วิธีการใช้ตัวเชื่อมต่อที่หลากหลายเพื่อรองรับโครงสร้างพื้นฐานการชาร์จ EV ที่ครอบคลุม

โครงสร้างพื้นฐานการชาร์จที่แพร่หลายเพื่อรองรับกระแสการใช้รถยนต์ไฟฟ้า (EV) ที่กำลังจะมาถึง นักออกแบบถูกท้าทายให้พัฒนาโซลูชันโครงสร้างพื้นฐานที่หลากหลายสำหรับใช้ในที่พักอาศัย โรงแรม ร้านค้าและร้านอาหาร ไซต์การค้าและอุตสาหกรรม โรงจอดรถ ปั๊มน้ำมัน จุดพักรถ และสถานที่อื่น ๆ เพื่อการชาร์จ EV ที่สะดวกและพร้อมใช้งานตลอดเวลา ในบางกรณี ผู้ใช้จะมีเวลาฟุ่มเฟือยและต้องการพลังงานไฟฟ้ากระแสสลับ (AC) เพียงไม่กี่กิโลวัตต์ (kW) ในช่วงระยะเวลาที่ขยายออกไป ในสถานการณ์อื่นๆ เวลาจะมีความสำคัญ และผู้ใช้จะต้องการไฟฟ้ากระแสตรง (DC) หลายร้อยกิโลวัตต์เพื่อชาร์จ EV ภายในไม่กี่นาที

นักออกแบบต้องการตัวเลือกตัวเชื่อมต่อต่าง ๆ ที่สามารถรองรับไฟ AC พลังงานต่ำ DC พลังงานสูง และช่วงของระดับพลังงานในระหว่างนั้น ตัวเชื่อมต่อเหล่านี้ต้องเป็นไปตามหลักสรีรศาสตร์เพื่อให้ผู้ใช้สะดวก และต้องแข็งแรงและติดตั้งง่าย เพื่อรองรับความต้องการของผู้ผลิตรถยนต์ไฟฟ้าสำหรับโซลูชันที่คุ้มค่าและเชื่อถือได้ ที่จับสำหรับชาร์จและช่องจ่ายไฟต้องเป็นไปตามข้อกำหนดของมาตรฐานระบบการชาร์จแบบรวม (CCS), SAE J1772 และ IEC 62196

บทความนี้จะทบทวนข้อกำหนดทางเทคนิคสำหรับเครื่องชาร์จ EV ในการตั้งค่าต่างๆ ตั้งแต่เครื่องชาร์จ AC พลังงานต่ำในที่อยู่อาศัยไปจนถึงการชาร์จพลังงานสูง (HPC) ในสถานที่เชิงพาณิชย์ต่าง ๆ รวมถึงประสิทธิภาพทางไฟฟ้าและมาตรฐานอินเทอร์เฟซ และความจำเป็นในการระบายความร้อนด้วยของเหลวใน HPC การติดตั้ง จากนั้นจะนำเสนอ เครื่องปรับอากาศ รุ่นต่าง ๆ และช่องชาร์จ กระแสตรง ที่จับ และระบบสายจาก Phoenix Contact ที่รองรับความต้องการของการออกแบบเครื่องชาร์จ EV ทุกประเภท พร้อมด้วยระบบระบายความร้อนด้วยของเหลวสำหรับสายเคเบิลและขั้วต่อ HPC

มาตรฐานการชาร์จ EV และตัวเชื่อมต่อที่เกี่ยวข้องได้รับการพัฒนาในอเมริกาเหนือ ยุโรป และจีน มาตรฐานในอเมริกาเหนือและยุโรปเกี่ยวข้องกับทั้งสองมาตรฐาน โดยอ้างอิงจากมาตรฐานระบบการชาร์จแบบรวม (CCS) ที่รวมการชาร์จแบบ AC และ DC ในช่องเดียวบนยานพาหนะ ตัวเชื่อมต่อ CCS ประเภท 1 แพร่หลายในอเมริกาเหนือและเกาหลี และตัวเชื่อมต่อ CCS ประเภท 2 พบในยุโรป ตะวันออกกลาง แอฟริกาใต้ อเมริกาใต้ ออสเตรเลีย นิวซีแลนด์ และพื้นที่อื่น ๆ บางพื้นที่ ประเทศจีนได้ดำเนินไปตามแนวทางของตัวเองด้วยมาตรฐาน GB/T ที่ต้องการช่องสำหรับชาร์จ AC และ DC แยกจากกัน (รูปที่ 1)

