Résumé : Porté par les objectifs conjoints de durabilité environnementale et d’efficacité économique, le secteur du transport portuaire‑minier connaît une transformation guidée par les technologies électriques. Au cœur de cette évolution figure l’adoption de camions-bennes miniers entièrement électriques, qui suscitent un intérêt croissant en raison de leurs émissions nulles, de leur faible niveau sonore et de leurs avantages économiques à long terme. Toutefois, cette transition pose également des défis majeurs pour les infrastructures de recharge.

Les camions miniers électriques et les véhicules de transport lourds sont généralement équipés de batteries de grande capacité et de systèmes haute tension, ce qui exige une infrastructure de recharge à haute puissance pour permettre des charges rapides. Pour relever ce défi, les réseaux électriques des ports et des mines doivent être modernisés. Une solution courante consiste à mettre en place un système d’alimentation directe dédié en haute tension de 10 kV.

L’utilisation d’une alimentation haute tension de 10 kV permet une connexion directe au système de recharge, rendant possible une fourniture d’énergie de l’ordre du mégawatt afin de répondre aux exigences des chargeurs ultra‑rapides. Ce système haute tension peut améliorer sensiblement l’efficacité de la recharge et réduire le temps de charge des camions miniers électriques et des véhicules lourds, contribuant ainsi à accroître l’efficacité opérationnelle globale.

Dans un tel système, la borne de recharge peut délivrer jusqu’à 1 500 V et 1 500 A, permettant à l’infrastructure de charge d’alimenter rapidement les batteries de grande capacité des camions miniers électriques et des véhicules de transport lourd en énergie. Cette capacité de charge à haute puissance est indispensable pour garantir que ces véhicules électriques puissent répondre aux exigences élevées en matière de transport propres aux opérations portuaires et minières.

Cet article présente un système de suralimentation de grande puissance, de l’ordre du mégawatt, alimenté directement par le réseau haute tension de 10 kV d’une mine située sur le côté bâbord.

Mots-clés : Camions miniers électriques pour applications lourdes ; alimentation électrique haute tension de 10 kV ; chargeur de classe mégawatt ; courant de charge à un seul pistolet de 1 500 A ; unité de distribution d’énergie.

Introduction : Dans les secteurs portuaire et du transport minier, les camions miniers entièrement électriques et les camions lourds sont progressivement en train de s’imposer comme la nouvelle norme industrielle. À mesure que la capacité des batteries et les niveaux de tension de ces véhicules électriques augmentent, la demande en puissance des systèmes de recharge s’accroît en conséquence. À l’heure actuelle, pour relever ce défi, les systèmes électriques des mines situées en bord de port sont passés à une alimentation directe provenant d’un réseau haute tension dédié de 10 kV. Cet article propose une analyse détaillée des besoins en matière de recharge des véhicules et examine les stratégies permettant de répondre à ces exigences.

1. Répond aux exigences de charge haute puissance de divers sites, avec une alimentation domestique de 10 kV :

Afin de répondre aux exigences de charge à haute puissance des différents sites nationaux, le système de recharge doit être compatible et fonctionner de manière stable sous une tension d’entrée de 10 kV. Cela impose l’utilisation de transformateurs haute performance et d’équipements de régulation de tension, afin d’assurer la stabilité de la tension d’entrée et de s’adapter aux diverses conditions du réseau.

2. Sortie de charge à six canaux, d’une puissance de 240 kW par pistolet ; les six canaux peuvent être regroupés en un seul circuit pour atteindre une puissance de 1,5 MW.

Le système est conçu avec six circuits de charge indépendants, chacun capable de délivrer une puissance de charge de 240 kW. Lorsque des puissances de charge plus élevées sont requises, ces six circuits peuvent être regroupés en un seul circuit de super‑charge, offrant une puissance maximale de 1,5 MW. Cette architecture garantit à la fois la flexibilité nécessaire pour charger plusieurs véhicules simultanément et la capacité de répondre aux exigences de puissance élevée liées à la charge rapide de chaque véhicule.

3. Courant de charge d’un seul canon : 1500 A ; tension maximale : 1500 V :

Pour répondre aux exigences d’une charge à haute tension et à fort courant, les conceptions de pistolets de recharge doivent pouvoir supporter des courants allant jusqu’à 1 500 A et des tensions pouvant atteindre 1 500 V. Cela impose des exigences extrêmement strictes en matière de matériaux, de conception et de procédés de fabrication du pistolet de recharge, afin d’en garantir la sécurité et la fiabilité.

4. La tension de sortie de charge est d’environ 1500 V DC, avec une capacité de batterie de 500 à 600 kWh et un taux de charge d’environ 2 à 3 C.

Compte tenu du niveau de tension et de la capacité du pack batterie, le système de charge doit être capable de fournir une tension de sortie d’environ 1 500 V continu afin d’être compatible avec le système batterie du véhicule. Par ailleurs, avec une capacité de batterie comprise entre 500 et 600 kWh, le système de charge doit pouvoir supporter des taux de charge allant jusqu’à 2 à 3 C, ce qui implique qu’il doit être en mesure d’injecter des quantités importantes d’énergie dans la batterie en un temps relativement court.

