電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施面臨的挑戰(zhàn)

無論是用于純電池供電的車輛，還是用于混合動(dòng)力解決方案，電動(dòng)汽車的充電概念都遵循一定的模式（圖1）。車輛的車載充電器(OBC) 用于充電管理。

充電本身就是一個(gè)簡單的即插即用過程，將電纜插入插座并遵守制造商指定的充電時(shí)間，電池容量和OBC充電功率要求。為確保最佳充電并避免失誤，電池和充電器之間相互通信。這是汽車確認(rèn)需要充電多少的方式，而充電站( 模式2 或3) 則確認(rèn)其容量。這種通信為選擇車輛類型提供了極大的靈活性，只要插頭類型兼容便可以進(jìn)行充電了。

圖1 Scharfsinn/Shutterstock

1   充電時(shí)間示例

BMW i3 汽車的凈容量為37.9 kWh，OBC 最大數(shù)值為11 kW，這意味著電池應(yīng)在3.5 小時(shí)內(nèi)充電完成。

這與制造商的規(guī)范一致，即以最大的壁掛式電柜充電( 模式3)，可以在3.12 小時(shí)后達(dá)到80% 的容量。如果僅使用普通的Schuko 壁式插座( 模式2) 進(jìn)行充電，則制造商的規(guī)格要求充電時(shí)間約為15 小時(shí)(37.9 kWh /15小時(shí)= 2.5 kW)，這與此類插座的預(yù)期最大吞吐量是一致的。在這種情況下，純DC 充電大約需要42 分鐘(50 kW)。

2   充電連接器和模式

盡管需要對(duì)充電連接器進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，但各電動(dòng)汽車的原產(chǎn)國已經(jīng)建立了各種不同體系。2015 年之前，世界上大多數(shù)電動(dòng)汽車都是在日本生產(chǎn)的，所以在日本通用的CHAdeMO 標(biāo)準(zhǔn)是非常穩(wěn)固的。另一方面，歐洲人堅(jiān)持使用自己的標(biāo)準(zhǔn)( 類型2)，但尚未能建立起標(biāo)準(zhǔn)，美國和中國也面臨著同樣的問題。這意味著世界各地的汽車品牌目前共有四種不同的插頭格式。

充電站( 壁掛式電柜) 可以提供不同的充電模式，符合區(qū)域電力標(biāo)準(zhǔn)(VDE) 有助于確保總體安全。最終有四種不同的充電模式：

模式1：無通信情況下不受控制的充電，無斷路器裝置( 危險(xiǎn))，車載充電器(OBC)；最高充電電流：16 A/11 kW，1 相/ 3 相

模式2：無通信情況下不受控制的充電，電纜內(nèi)置的IC-CPD保護(hù)/ 先導(dǎo)功能( 電纜內(nèi)置控制和保護(hù)裝置)，車載充電器(OBC)； 最高充電電流：32 A/22 kW，1 相/ 3 相

模式3：受控充電，類型驗(yàn)證充電站的AC 充電，充電站內(nèi)置的保護(hù)/ 先導(dǎo)功能，車載充電器(OBC)；

最高充電電流：63 A/44 kW，1 相/ 3 相

模式4：受控充電，僅在經(jīng)過類型驗(yàn)證的充電站( 電動(dòng)汽車供電設(shè)備，EVSE) 進(jìn)行DC 充電，EVSE 中集成了監(jiān)控和安全機(jī)制/ 先導(dǎo)功能，因而無需使用車載充電器(OBC)。

3   行駛范圍

行駛范圍是一個(gè)很有爭議性的話題。目前，電動(dòng)汽車的行駛距離在100~1 000 公里之間，并且還取決于車輛是純電池供電還是使用混合動(dòng)力解決方案。需要考慮的客戶需求也千差萬別；德國用戶的平均上班路程約為16.9 公里( 某些地區(qū)長達(dá)30 公里)。任何充電類型的車輛只要每日充電一次便可以應(yīng)付。但是，在長途旅行( 如假期旅行) 時(shí)，這種情況變得更加復(fù)雜，這正是快速充電站發(fā)揮作用的地方。例如，可以使用50 kW 充電站在大約42 分鐘內(nèi)為BMW i3 充完電。

現(xiàn)在有高達(dá)200 kW 的充電站，可將充電時(shí)間縮短到10 分鐘內(nèi)( 達(dá)到80% 的充電容量)。如果充電連接器備有冷卻裝置(500~850 A)，則充電速度幾乎與普通加油站的加油速度一樣快。

4   政府補(bǔ)貼

財(cái)政補(bǔ)貼將在很大程度上決定電動(dòng)汽車的發(fā)展。

德國聯(lián)邦政府針對(duì)新冠疫情所實(shí)施的經(jīng)濟(jì)刺激方案使得購買電動(dòng)汽車更具吸引力。這個(gè)方案將補(bǔ)貼電動(dòng)汽車價(jià)格的凈上限提高到4 萬歐元，而購買純電動(dòng)汽車的政府補(bǔ)貼則翻了一番，達(dá)到了6 000 歐元。此外，2020 年底之前開具的發(fā)票可節(jié)省3% 的增值稅，以及獲得制造商發(fā)放的環(huán)保獎(jiǎng)金( 約3 000 歐元)。聯(lián)邦政府指定資金?？顚Ｓ?，并且宣布了針對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施投資的刺激計(jì)劃。