รูปที่ 1: มาตรฐานการชาร์จ EV ได้รับการพัฒนาในระดับภูมิภาคในอเมริกาเหนือ ยุโรป และจีน (แหล่งที่มาของภาพ: Phoenix Contact)

ประเภท CCS

มาตรฐาน CCS มีสองเวอร์ชัน ได้แก่ ประเภทที่ 1 และประเภทที่ 2 ประเภทที่ 1 เป็นไปตามมาตรฐาน SAE J1772 และ IEC 62196-3 และได้รับการพัฒนาสำหรับตลาดอเมริกาเหนือ โครงสร้างของขั้วต่อการชาร์จ AC และ DC เข้ากันได้กับทางเข้าของยานพาหนะ CCS ทั่วไป

Type 2 ยังเป็นไปตาม IEC 62196-3 แต่ไม่ใช่ SAE J1772 ได้รับการพัฒนาขึ้นครั้งแรกในยุโรปและได้รับการนำไปใช้ในหลายภูมิภาคดังที่กล่าวไว้ข้างต้น คอนเน็กเตอร์ชาร์จแบบ AC และ DC แบบ 2 ยังใช้งานได้กับทางเข้าของยานพาหนะ CCS ทั่วไปอีกด้วย

มาตรฐานการชาร์จ GB/T 20234 ใช้ในประเทศจีนเท่านั้น ในกรณีนี้ ขั้วต่อ AC และ DC มีอินเทอร์เฟซที่แตกต่างกัน และกำหนดให้ใช้ทางเข้าแยกต่างหากบนรถ

รูปที่ 2: ตัวอย่างของ CCS ประเภท 1 (ซ้าย), CCS ประเภท 2 (กลาง) และ GB/T (ขวา) ช่องจ่ายไฟสำหรับชาร์จ EV (แหล่งที่มาภาพ: Phoenix Contact)

โหมดการชาร์จ

นอกจากความแตกต่างทางกายภาพระหว่างขั้วต่อ CCS ประเภทที่ 1 และประเภทที่ 2 แล้ว ยังมีการใช้โหมดการชาร์จที่แตกต่างกันในอเมริกาเหนือและยุโรป โหมดพลังงานต่ำจะใช้เครื่องชาร์จ EV ในตัว ในขณะที่โหมดพลังงานสูงจะใช้เครื่องชาร์จภายนอก นอกจากนี้ ระดับพลังงานที่สูงขึ้นอาจมีปัญหาด้านความร้อนมากขึ้นและได้ประโยชน์จากการตรวจสอบอุณหภูมิที่มีความแม่นยำสูงกว่า

มาตรฐาน North American SAE J1772 จำแนกสามโหมดหรือระดับ:

• ระดับ 1 มีไว้สำหรับการตั้งค่าที่อยู่อาศัยเป็นหลัก และใช้ไฟฟ้ากระแสสลับ (Vac) 120 โวลต์เพื่อส่งไฟฟ้าได้สูงสุดประมาณ 1.9 กิโลวัตต์ (kW)
• ระดับ 2 ใช้แรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้น 208/240 AC เฟสเดียว นั่นเรียกว่า "การชาร์จ AC แบบเร็ว" และสามารถส่งพลังงานประมาณ 19 กิโลวัตต์ไปยังเครื่องชาร์จ EV ในตัว
• ระดับ 3 คือการชาร์จ DC โดยใช้เครื่องชาร์จ DC ภายนอก ข้อกำหนดพื้นฐานสำหรับ 600 V_DC ที่สูงถึง 400 แอมแปร์ (A) สูงสุด 240 กิโลวัตต์ การออกแบบขั้นสูงสามารถส่งกระแสตรงได้ 1 กิโลโวลต์ (kV_DC ) และ 500 A รวมเป็น 500 กิโลวัตต์

