充电时间更短、续航里程更长——电动汽车驶向新起点

人们普遍认为，电动汽车过于昂贵，充电时间太长，续航里程短。但这种情况即将成为过去。如今，不论是完善的充电基础设施、快速充电桩的开发还是高电池效率都将成为现实。在这个过程中，芯片产业将通过新材料和新技术，使未来的电动汽车成为可能。

我们每天——无时不刻——都在充电。在很多情况下，我们甚至不了解这些小电器发生了什么。智能手机需要每天充电。电动牙刷则是放在充电座上过夜。当然，我们还会给便携式音响、智能手表和助力车充电。可以说，充电已经完全融入了我们的日常生活，不需花费多少力气，它们就能为我们带来最大的便利：插入、放稳、大功告成。从原理上来讲，电动汽车充电也是这么简单。但很多人却对此望而生畏。这又是为什么呢？

给智能手机、电动牙刷或电动汽车充电是怎样的原理呢？从技术角度上来讲，它们的充电过程是一样的：以化学形式存储电力。但如果你仔细观察，就会发现其实大有不同。智能手机可以一边充电一边操作。而你却没法对电动汽车做这样奢侈的事情。尽管这并非技术问题，但依然非常重要：电动牙刷充电一整晚，第二天只工作几分钟，这在我们看来已习以为常。但如果换成电动汽车，大多数人就无法接受了——尽管大多数情况下，人们也不会一天开23个小时的车。

驾车一族习惯了按照需求随时进行长途驾驶。而这正是电动汽车所无法实现的。不过时代在进步！依托技术创新，即使是电动汽车，我们依然能够实现自由出行。现在人们开发的电池具备过去无法想象的性能。不仅如此，快速充电桩能在几分钟内能为电动汽车提供长途行驶所需的电力

装配了铅蓄电池、必须连续充电数小时但续航里程不到100公里的乘用车已成为过去。1995年，大众推出了配备胶体铅酸蓄电池的Golf 3 City Stromer，续航里程可达55公里。后来，这款电池的容量有所提升，续航里程达到65公里。尽管这看似平平——但要知道，这个电池可是要用来移动一辆宽敞的汽车！当时这款汽车的充电器仅支持家用电插座，功率输出实在有限。空电池充电动辄就是6-8个小时。但也只需充电一晚上，100公里的旅程便不在话下。

最近，电动汽车的电池容量得到进一步提升，但这并不是旅途的终点。我们每天都有新成果。

尽管如此，关键问题仍然没有得到解决：怎样才能使电动汽车的电池变得更强大更高效？

从根本上来讲，电池的两大参数决定了电池能够为发动机提供多少电力——以及电池组能够充多少电。其一是电池容量，即以安培时（Ah）表示的以化学形式存储的最大容量。其二是电池的功率密度。它决定了指定功率级别的电池的尺寸与重量。功率密度是由材料决定的。铅蓄电池诞生于19世纪中期，如今的锂离子电池的容量相当于同等大小铅蓄电池的7倍。

在给电池充电时，电池尺寸和充电电流之间的比例很重要。例如，自2016年以来，宝马i3汽车的电池容量为95 Ah。如果可以以 100 安培 (A) 的电流为 100 Ah 电池连续充电，理论上需要一个小时才能充满。

在目前400伏（V）的正常电压下，要在一小时内为100安培的电池充电，大约需要40千瓦（kW）的充电功率。在高达50千瓦的情况下，目前的DV充电设备已经经常提供更多电量。

这已经是 "快充 "了吗？并非如此。一小时内只能传输大约200公里范围内所需的电流。

这应该允许电池以高达350千瓦的功率进行充电。如果电池能处理这个问题，一个60kWh（电动汽车电池的平均电压400V-800V×安培小时100=60kWh）的电池将在短短几分钟内充满。目前，世界上没有任何系列车辆支持这种高充电功率。然而，市场上有几种车型可以利用这种新的充电技术——即使其千瓦数较低。

