Xe điện (EV) cần thời gian sạc DC nhanh hơn để cạnh tranh với động cơ đốt trong truyền thống, vì vậy hệ thống sạc EV đang nhanh chóng hướng tới các giải pháp công suất đầu ra lên tới 350 kW để giảm thời gian sạc xuống dưới 20 phút. Với sức mạnh như vậy, Vôn và trình độ hiện tại đang dẫn dắt các nhà thiết kế vào những thách thức kỹ thuật mới.
Trong một cuộc phỏng vấn với Power Electronics News, Jinsong Dai, giám đốc tiếp thị toàn cầu cấp cao tập trung vào điện khí hóa tại Sensata Technologies, đã chỉ ra rằng những thách thức chính đối với việc sạc nhanh DC có liên quan đến điện áp và mức năng lượng cao hơn. Việc chuyển sang điện áp cao hơn và mức năng lượng cao hơn sẽ gây ra một số vấn đề về bảo vệ điện.
Dai cho biết: “Có nhiều thách thức đối với các ứng dụng sạc nhanh DC, từ tiêu chuẩn sạc nhanh đến các vấn đề về cơ sở hạ tầng sạc, quản lý hiệu suất nhiệt cho đến bảo vệ hệ thống điện khỏi sự cố”. “Tại Sensata, chúng tôi tập trung vào việc bảo vệ điện cho hệ thống sạc nhanh DC. Để rút ngắn thời gian sạc, nhiều bộ sạc công suất cao đang chuyển từ 400 V sang 1,000 V và từ 50 kW lên 350 kW hoặc thậm chí cao hơn. Điều này mang đến rất nhiều thách thức đối với các thành phần bảo vệ điện trong hệ thống sạc - tăng mức điện áp và khả năng truyền động của bộ sạc tăng lên ở các thành phần điện áp cao như công tắc tơ và cầu chì.”
Dai chỉ ra rằng mối lo ngại rõ ràng nhất ở đây là điện áp cao hơn có nhiều khả năng tạo ra hồ quang hơn, đòi hỏi khoảng cách tách biệt lớn hơn trước khi có thể dập tắt hồ quang. Ông nói: “Điều này đòi hỏi các công tắc tơ và cầu chì phải sử dụng các kỹ thuật để tăng khoảng cách tách biệt nhằm nhanh chóng dập tắt bất kỳ hồ quang nào”. “Nếu không, hồ quang không bị gián đoạn có thể khiến công tắc tơ hoặc cầu chì phát nổ dữ dội. Một vấn đề khác là việc ghép nối công tắc tơ và cầu chì trong tình trạng quá dòng. Khi contactor bắt đầu hỏng mạch, nó có thể bắt đầu tiêu tán một số dòng điện quá mức bên trong chính nó, ngăn không cho dòng điện đó có sẵn để ngắt cầu chì một cách thích hợp. Tác động tiềm ẩn có thể là sự thất bại thảm hại của toàn bộ hệ thống. Giải pháp ngắt kết nối của Sensata, trong đó cả công tắc tơ và cầu chì được ghép nối để hoạt động cùng nhau, giúp ngăn ngừa rủi ro đó.”
Chuyển sang điện áp cao hơn
Mặc dù mức điện áp và dòng điện cao hơn giúp giảm thời gian sạc nhưng chúng lại làm tăng rủi ro về an toàn và thách thức về thiết kế hệ thống. Công tắc tơ điện áp cao cung cấp tính liên tục của mạch an toàn, trong khi cầu chì được yêu cầu song song để bảo vệ mạch trong trường hợp xảy ra sự cố ngắn mạch nguy hiểm.
Giải pháp bảo vệ mạch của Sensata (Nguồn: Sensata Technologies)
Cầu chì nhiệt DC truyền thống công nghệ được thiết kế cho các tình huống ngắn mạch, có nghĩa là trong trường hợp dòng điện ngắn, cao, cầu chì sẽ sử dụng sự nóng chảy của kết nối để ngắt mạch. Dai chỉ ra rằng thách thức đối với cầu chì nhiệt DC truyền thống là trong tình huống quá dòng khi dòng điện không đủ cao và cầu chì nhiệt sẽ mất nhiều thời gian hơn để nóng chảy.
