การป้องกันการโอเวอร์โหลดทางไฟฟ้าเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งในการชาร์จรถยนต์ไฟฟ้ากำลังสูง ที่ชาร์จรถยนต์ไฟฟ้า 7 กิโลวัตต์ 32 แอมป์ ใช้กลไกการป้องกันซ้ำซ้อนที่สอดคล้องตามมาตรฐาน เพื่อป้องกันความล้มเหลวที่อาจเกิดขึ้นระหว่างการทำงาน
เบรกเกอร์และฟิวส์ทำหน้าที่เป็นมาตรการป้องกันหลักจากการไหลของกระแสไฟฟ้ามากเกินไปในระบบไฟฟ้า โดยจะตัดกระแสไฟฟ้าทันทีเกือบในทันทีเมื่อมีการข้ามขีดจำกัดที่กำหนดไว้ เบรกเกอร์แบบเทอร์มอล-แม่เหล็กทำงานสองระดับ คือ ส่วนแม่เหล็กจะทำงานเร็วมากเมื่อเกิดลัดวงจรฉับพลันที่กระแสไฟพุ่งขึ้นถึงอย่างน้อยสามเท่าของค่าปกติ ในขณะที่ส่วนเทอร์มอลจะใช้เวลานานกว่าแต่จัดการกับสถานการณ์ที่มีกระแสไฟฟ้าไหลเกินอย่างต่อเนื่อง เมื่อติดตั้งอุปกรณ์เช่นเครื่องชาร์จ 32 แอมป์ ผู้เชี่ยวชาญส่วนใหญ่แนะนำให้ใช้วงจร 40 แอมป์แทน ซึ่งสอดคล้องกับแนวทางจาก IEC 60364-5-52 ที่ระบุว่าเราควรเว้นระยะสำรองไว้เล็กน้อยเพื่อรองรับการเปลี่ยนแปลงตามปกติ หากไม่มีมาตรการป้องกันเหล่านี้ สายไฟสามารถร้อนเกินได้อย่างรวดเร็ว ฉนวนจะเริ่มเสื่อมสภาพภายในไม่กี่นาทีของการมีกระแสไฟเกิน ซึ่งนำไปสู่ปัญหาที่ร้ายแรงในอนาคต
การปฏิบัติตามมาตรฐาน IEC 61851 หมายถึงการควบคุมการตอบสนองด้านความปลอดภัยให้แม่นยำทั่วทั้งระบบ สิ่งที่มาตรฐานกำหนดไว้คือจุดตัดเฉพาะที่ประมาณ 110 ถึง 125 เปอร์เซ็นต์ของระดับกระแสไฟฟ้าปกติ ยกตัวอย่างเช่น เครื่องชาร์จ 32 แอมป์ ในกรณีนี้เบรกเกอร์วงจรจะต้องทำงานก่อนที่กระแสจะถึง 41 แอมป์ เมื่อมีการใช้พลังงานอย่างต่อเนื่อง และต้องเกิดขึ้นภายในระยะเวลาที่กำหนดไว้ การป้องกันนี้ใช้ได้ทั้งกับอุปกรณ์ชาร์จเองและระบบจัดการแบตเตอรี่ของรถยนต์ไฟฟ้าซึ่งเปราะบางและเสียหายได้ง่าย ในปัจจุบันผู้ผลิตส่วนใหญ่เริ่มใช้สิ่งที่เรียกว่า การตรวจสอบกระแสแบบสองขั้นตอน (dual stage current monitoring) ซึ่งช่วยแยกแยะระหว่างการพุ่งขึ้นชั่วคราวของความต้องการพลังงาน เช่น ขณะรถแลกเปลี่ยนข้อมูลในช่วงเริ่มต้น กับปัญหาจริงที่มีกระแสไฟฟ้าไหลมากเกินไปอย่างต่อเนื่อง
| พารามิเตอร์การป้องกัน | ข้อกำหนดตาม IEC 61851 | วัตถุประสงค์ |
|---|---|---|
