ความแตกต่างของเวลาในการชาร์จระหว่างเครื่องชาร์จ EV ขนาด 3 กิโลวัตต์ และ 5 กิโลวัตต์ คืออะไร

กำลังไฟฟ้า (3kW เทียบกับ 5kW) กำหนดเวลาการชาร์จ EV ในโลกแห่งความเป็นจริงอย่างไร

ฟิสิกส์ของ kW: เหตุใดกำลังไฟที่สูงขึ้นจึงลดระยะเวลาการชาร์จ แต่ไม่ใช่แบบเส้นตรง

เวลาการชาร์จขึ้นอยู่กับอัตราการถ่ายโอนพลังงาน ซึ่งวัดเป็นกิโลวัตต์ (kW) เครื่องชาร์จ 5kW ส่งพลังงานมากกว่าเครื่องชาร์จ 3kW ถึง 67% ต่อชั่วโมง สำหรับแบตเตอรี่ขนาด 60kWh เวลาตามทฤษฎีคือ

• 3kW: 20 ชั่วโมง (60 ÷ 3)
• 5kW: 12 ชั่วโมง (60 ÷ 5)

เส้นตรงที่ดูเรียบร้อยบนกระดาษจะเริ่มหยักเมื่อเราพิจารณาการสูญเสียจากการแปลงพลังงาน ขณะที่รถยนต์แปลงไฟฟ้าจากกระแสสลับ (AC) เป็นกระแสตรง (DC) มักจะสูญเสียประสิทธิภาพไปประมาณ 10 ถึง 15% ทันที และยังมีปัญหาความร้อนในสายชาร์จด้วย ความต้านทานจะเพิ่มขึ้นเมื่อกระแสไฟฟ้าสูงขึ้น แล้วผลลัพธ์คืออะไร? แท่นชาร์จ 3kW อาจให้พลังงานจริงประมาณ 2.55kW หลังการสูญเสีย แต่ถ้าเพิ่มเป็น 5kW ประสิทธิภาพจริงอาจอยู่ที่ประมาณ 4.25kW เท่านั้น ซึ่งหมายความว่า การคำนวณที่ดูเรียบร้อยซึ่งแสดงว่าใช้เวลาน้อยลง 67% ในการชาร์จจะไม่เป็นจริงเมื่อเสียบชาร์จจริง ผู้คนส่วนใหญ่พบว่าเวลาที่ประหยัดได้จริงอยู่ที่ประมาณครึ่งหนึ่งของตัวเลขนั้น

การคำนึงถึงการสูญเสียประสิทธิภาพ: เหตุใด 5kW จึงไม่ได้หมายถึงการชาร์จเร็วขึ้น 67% ในทางปฏิบัติ

ประโยชน์ในโลกความเป็นจริงจะลดลงค่อนข้างมากเนื่องจากข้อจำกัดเฉพาะของยานพาหนะ โดยรถยนต์ไฟฟ้าทั่วไปจำนวนมากมาพร้อมเครื่องชาร์จออนบอร์ดแบบเฟสเดียว ซึ่งมีกำลังสูงสุดประมาณ 3.7 ถึง 4.6 กิโลวัตต์ ดังนั้นแม้ผู้ใช้จะติดตั้งเครื่องชาร์จขนาดใหญ่กว่า เช่น 5 กิโลวัตต์ ก็ยังไม่สามารถเกินขีดจำกัดที่ติดตั้งไว้ภายในรถได้ ตัวอย่างเช่น เมื่อเครื่องชาร์จออนบอร์ดของรถยนต์ไฟฟ้า (EV) มีขีดจำกัดสูงสุดที่ 4.6 กิโลวัตต์ การเปลี่ยนจากระบบ 3 กิโลวัตต์ จะเพิ่มพลังงานได้เพียงประมาณ 1.6 กิโลวัตต์เท่านั้น ซึ่งหมายถึงการชาร์จที่เร็วขึ้นเพียงประมาณ 53% เทียบกับการปรับปรุงเต็มที่ 2 กิโลวัตต์ที่ผู้คนอาจคาดหวัง นอกจากนี้ยังมีปัญหาเรื่องความร้อนด้วย เมื่ออุณหภูมิสูงเกิน 95 องศาฟาเรนไฮต์ ระบบจัดการแบตเตอรี่ส่วนใหญ่จะเริ่มลดกำลังไฟลงได้มากถึง 20% ส่งผลให้เวลาที่เคยประหยัดได้ 50% เมื่อเทียบกับระบบ 3 กิโลวัตต์ ลดลงเหลือเพียงระหว่าง 40 ถึง 50% ขึ้นอยู่กับสภาพแวดล้อม

