電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施面臨的挑戰(zhàn)

Albert Culetto

摘 要：電動汽車和充電基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展進度取決于眾多因素。為了實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展概念，充分了解各個系統(tǒng)及其之間的關(guān)系很重要。其中包括充電概念、行駛范圍、財政補貼、資源獲取和電池回收。

關(guān)鍵詞：電動汽車；充電；基礎(chǔ)設(shè)施

無論是用于純電池供電的車輛，還是用于混合動力解決方案，電動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行充電了。

1 充電時間示例

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小時后達到80%的容量。如果僅使用普通的Schuko壁式插座（模式2）進行充電，則制造商的規(guī)格要求充電時間約為15小時（37.9 kWh /15 小時= 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

盡管需要對充電連接器進行標(biāo)準(zhǔn)化，但各電動汽車的原產(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?？傮w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），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/先導(dǎo)功能（電纜內(nèi)置控制和保護裝置），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，類型驗證充電站的AC充電，充電站內(nèi)置的保護/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)過類型驗證的充電站（電動汽車供電設(shè)備，EVSE）進行DC充電，EVSE中集成了監(jiān)控和安全機制/先導(dǎo)功能，因而無需使用車載充電器（OBC）。

3 行駛范圍

行駛范圍是一個很有爭議性的話題。目前，電動汽車的行駛距離在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，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200 kW的充電站，可將充電時間縮短到10分鐘內(nèi)（達到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 政府補貼

財政補貼將在很大程度上決定電動汽車的發(fā)展。德國聯(lián)邦政府針對新冠疫情所實施的經(jīng)濟刺激方案使得購買電動汽車更具吸引力。這個方案將補貼電動汽車價格的凈上限提高到4萬歐元，而購買純電動汽車的政府補貼則翻了一番，達到了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)保獎金（約3 000歐元）。聯(lián)邦政府指定資金專款專用，并且宣布了針對基礎(chǔ)設(shè)施投資的刺激計劃。

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

目前鋰對于電動汽車的電池生產(chǎn)至關(guān)重要，但開采鋰礦對環(huán)境有不利影響。世界上最大的鋰儲備量位于玻利維亞、阿根廷和智利，每個地點的儲量大約為900萬噸。在歐洲，最大的儲量位于葡萄牙（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，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)報告有所差異，但從這些數(shù)字也可以一窺問題規(guī)模——據(jù)報道，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，并且不需要運輸（或至少運輸不遠(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，回收才是值得的。

電池的使用壽命也對原材料的消耗起著重要的作用。對于電動汽車，當(dāng)電池的容量為其最大容量的80%時，就被視為已經(jīng)耗盡。但是這么早就報銷電池太可惜，因為它可能有第二或第三次使用壽命。一旦檢查完電池組并重新排列了各個電池單元，便可以作為緩沖電池進行第二次使用，用于暫時存儲太陽能、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。停車場的汽車儲能設(shè)施，以及其他很多地方還有很多使用機會。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。每個人都可以自行決定未來的出行方式。