| การตอบสนองต่อภาวะโอเวอร์โหลด | กระแสไฟฟ้า 125% ของค่าที่กำหนด | ป้องกันการเสื่อมสภาพของตัวนำไฟฟ้า |
| การทำงานตัดเมื่อเกิดลัดวงจร | 5ms ที่ระดับกระแส ≥300% | ขจัดความเสี่ยงจากอาร์กแฟลช |
| ค่าทนทานต่อเนื่อง | +5% ความมั่นคงของกระแสไฟฟ้า | มั่นใจได้ในกำลังส่งต่อเนื่องที่ปลอดภัยระดับ 7 กิโลวัตต์ |
การชาร์จโหมด 3 ต้องใช้กระแสไฟฟ้าต่อเนื่อง 32A ผ่านอุปกรณ์ชาร์จรถยนต์ไฟฟ้าเป็นระยะเวลานาน ซึ่งเกินกว่าความสามารถที่ระบบไฟฟ้าในบ้านส่วนใหญ่ออกแบบไว้มาก การวัดกระแสไฟฟ้าอย่างแม่นยำในระดับ ±0.5% จึงมีความสำคัญอย่างยิ่ง โดยทั่วไปจะใช้เซ็นเซอร์แบบฮอลล์เอฟเฟกต์ (Hall-effect sensors) ซึ่งช่วยให้ผู้ควบคุมสามารถตรวจสอบสภาพการทำงานแบบเรียลไทม์ พร้อมทั้งกรองสัญญาณรบกวนจากระบบสายส่งไฟฟ้าได้อย่างมีประสิทธิภาพ หากขาดความแม่นยำนี้ แม้เพียงกระแสเกิน 2A ที่เกิดขึ้นไม่ถึงครึ่งชั่วโมง อาจทำให้อุณหภูมิของสายเคเบิลเพิ่มขึ้นเกือบ 40 องศาเซลเซียส ตามมาตรฐานความปลอดภัยทางไฟฟ้าของสหราชอาณาจักร (UK Electrical Safety First) จนอาจทำให้ฉนวนละลายได้ การวัดค่าให้ถูกต้องจึงเป็นสิ่งสำคัญที่สุด เพื่อรักษาระดับพลังงานออกต่อเนื่องที่ 7 กิโลวัตต์ โดยไม่กระทบต่อความปลอดภัยหรืออายุการใช้งานของอุปกรณ์ในอนาคต
เทอร์มิสเตอร์ NTC ซึ่งย่อมาจาก Negative Temperature Coefficient จะคอยตรวจสอบอุณหภูมิภายใน โดยเฉพาะบริเวณโมดูลอิเล็กทรอนิกส์กำลังและขั้วต่อที่มักเกิดการสะสมความร้อน ระบบจะเฝ้าสังเกตอย่างใกล้ชิดเมื่อชิ้นส่วนเริ่มร้อนเกินไป โดยปกติคือเมื่ออุณหภูมิสูงกว่าประมาณ 85 องศาเซลเซียส ณ จุดนั้น เซ็นเซอร์จะทำงานทันทีโดยการหยุดกระบวนการชาร์จ การออกแบบนี้แตกต่างจากการมีเพียงเซ็นเซอร์เดียวในตำแหน่งใดตำแหน่งหนึ่ง เพราะการติดตั้งเซ็นเซอร์หลายจุดทั่วทั้งระบบสามารถตรวจจับจุดร้อนก่อนที่จะกลายเป็นปัญหาได้ ผู้ผลิตทำการทดสอบคุณสมบัติด้านความปลอดภัยทั้งหมดตามมาตรฐานที่กำหนดโดย IEC 62955 สำหรับสถานการณ์การลุกลามของความร้อน เพื่อให้มั่นใจว่าทุกอย่างทำงานได้อย่างถูกต้องภายใต้สภาวะการใช้งานจริง
