เรากำลังชาร์จรถยนต์ไฟฟ้าผิดวิธี

 (spectrum.ieee.org)
2 คะแนน โดย GN⁺ 2025-03-11 | 1 ความคิดเห็น | แชร์ทาง WhatsApp

> "โครงสร้างพื้นฐานการชาร์จที่ซับซ้อนและมีต้นทุนสูงกำลังจำกัดการยอมรับรถยนต์ไฟฟ้า (EV)"

  • สิ่งสำคัญที่สุดในการเร่งการเปลี่ยนผ่านไปสู่รถยนต์ไฟฟ้าคือการสร้างโครงสร้างพื้นฐานการชาร์จ EV สาธารณะที่แข็งแกร่ง แต่สถานีชาร์จรถยนต์ไฟฟ้าสาธารณะมีต้นทุนการก่อสร้างสูงมาก
    • ผู้บริโภคคาดหวังให้รถยนต์ไฟฟ้าตอบโจทย์ทุกความต้องการได้เหมือนรถยนต์แบบเดิม รวมถึงการเดินทางระยะไกล
  • ปัจจุบันในประเทศพัฒนาแล้ว การชาร์จประมาณ 90% เกิดขึ้นที่บ้าน แต่การชาร์จสาธารณะอีก 10% ที่เหลือนั้นสำคัญมากสำหรับผู้ขับขี่รถยนต์ไฟฟ้า
    • การขาดแคลนโครงสร้างพื้นฐานการชาร์จสาธารณะเป็นปัญหาสำหรับรถบรรทุกส่งของ แท็กซี่ ผู้อยู่อาศัยในอพาร์ตเมนต์ นักศึกษา ครอบครัวที่เดินทาง และกลุ่มอื่น ๆ
    • จากการสำรวจของ Forbes ในปี 2022 พบว่า 62% ของเจ้าของรถยนต์ไฟฟ้าเคยเปลี่ยนแผนการเดินทางเพราะปัญหาการชาร์จ
  • ตามรายงานของ International Energy Agency (IEA) ในจีน การลงทุนในโครงสร้างพื้นฐานการชาร์จมีประสิทธิภาพต่อความสำเร็จของรถยนต์ไฟฟ้ามากกว่าเงินอุดหนุนถึง4 เท่า

หลักการของการชาร์จรถยนต์ไฟฟ้า

  • สถานีชาร์จทำหน้าที่แปลงไฟฟ้า AC เป็นไฟฟ้า DC เพื่อจ่ายให้แบตเตอรี่
  • ระหว่างการชาร์จ ต้องเป็นไปตามเงื่อนไขต่อไปนี้
    • แรงดันไฟของแบตเตอรี่ต้องไม่เกินค่าขีดจำกัด
    • อุณหภูมิแบตเตอรี่ต้องไม่เกินขีดจำกัดที่กำหนด
    • กระแสไฟจากโครงข่ายไฟฟ้าต้องไม่เกินค่าที่กำหนด
  • การต่อลงดิน (grounding) มีความสำคัญเพื่อป้องกันไฟฟ้าช็อต
    • หากการต่อลงดินขาดหาย พอร์ตชาร์จจะป้องกันความปลอดภัยผ่านการแยกวงจรแบบ Galvanic Isolation
    • Galvanic Isolation คือการแยกวงจรออกจากกันทางกายภาพเพื่อไม่ให้กระแสไฟไหลระหว่างวงจร
  • การแยกวงจรแบบ Galvanic Isolation ในสถานีชาร์จทำได้ด้วยหม้อแปลง (transformer)
    • หม้อแปลงทำหน้าที่แยกวงจรผ่านพลังงานที่ถูกแปลงเป็นไฟฟ้ากระแสสลับความถี่สูง (AC)

Galvanic Isolation มีราคาแพงมาก

  • Galvanic Isolation คิดเป็นประมาณ 60% ของต้นทุนอุปกรณ์ชาร์จ
    • ต้นทุนอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังต่อพอร์ต 300kW: ประมาณ $90,000
      • ในจำนวนนี้ $54,000 คือค่าใช้จ่ายของ Galvanic Isolation
    • ต้นทุนรวมของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังสำหรับสถานีชาร์จ 4 พอร์ต: ประมาณ $360,000 (เฉพาะค่าระบบแยกวงจรก็มากกว่า $200,000)
  • Galvanic Isolation ทำให้อุปกรณ์ชาร์จมีขนาดและน้ำหนักเพิ่มขึ้น
  • เหตุผลที่ทำให้การชาร์จความเร็วสูงใน on-board charger (OBC) ทำได้ยาก ก็เป็นเพราะขนาดและต้นทุนของ Galvanic Isolation เช่นกัน

จะเอา Galvanic Isolation ออกได้หรือไม่?