目前，由于擔(dān)心主電源過載，許多人不安裝自己的充電站或壁掛箱，但是這種擔(dān)心是沒有必要的。普通家庭住宅配有至少63 A 保險(xiǎn)絲的電路。相比之下，家庭中最大的用電設(shè)備是電爐，其保險(xiǎn)絲為16 A。

即使使用較大的家用電器，例如電鍋爐( 約16 A 或25 A)，家庭電路仍然有足夠的容量來安裝壁掛式電柜。

能源供應(yīng)商也正在開發(fā)充電基礎(chǔ)設(shè)施。他們的目標(biāo)是使變電站的網(wǎng)絡(luò)更密集、更高效，并且在工程的早期階段將充電樁納入規(guī)劃中。這些概念還包含大型車庫，以及未來的街道照明概念可將公共充電站集成到路燈中。

5   鋰——關(guān)鍵資源

目前鋰對(duì)于電動(dòng)汽車的電池生產(chǎn)至關(guān)重要，但開采鋰礦對(duì)環(huán)境有不利影響。世界上最大的鋰儲(chǔ)備量位于玻利維亞、阿根廷和智利，每個(gè)地點(diǎn)的儲(chǔ)量大約為900 萬噸。在歐洲，最大的儲(chǔ)量位于葡萄牙(10 萬噸) 和奧地利(5 萬噸)，Statista 數(shù)據(jù)顯示，如今大約37.4% 的鋰需求來自電池。

鋰礦開采時(shí)，含有鋰的鹽水( 一種高鹽度的地下水) 被泵送到地表，并通過各種蒸發(fā)步驟進(jìn)行干燥。

這些鹽水沒有被饋送回地下，從而引起地下水位下降，對(duì)于相關(guān)地區(qū)的人類和自然生活產(chǎn)生了不利的影響。

即使不同的數(shù)據(jù)報(bào)告有所差異，但從這些數(shù)字也可以一窺問題規(guī)?！獡?jù)報(bào)道，在智利的阿塔卡馬鹽沼，每天需要提取2 100 萬L 水來提取鋰。開采的材料量也各不相同，最新數(shù)據(jù)顯示每天開采23 t 純鋰，意味著每噸鋰材料消耗90 萬L 水。如果鋰電池的生產(chǎn)需要如此大量的消耗，我們應(yīng)該謹(jǐn)慎處理這種原材料。

6 電池回收

這也使得回收電池作為二次原料成為業(yè)界重要的話題。汽車電池不僅使用10~20 kg 鋰材料，還使用許多其他原材料，包括錳、鈷、鎳和石墨，以及液態(tài)電解質(zhì)( 在中型汽車電池中)。

當(dāng)前有兩種回收方法可供選擇。第一種方法是冶煉，其原理是利用不同材料熔化溫度有異的特性。第二種方法則是粉碎各個(gè)組件，然后化學(xué)分離它們。在使用任何一種回收方法之前，都必須通過物理方法除去連接組件、安全電子設(shè)備、絕緣材料和包裝塑料。

壓碎方法的優(yōu)勢在于可以在本地完成，并且不需要運(yùn)輸( 或至少運(yùn)輸不遠(yuǎn)) 這些被認(rèn)為是有害材料的電池。但是，只有在處理大量產(chǎn)品時(shí)，回收才是值得的。

電池的使用壽命也對(duì)原材料的消耗起著重要的作用。對(duì)于電動(dòng)汽車，當(dāng)電池的容量為其最大容量的80% 時(shí)，就被視為已經(jīng)耗盡。但是這么早就報(bào)銷電池太可惜，因?yàn)樗赡苡械诙虻谌问褂脡勖?。一旦檢查完電池組并重新排列了各個(gè)電池單元，便可以作為緩沖電池進(jìn)行第二次使用，用于暫時(shí)存儲(chǔ)太陽能、風(fēng)能和水力發(fā)電能量，以及能源供應(yīng)商的輸出峰值或其他過剩能量。停車場的汽車儲(chǔ)能設(shè)施，以及其他很多地方還有很多使用機(jī)會(huì)。這就是將舊的80% 容量規(guī)則重新定義為具有相同質(zhì)量屬性的100%容量的方式。對(duì)于這些應(yīng)用來說，容量和重量都是次要的。

7   結(jié)論

回收和使用二次電池的市場和工廠尚未完全開發(fā)，但重要的是業(yè)界已經(jīng)在考慮礦物開采和使用50 kW 充電站的資源以及地球的重新自然化之類的話題，并且已經(jīng)了解深層的問題。每個(gè)人都可以自行決定未來的出行方式。

（本文來自于《電子產(chǎn)品世界》雜志社2021年2月期）