ตามมาตรฐาน EN 61851-1 ภาคผนวก D ที่ชาร์จทันสมัยส่วนใหญ่จะลดกระแสไฟฟ้าลงเหลือประมาณ 28 แอมป์ เมื่ออุณหภูมิโดยรอบสูงกว่า 35 องศาเซลเซียส ซึ่งถือเป็นการลดลงประมาณ 12.5% เพื่อให้อุปกรณ์ทำงานได้อย่างปลอดภัย การปรับตั้งค่านี้มีจุดประสงค์เพื่อช่วยลดการสะสมความร้อนในระยะยาว แล้วในทางปฏิบัตินั่นหมายความว่าอย่างไร ก็หมายถึงอุปกรณ์มีอายุการใช้งานที่ยาวนานขึ้น! มีงานศึกษาบางชิ้บ่งชี้ว่าผลิตภัณฑ์อาจมีอายุยืนยาวขึ้นได้ประมาณ 30% หากเปิดใช้งานคุณลักษณะนี้ นอกจากนี้ยังช่วยป้องกันไม่ให้วัสดุฉนวนเสื่อมสภาพก่อนเวลาอันควร สถานีชาร์จในปัจจุบันสามารถจัดการคำนวณทั้งหมดนี้แบบเรียลไทม์ โดยใช้ซอฟต์แวร์และกลไกควบคุมพิเศษที่พัฒนาขึ้นมาโดยเฉพาะเพื่อการจัดการความร้อน
เพื่อป้องกันการช็อตไฟในเครื่องชาร์จยานยนต์ไฟฟ้าขนาด 7 กิโลวัตต์ 32 แอมป์ เครื่องตัดกระแสเหลือ (Residual Current Devices หรือ RCDs) มีบทบาทสำคัญอย่างยิ่ง โมเดลมาตรฐานประเภท A สามารถตรวจจับกระแสรั่วแบบ AC ทั่วไปได้ แต่เมื่อพูดถึงรถยนต์ไฟฟ้า (EV) เราจำเป็นต้องใช้อุปกรณ์ที่ดีกว่า นั่นคือ Type B RCDs ซึ่งสามารถตรวจจับข้อผิดพลาดของกระแส DC แบบพัลส์ที่ซับซ้อน ซึ่งเกิดขึ้นภายในตัวแปลงพลังงานของ EV ได้ มาตรฐาน IEC 61851 กำหนดให้มีคุณสมบัตินี้ไว้โดยตรง เพราะหากมีการรั่วของกระแส DC เกิน 6 มิลลิแอมป์โดยไม่ถูกตรวจพบ จะมีความเสี่ยงร้ายแรงต่อการถูกไฟดูด ส่วนใหญ่เครื่องชาร์จ 7 กิโลวัตต์ รุ่นใหม่ๆ ในปัจจุบันมาพร้อมกับการป้องกันแบบ Type B ในตัวเป็นอุปกรณ์มาตรฐาน หมายความว่าไม่จำเป็นต้องเพิ่มชั้นความปลอดภัยเสริมอีกต่อไป และผู้ใช้จะได้รับการป้องกันอย่างต่อเนื่องตลอดระยะเวลาชาร์จ 32 แอมป์หนึ่งชั่วโมงเต็ม โดยไม่ต้องกังวลเรื่องช่องโหว่ด้านความปลอดภัย
การตรวจสอบระบบต่อพื้นอย่างสม่ำเสมอจะช่วยป้องกันไม่ให้เกิดการสะสมของไฟฟ้าอันตรายในเปลือกอุปกรณ์ อุปกรณ์ตรวจวัดความต่อเนื่องของการต่อพื้นแบบทันสมัยจะวัดค่าความต้านทานของสายไฟหลายร้อยครั้งต่อวินาที โดยใช้เทคโนโลยีไมโครโอห์มมิเตอร์ ระบบเหล่านี้จะหยุดการทำงานโดยอัตโนมัติหากค่าความต้านทานเกิน 0.3 โอห์ม ตามมาตรฐาน EN 50620 รุ่นที่ดีกว่าสามารถตรวจจับปัญหาฉนวนก่อนที่จะลุกลาม โดยตรวจพบการลดลงของค่าความต้านทานต่ำกว่า 1 เมกะโอห์ม