  • หากตัด Galvanic Isolation ออก ต้นทุนอุปกรณ์ชาร์จและการสูญเสียพลังงานสามารถลดลงได้มากกว่าครึ่ง
  • แนวทางแก้ปัญหา:
    • ใช้การต่อลงดินสองชั้น (double ground)
      • ใช้สายดินสองเส้น เพื่อให้แม้สายดินเส้นหนึ่งขาด อีกเส้นยังทำหน้าที่ป้องกันได้
      • เพิ่มวงจรตรวจจับความต่อเนื่องของสายดิน → หยุดการชาร์จเมื่อสายดินเสียหาย
    • ใช้ Buck Regulator
      • ป้องกันกระแสเกินเมื่อแรงดันไฟขาเข้าสูงกว่าแรงดันแบตเตอรี่
      • Buck Regulator มีต้นทุนต่ำกว่า 10% ของต้นทุน Galvanic Isolation แบบเดิม และมีการสูญเสียพลังงานน้อยกว่า 20%

อนาคตของการชาร์จรถยนต์ไฟฟ้าสาธารณะ

  • ปัจจุบันทั้งการชาร์จแบบ on-board และการชาร์จสาธารณะนั้นซับซ้อนและมีต้นทุนสูงเกินไป
    • จากกระบวนการชาร์จ 4 ขั้นแบบเดิม สามารถตัดออกได้ 3 ขั้น
      • คงไว้เพียงขั้น active rectifier และสามารถเพิ่ม buck regulator ต้นทุนต่ำได้หากจำเป็น
    • การเสริมความปลอดภัย:
      • เพิ่ม double ground และการตรวจจับความต่อเนื่องของสายดิน
      • สามารถทำให้ปลอดภัยได้มากกว่าระดับของ Galvanic Isolation แบบเดิม
  • ข้อดีของแนวทาง DPC (Direct Power Conversion)
    • ลดต้นทุนอุปกรณ์: ต้นทุนอุปกรณ์ชาร์จลดลงมากกว่า 50%
    • เพิ่มประสิทธิภาพพลังงาน: ดีขึ้น 2~3%
    • ลดต้นทุนการติดตั้งและบำรุงรักษาสถานีชาร์จ → สามารถขยายสถานีชาร์จนับพันแห่งได้ภายในไม่กี่ปี
    • การขยายโครงสร้างพื้นฐานการชาร์จจะช่วยเร่งการแพร่หลายของรถยนต์ไฟฟ้า
  • จำเป็นต้องมีการถกเถียงเรื่องการตัด Galvanic Isolation ออก
    • การทำให้กระบวนการชาร์จรถยนต์ไฟฟ้าง่ายขึ้นและลดต้นทุนเป็นสิ่งจำเป็น
    • ชุมชนเทคโนโลยีควรมีการอภิปรายเกี่ยวกับการตัด Galvanic Isolation ออก
    • การตัด Galvanic Isolation ออกควรเป็นก้าวแรกของการเสริมความแข็งแกร่งให้โครงสร้างพื้นฐานการชาร์จรถยนต์ไฟฟ้า