Nissan Leaf (40kWh): 13.3 ชั่วโมง (3kW) เทียบกับ 8.0 ชั่วโมง (5kW) จนถึง 80% – ภายใต้ข้อจำกัดของเครื่องชาร์จออนบอร์ด

ยกตัวอย่างยานยนต์ไฟฟ้าขนาดเล็ก เช่น Nissan Leaf รุ่น 40kWh การชาร์จจากเกือบหมดจนถึงความจุ 80% จะใช้เวลาประมาณ 13 ชั่วโมง 20 นาที เมื่อใช้เครื่องชาร์จมาตรฐาน 3kW แต่หากใช้เครื่องชาร์จที่ดีกว่าอย่างรุ่น 5kW เวลาจะลดลงเหลือเพียงมากกว่า 8 ชั่วโมงเล็กน้อย ซึ่งโดยทฤษฎีแล้วถือเป็นการปรับปรุงที่เกือบ 40% แต่ประเด็นคือสิ่งนี้กลับซับซ้อนขึ้นมา เพราะโมเดลส่วนใหญ่ของ Leaf รองรับความเร็วในการชาร์จได้สูงสุดเพียง 3.7kW เท่านั้น ดังนั้นแม้ผู้ใช้จะติดตั้งเครื่องชาร์จ 5kW ที่บ้าน พลังงานเพิ่มเติมอีก 1.3kW ก็จะสูญเปล่าไป แล้วในทางปฏิบัตินั่นหมายความว่าอย่างไร? เวลาการชาร์จจริงจะใช้เวลานานกว่าที่ผู้ผลิตโฆษณาไว้ภายใต้เงื่อนไขสมบูรณ์แบบราว 20 ถึง 30%

Tesla Model 3 RWD (60kWh) & VW ID.4 (77kWh): เมื่อการลดกำลังทำให้ข้อได้เปรียบจาก 5kW หายไป

รถยนต์ไฟฟ้าที่มีแบตเตอรี่ขนาดใหญ่กว่า ได้รับประโยชน์จากเครื่องชาร์จ AC กำลังสูงรุ่นหรูน้อยกว่าที่คาดไว้มาก เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นไปอยู่ที่ประมาณ 30 องศาเซลเซียสหรือมากกว่านั้น ระบบจะเริ่มลดปริมาณพลังงานที่สามารถรับได้ เช่น การชาร์จที่ 5 กิโลวัตต์โดยทั่วไป อาจส่งพลังงานได้เพียงประมาณ 4.3 กิโลวัตต์เมื่ออากาศร้อนภายนอก ทั้งเครื่องชาร์จ 3 กิโลวัตต์และ 5 กิโลวัตต์จะประสบกับการชะลอตัวในลักษณะเดียวกันนี้ ซึ่งหมายความว่าผลประหยัดเวลาที่เราคิดว่าจะได้รับจากการอัปเกรดอุปกรณ์นั้นไม่มีอยู่จริงอีกต่อไป สถานการณ์จะยิ่งแย่ลงไปอีกเมื่อแบตเตอรี่ชาร์จไปถึงระดับประมาณ 80% ไม่ว่าผู้ใช้จะใช้เครื่องชาร์จแบบใด อัตราการชาร์จจะลดลงอย่างรวดเร็วในจุดนี้ คนขับมักพบว่าตนเองต้องรอเพิ่มอีกหลายชั่วโมงเพื่อให้ชาร์จรถให้เต็ม แม้ว่าจะลงทุนซื้ออุปกรณ์ที่มีกำลังสูงกว่าแล้วก็ตาม

ตำแหน่งของเครื่องชาร์จ EV แบบ 3 กิโลวัตต์ และ 5 กิโลวัตต์ ในภูมิทัศน์การชาร์จ AC ระดับ 2

