Basics Electric Vehicle Supply Equipment (EVSE) based on PWM signal for Type 1 Connector

ในบทความนี้เป็นการนำเสนอเนื้อเกี่ยวกับอุปกรณ์ที่จะทำหน้าที่จัดการการจ่ายกำลังไฟฟ้าให้กับยานยนต์ไฟฟ้า Electric vehicle supply equipment (EVSE) ซึ่งเป็นข้อมูลทั่วไป ที่แอดมินรวบรวมจากเว็บไซต์ต่างๆ เพื่อที่จะนำมาสรุปให้เข้าใจได้ง่ายยิ่งขึ้นครับ โดยทั้งนี้เนื้อหาหลักๆ จะอ้างอิงจากเว็บไซต์ https://en.wikipedia.org/wiki/SAE_J1772 ที่เฉพาะเกี่ยวกับกับมาตราฐาน J1772 5-pin standard supports ถึงลักษณะของตัวคอนเน็กเตอร์ รูปแบบของการสื่อสารระหว่างกล่องควบคุมการชาร์จ (EVSE Control) และวงจรควบคุมในยานยนต์ไฟฟ้า (VEHICLE Control) รวมทั้งสเปกเกี่ยวกับความสามารถของการจ่ายกำลังไฟฟ้าต่างๆ ระหว่างกัน โดยเนื้อหาที่นำเสนอนี้ยังคงเป็นความรู้เบื้องต้นครับ

รูปที่ 1 เป็นลักษณะของคอนเน็กเตอร์ SAE J1772 ซึ่งในบทความนี้จะนำเสนอเนื้อหาเกี่ยวกับคอนเน็กเตอร์นี้เป็นหลักทั้งนี้ตัวคอนเน็กเตอร์แบบนี้จะเป็นอีกแบบหนึ่งที่นิยมใช้กันทั่วไปในบ้านเราที่ใช้งานได้ง่าย ที่รองรับแหล่งจ่ายกำลังไฟฟ้ากระแสสลับ 220Vac 50-60Hz แบบ 1 เฟส

รูปที่ 2 แสดงตำแหน่งขาต่างๆ สำหรับเชื่อมต่อตามมาตราฐาน SAE J1772 โดยจะแบ่งออกเป็น 3 ส่วนคือ ส่วนแรกที่ขา Protective Earth : PE สำหรับเป็นขากราวด์ ส่วนที่ 2 L1และ N เป็นขาสำหรับจ่ายกำลังไฟฟ้าขนาด 1 เฟส โดยจะมีทั้งแบบ 120Vac (AC Level 1) และ 208Vac-240Vac (AC Level 2) ในส่วนสุดท้ายที่ 3 เป็นขาสำหรับใช้ในการสื่อสารระหว่างกล่องควบคุมการชาร์จ (EVSE Control) และวงจรควบคุมในยานยนต์ไฟฟ้า (VEHICLE Control)

ในรูปที่ 3 แสดงรายละเอียดของขาต่างๆ สำหรับคอนเน็กเตอร์ตามมาตราฐาน SAE J1772 ซึ่งจะช่วยให้เราเข้าใจรูปแบบการทำงานได้เพิ่มขึ้น ทั้งนี้จะต้องดูลักษณะของวงจรที่นำมาประกอบร่วมกันระหว่างกล่องควบคุมการชาร์จ (EVSE Control) และวงจรควบคุมในยานยนต์ไฟฟ้า (VEHICLE Control) เพื่อให้เข้าใจลำดับการทำงานของระบบจัดการการจ่ายกำลังไฟฟ้าให้กับยานยนต์ไฟฟ้า Electric vehicle supply equipment (EVSE)

ในรูปที่ 4 แสดงวงจรสำหรับระบบ Electric vehicle supply equipment โดยด้านซ้ายเป็น (EVSE Control) และคอนเน็กเตอร์ หรือหมายถึงกล่องควบคุมการชาร์จ ด้านขวาเป็นส่วนของวงจรควบคุมในยานยนต์ไฟฟ้า (VEHICLE Control)

