兰格德的白皮书得出的核心结论是：相比许多人推崇的电池-架线技术，采用静态充电的电池电动车在采矿领域的应用潜力更大。这一结论基于以下几点：电池成本应该更低；作业周期内充电（即所谓的“在循环内充电”）并非如一些人认为的那样“不可行”；电池卡车需要提供的不仅仅是生产效率和载重能力；同时，卡车电池的容量也需要进一步提升。这一结论得到了博利登高级开发工程师奥拉夫·厄马克（Olav Öhmark）模拟研究的支持。
在进一步探讨这些论点之前，有必要先了解兰格德的背景，包括他的从业经验以及博利登公司在这一领域的实践。
与大多数专注于露天矿山电气化项目的工程师不同，兰格德不仅负责矿山电气化，还参与了公共道路运输领域的电气化工作。博利登公司在运营中同时应用了这两种技术，这使兰格德在这一领域的视角更具广度和深度。
约纳斯·兰格德在澳大利亚西澳珀斯举行的2024电动矿山大会（The Electric Mine 2024）上发表演讲
博利登公司：矿业领域的“领头羊”
博利登并非普通的矿业公司。其矿山主要依靠可再生能源供电，且在行业中以前瞻性著称。博利登率先投资金属回收和低碳产品的生产，以此在竞争中脱颖而出。此外，博利登与以创新科技闻名的北欧科技界保持着紧密合作关系，这为其带来了独特的技术优势。
尽管如此，这些优势并未削弱兰戈德（Ranggård）关于矿山电气化未来的观点。博利登在测试行业内提出的多种技术方面表现积极，不论是“过渡性”方案还是直接助力实现净零排放的终极方案。例如，在其位于瑞典北部的两座大型露天矿——艾蒂克矿（Aitik）和凯维萨矿（Kevitsa），博利登投入了大量资源，安装了电车辅助系统，并购置了柴油-电力混合驱动的超大型卡车进行运行。同样，博利登还为地面运输和地下矿山购置了电池驱动设备。
兰戈德的观点并非基于理论推算，而是来源于实际操作的经验。
破解电池成本迷思
“电池并非高不可攀，”兰戈德指出。“一个粗略的标准是，每兆瓦时的成本超过100美元就不具竞争力。”这一成本基准在公共道路货运领域已逐步实现。据兰戈德介绍，该领域的原始设备制造商（OEM）基于电池产量不断增长的预期，以及市场竞争所需的成本结构，正在提供更具价格优势的电池车辆。
这些公共道路货运制造商主要采用两种电池化学技术——镍钴锰（NMC）和磷酸铁锂（LFP）。兰戈德表示，这两种技术以及钛酸锂（LTO）技术，也最适用于矿业领域。未来几年，LFP将在市场份额上超越NMC，而尽管LTO的能量密度较低且成本较高，但在对续航要求不高的场景中仍具备一定的应用潜力。
为实现最佳性能，这些电池技术需要优化使用，而降低放电深度（DoD）是关键。“要减少电池放电深度，主要有两种解决方案：更频繁地充电，或者加大电池组的容量。”兰戈德解释道。
然而，问题往往出现在电池组件的整体开发层面。兰戈德指出，目前矿山设备制造商正试图“在内部开展极其复杂的开发工作”，但由于开发成本需由有限的客户分摊，导致整体价格居高不下。
兰戈德认为，采矿行业应该再次参考公共道路货运领域的经验——这些卡车如今以柴油驱动的形式已被广泛应用于矿山作业。
“尽管目前市场上的电池卡车电池组成本是普通乘用车的2至3倍，但它们的价格仍然远低于专门为矿业设计的电池组。”他说。
目前，博利登已经在瑞典坎克贝里（Kankberg）矿山的地下作业中使用了沃尔沃电池卡车。
博利登公司已经在瑞典坎克贝格矿山的地下作业中使用了一辆沃尔沃电池卡车。
针对矿业设备制造商（OEM）所宣称的“耐用性”理由，朗戈德（Ranggård）并不认同。他指出：“我们对普通沃尔沃和斯堪尼亚卡车（用于地下运输）的振动情况进行了测试，并与超大型卡车的振动情况进行对比，结果发现，二者的振动或冲击力基本相当。”
他承认，为了满足矿山环境的特殊需求，确实需要增加一些额外的安全措施，比如防落石保护。但他认为，这并不足以成为从零开始重新设计整个电池包的理由。