การชาร์จระดับ 2 AC มีช่วงกำลังตั้งแต่ประมาณ 3 ถึง 22 กิโลวัตต์ทั่วโลก ซึ่งแตกต่างกันค่อนข้างมากขึ้นอยู่กับพื้นที่ ในอเมริกาเหนือ ระบบส่วนใหญ่สามารถรองรับได้สูงสุดประมาณ 19.2 กิโลวัตต์ที่กระแส 80 แอมป์ ขณะที่ประเทศในยุโรปมักใช้เต็มที่ 22 กิโลวัตต์โดยใช้ระบบไฟฟ้าสามเฟส ส่วนปลายล่างของช่วงนี้รวมถึงอุปกรณ์ขนาด 3 กิโลวัตต์ และ 5 กิโลวัตต์ ที่ผู้เป็นเจ้าของบ้านจำนวนมากติดตั้ง อุปกรณ์พื้นฐานสำหรับบ้านเหล่านี้ให้ระยะทางเพิ่มขึ้นประมาณ 10 ถึง 20 ไมล์ต่อชั่วโมงของการชาร์จ ซึ่งดีกว่าเครื่องชาร์จระดับ 1 ที่ช้ากว่ามากและให้เพียง 3 ถึง 5 ไมล์ต่อชั่วโมง นอกจากนี้ยังไม่จำเป็นต้องอัปเกรดแผงวงจรไฟฟ้าที่มีราคาแพง บ้านเก่าหลายหลังที่มีแผงบริการ 100 ถึง 200 แอมป์ ไม่สามารถรองรับได้เกิน 30 แอมป์ ทำให้อุปกรณ์ชาร์จระดับ 2 ขนาดเล็กเหล่านี้ทำงานได้ดีมากในสถานการณ์เช่นนี้ พวกมันยังมีความสำคัญอย่างยิ่งต่ออาคารชุด ทาวน์เฮาส์ และธุรกิจที่ต้องการควบคุมต้นทุนในการติดตั้งสถานีชาร์จ ไม่น่าแปลกใจที่การชาร์จระดับ 2 คิดเป็นเกือบครึ่งหนึ่งของจุดชาร์จรถยนต์ไฟฟ้าทั้งหมดทั่วโลก เพราะมันใช้งานได้ดีพอสมควร โดยไม่ซับซ้อนหรือมีค่าใช้จ่ายสูงเกินไป

ปัจจัยที่ไม่ใช่กำลังไฟฟ้าซึ่งมีผลมากกว่าความแตกต่างของเครื่องชาร์จรถยนต์ไฟฟ้า 3 กิโลวัตต์ เทียบกับ 5 กิโลวัตต์

แม้ว่าค่ากำลังไฟของเครื่องชาร์จจะมีความสำคัญ แต่ปัจจัยที่ไม่ใช่กำลังไฟสามประการมักทำให้ความแตกต่างระหว่างเครื่องชาร์จ 3 กิโลวัตต์ และ 5 กิโลวัตต์ หมดไป—ซึ่งมักทำให้ทั้งสองรุ่นทำงานได้เหมือนกันในชีวิตประจำวัน

ขีดจำกัดของเครื่องชาร์จบนรถ: เหตุใดรถยนต์ไฟฟ้าส่วนใหญ่จึงจำกัดอยู่ที่ 3.7–4.6 กิโลวัตต์ เมื่อใช้กระแสสลับเฟสเดียว

เครื่องชาร์จในตัวรถ ซึ่งทำหน้าที่แปลงไฟฟ้ากระแสสลับ (AC) เป็นกระแสตรง (DC) ภายในรถยนต์ ควบคุมทุกอย่างเกี่ยวกับความเร็วในการชาร์จโดยพื้นฐาน รถยนต์ไฟฟ้าระดับประหยัดส่วนใหญ่มักมาพร้อม OBC แบบเฟสเดียว ที่รองรับกระแสไฟประมาณ 16 ถึง 20 แอมป์ ที่แรงดัน 230 โวลต์ ซึ่งจะจำกัดกำลังไฟสูงสุดที่สามารถรับได้อยู่ที่ประมาณ 3.7 ถึง 4.6 กิโลวัตต์ ลองพิจารณารถรุ่นต่างๆ เช่น MG ZS EV หรือ VW ID.3 รุ่นเริ่มต้น แม้ผู้ใช้จะติดตั้งเครื่องชาร์จแบบ wallbox ขนาด 5 กิโลวัตต์ รถเหล่านี้ก็ยังไม่สามารถดึงพลังงานจากกริดได้เกิน 3.7 กิโลวัตต์ Nissan Leaf มีความโดดเด่นตรงที่ระบบชาร์จในตัวขนาด 6.6 กิโลวัตต์ และบางรุ่นของ Tesla ก็สามารถใช้ประโยชน์จากการเชื่อมต่อ AC ที่มีความสามารถสูงขึ้นได้ดีเช่นกัน แล้วจะเกิดอะไรขึ้นหากใครสักคนจ่ายเงินเพิ่มเพื่อซื้อเครื่องชาร์จขนาด 5 กิโลวัตต์ แต่กลับเป็นเจ้าของรถที่จำกัดอยู่ที่ 3.7 กิโลวัตต์? ผลก็คือ พวกเขาจะได้รับประสบการณ์การชาร์จที่เหมือนกันเป๊ะกับคนที่ซื้ออุปกรณ์ขนาด 3 กิโลวัตต์ที่ถูกกว่ามาติดตั้งในโรงรถ

