การรับรองมาตรฐานการชาร์จแบบอเมริกัน (III) – รายละเอียดการออกแบบของเสา AC (ส่วนหน้าของท่อทางเข้าและหัวฉีดทางออก)

จากมุมมองของหลักการทำงานของผลิตภัณฑ์ สถานีชาร์จไฟกระแสสลับมาตรฐานอเมริกันไม่แตกต่างจากมาตรฐานระดับประเทศและยุโรป ทั้งสองแบบทำหน้าที่เป็นสวิตช์ไฟฟ้าขนาดใหญ่ โดยนำกระแสไฟฟ้ากระแสสลับจากโครงข่ายไฟฟ้าไปยังเครื่องชาร์จในตัวรถ (OBC) ซึ่งจะแปลงกระแสไฟฟ้ากระแสสลับเป็นกระแสไฟฟ้ากระแสตรงเพื่อชาร์จแบตเตอรี่

แม้ว่าโดยทั่วไปแล้วจะเหมือนกัน แต่ก็ยังมีความแตกต่างที่สำคัญในรายละเอียดหลายประการเมื่อเทียบกับมาตรฐานระดับชาติและระดับยุโรป มิเช่นนั้นแล้ว การขายโดยตรงในสหรัฐอเมริกาโดยไม่ต้องดัดแปลงใดๆ ก็จะสะดวกเกินไป

(1)

ก่อนที่จะกล่าวถึงสายป้อนไฟของสถานีชาร์จไฟ AC ในอเมริกาเหนือ เรามาทำความรู้จักกับระบบแรงดันไฟฟ้าของโครงข่ายไฟฟ้ากระแสสลับในสหรัฐอเมริกากันก่อน

ระบบโครงข่ายไฟฟ้าของประเทศส่วนใหญ่ทั่วโลกนั้นสอดคล้องกับระบบของยุโรป (จากการล่าอาณานิคมและสงคราม) กล่าวคือ แรงดันไฟฟ้าในครัวเรือนทั่วไปอยู่ที่ 220-230 โวลต์กระแสสลับ 50 เฮิรตซ์ และแรงดันไฟฟ้าสามเฟสในภาคอุตสาหกรรมอยู่ที่ 380-400 โวลต์กระแสสลับ 50 เฮิรตซ์ เห็นได้ชัดว่าแรงดันไฟฟ้าในภาคอุตสาหกรรมนั้นเป็นสามเท่าของแรงดันไฟฟ้าในครัวเรือน ซึ่งก็คือผลต่างระหว่างแรงดันไฟฟ้าสายและแรงดันไฟฟ้าเฟส

ระบบแรงดันไฟฟ้าในสหรัฐอเมริกามีเอกลักษณ์เฉพาะ โดยแรงดันไฟฟ้าทั่วไปสำหรับใช้ในครัวเรือนคือ 120V/240V 60Hz และแรงดันไฟฟ้าทั่วไปสำหรับใช้ในอุตสาหกรรมคือ 480V/277Vac 60Hz ส่วนแรงดันไฟฟ้าที่ใช้สำหรับอาคารพาณิชย์หรือที่อยู่อาศัยหนาแน่นสูงคือ 120V/208Vac 60Hz ขณะที่สำหรับอุตสาหกรรมขนาดใหญ่บางแห่งจะใช้แรงดันไฟฟ้า 347/600Vac 60Hz

คุณแปลกใจไหมว่าทำไมระบบแรงดันไฟฟ้าในสหรัฐอเมริกาถึงได้วุ่นวายขนาดนี้

การใช้แรงดันไฟฟ้า 110 โวลต์มีต้นกำเนิดมาจากเอดิสัน เอดิสันเป็นที่รู้จักกันดีในฐานะผู้ประดิษฐ์หลอดไฟ หลังจากทำการทดลองและเปรียบเทียบหลายครั้ง เขาพบว่าหลอดไฟมีประสิทธิภาพการส่องสว่างสูงสุดและอายุการใช้งานยาวนานที่สุดเมื่อใช้แรงดันไฟฟ้า 110 โวลต์ ดังนั้นในปี 1882 เอดิสันจึงได้เปิดตัวไฟฟ้ากระแสตรง 110 โวลต์สู่ตลาดอย่างเป็นทางการที่โรงไฟฟ้าเพิร์ลสตรีท ซึ่งเป็นโรงไฟฟ้ากระแสตรงเชิงพาณิชย์แห่งแรกในสหรัฐอเมริกา

