Bộ sạc trên ô tô điện (on-board charger - OBC)

OBC nhận nguồn AC từ lưới điện, thường là 220 V một pha hoặc 380 V ba pha với tần số 50/60 Hz. Sau đó, nó chuyển đổi nguồn này thành DC ổn định để nạp trực tiếp vào pin ở mức 400-800 V. Chức năng cốt lõi này giải quyết sự không tương thích giữa lưới điện AC và pin DC. Với công suất 7-22 kW, OBC cho phép sạc đầy pin 50-100 kWh trong 4-12 giờ, tùy thuộc vào dung lượng và SoC ban đầu. Ví dụ, với công suất 11 kW, OBC cung cấp khoảng 60 km phạm vi di chuyển mỗi giờ sạc. Trong khi đó, 22 kW có thể đạt 180 km/giờ.

Ngoài chuyển đổi năng lượng, OBC tích hợp các chức năng bảo vệ như:

(a) Kiểm soát nhiệt độ pin để tránh quá nhiệt (thermal runaway), sử dụng cảm biến NTC/PTC;

(b) Phát hiện lỗi như ngắn mạch hoặc rò rỉ điện qua Ground Fault Circuit Interrupter (GFCI);

(c) Điều chỉnh dòng điện theo thuật toán Constant Current-Constant Voltage (CC-CV) để tối ưu hóa thời gian sạc mà không làm suy giảm pin. Công thức cơ bản cho dòng sạc trong giai đoạn CC là:

I = P/V_bat,

trong đó P là công suất OBC và V_bat là điện áp pin. Những chức năng này đảm bảo hiệu quả năng lượng cao và tuân thủ quy định EMC (Electromagnetic Compatibility) theo IEC 61851.

Để tối ưu hóa hiệu suất và giảm tổn hao (thường dưới 4%), OBC sử dụng cấu trúc hai giai đoạn:

(a) Giai đoạn Power Factor Correction (PFC) với topology Boost;

(b) Giai đoạn DC-DC cách ly với topology LLC resonant. 4.2.1 Giai đoạn PFC boost Giai đoạn này nhận AC đầu vào và chỉnh lưu thành DC gợn sóng qua diode bridge. Sau đó, nó sử dụng bộ chuyển đổi Boost để tăng điện áp lên 400-700 V và cải thiện hệ số công suất (PF > 0.99). Topology Boost bao gồm cuộn cảm L, MOSFET/SiC switch, và diode. Nó hoạt động ở chế độ Continuous Conduction Mode (CCM) với tần số chuyển mạch 50-100 kHz. Công thức cho điện áp đầu ra là: V_out=V_in/(1 - D), trong đó D là duty cycle (0-1). PFC giảm Total Harmonic Distortion (THD) xuống dưới 5% bằng cách làm dòng điện đầu vào đồng pha với điện áp, tuân thủ IEC 61000-3-2. Ví dụ, trong OBC 11 kW, PFC xử lý dòng đầu vào lên đến 16 A/phased, giảm nhiễu hài và tăng hiệu quả lưới điện.

2.2 Giai đoạn DC-DC cách ly

Giai đoạn này sử dụng topology LLC resonant với Zero-Voltage Switching (ZVS) để chuyển đổi DC cao áp sang DC phù hợp với pin. Nó cách ly qua biến áp để đảm bảo an toàn (galvanic isolation > 2 kV). LLC bao gồm cuộn cảm cộng hưởng Lr, tụ Cr, và biến áp với tỷ lệ biến đổi n:1. Công thức tần số cộng hưởng là:

f_r = (1/2)x pi x sqrt(L_r C_r), cho phép ZVS giảm tổn hao chuyển mạch xuống dưới 1%. Gần đây, GaN transistors được tích hợp để tăng tần số lên 200 kHz, giảm kích thước biến áp 30%.

Dưới đây là hình minh họa sơ đồ cấu trúc hai giai đoạn của bộ sạc OBC:

“Sơ đồ cấu trúc hai giai đoạn của bộ sạc OBC, bao gồm giai đoạn PFC Boost với diode bridge, cuộn cảm L, và switch; giai đoạn DC-DC LLC với biến áp cách ly, tụ cộng hưởng, và đầu ra DC đến pin.”

Một sơ đồ khác cho thấy cách tích hợp OBC trong hệ thống sạc:

“Sơ đồ OBC hai giai đoạn với tích hợp công suất, hiển thị dòng chảy năng lượng từ lưới AC qua PFC, DC link capacitor, đến LLC và pin, với các cảm biến feedback cho điều khiển.”

3.1 CCS2 (combined charging system type 2) Chuẩn này phổ biến ở châu Âu. Nó hỗ trợ AC đến 22 kW và DC cao hơn qua cùng cổng, với pinout bao gồm 2 pin AC và 2 pin DC.

3.2 Chuẩn GB/T

Chuẩn này của Trung Quốc. Nó hỗ trợ AC/DC lên 22 kW/500 kW, phù hợp lưới 220 V. 4.3.3 Level 2 (SAE J1772) Chuẩn này có công suất 6.6-19.2 kW. Nó dùng cho sạc gia đình ở Mỹ/Âu. NACS (North American Charging Standard, trước là Tesla) đang thống nhất ở Mỹ, hỗ trợ AC/DC lên 350 kW.

Về giao tiếp:

-CAN-BMS: Giao thức Controller Area Network với Battery Management System, truyền dữ liệu như SoC, nhiệt độ pin ở tốc độ 500 kbps.

-ISO 15118: Giao thức này hỗ trợ Plug-and-Charge. Nó cho phép xác thực, thanh toán tự động, và điều chỉnh công suất dựa trên Power Line Communication (PLC) hoặc Wi-Fi.

Hình minh họa cổng sạc CCS2 trên xe điện:

“Cổng sạc CCS2 trên xe điện, hỗ trợ sạc AC qua OBC với pin AC trên và DC dưới.”

Hình về đầu nối CCS2:

“Đầu nối CCS2 cho sạc DC và AC, hiển thị cấu trúc với 7 pin (2 DC, 2 AC, 3 control).”

Hiệu suất của OBC đạt 96-98%, với THD < 2% nhờ SiC/GaN.

Công thức hiệu suất là

eta = P_out/P_in x 100%,

tổn hao chủ yếu từ chuyển mạch và cuộn cảm. Các thông số bao gồm ripple điện áp < 1%, tần số chuyển mạch 50-200 kHz, trọng lượng < 5 kg.