Ông nói: “Điều này tạo ra một vùng màu xám nơi mức dòng điện có thể lấn át khả năng của công tắc tơ trong việc ngắt tải mà không đạt đến điểm nhiệt để cầu chì kích hoạt”. “Khoảng thời gian trước khi cầu chì nhiệt có thể được kích hoạt trong khi vượt quá khả năng ngắt của công tắc tơ sẽ bị loại bỏ bằng GigaFuse. GigaFuse giúp thu hẹp khoảng cách giữa những gì công tắc tơ có thể thực hiện [hoạt động bình thường] và khi cầu chì ngắt, giúp cung cấp cả khả năng bảo vệ quá dòng và ngắn mạch.
Dai cho biết thêm: “Công tắc tơ và cầu chì là những bộ phận quan trọng trong bộ sạc nhanh DC. “Các công tắc tơ cung cấp tính liên tục của mạch an toàn trong quá trình sạc bình thường hoặc tách dòng quá dòng, trong khi cầu chì bảo vệ hệ thống sạc trong điều kiện ngắn mạch và quá dòng nguy hiểm. Điều quan trọng là phải có các công tắc tơ và cầu chì có thể hoạt động song song để đảm bảo bảo vệ liền mạch cho bộ sạc trong điều kiện hoạt động bình thường và quá dòng.”
Công tắc tơ và cầu chì
Dai cho biết, mức điện áp cao hơn và mức sạc điện cao hơn cho các công tắc tơ có nghĩa là các sản phẩm cần phải tăng khả năng cắt và khách hàng đang yêu cầu các công tắc tơ có điện áp định mức tới 1,000 V và 500 A. Ngoài ra, một chức năng cần thiết khác là tính hai chiều của công tắc tơ cho phép sạc pin EV từ lưới điện và hệ thống phương tiện nối lưới (V2G) cho phép khai thác trí thông minh lưới điện trong thị trường trao đổi năng lượng.
Dai cho biết: “Ngoài V2G, phân bổ năng lượng động là xu hướng công nghệ điều chỉnh việc sạc theo nhu cầu thực tế bằng cách kết hợp hoặc chia sẻ năng lượng từ nhiều cổng sạc”. “Chức năng hai chiều của công tắc tơ cho phép bộ sạc phân bổ năng lượng một cách linh hoạt bằng cách cho phép dòng điện chạy tiến hoặc lùi.”
Công nghệ công tắc tơ được Sensata Technologies sử dụng được làm kín và chứa đầy khí, do đó cung cấp năng lượng cần thiết để chuyển mạch với độ bền cần thiết ở kích thước tương đối nhỏ so với công tắc tơ ngoài trời. Sensata tiếp tục chiến lược của mình trong lĩnh vực công nghệ chuyển mạch kín với việc giới thiệu các sản phẩm cầu chì điện áp cao. GigaFuse là cầu chì cơ điện kín được thiết kế cho các yêu cầu ứng dụng cầu chì điện áp cao và công suất cao. “Dòng GiagFuse bao gồm các sản phẩm cầu chì có cả sự kết hợp thụ động và thụ động/chủ động; nó làm tăng đáng kể hiệu suất của hệ thống, loại bỏ hiện tượng lão hóa do nhiệt và mang lại sự linh hoạt trong thiết kế để bảo vệ điện,” Dai cho biết.
Cơ chế kích hoạt cơ điện của GigaFuse của Sensata giúp tăng hiệu suất hệ thống, loại bỏ hiện tượng lão hóa do nhiệt và mang lại sự linh hoạt trong thiết kế để bảo vệ điện. (Nguồn: Sensata Technologies)
Để giải quyết những thách thức kỹ thuật mới nổi của các ứng dụng năng lượng cao, Sensata cung cấp công nghệ tích hợp mới để bảo vệ điện. Dai cho biết: “Một giải pháp mới mà chúng tôi sẽ lấy mẫu cho khách hàng trước khi ra mắt chính thức là PyroTactor, công tắc tơ đầu tiên trên thế giới có cầu chì pyro tích hợp”. “GFC PyroTactor kết hợp chức năng của cầu chì HV và công tắc tơ trong một thiết bị duy nhất, do đó loại bỏ nhu cầu xác định kích thước từng bộ phận riêng biệt. Sê-ri GFC là hai chiều và có khả năng xử lý điện áp hệ thống lên tới 1,500 V và các tính năng bao gồm kích hoạt thụ động và chủ động. Thiết kế mới này làm giảm đáng kể độ phức tạp trong thiết kế của việc ghép nối công tắc tơ và cầu chì, loại bỏ hiện tượng lão hóa nhiệt và giảm đáng kể thời gian lắp đặt, độ phức tạp và chi phí.”
Bài báo ban đầu được xuất bản tại ấn phẩm chị em Power Electronics News.