朗戈德的核心观点是，电池的本质应该是“廉价”的。他认为，矿业专用供应商如果试图通过开发定制电池解决方案进入市场，将面临巨大挑战。
他以中国为例进行了说明：“未来，我们会看到矿业设备制造商受到来自公共道路电动车供应链的竞争压力，例如追赶特斯拉和比亚迪的供应商。这些企业会将同样的电池包应用于建筑和矿用设备上。比如，徐工集团最近宣布与比亚迪合作，建立了一座大型电池包工厂。在这种情况下，西方矿用车辆制造商很难在生产规模和成本上与之抗衡。”
朗戈德特别关注电池价格，因为据他所知，大多数矿业设备制造商提供的电池电动卡车，其初始成本与柴油电动卡车相同，但并不包含电池和DC-DC转换器。这意味着，电池和相关基础设施的成本必须具备足够的竞争力，才能让电气化方案在经济上可行。
电池的关键在于能源使用成本，这取决于电池单体价格、电池包价格，以及在限定充电状态下的使用寿命（循环寿命）。这些成本必须能够与柴油价格竞争，才能在运行成本上展现出优势。
“举个例子，柴油价格按每升1美元计算，其折算效率大约是300美元/兆瓦时，”朗戈德解释道。“因此，要具备成本竞争力，电池的能源使用成本加上电价，必须低于300美元/兆瓦时。最好还能留出一定的成本余地，用于支付基础设施建设费用以及因充电导致的效率下降（需要增加更多车辆投入运营）。”
因此，如果电池价格进一步下降，或者其使用寿命延长，电池电动卡车的经济效益将随着使用频率的提高而显著增加。
“电气化的商业逻辑几乎完全依赖于这种成本节约，”朗戈德总结道。“但如果电力价格过高，或者电池成本过于昂贵，那么即使全面推进电气化，也无法实现投资回报。”
在比较柴油与电池的能耗成本时，需要将电池的单位使用成本计算在内。这与所选电池组的容量密切相关。
根据Ranggård的观点，电池组的容量越大越好，因为更大的容量可以适应矿山作业计划的变化，同时也能最大限度地延长电池的使用寿命。他认为，矿业公司需要摒弃对载重量的过度关注，而将更多精力放在运营成本上。
“目前市场上的一些第三方电池组解决方案表明，在不对220吨矿用卡车进行大幅改造的前提下，可以安装约1,000千瓦时的LTO电池，或3,000至4,000千瓦时的LFP电池，具体取决于所采用的电池组设计方案，”Ranggård表示。
“遗憾的是，我们注意到许多（但并非全部）矿用设备制造商因为过于担心载重量，采用了容量不足的电池方案。这些方案往往存在电池设计不优化的问题，并且对动态充电方式有不切实际的依赖。”
相比之下，公共道路运输行业并不存在这些问题。Ranggård指出，在公共道路运输领域，供应商更加注重续航里程，而不是载重量，因为他们已经拥有具有成本竞争力的电池解决方案，即使牺牲部分载重量，也能实现良好的经济效益。
“此外，如前所述，电池容量越大，不仅寿命更长（单位能耗成本更低），还可以支持更高的充电功率，”他补充道。
Ranggård以一款应用于矿山作业的公共道路电动卡车为例，进一步解释这一观点。模拟数据显示，即使在700米的提升高度下，这款配备500至600千瓦时电池的卡车也能够在满载情况下连续上下运行三小时，无需充电。在这个案例中，即使电池被完全用到极限，价格合理的电池方案依然能够使运输成本低于柴油卡车。“更令人振奋的是，这甚至还不是该型号卡车所能配备的最大电池容量，”Ranggård补充说道。
电量状态模拟：以博利登（Boliden）地下矿山中的一辆“常规”公路卡车为例
如果采用与此示例相同的能量/载荷比，一辆220吨的卡车将配备近6000千瓦时的电池容量。
充电难题
关于这辆220吨卡车的充电问题，有一个关键问题需要考虑：应选择车载充电系统还是车外充电系统？
车载充电系统通过直接连接到卡车的直流母线，利用车载直流-直流转换器进行电能传输——这种方案通常用于动态充电场景。而车外充电则是通过充电站直接与电池连接进行充电（类似于汽车的快速充电方式）。
车载充电系统的复杂性较低，只需要一个变压器和相对便宜的二极管整流器即可，但受限于直流-直流转换器的功率通常低于电池组的承载能力。