แต่เราทุกคนรู้ว่ากระแสตรงมีข้อเสียเปรียบที่สำคัญ คือ การสูญเสียความร้อนอย่างรุนแรงระหว่างการส่งกระแสไฟฟ้าในระยะทางไกล ซึ่งทำให้สิ้นเปลืองพลังงานไฟฟ้าเป็นอย่างมาก เพื่อหลีกเลี่ยงการสูญเสียพลังงานมากเกินไประหว่างการส่งกระแสไฟฟ้าในระยะทางไกล นิโคลา เทสลา จึงได้คิดค้นระบบกระแสสลับ (AC) ขึ้นมา แม้ว่าในที่สุดกระแสสลับจะเอาชนะกระแสตรงได้ แต่เครื่องใช้ไฟฟ้าและอุปกรณ์ต่างๆ ที่ใช้ไฟ 110 โวลต์ หลายพันชิ้นก็ถูกติดตั้งในครัวเรือนและโรงงานของชาวอเมริกันไปแล้วในเวลานั้น

เพื่ออำนวยความสะดวกในการเปลี่ยนผ่านไปสู่ยุคไฟฟ้ากระแสสลับอย่างราบรื่น เทสลาจึงประนีประนอมโดยกำหนดแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับสำหรับใช้ในครัวเรือนไว้ที่ 110 โวลต์ วิธีนี้ไม่เพียงแต่ช่วยปกป้องการลงทุนด้านอุปกรณ์ของผู้ใช้เดิมเท่านั้น แต่ยังช่วยขจัดความกลัวของประชาชนต่อไฟฟ้ากระแสสลับแรงดันสูง (ซึ่งในเวลานั้นเชื่อกันอย่างกว้างขวางว่าเป็นอันตรายต่อสุขภาพของมนุษย์มากกว่า)

ดังนั้น การนำไฟฟ้ากระแสสลับ 110 โวลต์มาใช้ในสหรัฐอเมริกาจึงเป็นผลมาจากการปรับตัวให้เข้ากับไฟฟ้ากระแสตรง 110 โวลต์

เมื่อยุคไฟฟ้าเข้ามา วิศวกรค่อยๆ ตระหนักว่า เมื่อเทียบกับการนำแรงดันไฟฟ้า 220V/240V มาใช้ในยุโรปในภายหลัง ระบบ 110V ในสหรัฐอเมริกาประสบกับการสูญเสียที่มากกว่าเมื่อส่งกระแสไฟฟ้าแรงสูง และต้องใช้สายทองแดงที่หนากว่าเพื่อหลีกเลี่ยงความร้อน แต่หากเราเปลี่ยนไปใช้ระบบ 220Vac อย่างเต็มรูปแบบ ต้นทุนก็สูงเกินไป เครื่องใช้ไฟฟ้า ปลั๊กไฟ ฟิวส์ และแม้แต่เครือข่ายการกระจายไฟฟ้าทั้งเมืองในครัวเรือนหลายล้านหลังทั่วสหรัฐอเมริกา ล้วนออกแบบตามมาตรฐาน 110V

ด้วยเหตุนี้ วิศวกรไฟฟ้าในสหรัฐอเมริกาจึงได้คิดค้น “วิธีการแก้ปัญหาโดยใช้ดิน” ที่ชาญฉลาดอย่างยิ่ง นั่นคือ เทคโนโลยีเฟสแยก (Split phase technology)