快速充电桩须遍布全球各地。单这一点，就已经是一个严峻的挑战。然而，在快速充电桩全面集成到基础设施之前，我们还需要克服几个技术难题。特别是高功率输出方面。综合充电标准（CCS）允许输出电压高于500V。但根据规定，只有训练有素的专业人员才能进行处理。因此，研发出能够承受高应力的统一插头以及支持非专业人士操作的安全规程变得十分有必要。

另一个难点在于，电网供应的电力必须与电动汽车的电池兼容。为什么说这是一个挑战呢？这是因为电池采用的是直流电，而电网提供的是交流电，因此不适合为电池充电。这就需要使用电力电子转换设备进行整流，从而使得供电电源与汽车电池兼容，即：将交流电转换为直流电。

由于充电桩必须将电网的交流电转换为适用于汽车电源的直流电，所以会产生功率损耗。换句话说，电能会以热能的形式被损耗掉。在极端的情况下，甚至会损坏器件。在指定的高功率水平下，即使向电动汽车供电，也会产生大量损耗和高温。如果缺少密集降温，就会出现如下问题：电缆截面非常大且笨重，或绝缘层融化。

我们需要使用液冷式电缆以避免过热，这使易于操作且相对较细的充电电缆得以使用，并方便在充电桩和汽车之间移动。不仅如此，它还能将充电损耗降至最低。这就要求使用高效的功率电子设备来将电网的交流电转换为适用于汽车电源的直流电，同时损耗也必须尽可能减少到最小。即使效率达到97%，依然会造成大量损耗。简单来讲：充电300kW，97%的效率就意味着有9 kW的功率损耗。这相当于将8台吹风机放在冷柜中全功率运转，还要求冷柜内部不得升温。

在充电桩的小型安装空间里，高功率无疑会产生极高的温度，从而使周围运行的电子设备面临危险。这时，如果能量转换效率达到99%甚至以上的话，降温就变得相对简单。这是因为损失达到最小的话，就不会产生过多热量。英飞凌推出的现代化功率芯片是发展的关键。几十年来，它们一直以同样的形式应用于其他设备，如风机或光伏发电、电动机车的驱动系统以及手机充电。这些芯片现在具备了几年前无法想象的效率水平。

在材料方面我们也取得了理想的成果，准确来说，这些材料就是碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）。这些材料让器件变得更加小巧高效，因此特别适用于效率驱动型应用，如电动汽车的充电桩。英飞凌现已开发出高效能的碳化硅模块，并很快在太阳能这个对高效能要求同样严苛的行业占据了一席之地。英飞凌将这方面取得的经验应用在开发高效电路上，现在又将这些高效电路应用到了电动汽车领域。如今，电动汽车的新充电桩上就利用了英飞凌的创新技术，这些充电桩将充电时间从原本的三小时缩短到了几分钟。

第一批能够在五分钟内为现代电动汽车的电池提供100公里行驶电量的充电站已经在德国安装完毕，尽管其规模可控。这对满足快速充电所需的高标准的首批车辆来说是及时的。正好赶上第一批满足快速充电所需高标准的车辆。这会使电动汽车的驾驶和充电在市场上更有吸引力。这也得到了德国政府的认可，政府目前投入了20亿欧元的资金支持在高速公路上和偏远地区扩建快速充电站。正因为如此，充电过程中漫长的等待时间和短距离行驶将成为过去。

欧洲快速充电基础设施增长的另一个贡献者是Ionity公司。该公司是由德国汽车制造商大众（大众、奥迪和保时捷）、奔驰、宝马（Mini）、福特和现代的一起创立的合资企业。该企业的目标是在欧洲的长途路线上配备HPC（高功率充电器），计划建立400个使用欧洲CSS标准的高达350千瓦的充电站。

目前的顶级车型，如宝马ix3，可以在半个多小时内充电至80%，最大充电功率可达150千瓦。

更新于：2021 年7月