แรงดันไฟฟ้าจากกริด อุณหภูมิแวดล้อม และระดับประจุไฟฟ้า – สิ่งเหล่านี้ลดการส่งมอบพลังงานที่มีประสิทธิภาพในหน่วยกิโลวัตต์อย่างไร

ตัวแปรสภาพแวดล้อมสี่ประการที่ทำให้สมรรถนะของระบบชาร์จ 3 กิโลวัตต์ และ 5 กิโลวัตต์ ลดลงเท่ากัน:

• แรงดันตก (เช่น <230V) ลดกำลังไฟตามสัดส่วน – P = VI – ดังนั้นแรงดันที่ลดลง 5% จะทำให้กำลังไฟ 5 กิโลวัตต์ ลดลง 250 วัตต์
• อุณหภูมิที่สูงกว่า 35°C จะกระตุ้นให้ระบบ BMS ลดอัตราการชาร์จ เพื่อลดกระแสไฟ 10–25% เพื่อรักษาสุขภาพของแบตเตอรี่
• สภาวะที่ต่ำกว่า 10°C จะเพิ่มความต้านทานภายในของแบตเตอรี่ ทำให้พลังงานป้อนเข้าไปถูกเบี่ยงเบนเป็นความร้อนได้สูงถึง 30% แทนที่จะเก็บเป็นประจุไฟฟ้า
• การชาร์จที่ระดับประจุไฟฟ้า (SOC) เกิน 80% จะค่อยๆ ลดอัตราการชาร์จลง – บางครั้งอาจลดลงครึ่งหนึ่ง – โดยไม่ขึ้นกับความสามารถของเครื่องชาร์จ

กลไกเหล่านี้อธิบายได้ว่าทำไมการทดสอบจริง – เช่น การชาร์จรถยนต์ Volkswagen ID.4 ที่เย็นจัดจนถึง 90% – มักแสดงความแตกต่างของความเร็วในการชาร์จไม่ถึง 15% ระหว่างฮาร์ดแวร์ 3 กิโลวัตต์ กับ 5 กิโลวัตต์ ทั้งที่โดยทฤษฎีแล้วควรจะมีช่องว่างของกำลังไฟถึง 67% มาตรฐาน SAE J1772 เป็นพื้นฐานของข้อจำกัดเหล่านี้ ซึ่งสะท้อนความเห็นพ้องทางวิศวกรรมยานยนต์ที่สั่งสมมานานหลายทศวรรษเกี่ยวกับการชาร์จแบบ AC ที่ปลอดภัยและยั่งยืน

เมื่อใดควรอัปเกรดเป็นที่ชาร์จ EV 5 กิโลวัตต์ และเมื่อใดที่ที่ชาร์จ 3 กิโลวัตต์เพียงพอ

การวิเคราะห์การใช้งาน: การชาร์จที่บ้านในเวลากลางคืน, วงจรไฟฟ้าร่วมกันในที่อยู่อาศัย, และครัวเรือนที่มีรถยนต์ไฟฟ้าหลายคัน

สำหรับครัวเรือนที่มีรถยนต์คันเดียวและมีกิจวัตรประจำวันที่แน่นอน ที่ชาร์จ 3 กิโลวัตต์สามารถเติมประจุระยะทางการใช้งานปกติต่อวัน (100–150 กม.) ได้อย่างเชื่อถือได้ในเวลา 8–10 ชั่วโมงขณะนอนหลับ – เหมาะอย่างยิ่งสำหรับโรงรถที่มีกำลังไฟฟ้าจำกัด และไม่จำเป็นต้องอัปเกรดแผงไฟ

