ทำไมเครื่องชาร์จบนตัวรถ (OBC) จึงถูกออกแบบให้มีขนาดเล็กโดยเจตนา?

สิ่งที่กำหนดความเร็วในการชาร์จ AC ของยานพาหนะไฟฟ้าที่บ้านไม่ใช่หน่วยชาร์จบนผนัง แต่คือตัวชาร์จในตัวรถ (onboard charger); อุปกรณ์นี้ถูกจำกัดไว้ที่ช่วง 7-22 kW ซึ่งเป็นช่วงกำลังไฟที่แคบอย่างมีเจตนา เพราะภาระหลักของการชาร์จเร็วตกอยู่ที่ตัวแปลง DC ฝั่งสถานี ในบทความนี้เราจะอธิบายในระดับอิเล็กทรอนิกส์กำลังว่า OBC ทำหน้าที่อะไร เหตุใดจึงถูกออกแบบให้มีขนาดเล็ก และการชาร์จเร็วแบบ DC ทำให้มันถูกข้ามผ่านได้อย่างไร

ตัวชาร์จในตัวรถ (Onboard Charger) คืออะไรกันแน่ และทำหน้าที่อย่างไร?

หน่วยติดผนังที่เรียกกันทั่วไปว่า "ที่ชาร์จ" ในทางเทคนิคแล้วไม่ใช่ตัวชาร์จ; สิ่งเหล่านี้เรียกว่าอุปกรณ์ชาร์จสำหรับยานพาหนะไฟฟ้า หรือ EVSE ตัวชาร์จที่แท้จริงอยู่ภายในตัวรถ: ตัวชาร์จในตัวรถจะแปลงกำลังไฟ AC จากสายไฟฟ้าให้เป็นกำลังไฟ DC ที่จัดเก็บไว้ในแบตเตอรี่ได้ นอกเหนือจากหน้าที่นี้ มันยังปรับแรงดันไฟฟ้า สื่อสารกับอุปกรณ์ชาร์จ และติดตามสถานะแบตเตอรี่อย่างต่อเนื่อง

บทบาทของหน่วยติดผนังเรียบง่ายกว่านั้น: สื่อสารกับยานพาหนะ กำหนดกระแสไฟสูงสุดที่ผ่านสายไฟได้และกระแสไฟสูงสุดที่ OBC ยอมรับได้ ตัดกำลังไฟเมื่อไม่มีการเสียบสาย และตัดวงจรเมื่อเกิดข้อผิดพลาด กล่าวคือ กล่องบนผนังนั้นเป็นหน่วยด้านความปลอดภัยและการเชื่อมต่อ; ส่วนงานแปลงไฟนั้นเป็นหน้าที่ของตัวรถ การแยกแยะนี้คือจุดเริ่มต้นของการถกเถียงทั้งหมดเรื่องความเร็วในการชาร์จ

เหตุใดยานพาหนะจึงเป็นตัวกำหนดความเร็วการชาร์จ AC?

ตัวชาร์จในตัวรถคือปัจจัยจำกัดหลักของความเร็วการชาร์จ AC มันเป็นผู้กำหนดและปรับแรงดันและกระแสไฟที่จะส่งไปยังแบตเตอรี่ด้วยตัวเอง ไม่ว่าสถานีชาร์จจะจ่ายกำลังไฟเท่าใด OBC ก็จะไม่ยอมรับกำลังไฟเกินกว่าค่าพิกัดของตนเองเด็ดขาด: ยานพาหนะที่มีกำลังไฟพิกัด 7.2 kW เมื่อเชื่อมต่อกับสถานีที่จ่ายได้ถึง 19.2 kW ที่ 80 A ก็ยังคงชาร์จด้วย 7.2 kW เท่าเดิม