Pour répondre aux besoins de recharge des camions miniers tout électriques, utilisés dans les transports portuaires et miniers, le système de charge doit intégrer des capacités de conversion et de contrôle de puissance de haute performance, ainsi qu’une conception de pistolet de recharge capable de supporter des tensions élevées et des courants importants. En outre, ce système doit offrir une compatibilité et une évolutivité robustes afin de s’adapter à des exigences de recharge diversifiées, propres à chaque site et à chaque type de véhicule. Grâce aux progrès technologiques continus et à l’innovation, il est raisonnable de penser que de tels systèmes de recharge constitueront une base solide pour l’électrification des ports et des mines, conduisant l’ensemble du secteur vers une efficacité accrue et une durabilité environnementale renforcée.

II. Conception globale d’un système de recharge haute tension de 10 kV, de classe mégawatt

Sur la base de plusieurs modules de charge haute puissance typiques — tels que 120 kW, 240 kW, 400 kW, 600 kW et 1500 kW — nous avons conçu des produits standardisés afin de répondre aux scénarios de charge haute puissance, caractérisés par des puissances nominales et des configurations de circuits de charge variées. Le système de charge haute tension de 1,5 MW est prévu comme suit : une alimentation de 10 kV pénètre dans un transformateur redresseur spécialisé via une unité d’alimentation en anneau ; le secondaire du transformateur est configuré pour fournir six canaux de charge de 240 kW, permettant d’alimenter six chargeurs de 240 kW (un canal supplémentaire étant réservé à la consommation électrique courante de la station). Sous le contrôle de l’unité de supervision, ce système assure l’ensemble du processus de service de charge. Sa configuration est illustrée sur la figure ci‑dessous.

Figure 1 : Système de charge haute tension de 1,5 MW doté d’une capacité de charge à forte puissance

III. Défis liés au développement d’un système de recharge haute tension de 10 kV, de classe mégawatt, et solutions correspondantes

Dans le secteur du transport portuaire‑minier, l’adoption généralisée de camions miniers et de véhicules lourds entièrement électriques a accru les exigences pesant sur les infrastructures de recharge. En particulier lors de la mise au point de systèmes de recharge de classe mégawatt, la gestion thermique et les technologies de modules haute puissance se sont imposées comme des défis techniques cruciaux. Afin de surmonter ces obstacles, nous avons proposé une série de solutions innovantes.

1. Canal de ventilation et de dissipation thermique indépendant : Afin de maîtriser efficacement la chaleur générée par les systèmes de charge de classe mégawatt, nous avons conçu des canaux de ventilation et de refroidissement dédiés. Cette conception garantit que chaque module dispose de son propre chemin dédié à la dissipation thermique, sans interférence entre eux, ce qui maximise l’efficacité thermique globale du système. Grâce à des simulations précises de dynamique des fluides numérique (CFD), nous avons optimisé le flux d’air afin d’assurer une conduction thermique rapide et un refroidissement par convection.

2. Dissipation thermique du système de refroidissement par liquide : Pour les stations de suralimentation haute puissance, nous avons opté pour un système de refroidissement par liquide comme solution de gestion thermique. Par rapport au refroidissement naturel traditionnel, les systèmes de refroidissement par liquide offrent une gestion thermique plus efficace. Grâce au fluide caloporteur circulant, la chaleur est rapidement évacuée et transférée vers un emplacement éloigné du module de charge afin d’être dissipée. Cette conception améliore non seulement l’efficacité de la dissipation thermique, mais réduit également le niveau sonore de fonctionnement de l’appareil.

3. Utilise la technologie de module de charge IGBT de 120 kW : Afin de répondre aux exigences d’efficacité élevée, de stabilité et de longue durée de vie, nous avons adopté la technologie des modules de charge à IGBT (transistor bipolaire à grille isolée) de 120 kW. Un IGBT est un dispositif semi-conducteur à haut rendement, adapté aux applications à haute tension et à fort courant. Ces modules fournissent une puissance de charge stable tout en maintenant un rendement élevé de conversion d’énergie, réduisant ainsi les pertes thermiques et prolongeant la durée de vie des modules.

Grâce à ces mesures techniques, nous avons efficacement surmonté les défis liés à la dissipation thermique et aux modules de forte puissance dans les systèmes de recharge de classe mégawatt. Cela renforce non seulement les performances et la fiabilité du système de recharge, mais apporte également un solide appui technique à l’électrification des ports et des exploitations minières.

IV. Composition du système de recharge haute tension 10 kV de classe mégawatt

4.1 Unité haute tension

Appareillage d’entrée haute tension ; Armoire de comptage haute tension ; Appareillage de sortie haute tension ;

4.1.2 Ligne d’arrivée haute tension

Le système de recharge intégré haute tension de 1,5 MW pour véhicules électriques comprend une unité principale à haute tension, composée d’un coffret d’alimentation d’entrée, d’un coffret de comptage et d’un coffret de distribution de sortie.