โหมดการชาร์จสี่โหมดถูกกำหนดโดย IEC 61851-1 โหมด 1, 2 และ 3 ใช้ที่ชาร์จในตัวของ EV:

• โหมด 1 และ 2 ใช้สำหรับชาร์จไฟ AC พลังงานต่ำ สายเคเบิลโหมด 1 เสียบโดยตรงเข้ากับเต้ารับไฟฟ้ากระแสสลับหลัก และกำลังไฟที่มีจำกัด โหมด 2 ยังเสียบโดยตรงเข้ากับแหล่งจ่ายไฟหลัก AC แต่เพิ่มอุปกรณ์ควบคุมและป้องกันในสายเคเบิลเพื่อให้จ่ายไฟได้สูงสุด 15 กิโลวัตต์ด้วยไฟฟ้ากระแสสลับสามเฟสอย่างปลอดภัย
• โหมด 3 คือการชาร์จไฟฟ้ากระแสสลับอย่างรวดเร็วและใช้สถานีชาร์จเพื่อส่งพลังงานไฟฟ้ากระแสสลับสูงสุด 120 กิโลวัตต์ เครื่องชาร์จระดับ 3 สามารถเลือกรวมโปรโตคอลการสื่อสารระดับสูง (HLC) ระหว่างแหล่งจ่ายไฟ AC ภายนอกและเครื่องชาร์จออนบอร์ดสำหรับการควบคุมการชาร์จ
• โหมด 4 คือการชาร์จแบบ DC ที่รวดเร็วและสามารถส่งพลังงานโดยตรงไปยังแบตเตอรี่ได้หลายร้อยกิโลวัตต์ HLC จำเป็นในโหมด 4 เพื่อให้ข้อเสนอแนะที่จำเป็นสำหรับการควบคุมเครื่องชาร์จ

ป้องกันความร้อน

มีการป้องกันความร้อนในสายชาร์จทั้งแบบ AC และ DC สำหรับการชาร์จไฟฟ้ากระแสสลับสูงถึง 80 A เทอร์มิสเตอร์เชนค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิบวก (PTC) เป็นเรื่องปกติ ประกอบด้วยสายอุปกรณ์ที่มีหนึ่งสายในแต่ละหน้าสัมผัส การตรวจสอบค่าความต้านทานช่วยให้มั่นใจได้ถึงการปิดเครื่องอย่างปลอดภัยหากอุณหภูมิเกินขีดจำกัด

เซ็นเซอร์ Pt1000 ที่มีความแม่นยำสูงกว่าจะถูกใช้บนหน้าสัมผัสของเครื่องชาร์จพลังงานสูงเพื่อให้แน่ใจว่ามีการตอบสนองที่รวดเร็ว และทำให้ระบบสามารถทำงานได้อย่างต่อเนื่องที่ระดับพลังงานสูง

ตัวเลือกทางเข้า AC และสายเคเบิล

สำหรับนักออกแบบระบบชาร์จไฟฟ้ากระแสสลับ Phoenix Contact นำเสนอช่องทางการชาร์จแบบสากลเต็มรูปแบบที่สามารถรับอินพุต AC หรือ DC และช่องทางเข้าเฉพาะ AC เฉพาะที่ตรงตามข้อกำหนดสำหรับประเภทที่ 1 ในอเมริกาเหนือและประเภทที่ 2 ในยุโรป และเหมาะสำหรับยานพาหนะที่ไม่ต้องการการชาร์จ DC ส่วนประกอบเหล่านี้ประกอบด้วยสายไฟยาว 2 เมตรและสายเคเบิลยาว 1 เมตรสำหรับแอคชูเอเตอร์ล็อค เซ็นเซอร์อุณหภูมิ และการสื่อสาร มีกลไกการล็อค เซ็นเซอร์อุณหภูมิ และฝาปิดกันฝุ่น ตัวอย่างของการเดินสายสำหรับการใช้งานใน IEC 62196-2 และ SAE J1772 Type 1 ได้แก่:

