วิธีเอาชนะความท้าทายด้านการออกแบบสำหรับโครงสร้างพื้นฐานการชาร์จ EV ที่รวดเร็วและมีประสิทธิภาพ

โซลูชันการชาร์จรถยนต์ไฟฟ้า (EV) ต้องการเทคโนโลยีการแปลงพลังงานที่หลากหลายเพื่อรองรับการออกแบบไฟฟ้ากระแสสลับ (AC) สำหรับเครื่องชาร์จที่บ้านและสำนักงาน และระบบการชาร์จกระแสตรง (DC) แบบเร็ว สำหรับการชาร์จในการเดินทางระยะไกล หัวข้อทั่วไประหว่างเครื่องชาร์จ EV ทุกประเภทคือความต้องการคอนแทคเตอร์ รีเลย์ คอนเน็กเตอร์ และส่วนประกอบแบบพาสซีฟที่หลากหลายซึ่งจำเป็นต่อการรองรับแรงดันไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้าสูง รวมถึงมีการออกแบบที่กะทัดรัดและประสิทธิภาพสูงที่จำเป็นในการรองรับการชาร์จที่รวดเร็วยิ่งขึ้น โครงสร้างพื้นฐานการชาร์จ EV ปลอดภัยยิ่งขึ้น เล็กลง มีประสิทธิภาพ และยืดหยุ่น

การออกแบบเครื่องชาร์จ EV ที่มีประสิทธิภาพและยืดหยุ่นต้องใช้อุปกรณ์ไฟฟ้าแรงสูงขนาดกะทัดรัดหลากหลายชนิด อุปกรณ์เหล่านี้ต้องมีความต้านทานไฟฟ้าต่ำพร้อมการทำงานที่เชื่อถือได้และปลอดภัย ในบางกรณี อุปกรณ์เหล่านี้ยังต้องมีอายุการใช้งานสวิตช์ไฟฟ้าที่ยาวนานเมื่อต้องเผชิญกับสภาพแวดล้อมการทำงานที่รุนแรง อุปกรณ์ความปลอดภัยบางอย่าง เช่น สวิตช์ปิดฉุกเฉิน จะต้องมีคุณสมบัติ IP67 อื่นๆ เช่น ตัวกรองสัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) เทอร์มินอลบล็อก และคอนแทคเตอร์ ต้องมีใบรับรองประสิทธิภาพระดับสากลโดยเฉพาะ

บทความนี้จะให้ภาพรวมของการออกแบบเครื่องชาร์จ EV แบบ AC และ DC และมาตรฐานระดับภูมิภาคที่เกี่ยวข้องบางส่วน โดยทบทวนความต้องการเครื่องชาร์จ EV พลังงานสูงกว่า และมองไปสู่อนาคตของการชาร์จแบบเร็วสุดขีด (XFC) ปิดท้ายโดยการนำเสนอการใช้งานโดยย่อสำหรับคอนแทคเตอร์ รีเลย์ คอนเน็กเตอร์ ตัวต้านทานกำลัง สวิตช์ ตัวกรอง EMI และระบบเชื่อมต่อระหว่างเพาเวอร์บล็อกในระบบชาร์จ EV และมีลิงก์ไปยังผลิตภัณฑ์ที่เป็นแบบอย่าง จาก TE Connectivity

มาตรฐานระดับภูมิภาค

มีมาตรฐานมากมายที่กำหนดการชาร์จ EV ด้วย AC และ DC แต่ละภูมิภาคมีแนวทางของตนเอง ในอเมริกาเหนือ (NA) SAE J1772 กล่าวถึงการชาร์จ EV สามระดับ ในขณะที่ IEC 61851 ใช้ในยุโรปและมีรายละเอียดโหมดการชาร์จสี่โหมด มาตรฐานในประเทศจีนคือ GB/T 20234 สำหรับการชาร์จทั้ง AC และ DC ในขณะที่ในญี่ปุ่นมีมาตรฐาน Japan Automobile Research Institute (JARI) สำหรับการชาร์จ AC และ CHAdeMO สำหรับการชาร์จ DC โดยทั่วไปการชาร์จ AC จะใช้สูงสุดประมาณ 22 kW ในขณะที่การชาร์จ DC จะให้กำลังไฟมากกว่า นอกจากนี้ การชาร์จ AC ต้องใช้เครื่องชาร์จในตัว (OBC) ในขณะที่เครื่องชาร์จ DC เชื่อมต่อโดยตรงกับชุดแบตเตอรี่ (รูปที่ 1) การเปรียบเทียบมาตรฐานการชาร์จใน NA และยุโรปโดยย่อจะให้บริบทสำหรับหัวข้อถัดไปเกี่ยวกับการออกแบบและกรณีการใช้งานเครื่องชาร์จ

