电动汽车充电基础设施面临的挑战

Albert Culetto

摘 要：电动汽车和充电基础设施的发展进度取决于众多因素。为了实现可持续發展概念，充分了解各个系统及其之间的关系很重要。其中包括充电概念、行驶范围、财政补贴、资源获取和电池回收。

关键词：电动汽车；充电；基础设施

无论是用于纯电池供电的车辆，还是用于混合动力解决方案，电动汽车的充电概念都遵循一定的模式（图1）。车辆的车载充电器（OBC）用于充电管理。充电本身就是一个简单的即插即用过程，将电缆插入插座并遵守制造商指定的充电时间，电池容量和OBC充电功率要求。为确保最佳充电并避免失误，电池和充电器之间相互通信。这是汽车确认需要充电多少的方式，而充电站（模式2或3）则确认其容量。这种通信为选择车辆类型提供了极大的灵活性，只要插头类型兼容便可以进行充电了。

1 充电时间示例

BMW i3汽车的净容量为37.9 kWh，OBC最大数值为11 kW，这意味着电池应在3.5小时内充电完成。这与制造商的规范一致，即以最大的壁挂式电柜充电（模式3），可以在3.12小时后达到80%的容量。如果仅使用普通的Schuko壁式插座（模式2）进行充电，则制造商的规格要求充电时间约为15小时（37.9 kWh /15 小时= 2.5 kW），这与此类插座的预期最大吞吐量是一致的。在这种情况下，纯DC充电大约需要42分钟（50 kW）。

2 充电连接器和模式

尽管需要对充电连接器进行标准化，但各电动汽车的原产国已经建立了各种不同体系。2015年之前，世界上大多数电动汽车都是在日本生产的，所以在日本通用的CHAdeMO标准是非常稳固的。另一方面，欧洲人坚持使用自己的标准（类型2），但尚未能建立起标准，美国和中国也面临着同样的问题。这意味着世界各地的汽车品牌目前共有四种不同的插头格式。

充电站（壁挂式电柜）可以提供不同的充电模式，符合区域电力标准（VDE）有助于确保总体安全。最终有四种不同的充电模式：

模式1：无通信情况下不受控制的充电，无断路器装置（危险），车载充电器（OBC）；最高充电电流：16 A/11 kW，1相/ 3相

模式2：无通信情况下不受控制的充电，电缆内置的IC-CPD保护/先导功能（电缆内置控制和保护装置），车载充电器（OBC）；最高充电电流：32 A/22 kW， 1相/ 3相

模式3：受控充电，类型验证充电站的AC充电，充电站内置的保护/先导功能，车载充电器（OBC）；最高充电电流：63 A/44 kW，1相/ 3相

模式4：受控充电，仅在经过类型验证的充电站（电动汽车供电设备，EVSE）进行DC充电，EVSE中集成了监控和安全机制/先导功能，因而无需使用车载充电器（OBC）。

3 行驶范围

行驶范围是一个很有争议性的话题。目前，电动汽车的行驶距离在100～1 000公里之间，并且还取决于车辆是纯电池供电还是使用混合动力解决方案。需要考虑的客户需求也千差万别；德国用户的平均上班路程约为16.9公里（某些地区长达30公里）。任何充电类型的车辆只要每日充电一次便可以应付。但是，在长途旅行（如假期旅行）时，这种情况变得更加复杂，这正是快速充电站发挥作用的地方。例如，可以使用50 kW充电站在大约42分钟内为BMW i3充完电。

现在有高达200 kW的充电站，可将充电时间缩短到10分钟内（达到80%的充电容量）。如果充电连接器备有冷却装置（500～850 A），则充电速度几乎与普通加油站的加油速度一样快。

4 政府补贴

财政补贴将在很大程度上决定电动汽车的发展。德国联邦政府针对新冠疫情所实施的经济刺激方案使得购买电动汽车更具吸引力。这个方案将补贴电动汽车价格的净上限提高到4万欧元，而购买纯电动汽车的政府补贴则翻了一番，达到了6 000欧元。此外，2020年底之前开具的发票可节省3%的增值税，以及获得制造商发放的环保奖金（约3 000欧元）。联邦政府指定资金专款专用，并且宣布了针对基础设施投资的刺激计划。

目前，由于担心主电源过载，许多人不安装自己的充电站或壁挂箱，但是这种担心是没有必要的。普通家庭住宅配有至少63 A保险丝的电路。相比之下，家庭中最大的用电设备是电炉，其保险丝为16 A。即使使用较大的家用电器，例如电锅炉（约16 A或25 A），家庭电路仍然有足够的容量来安装壁挂式电柜。

能源供应商也正在开发充电基础设施。他们的目标是使变电站的网络更密集、更高效，并且在工程的早期阶段将充电桩纳入规划中。这些概念还包含大型车库，以及未来的街道照明概念可将公共充电站集成到路灯中。

5 锂——关键资源

目前锂对于电动汽车的电池生产至关重要，但开采锂矿对环境有不利影响。世界上最大的锂储备量位于玻利维亚、阿根廷和智利，每个地点的储量大约为900万吨。在欧洲，最大的储量位于葡萄牙（10万吨）和奥地利（5万吨），Statista数据显示，如今大约37.4%的锂需求来自电池。

锂矿开采时，含有锂的盐水（一种高盐度的地下水）被泵送到地表，并通过各种蒸发步骤进行干燥。这些盐水没有被馈送回地下，从而引起地下水位下降，对于相关地区的人类和自然生活产生了不利的影响。

即使不同的数据报告有所差异，但从这些数字也可以一窥问题规模——据报道，在智利的阿塔卡马盐沼，每天需要提取2 100万L水来提取锂。开采的材料量也各不相同，最新数据显示每天开采23 t纯锂，意味着每吨锂材料消耗90万L水。如果锂电池的生产需要如此大量的消耗，我们应该谨慎处理这种原材料。

6 电池回收

这也使得回收电池作为二次原料成为业界重要的话题。汽车电池不仅使用10～20 kg锂材料，还使用许多其他原材料，包括锰、钴、镍和石墨，以及液态电解质（在中型汽车电池中）。

当前有两种回收方法可供选择。第一种方法是冶炼，其原理是利用不同材料熔化温度有异的特性。第二种方法则是粉碎各个组件，然后化学分离它们。在使用任何一种回收方法之前，都必须通过物理方法除去连接组件、安全电子设备、绝缘材料和包装塑料。压碎方法的优势在于可以在本地完成，并且不需要运输（或至少运输不远）这些被认为是有害材料的电池。但是，只有在处理大量产品时，回收才是值得的。

电池的使用寿命也对原材料的消耗起着重要的作用。对于电动汽车，当电池的容量为其最大容量的80%时，就被视为已经耗尽。但是这么早就报销电池太可惜，因为它可能有第二或第三次使用寿命。一旦检查完电池组并重新排列了各个电池单元，便可以作为缓冲电池进行第二次使用，用于暂时存储太阳能、风能和水力发电能量，以及能源供应商的输出峰值或其他过剩能量。停车场的汽车储能设施，以及其他很多地方还有很多使用机会。这就是将旧的80%容量规则重新定义为具有相同质量属性的100%容量的方式。对于这些应用来说，容量和重量都是次要的。

7 结论

回收和使用二次电池的市场和工厂尚未完全开发，但重要的是业界已经在考虑矿物开采和使用50 kW充电站的资源以及地球的重新自然化之类的话题，并且已经了解深层的问题。每个人都可以自行决定未来的出行方式。