Dans le cadre de ce dispositif, la comptabilisation est effectuée aux points d’alimentation et de consommation en haute tension. Un compteur principal est installé au sein de l’unité de réseau en anneau, et les transformateurs de mesure sont approuvés par l’autorité de fourniture d’électricité. Les compteurs d’électricité transmettent les données de consommation d’énergie, par voie filaire ou sans fil, au système du réseau (ou à d’autres systèmes désignés) pour traitement.

Le schéma du système de l’unité principale en anneau à trois unités est présenté dans le tableau ci‑dessous : (La conception définitive sera soumise au plan de l’autorité d’alimentation électrique.)

Figure 2 : Schéma unifilaire du système d’unités de sectionnement à trois unités

4.2 Unité redresseur de sous-station

Les paramètres techniques du transformateur sont les suivants : Tableau des paramètres techniques des transformateurs redresseurs spéciaux triphasés (norme nationale)

4.3, unité de charge de 240 kW

L’unité de charge peut offrir les fonctionnalités suivantes :

• Dans toute la plage de puissance, le facteur de puissance et la distorsion harmonique doivent être maintenus dans les limites prescrites par les normes pertinentes.
• Il permet un flux d’énergie bidirectionnel et peut être intégré à un système combiné solaire‑stockage‑recharge, élargissant ainsi la gamme des sources d’énergie et la diversité des scénarios d’application.
• Le circuit est simple, le secondaire du transformateur haute tension étant raccordé directement au chargeur.
• Assurance de la fiabilité : les modules principaux sont conçus pour une durée de vie supérieure à 15 ans.
• La conception modulaire garantit une installation et une mise en service aisées, ainsi qu’une exploitation et une maintenance simplifiées.

Le schéma logique de l’unité de charge est le suivant :

Figure 3 : Schéma logique de l’unité de charge

Fiche technique des unités de charge de 2 × 120 kW

4.4 Unité de répartition de la puissance de charge

Conformément aux exigences, l’unité d’agrégation et de dispatching de puissance de charge haute tension de 1,5 MW utilise une topologie à matrice de commutation, comme le montre la figure ci‑dessous.

Figure 4 Schéma de la matrice de commutation d’alimentation

Les fonctions suivantes peuvent être mises en œuvre :

• La puissance nominale est de 240 kW par circuit de charge rapide.

• Lorsqu’un terminal de suralimentation enregistre une demande de charge, le système attribue au dispositif de suralimentation un circuit inactif parmi six circuits disponibles, avec une puissance maximale de 1,5 MW.

4.5 Terminal de charge

Ce système de recharge haute tension d’une puissance de 1,5 MW comprend six bornes de recharge à refroidissement liquide, dont l’une est une superborne de classe mégawatt.

V. Conclusion

Dans les ports d’aujourd’hui Dans le secteur du transport minier, les camions de chantier tout‑électriques remplacent progressivement les véhicules traditionnels à moteur thermique, grâce à leur respect de l’environnement et à leur haute efficacité. Ces véhicules électriques sont équipés de batteries de grande capacité et de packs-batteries haute tension, afin de répondre aux exigences des opérations longues et intensives. Par conséquent, de nombreuses entreprises portuaires et minières ont déjà adopté des systèmes alimentés par des solutions autonomes… 10KV Dans un système d’alimentation en courant continu à haute tension, le réseau est directement raccordé au chargeur, ce qui permet de fournir une puissance de charge importante.

Cette conception de système d’alimentation haute tension permet au terminal de charge de supporter un maximum de 1500V la tension et le maximum 1500A Les indicateurs de puissance et de performance actuels permettent aux équipements de recharge de répondre aux besoins variés de charge des différents véhicules électriques. Qu’il s’agisse d’une recharge avec un seul pistolet ou de la recharge simultanée à l’aide de quatre pistolets, le système assure des services de charge stables et efficaces. Cela simplifie considérablement le processus de recharge et surmonte les difficultés liées à la recharge multi‑pistolets que les camions électriques lourds peuvent rencontrer dans des conditions d’exploitation réelles.

Dans les secteurs portuaire et minier, l’adoption généralisée des technologies d’alimentation électrique à haute tension et de recharge multi-pistolets a non seulement renforcé l’efficacité opérationnelle des véhicules électriques, mais elle a également généré d’importants avantages économiques. En réduisant la consommation de carburant et en abaissant les coûts d’exploitation, ces technologies ont permis aux entreprises de réaliser des économies substantielles. Par ailleurs, sur le plan sociétal, elles contribuent à limiter les émissions de gaz à effet de serre, favorisant ainsi le développement durable des industries portuaire et minière.

Biographie de l’auteur : Qin Jianji Directeur de la recherche et du développement au sein de Guangzhou Ruisu Intelligent Technology Co., Ltd., spécialisé dans l’application industrielle des systèmes de recharge haute puissance, de l’ordre du mégawatt, pour les véhicules électriques dans les secteurs portuaire, minier et métallurgique, permettant une recharge autonome, à haute tension et à forte puissance.

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