รูปที่ 1: การชาร์จ AC ใช้ OBC ในขณะที่การชาร์จ DC จะป้อนพลังงานโดยตรงเข้าสู่แบตเตอรี่ (แหล่งที่มาภาพ: TE Connectivity)

NA มีการชาร์จ AC สองระดับ ระดับ 1 ใช้เต้ารับติดผนังเพื่อจ่ายไฟสูงสุด 1.9 kW ในขณะที่ระดับ 2 ใช้สถานีชาร์จซึ่งจ่ายไฟสูงสุด 19.2 kW เครื่องชาร์จระดับ 1 ส่วนใหญ่จะใช้ในที่พักอาศัย ในขณะที่ระดับ 2 จะพบได้ในที่พักอาศัยและเชิงพาณิชย์ ในยุโรปมีโหมดการชาร์จ AC สามโหมด โหมด 1 เหมือนกับระดับ 1 ใน NA ในขณะที่โหมด 3 เหมือนกับ NA ระดับ 2 ยุโรปยังมีประเภทระหว่างกลางคือโหมด 2 ซึ่งใช้ปลั๊กติดผนังเหมือนกับโหมด 1 แต่เพิ่มวงจรป้องกันให้กับสายเชื่อมต่อ ทำให้สามารถจ่ายไฟได้เป็นสองเท่า

รวดเร็วอย่างเดียวไม่เพียงพอ

เครื่องชาร์จ AC แบบเร็ว เช่น ระดับ 2 ใน NA และโหมด 3 ในยุโรป จะเร็วกว่าทางเลือกอื่นที่ใช้เวลาสูงสุด 10 ถึง 12 ชั่วโมงในการชาร์จ EV ให้เต็ม อย่างไรก็ตาม การชาร์จ AC แบบเร็วอาจใช้เวลาหลายชั่วโมงในการชาร์จชุดแบตเตอรี่ที่หมด ซึ่งมีประโยชน์ในกรณีที่ต้องจอดรถไว้ที่สำนักงาน บ้าน หรือสถานที่อื่นเป็นระยะเวลานาน อย่างไรก็ตาม ยังไม่เร็วพอที่จะลดความกังวลเกี่ยวกับระยะทางของผู้ขับขี่ EV ได้มากเท่าที่ควร

นั่นเป็นสาเหตุที่เครื่องชาร์จ AC โหมด 3 กำลังแรงสูงและเครื่องชาร์จ DC ระดับ 4 ได้รับการพัฒนา อัตราการชาร์จสำหรับการชาร์จ DC แบบเร็ว ขึ้นอยู่กับปริมาณกระแสไฟที่จ่ายได้จากเครื่องชาร์จและแรงดันไฟฟ้าของก้อนแบตเตอรี่ เครื่องชาร์จ DC แบบเร็วได้รับการพัฒนาครั้งแรกสำหรับชุดแบตเตอรี่ 400 V เพื่อให้ชาร์จได้ 80% ด้วยเครื่องชาร์จ 400 V, 200 A จะใช้เวลาประมาณ 50 นาที การเพิ่มกระแสไฟเป็น 350 A เป็นเรื่องที่ท้าทาย แต่การทำเช่นนั้นสามารถชาร์จไฟ 80% ไปยังแบตเตอรี่ 400 V ได้ในเวลาประมาณ 29 นาที แม้ว่าการเพิ่มกระแสไฟจะลดเวลาในการชาร์จที่จำเป็นลง แต่ก็จำเป็นต้องมีมากขึ้นเพื่อให้การชาร์จรถยนต์ไฟฟ้าเป็นทางเลือกที่ประหยัดเวลาเมื่อเทียบกับวิธีการเติมเชื้อเพลิงแบบอื่น เป้าหมายคือเวลาในการชาร์จ 10 นาที ซึ่งเป็นระยะเวลาเท่ากันที่จำเป็นในการเติมถังน้ำมันของรถยนต์เครื่องยนต์สันดาปภายใน (ICE)

ขั้นต่อไปของการชาร์จ DC แบบเร็วจะเป็นการชาร์จแบบเร็วมาก (XFC) หากต้องการไปให้ถึง XFC แรงดันไฟฟ้าของชุดแบตเตอรี่จะเพิ่มขึ้นจาก 400 V เป็น 800 V โดยมีชุด 1 kV ในแนวราบ เทคโนโลยีเครื่องชาร์จ XFC กำลังได้รับการพัฒนาเพื่อให้จ่ายกระแสไฟ 1 kV ที่ 350 ถึง 500 A ซึ่งจะทำให้เวลาในการชาร์จลดลงเหลือ 10 นาทีหรือน้อยกว่า ด้วยความก้าวหน้าใน XFC ความวิตกกังวลเรื่องช่วงจะหมดไป

