Tại Sao Bộ Sạc Tích Hợp Lại Được Thiết Kế Nhỏ Một Cách Cố Ý?

Thứ quyết định tốc độ sạc AC tại nhà của xe điện không phải là trạm sạc trên tường, mà là bộ sạc tích hợp (onboard charger) bên trong xe; thiết bị này được cố ý giữ trong dải 7-22 kW, tức là một dải công suất hẹp, vì gánh nặng chính của sạc nhanh do các bộ chuyển đổi DC ở trạm sạc đảm nhận. Trong bài viết này, chúng tôi giải thích ở cấp độ điện tử công suất OBC làm gì, tại sao nó được thiết kế nhỏ gọn và DC sạc nhanh vô hiệu hóa nó như thế nào.

Bộ Sạc Tích Hợp Chính Xác Là Gì và Làm Việc Gì?

Các thiết bị treo tường thường được gọi là "cục sạc" về mặt kỹ thuật không phải là bộ sạc; chúng được gọi là thiết bị sạc xe điện, tức là EVSE. Bộ sạc thực sự nằm bên trong xe: bộ sạc tích hợp chuyển đổi công suất AC từ lưới điện thành công suất DC có thể lưu trữ trong pin. Ngoài nhiệm vụ này, nó còn điều chỉnh điện áp, giao tiếp với thiết bị sạc và giám sát pin liên tục.

Vai trò của thiết bị treo tường khiêm tốn hơn: nó giao tiếp với xe, xác định dòng điện tối đa có thể đi qua cáp và dòng tối đa mà OBC có thể chấp nhận, ngắt nguồn khi không có cáp kết nối và cắt mạch khi có sự cố. Nói cách khác, chiếc hộp trên tường là một đơn vị an toàn và kết nối; công việc chuyển đổi do xe thực hiện. Sự phân biệt này là điểm xuất phát của toàn bộ cuộc tranh luận về tốc độ sạc.

Tại Sao Chính Xe Quyết Định Tốc Độ Sạc AC?

Bộ sạc tích hợp là yếu tố giới hạn chính của tốc độ sạc AC. Chính nó xác định và tự điều chỉnh số vôn và ampe gửi vào pin. Bất kể trạm sạc cung cấp công suất bao nhiêu, OBC không bao giờ chấp nhận công suất vượt quá định mức của chính nó: một xe có định mức 7,2 kW khi kết nối với trạm có thể cung cấp 19,2 kW ở 80 A vẫn chỉ sạc với 7,2 kW.

Trong thực tế, công suất sạc AC được hình thành theo giá trị thấp nhất trong bốn giới hạn: cáp, bộ sạc tích hợp của xe, số pha đến ổ cắm và nguồn cấp điện. Phép tính công suất rất đơn giản: vôn × ampe. 240 V × 30 A khoảng 7,2 kW; với 48 A, con số này lên tới dải 11,5 kW. Mỗi xe còn có hai giá trị công suất khác nhau: công suất AC thấp hơn và công suất DC cao hơn. Sự chênh lệch giữa hai giá trị này là hệ quả trực tiếp của việc kiến trúc được chia thành hai đường chuyển đổi riêng biệt.

Các Cấp Công Suất: Tại Sao Dải 7, 11 và 22 kW Phổ Biến Đến Vậy?

Các cấp công suất AC trên thị trường được gom vào ba bậc. 7 kW là chuẩn cho môi trường nhà một pha, 11 kW là lựa chọn ưu tiên cho nhà ba pha và doanh nghiệp nhỏ, còn 22 kW là phương án AC nhanh nhất mà kết nối ba pha mang lại. Xét thuần túy về công suất, 11 kW nhanh hơn khoảng 57% so với 7 kW; chênh lệch này đồng nghĩa với việc tiết kiệm khoảng ba đến bốn giờ khi sạc ban đêm.

Vượt qua giới hạn là có thể thực hiện được tùy theo lựa chọn của nhà sản xuất: Ở các mẫu xe phổ biến như Nissan LEAF, OBC 7,2 kW được coi là đủ, trong khi Lucid Air với onboard charger 19,2 kW đã vượt lên trên dải này. Tuy nhiên, việc các trạm AC 22 kW trở nên phổ biến vẫn còn hạn chế do yêu cầu hạ tầng ba pha và các phê duyệt chính thức; nghĩa là hạ tầng cũng quyết định mức trần này.

DC Sạc Nhanh Vô Hiệu Hóa Onboard Charger Như Thế Nào?

Ở sạc nhanh DC (DCFC), việc chuyển đổi AC-DC được thực hiện tại trạm chứ không phải trên xe. DC đã chuyển đổi được cấp trực tiếp vào pin mà không đi qua OBC; ở chế độ này, xe quản lý quá trình thông qua hệ thống quản lý pin (BMS). Thiết bị sạc DC được phân loại là Mode 4 thực hiện chính xác công việc bỏ qua này.

Vì vậy, mức công suất khi sạc nhanh DC phần lớn chỉ bị giới hạn bởi trạm sạc: tốc độ đỉnh trải dài từ 50 kW đến trên 250 kW. Lý do kiến trúc của việc không chuyển bước chuyển đổi lên xe cũng nằm ở đây: bộ chuyển đổi tại các trạm có thể lớn và mạnh hơn nhiều so với những gì một chiếc xe có thể mang theo. Xe không phải lúc nào cũng mang theo phần cứng chuyển đổi nặng nề bên mình.

Tại Sao Onboard Charger Được Thiết Kế Nhỏ Một Cách Có Chủ Đích?