ในทางปฏิบัติ กำลังไฟการชาร์จ AC ถูกกำหนดโดยค่าต่ำสุดจากข้อจำกัดสี่ประการ: สายไฟ ตัวชาร์จในตัวรถของยานพาหนะ จำนวนเฟสที่เข้าถึงเต้ารับ และแหล่งจ่ายไฟ ส่วนการคำนวณกำลังไฟนั้นง่ายมาก: แรงดัน × กระแส 240 V × 30 A เท่ากับประมาณ 7.2 kW; ที่ 48 A ค่านี้จะเพิ่มขึ้นเป็นช่วง 11.5 kW ยานพาหนะแต่ละคันยังมีค่ากำลังไฟที่แตกต่างกันสองค่า: กำลังไฟ AC ที่ต่ำกว่า และกำลังไฟ DC ที่สูงกว่า ความต่างระหว่างสองค่านี้เป็นผลโดยตรงจากการที่สถาปัตยกรรมถูกแบ่งออกเป็นเส้นทางการแปลงไฟสองแบบที่แยกจากกัน

ระดับกำลังไฟ: เหตุใดช่วง 7, 11 และ 22 kW จึงแพร่หลายถึงเพียงนั้น?

ระดับกำลังไฟ AC ในตลาดถูกจัดกลุ่มเป็นสามระดับ 7 kW เป็นมาตรฐานของบ้านเดี่ยวเฟสเดียว 11 kW เป็นทางเลือกของบ้านสามเฟสและธุรกิจขนาดเล็ก และ 22 kW เป็นตัวเลือก AC ที่เร็วที่สุดที่การเชื่อมต่อสามเฟสสามารถให้ได้ เมื่อคิดจากกำลังไฟเพียงอย่างเดียว 11 kW เร็วกว่า 7 kW ประมาณ 57%; ความต่างนี้หมายถึงการประหยัดเวลาระดับสามถึงสี่ชั่วโมงในการชาร์จตอนกลางคืน

การไปเหนือกว่าขีดจำกัดเหล่านี้เป็นไปได้ด้วยการตัดสินใจของผู้ผลิต: ในรุ่นที่แพร่หลายอย่าง Nissan LEAF ถือว่า OBC 7.2 kW เพียงพอ ในขณะที่ Lucid Air ขึ้นไปเหนือช่วงนี้ด้วยอุปกรณ์ชาร์จบนยานพาหนะ 19.2 kW อย่างไรก็ตาม การแพร่หลายของสถานี AC 22 kW ยังคงจำกัดอยู่เนื่องจากความต้องการโครงสร้างพื้นฐานสามเฟสและการอนุมัติอย่างเป็นทางการ นั่นคือเพดานนี้ถูกกำหนดโดยโครงสร้างพื้นฐานด้วย

DC ชาร์จเร็วทำให้ Onboard Charger ไร้ความสามารถได้อย่างไร?

ในการชาร์จเร็วแบบ DC (DCFC) การแปลง AC เป็น DC ไม่ได้เกิดขึ้นบนยานพาหนะแต่เกิดที่สถานี DC ที่แปลงแล้วถูกจ่ายไปยังแบตเตอรี่โดยตรงโดยไม่ผ่าน OBC เลย ในโหมดนี้ ยานพาหนะจะควบคุมกระบวนการผ่านระบบจัดการแบตเตอรี่ (BMS) อุปกรณ์ชาร์จ DC ที่จัดอยู่ในประเภท Mode 4 ทำหน้าที่ข้ามขั้นตอนนี้พอดี

ด้วยเหตุนี้ ในการชาร์จเร็วแบบ DC ระดับกำลังไฟจึงถูกจำกัดด้วยสถานีเป็นหลัก: ความเร็วสูงสุดมีตั้งแต่ 50 kW ไปจนถึงค่าที่เกิน 250 kW เหตุผลเชิงสถาปัตยกรรมที่ไม่ย้ายการแปลงไปยังยานพาหนะก็อยู่ที่นี่: อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์คอนเวอร์เตอร์ในสถานีสามารถมีขนาดใหญ่และทรงพลังกว่าที่ยานพาหนะหนึ่งคันจะบรรทุกได้มาก ยานพาหนะไม่จำเป็นต้องแบกอุปกรณ์แปลงไฟที่หนักอึ้งไปกับตัวทุกครั้ง

ทำไม Onboard Charger จึงถูกออกแบบให้มีขนาดเล็กโดยเจตนา?

