态充电将发挥关键作用，因为它允许自卸车在行驶过程中既为其车载电池充电，又使用其电机推进，从而确保其可用性或利用率。鉴于未来预计将实施更多的动态充电系统，作为电气化趋势的一部分，标准化动态充电及其接口并允许互操作性至关重要。这份白皮书代表了朝着这一目标迈出的第一步。

此外，鉴于该领域技术发展的快速步伐，这份白皮书捕捉了一些“前瞻性要求”，以预见未来的发展。

最后，这份白皮书还表明，通过过去的创新和开创性工作，当前最先进的技术已经成为可能，包括第3节中讨论的实施案例。为了以安全高效的方式推进动态充电，需要捕捉并分享整个行业的这些学习成果。这份白皮书试图捕捉背景信息和实施指南，作为未来实施动态充电系统的有用资源。

12. 参考文献（略）

本文档由采矿特别工作组的动态充电接口小组创建，该小组是CharIN和国际采矿与金属理事会（ICMM）之间的合作伙伴关系，旨在解决零排放温室气体（GHG）采矿车辆电池电动充电系统互操作性方面的技术瓶颈。

此举的目的是使行业就采矿应用的标准化和互操作性DCI达成一致，从而提高安全性、推广替代解决方案、减少重复工作、潜在浪费和增强成本效益。

在准备白皮书时参考了其他有用的文件，并将继续创建和修订标准机构中的文件。本文档并非详尽无遗或固定不变，文档将继续随时间更新。