電動汽車充電基礎設施面臨的挑戰

Albert Culetto

摘 要：電動汽車和充電基礎設施的發展進度取決于眾多因素。為了實現可持續發展概念，充分了解各個系統及其之間的關系很重要。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。

關鍵詞：電動汽車；充電；基礎設施

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。這是汽車確認需要充電多少的方式，而充電站（模式2或3）則確認其容量。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最大數值為11 kW，這意味著電池應在3.5小時內充電完成。這與制造商的規范一致，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準化，但各電動汽車的原產國已經建立了各種不同體系。2015年之前，世界上大多數電動汽車都是在日本生產的，所以在日本通用的CHAdeMO標準是非常穩固的。另一方面，歐洲人堅持使用自己的標準（類型2），但尚未能建立起標準，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，符合區域電力標準（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），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，電纜內置的IC-CPD保護/先導功能（電纜內置控制和保護裝置），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，充電站內置的保護/先導功能，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，僅在經過類型驗證的充電站（電動汽車供電設備，EVSE）進行DC充電，EVSE中集成了監控和安全機制/先導功能，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付。但是，在長途旅行（如假期旅行）時，這種情況變得更加復雜，這正是快速充電站發揮作用的地方。例如，可以使用50 kW充電站在大約42分鐘內為BMW i3充完電。

現在有高達200 kW的充電站，可將充電時間縮短到10分鐘內（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展。德國聯邦政府針對新冠疫情所實施的經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年底之前開具的發票可節省3%的增值稅，以及獲得制造商發放的環保獎金（約3 000歐元）。聯邦政府指定資金專款專用，并且宣布了針對基礎設施投資的刺激計劃。

目前，由于擔心主電源過載，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。

能源供應商也正在開發充電基礎設施。他們的目標是使變電站的網絡更密集、更高效，并且在工程的早期階段將充電樁納入規劃中。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——關鍵資源

目前鋰對于電動汽車的電池生產至關重要，但開采鋰礦對環境有不利影響。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數據顯示，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，對于相關地區的人類和自然生活產生了不利的影響。

即使不同的數據報告有所差異，但從這些數字也可以一窺問題規模——據報道，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，最新數據顯示每天開采23 t純鋰，意味著每噸鋰材料消耗90萬L水。如果鋰電池的生產需要如此大量的消耗，我們應該謹慎處理這種原材料。

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，以及液態電解質（在中型汽車電池中）。

當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、安全電子設備、絕緣材料和包裝塑料。壓碎方法的優勢在于可以在本地完成，并且不需要運輸（或至少運輸不遠）這些被認為是有害材料的電池。但是，只有在處理大量產品時，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，當電池的容量為其最大容量的80%時，就被視為已經耗盡。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、風能和水力發電能量，以及能源供應商的輸出峰值或其他過剩能量。停車場的汽車儲能設施，以及其他很多地方還有很多使用機會。這就是將舊的80%容量規則重新定義為具有相同質量屬性的100%容量的方式。對于這些應用來說，容量和重量都是次要的。

7 結論

回收和使用二次電池的市場和工廠尚未完全開發，但重要的是業界已經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，并且已經了解深層的問題。每個人都可以自行決定未來的出行方式。