พร้อมตอบสนองได้เร็วกว่า 1 มิลลิวินาที สิ่งนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับระบบที่ทำงานที่ 32 แอมป์ ซึ่งระดับพลังงานสูงถึง 7 กิโลวัตต์อย่างต่อเนื่อง ซอฟต์แวร์อัจฉริยะจะเปรียบเทียบการเปลี่ยนแปลงของแรงดันไฟฟ้าที่อยู่นอกช่วงปกติ (+/- 10%) กับรูปแบบการรั่วไหลที่รู้จักไว้เสมอ ซึ่งช่วยหลีกเลี่ยงการแจ้งเตือนผิดพลาด ในขณะเดียวกันก็ยังคงป้องกันการเกิดอาร์คฟอลต์ขนาดเล็กได้ แม้กระแสน้ำจะต่ำเพียง 5 มิลลิแอมป์
ระบบไมโครโปรเซสเซอร์ภายในเครื่องชาร์จ 7 กิโลวัตต์ 32 แอมป์ในปัจจุบันมีการตรวจสอบระดับกระแสไฟฟ้าและแรงดันอยู่ตลอดเวลา โดยทำการสุ่มตัวอย่างถึง 1,000 ครั้งต่อวินาทีผ่านเซ็นเซอร์เอฟเฟกต์ฮอลล์ (Hall effect sensors) ที่เราได้พูดถึง เมื่อเกิดความผิดปกติ เช่น กระแสไฟฟ้าเพิ่มขึ้นหรือลดลงอย่างฉับพลันเกินกว่า ±5% จากระดับ 32 แอมป์ หรือเมื่อแรงดันไฟฟ้าตกลงต่ำกว่า 207 โวลต์ในระบบที่ใช้มาตรฐาน 230 โวลต์ ระบบที่ชาญฉลาดเหล่านี้จะตรวจจับและตอบสนองภายในเวลาเพียง 100 มิลลิวินาที การตอบสนองที่รวดเร็วนี้เหนือกว่ารีเลย์แบบกลไกยุคเก่าอย่างชัดเจน สามารถหยุดยั้งปฏิกิริยาลูกโซ่ที่อาจเป็นอันตรายได้ตั้งแต่เริ่มต้น การทดสอบจริงก็ยืนยันเช่นนี้เช่นกัน จากรายงานของ IEC เมื่อปีที่แล้ว ระบบที่ตอบสนองเร็วสามารถลดอัคคีภัยจากไฟฟ้าได้เกือบ 94% และยังดีขึ้นไปอีกเพราะเทคโนโลยีการจำแนกลายละเอียดช่วยให้เครื่องชาร์จสามารถตรวจพบปัญหาก่อนที่จะเกิดขึ้นได้เร็วกว่าเดิม โดยสามารถจับสัญญาณบ่งชี้ของการเกิดอาร์กไฟและการต่อกราวด์ที่ผิดปกติได้ตั้งแต่ระยะเริ่มต้น ก่อนที่จะกลายเป็นอันตรายร้ายแรง
| พารามิเตอร์การตรวจสอบ | ค่าต่ำสุดที่สามารถตรวจจับได้ | การดำเนินการตอบสนอง |
|---|---|---|
| การเปลี่ยนแปลงของกระแสไฟฟ้า | ±5% จากระดับ 32A | การจำกัดกระแสไฟฟ้า |
| การเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้า | ±10% ของค่าตามชื่อ | หยุดการชาร์จ |
| ลายเซ็นอาร์ก | 8mA RMS | ปิดทันที |