บทความที่เกี่ยวข้อง

1 ความคิดเห็น

 
GN⁺ 2025-03-11
ความคิดเห็นจาก Hacker News
  • สิ่งที่พาดหัวคลิกเบตซึ่งถูกฝังลึกอยู่ในบทความกำลังสื่อคือ: เครื่องชาร์จรถยนต์มีความซับซ้อนและราคาแพงเกินไป สามารถทำให้เรียบง่ายและถูกลงได้โดยยังคงความปลอดภัยไว้ และแบบนี้จะสร้างสถานีชาร์จได้มากขึ้น
  • อยากให้โฟกัสที่ชุดแบตเตอรี่มาตรฐานแทนปัญหาการชาร์จเร็ว ไม่อยากเป็นเจ้าของแบตเตอรี่ 50-100kWh แค่อยากใช้พลังงานที่ชาร์จอยู่ในนั้นและยินดีจ่ายเงินสำหรับมัน
  • สำหรับคนทั่วไป เรื่องนี้อาจฟังดูน่าเชื่อถือ แต่ถ้ากฎระเบียบหรือแนวปฏิบัติทางวิศวกรรมแบบอื่นไม่ได้ตัดสินว่าการแยกวงจรแบบกัลวานิกจำเป็นต่อความปลอดภัย ก็คงไม่จำเป็นต้องเขียนบทความนี้
    • การแยกวงจรแบบกัลวานิกปลอดภัยในเชิงกายภาพ และการตรวจจับกราวด์เป็นมาตรการความปลอดภัยเชิงรุก
    • แม้แต่ในระบบปัจจุบันก็สามารถใส่สายกราวด์สองเส้นได้
    • สงสัยว่ามีวิธีที่ยังคงมีสัญญาณได้แม้สายกราวด์จะขาดหรือไม่
    • สงสัยว่าชิปสามารถเสียในลักษณะที่ไม่ปลอดภัยได้หรือไม่
  • ระหว่างอ่านบทความก็สงสัยว่าทำไมมันถึงไม่ประสบความสำเร็จในตลาด อย่างที่ผู้เขียนกล่าวไว้ เทคโนโลยีนี้มีต้นแบบมาตั้งแต่ 20 ปีก่อน เลยสงสัยว่าทำไม Tesla และผู้ผลิตรถยนต์ไฟฟ้ารายอื่นถึงเลือกไปอีกทาง
  • อยากให้มีการกำหนดเงินอุดหนุนสำหรับโครงสร้างพื้นฐานนี้ในแบบเดียวกับที่อุดหนุนภาคเกษตรและน้ำมัน
  • ปัญหาใหญ่คือจำเป็นต้องมีมาตรฐานการชาร์จเร็วแบบใหม่ ซึ่งไม่เข้ากันกับมาตรฐานการชาร์จเร็วเดิมเพราะมีการเพิ่มการเชื่อมต่อกราวด์ ทำให้ใช้กับรถยนต์ไฟฟ้า 40 ล้านคันที่วิ่งอยู่บนถนนทั่วโลกในตอนนี้ไม่ได้
  • ควรกำหนดให้ทุก ๆ ที่จอดรถสองช่องมีปลั๊ก 120V แบบหยอดเหรียญที่สามารถรีเซ็ต gfci และเบรกเกอร์ได้ มีข้อดีหลายอย่าง
    • ไม่ว่าจะไปที่ไหนก็น่าจะมีที่ให้ชาร์จข้ามคืน
    • ต้นทุนต่อจุดติดตั้งต่ำที่สุด จึงให้บริการได้ในจำนวนสถานที่มากกว่ามาก
    • ผู้เช่าก็สามารถซื้อรถยนต์ไฟฟ้าและชาร์จที่บ้านได้อย่างปลอดภัย
    • 120V แบบหยอดเหรียญทนทานกว่าสายเคเบิลที่ทำจากทองแดงราคาแพงมาก
    • ช่วยยับยั้งการจอดรถนานเกินควร
  • ไม่จำเป็นต้องมีสายกราวด์สองเส้น CP มีไดโอดพร้อมตัวต้านทานอนุกรม 2.74K ไปยัง PE (กราวด์) ถ้า EVSE ส่งรูปคลื่น push/pull ผ่าน CP แล้วอ่านเฉพาะฝั่ง push (จำไดโอดได้) ก็จะรู้ว่าต่อเชื่อมถูกต้อง
    • เส้นทางย้อนกลับของกระแส pilot เกิดผ่านหน้าสัมผัส PE สามารถตรวจจับได้ว่า PE มีความต้านทานต่ำและใช้เป็นการยืนยันซ้ำได้ ตามอุดมคติแล้วคงอยากได้ตัวต้านทานอนุกรมที่เล็กกว่านี้มาก
  • โดยพื้นฐานแล้วคือการถอดหม้อแปลงแยกวงจรออก แล้วป้อนแรงดันไฟฟ้าจากสายส่ง (ประมาณ 7.2kV) เข้ารถผ่าน buck converter แบบง่าย
    • ใช้คอนเนกเตอร์กราวด์สำรองที่เฝ้าตรวจสอบความต่อเนื่องแทนการแยกวงจรแบบกัลวานิก
    • ไม่เห็นด้วยกับแนวทางนี้ มันโยนความรับผิดชอบให้ฝั่ง EVSE มากเกินไป ถ้าเกิดปัญหาขึ้น ฝั่งนั้นควรต้องตัดการทำงานได้ ถ้ามีข้อบังคับบางอย่างอย่าง emergency pyrofuse disconnect ก็คงพอเชื่อถือได้มากขึ้น
  • ประเมินว่าต้นทุนวัสดุและการประกอบของพอร์ตชาร์จแบบแยกวงจรอยู่ที่ประมาณ $300 ต่อกิโลวัตต์ พอร์ตเดี่ยว 300-kW ในสถานีชาร์จสาธารณะจะมีอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังราว $90,000 โดยในนั้นประมาณ $54,000 เป็นส่วนของลิงก์แยกวงจร
    • อยากเห็น BOM ของตัวอย่างที่สร้างจริงแบบละเอียดและลิงก์ mouser ที่รองรับตัวเลขนี้
    • ดูเหมือนกำลังจ่ายราคาพรีเมียมระดับ military/space grade หรือใช้ชิ้นส่วนเฉพาะทางมาก ๆ ที่ไม่ค่อยได้อาศัย economy of scale มาช่วยลดต้นทุน