• รุ่น 1271960 ช่องชาร์จรถยนต์สามารถรองรับไฟ AC เฟสเดียวได้สูงสุด 12 กิโลวัตต์ ทางเข้านี้ได้รับการจัดอันดับสำหรับการแทรก/การถอนมากกว่า 10,000 รอบ
• การใช้งานแบบพลังงานสูงสามารถใช้รุ่น 1271836 ได้ โดยได้รับการจัดอันดับสูงสุด 20 กิโลวัตต์ของไฟฟ้ากระแสสลับเฟสเดียว มีแอคชูเอเตอร์ล็อคและฝาครอบป้องกันรวมอยู่ด้วย

Phoenix Contact ยังมีสายชาร์จ AC หลากหลายรุ่น ได้แก่:

• รุ่น 1277166 สำหรับใช้กับเครื่องชาร์จรถยนต์ SAE J1772 ประเภทที่ 1 มีช่องเสียบสายชาร์จรถยนต์ที่ปลายด้านหนึ่ง และอีกด้านเปิดไว้สำหรับต่อกับที่ชาร์จแบบถาวร ประกอบด้วยการตรวจจับความร้อนแบบโซ่ PTC และสามารถรองรับไฟฟ้ากระแสสลับเฟสเดียวได้สูงสุด 20 กิโลวัตต์ ประกอบด้วยสายเคเบิลยาว 25 ฟุต (รูปที่ 3)
• รุ่น 1627692 สายชาร์จ AC แบบพกพาพร้อมขั้วต่อสำหรับชาร์จในรถยนต์สำหรับช่องเข้าประเภทที่ 2 ที่ปลายด้านหนึ่งและขั้วต่อ AC โครงสร้างพื้นฐานที่อีกด้านหนึ่งสำหรับใช้กับเครื่องชาร์จ Type 2 IEC 62196-2 ชุดสายเคเบิลนี้สามารถจ่ายไฟ AC 3 เฟสได้สูงสุด 26.6 กิโลวัตต์ รวมถึงหน้าสัมผัสสำหรับการเชื่อมต่อ HLC และมีความยาว 5 ม.

รูปที่ 3: ส่วนประกอบสายชาร์จ AC มือถือขนาด 20 กิโลวัตต์ (แหล่งที่มาภาพ: Phoenix Contact)

สายชาร์จ DC

Phoenix Contact นำเสนอสายชาร์จ CCS C-Line ของ DC สำหรับระบบการชาร์จพลังงานปานกลางที่ใช้ในที่พักอาศัยส่วนตัว อพาร์ตเมนต์ อาคารธุรกิจ และที่จอดรถ สายเคเบิลเหล่านี้มีให้ในแบบประเภทที่ 1 และประเภทที่ 2 และส่วนประกอบมีขั้วต่อการชาร์จรถยนต์พร้อมเซ็นเซอร์อุณหภูมิที่ปลายด้านหนึ่งและการเชื่อมต่อสายเคเบิลแบบเปิดที่อีกด้านหนึ่ง ตัวอย่างการออกแบบประเภทที่ 1 ได้แก่

• โมเดลยาว 5 ม1105880 สำหรับ 40 กิโลวัตต์
• โมเดลยาว 7 ม1236563 สำหรับ 80 กิโลวัตต์ (รูปที่ 4)

รูปที่ 4: ขั้วต่อการชาร์จ DC นี้มีพิกัดสำหรับ 80 kW และมีสายเคเบิลยาว 7 ม. (แหล่งที่มาภาพ: Phoenix Contact)

ช่องชาร์จอเนกประสงค์

รุ่น 1210900 ช่องชาร์จอเนกประสงค์ใช้งานได้กับคอนเน็กเตอร์ AC และ DC CCS ประเภทที่ 1, IEC 62196-2, IEC 62196-3 ที่รับกระแสไฟสูงสุด 200 A และ 1 kV_DC หรือ 80 A และ 250 Vac เฟสเดียว หน้าสัมผัส DC มีเซ็นเซอร์อุณหภูมิ PT1000 สองตัว และหน้าสัมผัส AC มีรูปแบบการตรวจจับความร้อนแบบโซ่ PTC