กระบวนการชาร์จจะหยุดทำงานเองโดยอัตโนมัติทุกครั้งที่มีการข้ามขีดจำกัดที่สำคัญ หากความต้านทานของฉนวนลดลงต่ำกว่า 1 เมกะโอห์ม โดยทั่วไปหมายความว่ามีน้ำซึมเข้าไปในจุดใดจุดหนึ่ง หรือชิ้นส่วนเริ่มเสื่อมสภาพ ซึ่งอาจนำไปสู่อันตรายจากไฟฟ้าช็อตได้ หากแรงดันไฟฟ้าเบี่ยงเบนจากระดับปกติมากเกินไป เช่น สูงกว่า 253 โวลต์ หรือต่ำกว่า 207 โวลต์ ระบบจะปิดการทำงานทันที เพื่อรักษาความปลอดภัยให้กับทั้งเครื่องชาร์จและระบบอิเล็กทรอนิกส์ของรถยนต์ วิธีการตรวจจับปัญหาทั้งสองประการนี้เป็นไปตามมาตรฐานอุตสาหกรรมที่กำหนดโดย IEC 62196 และผลการทดสอบจริงในปี 2024 แสดงให้เห็นว่าสามารถป้องกันอันตรายได้ประมาณร้อยละ 96 ทุกครั้งที่เริ่มการชาร์จ ระบบจะทำการทดสอบพิเศษเพื่อตรวจสอบประสิทธิภาพของการต่อสายดิน โดยการส่งสัญญาณแรงดันต่ำกว่า 12 โวลต์ลงไป ระบบจะตรวจสอบค่าความต้านทานอย่างต่อเนื่องตลอดเวลาที่ทำงาน และจะตัดกระแสไฟทันทีหากตรวจพบสิ่งผิดปกติ วงจรพิเศษจะตรวจสอบระดับแรงดันทุกๆ 20 มิลลิวินาที เพื่อป้องกันไม่ให้อุปกรณ์ร้อนเกินไปเมื่อแรงดันไฟฟ้าเพิ่มขึ้นอย่างฉับพลัน
โลกของมาตรฐานสากลได้กำหนดกฎเกณฑ์เกี่ยวกับความปลอดภัยทางไฟฟ้า โดยเฉพาะการพิจารณาข้อกำหนดต่างๆ เช่น IEC 60364-5-52 ปี 2019 และ BS 7671:2018 แนวทางเหล่านี้ระบุอย่างชัดเจนว่า เมื่อจัดการกับโหลดแบบต่อเนื่อง เราจำเป็นต้องปฏิบัติตามหลักการลดค่าลง 20% (derating rule 80%) ซึ่งหมายความว่า หากผู้ใดต้องการติดตั้งเครื่องชาร์จยานพาหนะไฟฟ้าขนาด 32A ก็จำเป็นต้องมีวงจรไฟฟ้าขนาด 40A ที่จัดสรรไว้โดยเฉพาะสำหรับอุปกรณ์นี้เท่านั้น เมื่อวิศวกรทำการจำลองโมเดลความร้อนในระบบนี้ สิ่งที่พบมีความชัดเจนมาก หากสายเคเบิลทองแดงขนาด 6 มม.² ถูกใช้งานเต็มกำลังที่ 32A โดยไม่เว้นระยะสำรองไว้ ความร้อนจะเพิ่มขึ้นมากกว่า 15 องศาเซลเซียส ความร้อนที่สะสมเช่นนี้ในระยะยาวจะส่งผลเสียอย่างมากต่อฉนวนหุ้มสายเคเบิล ก่อนดำเนินการดัดแปลงระบบไฟฟ้าใดๆ ช่างไฟฟ้าควรตรวจสอบเสมอว่า ยังมีพื้นที่ว่างเหลืออยู่ในตู้กระจายไฟหลักหรือไม่ การข้ามขั้นตอนนี้อาจนำไปสู่ปัญหาต่างๆ ในอนาคต เช่น เบรกเกอร์ตัดบ่อยครั้ง ความเสียหายค่อยเป็นค่อยไปต่อตัวนำไฟฟ้า และที่เลวร้ายที่สุดคือ การไม่ผ่านการตรวจสอบตามข้อกำหนดที่บังคับ