นอกเหนือจากการพัฒนาเทคโนโลยี XFC แล้ว นักออกแบบยังได้รับแรงกดดันให้มีการออกแบบที่กะทัดรัดและประสิทธิภาพสูงเพื่อรองรับการชาร์จ EV ที่ปลอดภัยยิ่งขึ้น ขนาดเล็กลง มีประสิทธิภาพมากขึ้น และยืดหยุ่นมากขึ้น ซึ่งต้องใช้ส่วนประกอบขั้นสูงและการออกแบบขั้นสูง

รูปที่ 2: จำเป็นต้องมีส่วนประกอบขั้นสูงเพื่อพัฒนาโซลูชันการชาร์จที่มีขนาดกะทัดรัดและมีกำลังสูงขึ้นสำหรับยานพาหนะไฟฟ้า (แหล่งที่มาภาพ: TE Connectivity)

เข้าไปในพื้นที่แคบ

การออกแบบเครื่องชาร์จ XFC ได้รับการพัฒนาโดยใช้เซมิคอนดักเตอร์กำลังของซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) และแกลเลียมไนไตรด์ (GaN) ที่ให้โซลูชันการแปลงพลังงานขนาดกะทัดรัดและมีประสิทธิภาพสูง อย่างไรก็ตาม การแปลงพลังงานเป็นเพียงองค์ประกอบหนึ่งของการออกแบบเครื่องชาร์จ EV

เครื่องชาร์จ EV จำเป็นต้องมีบอร์ดและคอนเน็กเตอร์สัญญาณขนาดกะทัดรัดและทนทานสำหรับการควบคุมและการตรวจสอบ พวกมันต้องการรีเลย์และคอนแทคเตอร์ที่ประหยัดพื้นที่ซึ่งสามารถรองรับแรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้นที่เกี่ยวข้องกับระบบการชาร์จที่เร็วขึ้น ตัวต้านทานกำลังในเครื่องชาร์จ EV ต้องมีความต้านทานฉนวนสูง อุณหภูมิพื้นผิวต่ำ สมรรถนะค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิความต้านทาน (TCR) ที่ดีเยี่ยม ความสามารถในการกระจายพลังงานสูงในพื้นที่จำกัด และโครงสร้างที่กันไฟได้

แหล่งจ่ายไฟเสริมและวงจรอื่นๆ ขึ้นอยู่กับตัวกรองสัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้าขนาดกะทัดรัด (EMI) เพื่อกำจัดสัญญาณรบกวนด้วยลอจิกควบคุมและวงจรตรวจสอบ สวิตช์ปิดฉุกเฉินที่มีระดับ IP65 และแรงกระตุ้นที่เพียงพอเพื่อป้องกันการสลับโดยไม่ได้ตั้งใจเป็นสิ่งจำเป็นในการทนต่อสภาพแวดล้อมที่รุนแรง

เครื่องชาร์จ AC ระดับ 2 / โหมด 3

รายการต่อไปนี้ให้รายละเอียดส่วนประกอบสำคัญบางประการที่จำเป็นสำหรับการออกแบบเครื่องชาร์จ AC ระดับ 2 และโหมด 3 ตัวเลขที่แสดงตรงกับตัวเลขในวงกลมในรูปที่ 3 ด้านล่าง