1. ในสถานะการทำงานที่ 1 วงจรควบคุมในยานยนต์ไฟฟ้าที่ตำแหน่ง NOR Gate เอาต์พุตจะมีค่าเป็นลอจิก 1 ตลอดเวลา โดยจะแจ้งสถานะนี้ให้กับตัวควบคุมตลอดเวลา
2. ในสถานะการทำงานที่ 2 เมื่อทำการเชื่อมต่อคอนเน็กเตอร์เข้าด้วยกันจะทำให้กล่องควบคุมการชาร์จ (EVSE Control) ที่ตำแหน่ง R1 เกิดกระแสไหลผ่านมาที่คอนเน็กเตอร์และ D1 มาที่ R3 เป็นผลให้เกิดแรงดันตกคร่อมขึ้น และทำให้ NOR gate รับสัญญาณอินพุตลอจิก 1 ขึ้นในส่วนของวงจรควบคุมในยานยนต์ไฟฟ้า (VEHICLE Control) โดยในช่วงเวลานี้ K1 จะทำงานและทำให้ S2 ต่อวงจรทำให้ R2 (1.3k) ต่อลงกราวด์ ซึ่งทำให้ตัวต้านทาน R2 และ R3 ขนานกันและได้ความต้านทานลดลงมาที่ประมาณ 800 โอห์ม และในด้านของ (EVSE Control) ที่ตำแหน่ง NOR gate (ใกล้ R1) จะรับอินพุตเป็นลอจิก 0 โดยผลที่ได้ทำให้เอาต์พุตไปสั่งการทำงาน K2 ให้เปลี่ยนตำแหน่ง S1 จาก +12V ไปเป็นการจ่ายสัญญาณ 1kHz (+/-12V)
3. ในสถานะการทำงานที่ 3 หลังจาก K2 เปลี่ยนเป็นการจ่ายสัญญาณพัลซ์วิดธ์มอดูเลตชั่นที่ความถี่ 1kHz (+/-12V) ขนาดของแอมปริจูดสัญญาณจะลดลงเล็กน้อย (ตามที่อธิบายในช่วงที่ K1 ทำงาน) ทั้งนี้ความกว้างของสัญญาณพัลซ์วิดธ์มอดูเลตชั่น จะเป็นการแจ้งให้วงจรควบคุมในยานยนต์ไฟฟ้า (VEHICLE Control) ทราบถึงปริมาณการจ่ายกระแสไฟฟ้าออกมาอีกด้วย
4. ในสถานะการทำงานที่ 4 เมื่อทำการชาร์จแบตเตอรี่และแบตเตอรี่เต็มแล้ว วงจรควบคุมในยานยนต์ไฟฟ้า (VEHICLE Control) จะหยุดการทำงาน K1 เป็นผลให้ค่าความต้านทานรวม R2 และ R3 กลับมาที่ประมาณ 2.7k โดยในช่วงเวลานี้วงจรควบคุมการชาร์จ (EVSE Control) ก็จะหยุดการส่งกำลังไฟฟ้าผ่าน L และ N ทันที

รูปที่ 5 แสดงลักษณะของสัญญาณพัลซ์วิดธ์มอดูเลชั่นที่เกิดขึ้น เมื่อกล่องควบคุมการชาร์จ (EVSE Control) ทำงานในสเตจการทำงานต่างๆ ตามลำดับ ทั้งนี้จะเห็นว่าระดับของแอมปริจูดของสัญญาณพัลซ์จะลดลงในแต่ละสเตจ ทั้งนี้เกิดขึ้นจากรูปแบบของวงจรที่ใช้ในการควบคุม (ดูในรูปที่ 4 ประกอบ) โดยลักษณะการทำงานทั้งหมดจะเป็นสภาวะปกติ

รูปที่ 6 จะเป็นรูปตารางสำหรับอธิบายการค่าความต้านทานและขนาดของสัญญาณที่เกิดขึ้น อีกแบบหนึ่งโดยเราจะเห็นความสัมพันธ์ของแต่ละสถานะการทำงาน โดยจะช่วยให้เราเห็นระดับของสัญญาณจริงที่เกิดขึ้นและขนาดค่าความต้านทานอีกด้วยในการสื่อสารของกล่องควบคุมการชาร์จ (EVSE Control) กับวงจรควบคุมในยานยนต์ไฟฟ้า (VEHICLE Control)