ระบบเคเบิล DC 500 กิโลวัตต์

ผู้ออกแบบระบบชาร์จ HPC DC โหมดพลังงานสูง 4 สามารถหันไปใช้ 1085658 ระบบสายเคเบิลที่มีตัวเชื่อมต่อยานพาหนะระบายความร้อนด้วยของเหลวและสายเคเบิลที่สามารถส่งได้ถึง 500 A ที่ 1 kV_DC เป็นไปตามข้อกำหนด CSS Type 1, SAE J1772 และ IEC 62196-3-1 ระบบประกอบด้วยเซ็นเซอร์สำหรับตรวจสอบอุณหภูมิ สายไฟขาด และน้ำหล่อเย็นรั่ว (รูปที่ 5) การตรวจสอบอุณหภูมิจะใช้กับ NTC สองตัวสำหรับหน้าสัมผัส DC และ NTC สองตัวสำหรับสายไฟ DC ในสายเคเบิล

รูปที่ 5: ชุดสายชาร์จ DC กำลังสูงนี้เป็นระบบที่ซับซ้อน (แหล่งรูปภาพ: Phoenix Contact)

ฟีนิกซ์คอนแทคยังให้บริการ หน่วยทำความเย็น แบบครบชุดพร้อมด้วยสายชาร์จ DC เหล่านี้ ประกอบด้วยพัดลมและปั๊มที่ปรับความเร็วได้เพื่อมอบการระบายความร้อนที่เหมาะสมที่สุดสำหรับระบบการชาร์จ DC กำลังสูง (รูปที่ 6) ปั๊มและพัดลมทำงานตั้งแต่ 0 V_DC ถึง 10 V_DC พัดลมซึ่งบริโภคกระแสสูงสุด 1.97 A และปั๊มซึ่งต้องใช้ไฟสูงสุดถึง 1.8 A น้ำยาหล่อเย็นมีส่วนผสมของน้ำ 50% และไกลคอล 50% สายไฟและสายไฟยาว 1.5 เมตร เมื่อรวมกับสายเคเบิล 1085658 ระบบจะมีความสามารถในการทำความเย็น 600 W สำหรับสายเคเบิล 3 ม., 800 W สำหรับสายเคเบิล 4 ม., 900 W สำหรับสายเคเบิล 5 ม. และ 1050 W สำหรับสายเคเบิล 6 ม.

รูปที่ 6: ระบบระบายความร้อนด้วยของเหลวสำหรับสายชาร์จ DC กำลังสูง (แหล่งที่มาของภาพ: Phoenix Contact)

สรุป

จำเป็นต้องใช้รูปแบบและระดับพลังงานของเครื่องชาร์จ EV ที่หลากหลายเพื่อให้โครงสร้างพื้นฐานการชาร์จที่ครอบคลุมสำหรับการนำ EV มาใช้ในวงกว้าง นักออกแบบต้องพัฒนาการออกแบบเครื่องชาร์จจากเครื่องชาร์จ AC พลังงานต่ำ 1.9 กิโลวัตต์ที่ใช้วงจรเครื่องชาร์จแบตเตอรี่ EV ภายใน ไปจนถึงเครื่องชาร์จ HPC 500 กิโลวัตต์ DC พร้อมสายระบายความร้อนด้วยของเหลวที่เลี่ยงวงจรการชาร์จภายในและชาร์จแบตเตอรี่โดยตรง ระดับพลังงานของเครื่องชาร์จและโหมดการชาร์จที่หลากหลายจะต้องรองรับการชาร์จ EV ที่ใช้งานได้ตลอดเวลาในที่พักส่วนตัวและอาคารอพาร์ตเมนต์ โรงแรม ร้านค้าและร้านอาหาร ไซต์เชิงพาณิชย์และอุตสาหกรรม โรงจอดรถ ปั๊มน้ำมัน จุดพักรถ และสถานที่อื่น ๆ