1. เพาเวอร์รีเลย์ ใช้เป็นสวิตช์หลักในสถานีชาร์จ AC เช่นเดียวกับ ซีรีย์ T92 ของ TE รีเลย์แบบ single-throw (DPST) สองขั้วเหล่านี้กำหนดพิกัดสูงสุด 50 A และออกแบบมาเพื่อใช้ในอุณหภูมิที่สูงมาก โมเดล T92HP7D1X-12 ได้รับการปรับให้เหมาะสมเพื่อประสิทธิภาพการระบายความร้อนที่เหนือกว่า และกำหนดพิกัด 50 A และ 600 Vac ที่สูงถึง 85 °C
2. จำเป็นต้องใช้บอร์ดและคอนเน็กเตอร์สัญญาณเช่น ซีรีส์ Dynamic Mini ของ TE เพื่อรองรับพลังงาน PCB ภายในและการเชื่อมต่อสัญญาณ คอนเน็กเตอร์เหล่านี้มีกลไกการล็อกเชิงบวกที่มีเสียง เพื่ออำนวยความสะดวกในการติดตั้งและการบำรุงรักษาในภาคสนาม ได้รับการกำหนดสำหรับการใช้งานตั้งแต่ -40 ถึง 125 °C เพื่อรองรับความต้องการในการติดตั้งการชาร์จ AC ตัวอย่างเช่น รุ่น1-2834461-2 มี 12 ตำแหน่งบนเส้นกึ่งกลาง 0.071 นิ้ว (1.8 mm)
3. ตัวต้านทานกำลังมีความสำคัญในการตรวจสอบ จัดการ และรับประกันการทำงานที่ปลอดภัย ต้องมีความต้านทานฉนวนสูง TCR ต่ำ เช่น 300 ppm/°C อุณหภูมิพื้นผิวที่เพิ่มขึ้นต่ำ และโครงสร้างกันไฟ ซีรีย์ SQ ของ TE เช่นเดียวกับรุ่น 1 Ω ±5% 5W SQPW51R0J เหมาะสำหรับใช้กับเครื่องชาร์จไฟฟ้า AC
4. สวิตช์หยุดฉุกเฉินมีความสำคัญต่อความปลอดภัยของเครื่องชาร์จ AC TE นำเสนอสวิตช์หยุดฉุกเฉินแบบปุ่มกด ซีรีส์ PBE16 ในรุ่นมีไฟและไม่มีไฟ สวิตช์เหล่านี้เป็นไปตามข้อกำหนด IEC 60947-5-1 และ IEC 60947-5-5 ตัวอย่างเช่น รุ่นPBES16L1CR ได้รับการจัดรับรอง IP 65 พร้อมแรงกระตุ้น 20 นิวตัน (N) เพื่อหลีกเลี่ยงการกระตุ้นโดยไม่ได้ตั้งใจ
5. ตัวกรอง EMI จำเป็นสำหรับแหล่งจ่ายไฟเสริมในสถานีชาร์จ เพื่อป้องกันการรบกวนการทำงานของวงจรดิจิตอลที่ใช้สำหรับการตรวจสอบและควบคุมพลังงาน นอกจากนี้ จำเป็นต้องใช้แหล่งจ่ายไฟเสริมเพื่อขับเคลื่อนพลังงานให้กับเซมิคอนดักเตอร์กำลังในส่วนการแปลงพลังงาน โมเดล 6609065-3 ของ TE เป็นตัวกรอง EMI เฟสเดียวกำหนดพิกัด 6 A ที่ 250 Vac และ 50 หรือ 60 Hz
6. สุดท้ายนี้ โซลูชันทางไฟฟ้ามีความจำเป็นสำหรับการเดินสายไฟและการระบุแผง เพื่อเพิ่มความเร็วในการประกอบและการบำรุงรักษาในภาคสนาม ฉลากเหล่านี้ต้องติดตั้งง่ายและมีความทนทานสูง ตัวอย่างเช่น PL-027008-2.5-9 ของ TE เป็นฉลากกาวโพลีเอสเตอร์ที่ออกแบบมาเพื่อใช้ในตู้ไฟฟ้า เช่น สถานีชาร์จ EV

รูปที่ 3: ส่วนประกอบสำคัญที่จำเป็นสำหรับเครื่องชาร์จ AC ระดับ 2 และโหมด 3 (แหล่งที่มาภาพ: TE Connectivity)

DC แบบเร็วและ XFC

จากระดับสูง ประเภทของส่วนประกอบที่จำเป็นสำหรับเครื่องชาร์จ AC ระดับ 2 และโหมด 3 ดูเหมือนจะคล้ายกับที่ใช้ในเครื่องชาร์จ DC แบบเร็ว อย่างไรก็ตามมีความแตกต่างที่ลึกซึ้งและชัดเจนระหว่างทั้งสองอย่าง