ระหว่างสายไฟที่มีกระแสไฟฟ้าและสายไฟที่ไม่มีกระแสไฟฟ้า จะเกิดแรงดันไฟฟ้า 110V/120V ขึ้น ซึ่งออกแบบมาโดยเฉพาะสำหรับเครื่องใช้ไฟฟ้าขนาดเล็กในครัวเรือน เช่น โทรศัพท์มือถือ โทรทัศน์ และหลอดไฟ (ปลอดภัยและไม่ร้อนเมื่อสัมผัส)

เมื่อนำสายไฟที่มีกระแสไฟฟ้าสองเส้นมาต่อกัน แรงดันไฟฟ้าจะเปลี่ยนเป็น 220V/240V ทันที ซึ่งออกแบบมาโดยเฉพาะสำหรับ "เครื่องใช้ไฟฟ้าทรงพลัง" เช่น เครื่องปรับอากาศ เครื่องทำน้ำอุ่นไฟฟ้า และเครื่องอบผ้า (ที่มีประสิทธิภาพสูงและใช้สายไฟน้อย)

เมื่อเข้าใจที่มาของ 120Vac และ 240Vac แล้ว ที่มาของ 208Vac ก็เข้าใจได้ง่ายเช่นกัน 208V คือแรงดันไฟฟ้าของ 120V (รากที่สาม)

(II)

หลังจากทำความเข้าใจระบบแรงดันไฟฟ้าในสหรัฐอเมริกาแล้ว ต่อไปเรามาดูแรงดันไฟฟ้าขาเข้าของแบตเตอรี่ AC ของอเมริกาบ้าง

สถานีชาร์จไฟ AC ทั่วไปที่ใช้ในสหรัฐอเมริกามีแรงดันไฟฟ้าสามประเภท ได้แก่ 120V, 208V และ 240Vac โดยหลักแล้ว การส่งเสริมการตลาดของบริษัทผู้ผลิตเสาชาร์จไฟจะขึ้นอยู่กับช่วงแรงดันไฟฟ้าที่พวกเขารองรับ คือ 110~120Vac หรือ 200V~240Vac

ควรทราบว่าสถานีชาร์จที่มีอินพุต 208V นั้นเป็นอินพุตแบบเฟสเดียว ไม่ใช่ 16kw หรือ 22kw อย่างที่เราเข้าใจว่าคล้ายกับอินพุตสามเฟสห้าสายของยุโรป อย่างไรก็ตาม มีสถานีชาร์จแบบอินพุตสามเฟสในสหรัฐอเมริกาเพียงไม่กี่แห่งเท่านั้นที่ได้ทำการค้นหาในตลาด แต่ยังไม่พบ

ในจำนวนนั้น ปลั๊กไฟ 110~120Vac เป็นปลั๊กมาตรฐานที่สามารถรองรับกระแสไฟฟ้าสูงสุด 16A ได้

สำหรับสถานีชาร์จไฟ AC ที่มีแรงดันไฟฟ้าขาเข้า 200V~240Vac (208Vac หรือ 240Vac) ปลายด้านหน้าของสายไฟขาเข้าสามารถอยู่ในรูปของปลั๊กหรือขั้วต่อสายเคเบิลได้ ส่วนเต้ารับ "แรงดันสูง" ที่มีแรงดันไฟฟ้าขาเข้า 240Vac ในสหรัฐอเมริกา (ประกอบด้วยสายไฟสี่เส้น: สายไฟสองเส้น สายกลางหนึ่งเส้น และสายดินหนึ่งเส้น) จำเป็นต้องติดตั้งโดยช่างไฟฟ้ามืออาชีพ