ตามมาตรฐาน EN 50620:2017 อุปกรณ์จะต้องมีเครื่องตรวจจับกระแสไฟฟ้ารั่ว (RCMs) ที่สามารถตรวจจับการเปลี่ยนแปลงได้เล็กถึง ±30 มิลลิแอมป์ มาตรฐานดังกล่าวกำหนดให้มีระบบความมั่นคงของแรงดันแบบเรียลไทม์ ซึ่งช่วยรักษาค่ากำลังไฟฟ้าให้อยู่ในระดับคงที่ไม่เกินร้อยละสิบจากระดับปกติ ขณะที่กระบวนการชาร์จกำลังดำเนินอยู่ สำหรับการใช้งานขั้นสูง เครื่องตัดกระแสไฟฟ้ารั่วพร้อมอุปกรณ์ป้องกันกระแสเกิน (RCBOs) สามารถตรวจพบเส้นทางการรั่วไหลที่กำลังพัฒนาได้ แม้จะมีอัตราการเปลี่ยนแปลงช้ากว่าสามมิลลิแอมป์ต่อวินาที เมื่อความต้านทานฉนวนลดลงต่ำกว่าหนึ่งเมกะโอห์ม ระบบตรวจสอบจะทำงานทันทีและหยุดการทำงานภายในระยะเวลาเพียงเล็กน้อยมากกว่าหนึ่งร้อยมิลลิวินาที คุณสมบัติด้านความปลอดภัยที่รวมกันนี้ช่วยป้องกันสถานการณ์อันตราย เช่น การถูกไฟดูด และความเสี่ยงจากอัคคีภัยระหว่างที่เกิดการผันผวนของกระแสไฟฟ้าในระบบกริด สิ่งที่ทำให้วิธีการนี้มีความชาญฉลาดเป็นพิเศษคือ การหลีกเลี่ยงการทำงานซ้ำซ้อนกับฟังก์ชันที่มีอยู่แล้วในอุปกรณ์กระแสไฟฟ้ารั่วประเภท B และระบบที่ใช้ตรวจสอบอุณหภูมิแยกต่างหาก จึงทำให้การออกแบบระบบโดยรวมมีประสิทธิภาพมากยิ่งขึ้น
ข้อกำหนดการปฏิบัติตามหลักเกณฑ์สำคัญ:
| ฟีเจอร์ความปลอดภัย | เกณฑ์ | เวลาตอบสนอง |
|---|---|---|
| เสถียรภาพแรงดันไฟฟ้า | ±10% การผันผวน | <200 มิลลิวินาที |
| ความต้านทานในการกันความร้อน | <1 MΩ | < 100ms |
| การตรวจจับกระแสรั่วลงดิน | ความไม่สมดุล 30 mA | <300ms |
แนะนำให้ใช้วงจร 40A สำหรับเครื่องชาร์จ 32A เพื่อสร้างระยะปลอดภัยสำหรับการผันผวนของกระแสปกติ และป้องกันการร้อนเกิน
RCD ชนิด B สามารถตรวจจับกระแสรั่วแบบ DC ที่มีลักษณะเป็นพัลส์ได้ ซึ่ง RCD ชนิด A มาตรฐานไม่สามารถทำได้ จึงให้การป้องกันเพิ่มเติมจากความเสี่ยงการถูกไฟดูดในงานชาร์จรถยนต์ไฟฟ้า
ผลลัพธ์การชาร์จจะลดลงเมื่ออุณหภูมิโดยรอบสูงกว่า 35°C ตามมาตรฐาน EN 61851-1 ภาคผนวก D ซึ่งช่วยป้องกันการร้อนเกินและยืดอายุการใช้งานของอุปกรณ์
ระบบจะตัดการทำงานอัตโนมัติเมื่อมีการตรวจพบค่าที่เกินขีดจำกัดสำคัญ เช่น ความต้านทานฉนวนลดลงต่ำกว่า 1 เมกะโอห์ม หรือเกิดการเปลี่ยนแปลงของแรงดันไฟฟ้าอย่างมีนัยสำคัญ เพื่อรับประกันความปลอดภัยทั้งของรถและที่ชาร์จ