EV Charger | มาตรฐานหัวชาร์จแบบกระแสสลับในประเทศไทย
บทความ : ทีมวิจัยเทคโนโลยีระบบวัดและควบคุมระยะไกล (IST)
กลุ่มวิจัยการควบคุมและอิเล็กทรอนิกส์ขั้นสูง(ACERG)
ศูนย์เทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์และคอมพิวเตอร์แห่งชาติ (เนคเทค สวทช.)
ปัจจุบันแนวโน้มของการใช้งานยานยนต์ไฟฟ้ากำลังเติบโตมากขึ้นเรื่อยๆ และสำหรับในประเทศไทยเองก็ได้มีการเตรียมความพร้อมไม่ว่าจะทั้งส่วนภาครัฐและเอกชน ซึ่งจะเห็นได้จากการค่อยๆ เพิ่มขึ้นของจำนวนของสถานีชาร์จยานยนต์ไฟฟ้ารวมถึงตัวยานยนต์ไฟฟ้าที่เริ่มมีความหลากหลายเป็นตัวเลือกที่เพิ่มมากขึ้น องค์ประกอบร่วมที่สำคัญอย่างหนึ่งที่จะขาดไม่ได้เลยนั้นก็คือส่วนของตัวต่อยานยนต์ และ เต้ารับยานยนต์ (Vehicle connector and Vehicle inlet) ตามมาตรฐาน มอก. ในบทความนี้ขอเรียกตัวต่อยานยนต์ว่า “หัวชาร์จ” ซึ่งใช้เชื่อมต่อระหว่างยานยนต์ไฟฟ้ากับสถานีประจุไฟฟ้าเพื่อชาร์จแบตเตอรี่
ลักษณะของมาตรฐานหัวชาร์จในประเทศไทย
ในประเทศไทยนั้นได้เลือกใช้หัวชาร์จแบบ Type II ซึ่งอ้างอิงตามมาตรฐาน IEC 62196 และได้ถูกประกาศใช้ให้เป็นมาตรฐานอุตสาหกรรม มอก. 2749 เล่ม 2-2559 นอกจากนี้ยังมีมาตรฐานที่เกี่ยวข้องอีกส่วนหนึ่งคือ IEC 61851 ซึ่งเป็นเป็นมาตรฐานด้านระบบอัดประจุไฟฟ้าผ่านตัวนำสำหรับยานยนต์ไฟฟ้า ซึ่งจะครอบคลุมทั้งระบบอัดประจุไฟฟ้ากระแสสลับ (AC) และไฟฟ้ากระแสตรง (DC) แต่ในที่นี้จะกล่าวถึงความรู้เบื้องต้นที่เกี่ยวข้องกับหัวชาร์จในแบบไฟฟ้ากระแสสลับ เพราะเป็นลักษณะการประจุไฟฟ้าของเครื่องชาร์จยานยนต์ไฟฟ้าแบบติดผนัง (Wall Charger) หรือโฮมชาร์จเจอร์ (Home Charger) ซึ่งเป็นเครื่องชาร์จที่ใช้กระแสไฟฟ้าไม่สูงมากนักและมักจะแถมพร้อมกับติดตั้งให้ตามบ้านเรือนไปพร้อมกับตัวยานยนต์ไฟฟ้า โดยจะมีรายละเอียดดังต่อไปนี้
รูปที่ 1 รายละเอียดของหัวชาร์จแบบไฟฟ้ากระแสสลับ (AC) Type-II
จากรูปที่ 1 โดยทั่วไปหัวชาร์จตามสายที่ต่อออกมาจากตู้ชาร์จจะมีลักษณะเป็นเต้าเสียบแบบขั้วต่อตัวเมีย (Plug Female Type-II) ซึ่งขั้วต่อด้านในจะเป็นตัวนำและมีฉนวนหุ้มรอบๆ เพื่อป้องกันอันตรายจากการสัมผัสที่ผิวตัวนำ โดยแต่ละขั้วต่อในหัวชาร์จจะมีรายละเอียดตามตารางที่ 1
ตารางที่ 1 รายละเอียดขั้วต่อหรือพินภายในหัวชาร์จ
รูปที่ 2 ขั้วต่อหัวชาร์จจากฝั่งตู้ชาร์จ (ซ้าย) และเต้ารับฝั่งยานยนต์ไฟฟ้า (ขวา)
รูปที่ 2 แสดงลักษณะของหัวชาร์จซึ่งใช้เชื่อมต่อกับเต้ารับที่ตัวยานยนต์ไฟฟ้า (Vehicle inlet) ซึ่งในส่วนของเต้ารับฝั่งยานยนต์ไฟฟ้านั้นหากระบบการชาร์จแบตเตอรี่ภายในยานยนต์ไฟฟ้ารองรับได้เพียงไฟฟ้ากระแสสลับ 1 เฟส ก็จะไม่มีขั้วต่อ L2, L3 สำหรับเชื่อมต่อ ทั้งนี้ข้อมูลเกี่ยวกับรูปแบบหัวชาร์จและขั้วต่อต่างๆ สามารถหาได้จากแหล่งความรู้ทั่วไป แต่ส่วนสำคัญอีกอย่างหนึ่งคือ ตู้ชาร์จแบบกระแสสลับกับยานยนต์ไฟฟ้านั้นมีการสื่อสารกันอย่างไร