รูปที่ 7 แสดงลักษณะของบล็อกการทำงานในส่วนต่างๆ อีกแบบหนึ่ง เพื่อให้เห็นภาพของกระบวนการทำงานของอุปกรณ์ที่จะทำหน้าที่จัดการการจ่ายกำลังไฟฟ้าให้กับยานยนต์ไฟฟ้า (EVSE) รวมทั้งการเกิดขึ้นของค่าพารามิเตอร์ต่างๆ ในระบบการชาร์จแบตเตอรี่

รูปที่ 8 จะแสดงตารางที่สัมพันธ์กันระหว่างสัญญาณพัลซ์วิดธ์มอดูเลตชั่น และปริมาณกระแสที่จ่ายของกล่องควบคุมการชาร์จ (EVSE Control) ทั้งนี้เพื่อเป็นการสื่อสารให้กับวงจรควบคุมในยานยนต์ไฟฟ้า (VEHICLE Control) ทราบและไม่ใช้กระแสไฟฟ้าในการชาร์จเกินพิกัด

รูปที่ 9 รูปแสดงให้เห็นขาต่างๆ ของคอนเน็กเตอร์ โดยเฉพาะที่ตัวค่าความต้านทานระหว่างขา PP กับ PE, ตารางแสดงค่ากระแสสำหรับสายไฟที่ใช้งาน รวมทั้งการระบุสีให้กับสายไฟแต่ละขาในคอนเน็กเตอร์เพื่อให้เข้าใจได้ง่ายขึ้น

ในรูปที่ 10 จะเป็นรูปตารางแสดงค่าความต้านทาน Rc ที่อยู่กับกล่องควบคุมการชาร์จ (EVSE Control) ทั้งนี้เพื่อใช้ในการสื่อสารกับวงจรควบคุมในยานยนต์ไฟฟ้า (VEHICLE Control) เพื่อบอกถึงความสามารถของสายไฟในการจ่ายกระแสไฟฟ้าจากตัวกล่องควบคุมการชาร์จนั้นเอง

สำหรับในบทความนี้จะเป็นการนำเสนอเนื้อหาเกี่ยวกับอุปกรณ์ที่จะทำหน้าที่ จัดการการจ่ายกำลังไฟฟ้าให้กับยานยนต์ไฟฟ้าในเบื้องต้น ซึ่งจะเน้นไปที่หัวคอนเน็กเตอร์แบบ Type 1 Connector ตามมาตราฐาน SAE_J1772 โดยจะรวบรวมเนื้อหาต่างๆ ที่เกี่ยวข้อง ทั้งในส่วนของวงจรที่ใช้ในการสื่อสารกันระหว่างกล่องควบคุมการชาร์จ (EVSE Control) และวงจรควบคุมในยานยนต์ไฟฟ้า (VEHICLE Control) ลักษณะของสัญญาณที่ใช้ในการสื่อสาร รวมถึงสเปกของความสามารถในการจ่ายกำลังไฟฟ้าสำหรับอุปกรณ์ต่างๆ อีกด้วย ทั้งนี้คิดว่าเนื้อหาคงจะเป็นประโยชน์ให้กับผู้อ่านได้บ้างครับ.

Reference

1. https://en.wikipedia.org/wiki/SAE_J1772
2. https://evchargerdesign.com/type-2-connector-for-ev-charging-part-1/
3. https://evchargerdesign.com/type-2-connector-part-2/
4. https://evchargerdesign.com/tag/type-2-pinout/
5. https://www.picoauto.com/library/automotive-guided-tests/charger-vehicle-communications-type-2/
6. https://www.mass.gov/doc/electric-vehicle-charging-infrastructure-manual/download
7. http://evtc.fsec.ucf.edu/publications/documents/HNEI-01-15.pdf
8. https://www.diyelectriccar.com/threads/j1772-wiring-issues.205465/
9. https://openev.freshdesk.com/support/solutions/articles/6000052074-basics-of-sae-j1772
10. https://www.kidzo.fr/products.aspx?cname=electric+vehicle+plug+types&cid=106&xi=1&xc=23&pr=16.99
11. https://slideplayer.com/slide/2514366/
12. https://ww2.arb.ca.gov/sites/default/files/2022-02/EVSE%20Standards%20Technology%20Review%204Feb22.pdf