Sạc xe điện (EV) đang trở thành yếu tố quan trọng khi xe điện ngày càng trở nên phổ biến. Dù xe điện đã xuất hiện từ lâu, nhưng chỉ gần đây chúng mới thực sự bùng nổ nhờ vào những tiến bộ trong công nghệ và sự hỗ trợ mạnh mẽ từ chính phủ.
Lệnh cấm xe động cơ đốt trong của EU vào năm 2035 và quy định về trạm sạc EV nhanh vào năm 2025 nhấn mạnh nhu cầu ngày càng tăng. Khi xe điện trở thành phương tiện vận tải chính, việc cải thiện phạm vi hoạt động của pin và tốc độ sạc sẽ là yếu tố quyết định. Để đáp ứng nhu cầu này, công nghệ sạc xe điện cần phát triển vượt bậc, đặc biệt là trong việc quản lý nhiệt.
Sạc AC so với DC trong sạc xe điện EV
Khi nhu cầu về bộ sạc EV nhanh hơn tăng lên, đã có nhiều thay đổi, cả nhỏ và lớn, trong cách tiếp cận thiết kế bộ sạc EV. Một sự thay đổi đáng chú ý là hướng tới bộ sạc DC. Mặc dù tất cả các hệ thống pin đều sử dụng điện DC, nhưng điểm khác biệt chính trong các hệ thống này là vị trí chỉnh lưu điện từ AC sang DC.
- Bộ sạc AC truyền thống, thường được sử dụng trong môi trường dân cư, chủ yếu đóng vai trò là đầu nối giao tiếp, lọc và điều khiển dòng điện AC đến xe, nơi bộ sạc DC trên xe sau đó chỉnh lưu điện và sạc pin.
- Ngược lại, bộ sạc DC thực hiện quá trình chỉnh lưu bên ngoài trước khi cung cấp điện DC điện áp cao cho xe. Ưu điểm chính của bộ sạc DC là chúng loại bỏ nhiều hạn chế về trọng lượng và kích thước bằng cách di chuyển phần cứng điều hòa điện năng ra khỏi EV và vào một cấu trúc bên ngoài.
Bằng cách loại bỏ các ràng buộc về trọng lượng và kích thước, bộ sạc DC có thể tích hợp các thành phần bổ sung để tăng cường cả thông lượng dòng điện và điện áp hoạt động. Các bộ sạc này sử dụng các thiết bị bán dẫn tiên tiến để chỉnh lưu điện năng, cùng với các bộ lọc và điện trở công suất, tất cả đều tạo ra nhiệt đáng kể.
Mặc dù các bộ lọc và điện trở góp phần tạo ra nhiệt, nhưng nguồn nhiệt chính trong hệ thống sạc EV là tranzito lưỡng cực cổng cách điện (IGBT), một thiết bị bán dẫn ngày càng trở nên phổ biến trong vài thập kỷ qua. Mặc dù thiết bị mạnh mẽ này đã tạo ra nhiều cơ hội trong lĩnh vực sạc, nhưng việc làm mát hiệu quả vẫn là một mối quan tâm quan trọng.
IGBT kết hợp các tính năng của tranzito hiệu ứng trường (FET) và tranzito tiếp giáp lưỡng cực (BJT). Khả năng xử lý điện áp cao, điện trở thấp khi bật, tốc độ chuyển mạch nhanh và khả năng chịu nhiệt ấn tượng khiến nó trở nên lý tưởng cho các ứng dụng công suất cao như bộ sạc EV. Trong các mạch sạc này, IGBT hoạt động như bộ chỉnh lưu hoặc bộ biến tần, thường xuyên bật và tắt và tạo ra nhiệt lượng đáng kể.
Thách thức về nhiệt hiện tại là sự gia tăng đáng kể lượng nhiệt tỏa ra bởi IGBT, đã tăng hơn gấp mười lần từ 1,2kW cách đây ba mươi năm lên 12,5kW ngày nay, và dự kiến sẽ còn tăng nữa. Hình 1 minh họa sự gia tăng này về công suất trên mỗi diện tích bề mặt. Để so sánh, các CPU công suất cao nhất hiện nay chỉ đạt khoảng 0,18kW, hoặc 7kW/cm2, cho thấy sự khác biệt đáng kể.
Hai yếu tố hỗ trợ làm mát IGBT: diện tích bề mặt của chúng gấp đôi CPU và chúng có thể hoạt động ở nhiệt độ cao hơn – lên đến 170°C so với 105°C đối với CPU hiện đại.
Giải pháp quản lý nhiệt đơn giản và đáng tin cậy nhất là kết hợp bộ tản nhiệt với không khí cưỡng bức. Trong khi điện trở nhiệt bên trong một thiết bị bán dẫn như IGBT thường rất thấp, thì điện trở nhiệt giữa thiết bị và không khí xung quanh cao hơn đáng kể.