รูปแบบการสื่อสารของตู้ชาร์จกับยานยนต์ไฟฟ้า
การสื่อสารระหว่างตู้ชาร์จกับยานยนต์ไฟฟ้านั้นจะอาศัยขั้วต่อ CP กับ PE โดยจะเรียกสัญญาณสื่อสารนี้ว่า สัญญาณ Control Pilot เพื่อให้เห็นภาพเบื้องต้นของการทำงานในส่วนนี้จะแสดงวงจรสมมูลตามตัวอย่างดังรูปที่ 3 ซึ่งเป็นไปตามมาตรฐาน IEC 61851-1 โดยมีรูปแบบที่ถอดมาจากมาตรฐาน J1772 เดิม
รูปที่ 3 วงจรการสื่อสารระหว่างตู้ชาร์จกับยานยนต์ไฟฟ้า
การทำงานของวงจรชุดนี้เริ่มจากการที่ส่วนควบคุมการชาร์จภายในตู้ชาร์จสร้างสัญญาณ Control Pilot ที่มีระดับแรงดันไฟฟ้า +12V และ -12V โดยมีลักษณะเป็น Pulse Width Modulation (PWM) ด้วยความถี่ 1 kHz ซึ่งสัญญาณนี้จะถูกส่งผ่านสายชาร์จออกมาที่หัวชาร์จ ต่อจากนั้นเมื่อมีการเสียบหัวชาร์จเข้ากับเต้ารับยานยนต์ไฟฟ้า วงจรภายในฝั่งยานยนต์ไฟฟ้าจะเป็นตัวปรับแรงดันไฟฟ้าของสัญญาณ โดยอาศัยหลักการทำงานของไดโอดและตัวต้านทาน เพื่อลดทอนแรงดันไฟฟ้าฝั่งบวก ซึ่งค่าแรงดันไฟฟ้าของสัญญาณที่เปลี่ยนแปลงไปจะเป็นตัวกำหนดสถานะต่างๆ ของการทำงานในการชาร์จประจุ โดยสถานะแรงดันของสัญญาณ Control Pilot มีรายละเอียดตามรูปที่ 4
รูปที่ 4 ระดับแรงดันของสัญญาณ Control Pilot กับสถานะการชาร์จ
สถานะการชาร์จจะแบ่งออกเป็น state ต่างๆ ตามระดับแรงดันไฟฟ้าฝั่งบวกของสัญญาณ Control Pilot ซึ่งแต่ละ state จะมีรายละเอียดดังนี้
+12V State A: คือสถานะรอ (Standby) ของตู้ชาร์จ ซึ่งอยู่ในช่วงที่ยังไม่มียานยนต์ไฟฟ้าเข้ามาเสียบหัวชาร์จ
+9V State B: พบการเชื่อมต่อกับยานยนต์ไฟฟ้า (EV Connected) เกิดขึ้นเมื่อผู้ใช้เสียบหัวชาร์จเข้ากับยานยนต์ไฟฟ้า
+6V State C: กำลังชาร์จยานยนต์ไฟฟ้า (EV Charging) หลังจากเสียบหัวชาร์จและยานยนต์ไฟฟ้าพร้อมสำหรับการชาร์จ วงจรภายในยานยนต์ไฟฟ้าจะเปลี่ยนค่าแรงดันไฟฟ้าของสัญญาณ Control Pilot เพื่อสื่อสารให้ตู้ชาร์จทำการจ่ายกระแสไฟฟ้าให้แก่ยานยนต์ไฟฟ้า
+3V State D: กำลังชาร์จให้กับยานยนต์ไฟฟ้าและเปิดระบบระบายอากาศ (EV Charging, Ventilation)
0V State E: พบปัญหาในการชาร์จ (Error)
เมื่อทราบถึง state การชาร์จโดยรวมแล้ว จะเห็นได้ว่าส่วนที่สำคัญสำหรับการชาร์จจะอยู่ที่ State B และ State C เป็นหลัก นอกจากนี้ยังมีอีกตัวแปรหลักที่สำคัญ ซึ่งตู้ชาร์จจะใช้เพื่อสื่อสารให้ยานยนต์ไฟฟ้าให้รู้ว่าตู้ชาร์จนั้นๆจะสามารถจ่ายกระแสสูงสุดได้เท่าไร ซึ่งจะเรียกว่าพิกัดกระแสชาร์จ
พิกัดของกระแสชาร์จ