Trên một chiếc EV, cả tải trọng và không gian đều bị giới hạn; onboard charger thường được thiết kế nhẹ dưới 5 kg và gọn gàng. Vượt qua giới hạn này làm tăng ba loại chi phí cùng một lúc:

• Chi phí: OBC có công suất cao hơn làm tăng trực tiếp giá thành xe.
• Trọng lượng và thể tích: Mỗi kilogram tăng thêm là hình phạt trực tiếp đối với tầm hoạt động và việc bố trí không gian.
• Quản lý nhiệt: Công suất cao đồng nghĩa với nhiều nhiệt hơn cần được quản lý; OBC được thiết kế với quạt hoặc hệ thống làm mát bằng chất lỏng, và làm mát tốt là rất quan trọng để kiểm soát nhiệt.

Về mặt kỹ thuật, cũng có những cách để thu nhỏ kích thước: ở những bộ sạc đa chức năng, việc chia sẻ tản nhiệt chung làm giảm tổng kích thước. Các công nghệ bán dẫn tiên tiến có thể cải thiện sự đánh đổi giữa mật độ công suất và hiệu suất, nhưng cái giá phải trả là thiết kế gate-drive, đường dẫn nhiệt cẩn thận hơn và các linh kiện từ tính nâng cao. Nói cách khác, việc thu nhỏ không phải là "miễn phí"; mỗi lợi ích đạt được đòi hỏi phải trả giá ở một lĩnh vực kỹ thuật khác.

Kiến Trúc 800V Có Thay Đổi Bức Tranh Này Không?

Kiến trúc 800V là một quyết định hệ thống bao gồm gói pin, các bộ chuyển đổi DC-DC và onboard charger; nó tạo điều kiện cho sạc siêu nhanh bằng cách cung cấp công suất sạc cao hơn ở dòng điện thấp hơn và có thể đưa dải 10-80% xuống dưới 20 phút. Được cho rằng tại các trạm phù hợp, có thể đạt gần 80% trong khoảng 20-30 phút với công suất trên 200 kW; kiến trúc này có thể hỗ trợ tốc độ sạc lên tới 350 kW.

Điều tinh tế cần lưu ý là: Tốc độ mà 800V mang lại nằm ở phía DC. Ở phía AC và sạc tại nhà, kiến trúc 800V không tạo ra lợi thế nào; vì giới hạn phía AC vẫn do công suất định mức của OBC quyết định. Thậm chí một số bộ sạc tại nhà hai chiều có thể quản lý pin DC 400V nhưng lại không thể quản lý 800V. Việc xe 400V khi kết nối vào trạm 800V bị giới hạn ở đầu ra 400V cũng là một khía cạnh khác của cùng logic đó: giới hạn luôn là phía hẹp hơn trong hai bên.

Sạc AC chậm có dịu dàng hơn với pin không?

Không nên xem sự hiện diện của một OBC nhỏ là khiếm khuyết. Sạc AC chậm, nhưng sự chậm rãi này giúp bảo vệ sức khỏe pin trong suốt vòng đời của xe; sạc tại nhà ban đêm là chế độ khiến pin chịu ít áp lực nhất. Lợi thế tốc độ của sạc nhanh DC là không thể tranh cãi và không thể thiếu cho các chuyến đường dài, nhưng trong sử dụng hàng ngày, sự đủ dụng của phía AC cũng là điều hiển nhiên.

Ngoài ra, nên biết rằng sạc công suất thấp có một giới hạn thực tế: một số xe tiêu thụ 100-200 W mỗi giờ để giữ hệ thống bật trong quá trình sạc. Mức tiêu thụ này làm chậm sạc được cài đặt ở công suất rất thấp một cách không tương xứng; nghĩa là ngoài giới hạn dưới của OBC, tải cố định của chính chiếc xe cũng quyết định hình dạng của dòng sạc.

Kết luận: OBC Nhỏ, Phân Chia Khối Lượng Công Việc Hợp Lý

Kích thước nhỏ của onboard charger không phải là thiếu sót mà là một quyết định kiến trúc. Ở sạc AC, giới hạn do xe quyết định; ở sạc DC, việc chuyển đổi được chuyển sang trạm sạc và xe chỉ giữ phần dữ liệu và điều khiển dành cho pin. OBC trong dải 7-22 kW giữ trọng lượng, chi phí và tải nhiệt ở mức hợp lý; nhu cầu tốc độ thực sự được đáp ứng bởi các bộ chuyển đổi khổng lồ phía hạ tầng. Sự phân chia này chính là lý do khi đọc các thông số sạc của một EV, chúng ta thấy hai con số riêng biệt: một là đơn vị nhỏ nhưng hoạt động liên tục bên trong xe, hai là công suất lớn ở trạm sạc nhưng không bao giờ được mang trên xe.

Nguồn tham khảo

• What really limits EV charging speed? Not what you think!
• How Station Amperage and kW Affect EV Charging Times
• The Ultimate Guide to DC Fast Charging
• A system efficiency improvement of DC fast-chargers
• What Is an Onboard Charger?
• On-Board Charger - ScienceDirect Topics
• Limitations of Onboard Chargers in AC EV Charging
• What is an 800 V vehicle architecture?
• An Overview of 800 V Passenger EV Onboard Chargers
• 400V vs 800V Charging
• 7kW, 11kW or 22kW EV Charger?
• Understanding 7kW, 11kW, and 22kW Chargers
• Why Slower EV Charging Can Be Smarter
• Charging Levels, Onboard Charger kW, DC Fast