Việc bổ sung bộ tản nhiệt cho các thiết bị mảng lưới bóng (BGA) làm tăng đáng kể diện tích bề mặt có sẵn để tản nhiệt, giảm điện trở nhiệt. Di chuyển không khí qua bộ tản nhiệt sẽ tăng cường hiệu quả của nó. Giảm điện trở nhiệt tại bề mặt tiếp xúc giữa thiết bị và không khí, là lớn nhất trong hệ thống, là điều rất quan trọng.
Bộ tản nhiệt thụ động, nếu được lắp đặt đúng cách, sẽ không bị lỗi và quạt – một công nghệ đã được thiết lập tốt và đáng tin cậy – giúp tăng thêm hiệu quả làm mát. Same Sky đã thiết kế bộ tản nhiệt lên đến 950mm x 350mm x 75mm cho các ứng dụng sạc EV. Chúng có thể xử lý các yêu cầu ít khắt khe một cách thụ động hoặc các yêu cầu khắt khe hơn một cách chủ động bằng không khí cưỡng bức. Khám phá đầy đủ các loại quạt AC và quạt DC của Same Sky.
Các tùy chọn làm mát bằng chất lỏng cũng có sẵn để làm mát các nguồn nhiệt dày đặc như IGBT. Hệ thống làm mát bằng nước có thể đạt được điện trở nhiệt thấp nhất, khiến chúng trở nên hấp dẫn. Tuy nhiên, chúng đi kèm với chi phí và độ phức tạp cao hơn và vẫn dựa vào bộ tản nhiệt và quạt để loại bỏ nhiệt ra khỏi toàn bộ hệ thống. Do đó, làm mát trực tiếp IGBT bằng bộ tản nhiệt và quạt vẫn là phương pháp ưa thích. Nghiên cứu đang diễn ra tập trung vào việc nâng cao công nghệ làm mát bằng không khí cho IGBT.
Các yếu tố bên ngoài và môi trường
Các trạm sạc EV thường được lắp đặt ngoài trời và tiếp xúc với các điều kiện môi trường đa dạng. Việc thiết kế vỏ bọc chống chịu thời tiết với hệ thống thông gió thích hợp và bảo vệ chống lại các yếu tố như mưa và nhiệt độ khắc nghiệt là điều cần thiết để duy trì điều kiện nhiệt tối ưu. Các đường dẫn khí và lỗ thông hơi phải được thiết kế cẩn thận để ngăn nước xâm nhập đồng thời đảm bảo luồng không khí đủ.
Một yếu tố bên ngoài chính cần xem xét là nhiệt mặt trời, có thể làm tăng đáng kể nhiệt độ môi trường xung quanh bên trong vỏ bọc bộ sạc. Mặc dù đây là một mối quan tâm đáng kể, nhưng giải pháp hiệu quả nhất tương đối đơn giản: che nắng được thiết kế tốt với luồng không khí đầy đủ giữa bóng râm và bộ sạc có thể làm giảm đáng kể nhiệt độ môi trường xung quanh bộ sạc.
Suy nghĩ về tương lai
Trong những năm gần đây, việc áp dụng EV đã tăng vọt trên toàn cầu, với nhu cầu tiếp tục tăng nhanh trên nhiều công nghệ khác nhau. Khi xe điện trở nên phổ biến hơn trên đường, sự gia tăng của các trạm sạc cũng sẽ theo đó. Bộ sạc hiệu quả và hoạt động tốt là điều cần thiết để phát triển cơ sở hạ tầng sạc mạnh mẽ. Ngoài ra, hiệu quả chi phí sẽ đóng một vai trò quan trọng trong tỷ lệ chấp nhận của cả cá nhân và doanh nghiệp.
Vì số lượng EV và bộ sạc dự kiến sẽ tăng lên, nên các công nghệ cơ bản cũng sẽ phát triển và cải thiện. Điều này bao gồm khả năng tăng công suất và dung lượng sạc, phát triển các tiêu chuẩn phần mềm và phần cứng, đồng thời thích ứng với những đổi mới không lường trước được. Việc đảm bảo rằng các hệ thống quản lý nhiệt có thể thích ứng với những nhu cầu đang phát triển này là rất quan trọng.
Bộ sạc xe điện phải đối mặt với những trở ngại về quản lý nhiệt tương tự như các thiết bị điện tử công suất cao khác. Tuy nhiên, mật độ công suất cao của IGBT được sử dụng trong các bộ sạc này, kết hợp với nhu cầu hiệu suất ngày càng tăng, đặt ra những thách thức độc đáo. Khi tốc độ sạc và dung lượng pin tiếp tục phát triển, nhu cầu về thiết kế bộ sạc hiệu quả và an toàn sẽ trở nên quan trọng hơn, đặt ra yêu cầu cao hơn đối với các kỹ sư và nhà thiết kế quản lý nhiệt.
Để giúp giải quyết vấn đề này, Same Sky cung cấp một loạt các thành phần quản lý nhiệt toàn diện và dịch vụ thiết kế nhiệt hàng đầu trong ngành để đáp ứng những nhu cầu đang phát triển này.
Tham khảo thêm các thông tin thú vị với Insight, lựa chọn sản phẩm đo lường với TECOTEC và đừng quên tìm đến chúng tôi khi bạn cần các giải pháp cho doanh nghiệp của mình!