ใน EV น้ำหนักบรรทุกและปริมาตรมีจำกัดทั้งคู่ อุปกรณ์ชาร์จบนยานพาหนะโดยทั่วไปจะถูกออกแบบให้เบากว่า 5 กิโลกรัมและกะทัดรัด การละเมิดขีดจำกัดนี้จะเพิ่มต้นทุนสามด้านพร้อมกัน:

• ต้นทุน: OBC ที่มีความจุสูงขึ้นจะเพิ่มต้นทุนยานพาหนะโดยตรง
• น้ำหนักและปริมาตร: ทุกกิโลกรัมที่เพิ่มขึ้นคือโทษโดยตรงในแง่ของระยะทางและการจัดวางแพ็กเกจ
• การจัดการความร้อน: กำลังไฟที่สูงหมายถึงความร้อนที่ต้องจัดการมากขึ้น อุปกรณ์ชาร์จบนยานพาหนะถูกออกแบบด้วยพัดลมหรือระบบระบายความร้อนด้วยของเหลว และการระบายความร้อนที่ดีเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งต่อการควบคุมความร้อน

ในด้านวิศวกรรมก็มีวิธีลดขนาดเช่นกัน: ในที่ชาร์จแบบหลายฟังก์ชัน การใช้ฮีตซิงก์ร่วมกันช่วยลดขนาดโดยรวม เทคโนโลยีสารกึ่งตัวนำระดับสูงสามารถปรับปรุง trade-off ระหว่างความหนาแน่นของกำลังไฟและประสิทธิภาพได้ แต่ราคาของมันคือต้องใช้การออกแบบ gate-drive เส้นทางความร้อนที่ระมัดระวังยิ่งขึ้น และส่วนประกอบแม่เหล็กขั้นสูง นั่นคือการลดขนาดไม่ได้มา "ฟรี ๆ" ทุกก้าวหน้าต้องแลกกับการจ่ายในด้านวิศวกรรมด้านอื่น

สถาปัตยกรรม 800V เปลี่ยนภาพนี้ได้หรือไม่?

สถาปัตยกรรม 800V เป็นการตัดสินใจระบบที่ครอบคลุมแพ็กเกจแบตเตอรี่ คอนเวอร์เตอร์ DC-DC และอุปกรณ์ชาร์จบนยานพาหนะ มันอำนวยความสะดวกในการชาร์จความเร็วสูงพิเศษโดยให้กำลังชาร์จที่สูงขึ้นด้วยกระแสที่ต่ำกว่า และสามารถลดช่วง 10-80% ลงได้ต่ำกว่า 20 นาที ระบุว่าที่สถานีที่รองรับ สามารถเข้าใกล้ 80% ได้ภายในประมาณ 20-30 นาทีด้วยกำลังไฟเกิน 200 kW สถาปัตยกรรมนี้รองรับความเร็วในการชาร์จได้ถึง 350 kW

รายละเอียดที่ต้องระวังคือ: ความเร็วที่ 800V ให้มานั้นอยู่ที่ฝั่ง DC ในกรณี AC และการชาร์จที่บ้าน สถาปัตยกรรม 800V ไม่ได้ให้ข้อได้เปรียบ เพราะเพดานฝั่ง AC ยังคงถูกกำหนดโดยกำลังพิกัดของ OBC ที่จริงแล้วอุปกรณ์ชาร์จที่บ้านแบบ bidirectional บางรุ่นรองรับแบตเตอรี่ DC 400V ได้ แต่กลับรองรับ 800V ไม่ได้ กรณีที่รถ 400V เชื่อมต่อกับสถานี 800V แล้วถูกจำกัดที่เอาต์พุต 400V ก็คืออีกด้านหนึ่งของตรรกะเดียวกันนี้: ขีดจำกัดเสมอคือฝั่งที่แคบกว่า

การชาร์จ AC ที่ช้าลงดีต่อแบตเตอรี่มากกว่าหรือไม่?