相比之下，车外充电系统可以实现更高的充电速度，但同时带来了充电站复杂度的增加和电池使用负担的加重，并且缺乏动态充电功能，无法在充电过程中让车辆持续移动，正如Ranggård所提到的那样。
离线充电与在线充电的区别
“矿工常有的思维是无法接受停机时间，通常忽略了电气化带来的运营成本节省已经足够弥补生产效率的下降或者更多卡车的需求，”他解释道。
在这种情况下，增加电池的电力是一个值得考虑的方向，同时，减少与充电相关的连接和断开时间也非常关键。后者可以通过将充电设备放置在运输循环中来实现。
Ranggård不赞成动态充电的原因在于其系统高可用性的现实挑战，以及其适用的场景有限。如果将电池卡车的电池设计得过小，放在动态充电环路中运行，一旦基础设施出现故障，电池卡车就会面临停机的风险。同时，对于一些坡道使用寿命短、坡道狭窄、岩石稳定性差，或靠近爆破作业的矿区，也不适合使用动态充电系统。
“动态充电只能在陡坡上有所应用；在较快的平地运输中，动态充电方案的成本几乎不变，而车辆在平地运输时的速度要远高于坡道运输，”他说。“此外，卡车在平地运输时的速度更快。”
与一些人认为电池拖车操作最有可能成为矿山电气化的启动方式不同，Ranggård认为动态充电方案与电池卡车是两个独立的系统，它们之间的协同效应远低于人们的预期。
陷阱
Ranggård的白皮书提供了来自Aitik和Kevitsa的足够实际案例，支持他的这些观点（其中一些在此已列出）。
他还为Aitik Pushback项目提供了基准研究——这是一个年产5000万吨的矿山，其中包括上坡、长途运输和平地运输等不同的运输循环。这个例子展示了在净现值（NPV）基础上，电池卡车在与电池拖车和柴油卡车的对比中更具优势。
接下来的关键考验将是公司首次投入现场使用电池卡车，在实际操作中验证其表现。所有迹象表明，这个测试很可能很快就会展开，因为Boliden最近与Komatsu签署协议，计划将Power Agnostic 930E预生产型运输卡车送往Aitik，并且这款卡车已经配备了ABB原型机器人自动连接装置（ACD），用于未来电池电动卡车的充电连接测试，测试将在极地条件下进行。
然而，尽管有了这些经验，Ranggård的建议和警告并不会在全球范围内获得一致的回应。
“虽然电气化在一些市场上具有经济意义，但在其他市场可能还需要很多年才能实现，”他说。在那些柴油价格便宜的市场——无论是通过政府补贴、激励措施，还是缺乏碳定价——即使电池是免费的，商业案例也可能缺乏吸引力。
“这可能会为一些过渡性解决方案打开空间，比如电池/柴油混合动力卡车，”他说。“这也可能进一步推动柴油拖车（或其他替代方案）的使用，因为它们可以作为提升生产力的解决方案来销售。”
除非发生重大变化，否则这种趋势意味着矿商可能会错过2030年的雄心勃勃目标，而卡车OEM厂商则会意识到自己过早投入了过多的资金，Ranggård表示。“不过，随着这一进程的展开，我们要记住，电气化终将到来，并且对许多企业来说是盈利的。问题在于，转型的速度过于乐观。”
这可能导致超大类别的电池卡车无法按时实现成本竞争力，从而为压缩运营车队规模并实现自动化系统（AHS）提供机会，即便这意味着需要将“有用”的卡车出售到二手市场或进行报废。
面对这些不确定性，OEM厂商应该如何应对？
“OEM厂商有两个选择：要么全力投入，要么从其他公司购买技术，”Ranggård说。“全力投入是一种高风险高回报的选择，但要与中国及公共道路制造商竞争，就需要投入大量资金和精力。更安全的选择可能是创建一个标准化的接口，并保持电池供应商的灵活性，这样可能会以更低的成本、风险更小的方式，打造出更好的产品。”
“有一件事是明确的：最明显的陷阱就是做一些‘妥协方案’。”
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