ปริมาณการใช้ไฟฟ้ามีความสำคัญอย่างมากในที่นี้ ที่ชาร์จขนาดพื้นฐาน 3kW จะใช้กระแสไฟประมาณ 12.5 แอมป์ที่แรงดัน 240 โวลต์ ในขณะที่รุ่นเร็วขึ้นที่ 5kW จะต้องใช้ประมาณ 21 แอมป์ สำหรับบ้านที่มีแผงไฟฟ้าขนาดเล็ก 100 แอมป์ หรือมีวงจรที่กำลังใช้งานโหลดหนักอยู่แล้ว เช่น ระบบปรับอากาศ เตาไฟฟ้า หรือเครื่องใช้ไฟฟ้าที่กินไฟมาก การติดตั้งที่ชาร์จ 5kW อาจก่อให้เกิดปัญหาได้ เช่น เบรกเกอร์ตัดการทำงานเป็นประจำ และบางบริษัทผู้ให้บริการไฟฟ้ายังคิดค่าธรรมเนียมเพิ่มเติมหากมีการใช้พลังงานสูงเกินไป เมื่อมีรถ EV หลายคันที่ต้องการชาร์จพร้อมกัน อุปกรณ์ชาร์จ 5kW สองตัวโดยทั่วไปจำเป็นต้องมีวงจรเฉพาะขนาด 50 แอมป์ แต่ระบบท่อนไฟฟ้าในบ้านส่วนใหญ่รองรับได้เพียง 30 แอมป์เท่านั้น ดังนั้นการสลับชาร์จระหว่างรถยนต์ด้วยที่ชาร์จ 3kW จึงเหมาะสมกว่ากับระบบสายไฟในบ้านทั่วไป แม้ว่าการอัปเกรดเป็น 5kW จะลดเวลาการชาร์กลงครึ่งหนึ่งสำหรับรถคันเดียว แต่โดยปกติแล้วไม่คุ้มค่าทางการเงิน เว้นแต่บ้านนั้นจะมีโครงสร้างระบบไฟฟ้าที่เหมาะสมอยู่แล้ว ท้ายที่สุด คนส่วนใหญ่สามารถพึ่งสถานีชาร์จเร็วสาธารณะได้ทุกเมื่อที่ต้องการเดินทางระยะไกล

คำถามที่พบบ่อย

ปัจจัยใดบ้างที่กำหนดความแตกต่างของเวลาการชาร์จรถยนต์ไฟฟ้าจริงระหว่างเครื่องชาร์จ 3kW และ 5kW

ความแตกต่างของเวลาการชาร์จระหว่างเครื่องชาร์จ 3kW และ 5kW ได้รับผลกระทบจากความสูญเสียในการแปลงพลังงาน ข้อจำกัดของรถ ข้อจำกัดของเครื่องชาร์จในตัว อุณหภูมิแวดล้อม แรงดันไฟฟ้าจากกริด และระดับการประจุไฟของแบตเตอรี่รถยนต์ไฟฟ้า

รถยนต์ไฟฟ้าทุกคันสามารถใช้ประโยชน์จากเครื่องชาร์จ 5kW ได้หรือไม่

รถยนต์ไฟฟ้าบางรุ่นไม่สามารถใช้ประโยชน์จากเครื่องชาร์จ 5kW ได้อย่างเต็มที่ เนื่องจากรถยนต์ไฟฟ้าส่วนใหญ่มีข้อจำกัดด้านกำลังไฟฟ้าขาเข้าของเครื่องชาร์จในตัว โดยทั่วไปจะจำกัดไว้ที่ 3.7 ถึง 4.6kW สำหรับระบบไฟฟ้าเฟสเดียว ซึ่งหมายความว่าการติดตั้งเครื่องชาร์จ 5kW อาจไม่ทำให้การชาร์จเร็วขึ้น

เหตุใดเครื่องชาร์จ 3kW จึงเพียงพอสำหรับการใช้งานที่บ้าน

สำหรับครัวเรือนที่มีรถยนต์คันเดียวและมีรูปแบบการขับขี่ที่สม่ำเสมอ เครื่องชาร์จ 3kW โดยทั่วไปสามารถชาร์จระยะทางการขับขี่รายวันได้เต็มในช่วงเวลากลางคืน โดยไม่จำเป็นต้องอัปเกรดแผงไฟฟ้า ทำให้มีความเหมาะสมทางเศรษฐกิจสำหรับการติดตั้งที่บ้าน

ปัจจัยที่ไม่เกี่ยวกับกำลังไฟฟ้าที่จำกัดความเร็วในการชาร์จมีอะไรบ้าง

ปัจจัยที่ไม่เกี่ยวข้องกับกำลังไฟฟ้าซึ่งจำกัดความเร็วในการชาร์จ ได้แก่ การเปลี่ยนแปลงของแรงดันไฟฟ้าในระบบกริด อุณหภูมิที่มีผลต่อระบบจัดการแบตเตอรี่ ความต้านทานภายในของแบตเตอรี่ในสภาวะอากาศเย็น และประสิทธิภาพการชาร์จที่ลดลงเมื่อระดับประจุไฟฟ้าเกิน 80%