ไม่ควรมองว่าการมี OBC ขนาดเล็กเป็นข้อบกพร่อง การชาร์จ AC นั้นช้า แต่ความช้านี้ช่วยรักษาสุขภาพแบตเตอรี่ไว้ตลอดอายุการใช้งานของรถ การชาร์จที่บ้านตอนกลางคืนคือโหมดที่แบตเตอรี่อยู่ภายใต้ความเครียดน้อยที่สุด ความได้เปรียบด้านความเร็วของ DC fast charging นั้นไม่มีข้อโต้แย้งและขาดไม่ได้สำหรับการเดินทางไกล แต่ในการใช้งานประจำวัน ความเพียงพอของฝั่ง AC ก็ไม่มีข้อโต้แย้งเช่นกัน

นอกจากนี้ควรรู้ว่าการชาร์จด้วยกำลังต่ำมีขีดจำกัดเชิงปฏิบัติ: รถบางรุ่นใช้ไฟ 100-200 W ต่อชั่วโมงเพื่อให้ระบบทำงานค้างไว้ระหว่างชาร์จ การใช้ไฟนี้ทำให้การชาร์จที่ตั้งกำลังไว้ต่ำมากช้าลงอย่างไม่เป็นสัดส่วน นั่นคือนอกจากขีดจำกัดล่างของ OBC แล้ว โหลดคงที่ของตัวรถเองก็กำหนดรูปแบบของกระแสไฟด้วย

บทสรุป: OBC ขนาดเล็ก คือการแบ่งภาระงานที่ถูกต้อง

ความเล็กของ onboard charger ไม่ใช่ความบกพร่อง แต่เป็นการตัดสินใจเชิงสถาปัตยกรรม ในการชาร์จ AC เพดานถูกกำหนดโดยตัวรถ ในการชาร์จ DC การแปลงไฟถูกย้ายไปที่สถานี และรถเก็บเพียงส่วนข้อมูลและการควบคุมเอาไว้ OBC ในช่วง 7-22 kW ช่วยรักษาน้ำหนัก ต้นทุน และภาระทางความร้อนให้อยู่ในระดับที่เหมาะสม ขณะที่ความต้องการความเร็วที่แท้จริงถูกตอบสนองโดยคอนเวอร์เตอร์ขนาดมหึมาฝั่งโครงสร้างพื้นฐาน เมื่ออ่านค่าการชาร์จของ EV เหตุผลที่เราเห็นตัวเลขสองตัวแยกกันก็เพราะการแบ่งแบบนี้เอง: หนึ่งคือหน่วยเล็กที่ทำงานต่อเนื่องอยู่ในตัวรถ อีกหนึ่งคือกำลังไฟขนาดใหญ่ที่สถานีซึ่งไม่เคยถูกขนส่งไปกับรถ

แหล่งอ้างอิง

• อะไรกันแน่ที่จำกัดความเร็วการชาร์จ EV? ไม่ใช่สิ่งที่คุณคิด!
• แอมแปร์และกิโลวัตต์ของสถานีส่งผลต่อเวลาชาร์จ EV อย่างไร
• คู่มือฉบับสมบูรณ์เกี่ยวกับ DC Fast Charging
• การปรับปรุงประสิทธิภาพของระบบใน DC fast-chargers
• Onboard Charger คืออะไร?
• On-Board Charger - ScienceDirect Topics
• ข้อจำกัดของ Onboard Charger ในการชาร์จ AC สำหรับ EV
• สถาปัตยกรรมยานยนต์ 800 V คืออะไร?
• ภาพรวมของ Onboard Charger สำหรับ EV รถยนต์นั่ง 800 V
• การชาร์จ 400V เทียบกับ 800V
• ควรเลือก EV Charger 7kW, 11kW หรือ 22kW?
• ทำความเข้าใจกับชาร์จเจอร์ 7kW, 11kW และ 22kW
• เหตุใดการชาร์จ EV ที่ช้ากว่าจึงอาจฉลาดกว่า
• ระดับการชาร์จ, กิโลวัตต์ของ Onboard Charger, DC Fast