โดยทั่วไปสถานีชาร์จ AC จะใช้รีเลย์เพื่อควบคุมพลังงาน ในขณะที่เครื่องชาร์จ DC ต้องใช้คอนแทคเตอร์ แม้ว่ารีเลย์และคอนแทคเตอร์เป็นสวิตช์ที่ใช้แรงดันไฟฟ้าต่ำเช่น 12 Vdc เพื่อสลับวงจรแรงดันไฟฟ้าที่สูงกว่า แต่อุปกรณ์เหล่านี้ใช้โครงสร้างหน้าสัมผัสที่แตกต่างกันซึ่งปรับให้เหมาะสมกับระดับแรงดันและกระแสที่แตกต่างกัน โดยทั่วไปรีเลย์จะได้รับพิกัดสูงสุดถึง 600 V ในขณะที่คอนแทคเตอร์ได้รับพิกัดอยู่ที่ 800 V และสูงกว่า นอกจากนี้ รีเลย์มักถูกจำกัดไว้ที่สิบแอมป์ ขณะที่คอนแทคเตอร์ก็มีให้ใช้งานซึ่งสามารถสลับแอมป์ได้หลายร้อยแอมป์ ตัวอย่างเช่น คอนแทคเตอร์ EV200AAANA ของ TE กำหนดพิกัดกระแสไฟ 900 V และ 500 A และเหมาะสำหรับเครื่องชาร์จ DC แบบเร็ว

คอนเน็กเตอร์สัญญาณและตัวต้านทานกำลังที่ใช้ในเครื่องชาร์จ DC ไม่เหมือนกับที่ใช้ในการออกแบบ AC เครื่องชาร์จ DC มีการควบคุมที่ซับซ้อนมากขึ้น เช่น การสื่อสารกับชุดแบตเตอรี่ EV ที่ไม่มีอยู่ในการออกแบบ AC เครื่องชาร์จทั้ง AC และ DC ได้รับประโยชน์จากการใช้คอนเน็กเตอร์แบบละเอียดระหว่างบอร์ดกับบอร์ดที่มีเส้นกึ่งกลาง 0.050” x 0.050” (1.00 mm x 1.00 mm) แต่เครื่องชาร์จ DC อาจต้องใช้จำนวนพินที่สูงกว่า เช่น 1MM-R-D15-VS-00-F-TBP 30 ตำแหน่ง

นอกจากนี้ ระดับพลังงานที่สูงขึ้นในเครื่องชาร์จ DC ยังได้รับประโยชน์จากตัวต้านทานกำลังที่ทำด้วยอะลูมิเนียม เช่นHS ซีรีส์ จาก TE ตัวต้านทานแบบลวดพันเหล่านี้มีความเสถียรมากและสามารถกระจายพลังงานสูงในพื้นที่จำกัดซึ่งมีอุณหภูมิพื้นผิวค่อนข้างต่ำ ตัวอย่างเช่น รุ่นHSA1010RJ รองรับ 10 Ω ±5% และ 10 W รุ่นอื่นๆ ในซีรีส์นี้รองรับกระแสไฟสูงสุด 82 kΩ และสูงสุด 300 W

แม้ว่าสวิตช์ปิดฉุกเฉินประเภทเดียวกันมักจะใช้กับเครื่องชาร์จ AC และ DC ได้ แต่ในกรณีของตัวกรอง EMI เครื่องชาร์จ DC อาจต้องใช้ตัวกรองที่ใหญ่กว่าหรือตัวกรองมากกว่านั้น ขึ้นอยู่กับการออกแบบ

ข้อแตกต่างอีกประการระหว่างเครื่องชาร์จ AC และ DC ก็คือเครื่องชาร์จ DC ต้องใช้เทอร์มินอลบล็อกสายไฟเหมือนกับ พาวเวอร์บล็อคขนาดกะทัดรัด ENTRELEC ของ TE เพื่อจ่ายไฟฟ้าภายใน โมเดล CBS50-2P รองรับ 150 A และ 1 kV

รูปที่ 4: เครื่องชาร์จ DC แบบเร็วต้องใช้ส่วนประกอบหลายอย่างเหมือนกับที่ชาร์จ AC ระดับ 2 และโหมด 3 แต่ก็มีความแตกต่างเล็กน้อย (แหล่งที่มาภาพ: TE Connectivity)

สรุป

การออกแบบเครื่องชาร์จ EV ขั้นสูงจะมีความสำคัญอย่างยิ่งในการลดความวิตกกังวลในระยะทางและทำให้สามารถใช้งาน EV ในวงกว้างได้ เครื่องชาร์จขั้นสูงเหล่านี้จะใช้แรงดันไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้าที่สูงขึ้นเพื่อลดเวลาในการชาร์จลงเหลือประมาณ 10 นาที ทำให้การชาร์จ EV เปรียบเทียบได้สูสีกับเวลาในการเติมเชื้อเพลิงสำหรับรถยนต์ ICE ดังที่แสดงไว้ นักออกแบบต้องการส่วนประกอบที่หลากหลายขนาดกะทัดรัด มีประสิทธิภาพ และทนทานต่อสิ่งแวดล้อมสำหรับเครื่องชาร์จ AC และ DC แบบเร็ว และการออกแบบ XFC ในอนาคต