อนึ่ง เต้ารับสำหรับเสียบปลั๊กของสถานีชาร์จไฟ AC 240V ควรเป็นไปตามข้อกำหนดของ NEMA14-50 โดยมีกระแสไฟฟ้าสูงสุดไม่เกิน 50A ตามข้อกำหนดของมาตรฐานการติดตั้งไฟฟ้าของอเมริกา NFPA 70 กระแสไฟฟ้าสูงสุดที่ใช้โดยเครื่องใช้ไฟฟ้าไม่ควรเกิน 80% ของพิกัดเต้ารับ ดังนั้น กระแสไฟฟ้าสูงสุดของสถานีชาร์จไฟ AC 240V ที่มีปลั๊กจึงสามารถรับได้เพียง 40A เท่านั้น โดยมีกำลังไฟ 9.6kW

(3)

หลังจากที่เราได้พูดคุยเกี่ยวกับข้อกำหนดสำหรับด้านขาเข้าของสถานีชาร์จไฟกระแสสลับมาตรฐานอเมริกันแล้ว คราวนี้เรามาข้ามส่วนของตัวเครื่องภายนอกและมาดูด้านขาออกกันเลยดีกว่า

ด้านเอาต์พุตของแท่นชาร์จสื่อสารนั้นเรียบง่ายมาก มีเพียงที่วางปืนและสายเคเบิลปืนที่เข้ากับที่วางปืนเท่านั้น

หากคุณเข้าไปดูเว็บไซต์สถานีชาร์จในสหรัฐอเมริกา คุณจะพบว่าสถานีชาร์จทุกแห่งจะมีซ็อกเก็ตสำหรับปืนชาร์จสองประเภท ได้แก่ อินเทอร์เฟซ TYPE1 ที่ตรงตามมาตรฐาน SAE J1772 และอินเทอร์เฟซ NACS ที่ตรงตามมาตรฐาน Tesla SAE J3400

รายละเอียดโครงสร้างและขนาดเฉพาะของหัวปืนและตัวยึดปืนที่มีสองส่วนต่อประสาน สามารถดูได้จากมาตรฐานที่เกี่ยวข้อง

ภายในแล้ว อินเทอร์เฟซ NACS ของ Tesla และอินเทอร์เฟซ TYPE1 ของ SAE J 1772 ไม่มีอะไรแตกต่างกัน ทั้งสองประกอบด้วยสายไฟห้าเส้น ได้แก่ L/N/PE/CP/PP แน่นอนว่า การออกแบบของ Tesla นั้นชาญฉลาดมาก โดยใช้อินเทอร์เฟซทั้ง DC และ AC ชุดเดียวกัน

ในส่วนของตลาดสถานีชาร์จในอเมริกาเหนือ อินเทอร์เฟซการชาร์จขาออกกำลังเปลี่ยนจากอินเทอร์เฟซ TYPE1 แบบเก่าไปเป็นอินเทอร์เฟซ NACS และในอนาคตจะมีรถยนต์จำนวนมากขึ้นเรื่อยๆ ที่เลือกใช้อินเทอร์เฟซของ Tesla สถานีชาร์จ AC รุ่นแรกๆ ที่ติดตั้งอินเทอร์เฟซ TYPE1 ไม่สามารถชาร์จ NACS รุ่นใหม่ได้

แน่นอนว่าไม่ต้องกังวลมากเกินไป เพราะมีอะแดปเตอร์มากมายในท้องตลาดที่สามารถช่วยคุณได้

มาตรฐานยุโรป IEC 61851-1:2017 ห้ามใช้อะแดปเตอร์หัวปืนอย่างเด็ดขาด แต่มาตรฐาน UL 2594 ของสหรัฐอเมริกาไม่มีข้อกำหนดดังกล่าว ดังนั้นจึงไม่ได้ห้ามโดยกฎหมาย สามารถใช้งานได้โดยตรง

นั่นคือทั้งหมดเกี่ยวกับด้านขาเข้าและขาออกของสถานีชาร์จไฟ AC มาตรฐานอเมริกัน ในบทความถัดไป เราจะมาแบ่งปันรายละเอียดการออกแบบของ "ตัวเรือน" กัน