ตู้ชาร์จจะใช้วิธีกำหนด Duty Cycle ของสัญญาณ Control Pilot ซึ่งเป็นการกำหนดอัตราส่วนระหว่างความกว้างของพัลส์ (Pulse Width) กับคาบเวลาของพัลส์ (Time period) มีหน่วยเป็นเปอร์เซ็นต์ “%” เมื่อยานยนต์ไฟฟ้าอ่านค่า Duty Cycle จากสัญญาณ Control Pilot ที่ตู้ชาร์จส่งมาให้ก็จะทำให้รู้ได้ทันทีว่าสามารถใช้กระแสชาร์จจากตู้ชาร์จได้มากที่สุดเท่าไร ดังนั้นระบบชาร์จแบตเตอรี่ในยานยนต์ไฟฟ้าก็จะไม่ดึงกระแสเกินจากที่ตู้ชาร์จกำหนดไว้ ความสัมพันธ์ของ % Duty Cycle กับพิกัดกระแสชาร์จนั้นจะแสดงตามตัวอย่างในรูปที่ 5 ซึ่งมีการแบ่งสเกลของ % Duty Cycle และพิกัดกระแสชาร์จเป็น 2 ช่วง โดยสามารถคำนวณได้ด้วยสมการดังนี้
รูปที่ 5 ความสัมพันธ์ระหว่างค่าพิกัดกระแสชาร์จและ % Duty Cycle ของสัญญาณ Control Pilot
อีกขั้วต่อหนึ่งที่มีความสำคัญซึ่งได้กล่าวถึงก่อนหน้าคือ PP (Proximity Pilot) โดยปกติแล้ว PP จะไม่ถูกใช้งานหากตู้ชาร์จเป็นแบบที่มีสายชาร์จต่อตรงออกจากวงจรภายในตู้ แต่ยังมีตู้ชาร์จอีกแบบหนึ่งที่ไม่มีสายชาร์จต่อออกมา แต่จะมีลักษณะเป็นเต้ารับ (Socket Female) ติดอยู่บนตู้ตัวชาร์จแทน โดยจะแสดงตามรูปที่ 6
รูปที่ 6 เต้ารับของตู้ชาร์จ
การใช้งานตู้ชาร์จที่มีลักษณะนี้ ผู้ใช้จะต้องมีสายชาร์จที่เป็นแบบเต้าเสียบ 2 ด้าน คือด้านหนึ่งเป็นเต้าเสียบตัวผู้ (Male Plug) ใช้เสียบเข้ากับตัวตู้ชาร์จ และอีกด้านหนึ่งเป็นเต้าเสียบตัวเมีย (Female Plug) เพื่อเสียบเข้ากับตัวยานยนต์ไฟฟ้า ทั้งนี้สายชาร์จที่ผู้ใช้แต่ละคนนำมาใช้งานนั้นอาจจะมีพิกัดการทนกระแสที่แตกต่างกัน ดังนั้นเพื่อให้ตู้ชาร์จรู้ว่าสายชาร์จที่นำมาต่อใช้งานนั้นสามารถรองรับกระแสชาร์จได้กี่แอมแปร์ จึงมีความจำเป็นต้องใช้งานขั้วต่อ PP โดยจะอาศัยหลักพื้นฐานของวงจรไฟฟ้าด้วยวิธีการต่อความต้านทานค่าหนึ่งไว้ภายในสายชาร์จระหว่างขั้วต่อ PP กับ PE ซึ่งมีวงจรสมมูลแสดงดังรูปที่ 7
รูปที่ 7 วงจรสมมูลของ Proximity Pilot ระหว่างตู้ชาร์จและสายชาร์จ
ค่าความต้านทานกับขนาดกระแสพิกัดของสายชาร์จตามมาตรฐาน IE61851-1 แสดงรายละเอียดดังตารางที่ 2
จากข้อมูลเบื้องต้นของหัวชาร์จแบบไฟฟ้ากระแสสลับในประเทศไทย ซึ่งเป็นไปมาตรฐานอุตสาหกรรม มอก. 2749 เล่ม 2-2559 จะช่วยให้ผู้อ่านสามารถทำความเข้าใจลักษณะการทำงานของกระบวนการชาร์จทั้งในฝั่งตู้ชาร์จและฝั่งยานยนต์ไฟฟ้าในเชิงเทคนิคได้มากขึ้น นอกจากนี้ยังทำให้เกิดความรู้ความเข้าใจในการประเมินพิกัดความทนทานของอุปกรณ์ควบคุมการชาร์จและอุปกรณ์ป้องกันในระบบการชาร์จ ทำให้สามารถเลือกใช้อุปกรณ์ไฟฟ้าในการติดตั้ง โดยพิจารณาได้ว่ามีขนาดพิกัดเหมาะสมและสามารถรองรับต่อการใช้งานของระบบชาร์จได้หรือไม่ เพื่อเสริมสร้างความปลอดภัยสำหรับการใช้งานในชีวิตประจำวันได้มากยิ่งขึ้น
ดาวน์โหลดเอกสารเผยแพร่
