Sau nhiều năm đầu tư - phát triển công nghệ pin và công nghệ điện động lực, số lượng và chủng loại xe lai, xe điện đang có xu hướng gia tăng nhanh chóng. Song song với đó là sự phát triển mạnh mẽ của cơ sở hạ tầng dành cho các thiết bị sạc gia dụng và công cộng.

Cận cảnh mô hình trạm sạc nhanh cho xe điện của VinFast tại Hà Nội

Tất cả xe điện đều vận hành dựa trên công nghệ pin sạc. Đối với xe điện, pin của xe cần được sạc cách quãng thường xuyên bằng công nghệ bộ sạc AC hoặc DC. Sạc AC tiện lợi hơn khi người dùng có thể lấy điện năng từ lưới điện để sạc. Tiêu chuẩn sạc công nghiệp chiếm ưu thế với đa dạng định mức sạc như 120V/12A, 120V/16A; 220V/12A, 220V/16A, 220V/80A, và các định mức khác theo từng khu vực. Thậm chí, các trạm sạc công cộng còn sử dụng điện 3 pha để rút ngắn thời gian sạc hơn nữa. Đồng thời, trên các phương tiện được tích hợp bộ sạc AC để nạp năng lượng qua ổ cắm điện dù sạc như vậy rất mất thời gian do chúng bị giới hạn về điện áp và dòng sạc. Tuy nhiên, bản thân việc có sẵn ổ cắm để sạc cũng đã là điều rất tiện lợi.

Đối với sạc DC, các khu vực khác nhau sẽ có những tiêu chuẩn khác nhau. Ở Đài Loan, Nhật Bản và Hoa Kỳ sử dụng tiêu chuẩn 600V/200A. Tiêu chuẩn 850V/200A được dùng phổ biến ở châu u, trong khi ở Trung Quốc đại lục sử dụng chuẩn sạc 3 pha sang DC 750V/250A. Hệ thống sạc nhanh DC thường được lắp đặt tại các trạm sạc công cộng, giúp giảm đáng kể thời gian sạc pin nhờ khả năng cung cấp điện áp và dòng cao.

Nói tới công suất suất cao, tải điện tử (có thể lập trình) seri 34000A và 36000A của Prodigit có thể cho công suất ra từ 5kW tới 6kW trên mỗi tải DC và khả năng thử nghiệm lên tới 1000V DC. Các model đều hỗ trợ đa dạng mức điện áp, công suất và dòng điện, đáp ứng yêu cầu cho từng loại pin cũng như điện áp/dòng sạc cụ thể, quan sát bảng bên dưới. Các tải điện tử loại này được thiết kế để hỗ trợ thử nghiệm/phát triển bộ sạc/khối pin cho xe điện. Chúng thực tế đã được sử dụng trong các nhà máy sản xuất xe hơi, và được các nhà phân phối xe hơi loại 2 tin dùng. Yếu tố quan trọng nhất trong các tải điện tử 34300A và 36300A là khả năng vận hành với công suất định mức tối đa lên tới 1000V DC; mức công suất như vậy sẽ đáp ứng tất cả các tiêu chuẩn điện áp DC dành cho xe điện.

Tất cả các tải điện tử DC 34300A và 36300A đều có option giao diện PLC để tích hợp lên các dây chuyền thử nghiệm sản xuất bộ sạc và khối pin. Đầu vào của PLC chấp nhận cả tín hiệu số I/O lẫn tín hiệu tương tự 0-10V để điều khiển mức vận hành của tải điện tử DC.

Để kiểm tra tích hợp ở mức độ cao hơn, hệ thống kiểm tra Sạc xả pin với phần mềm 9841 của Prodigit có khả năng cấp điện DC và đóng vai trò làm nguồn lẫn tải DC để kiểm tra mức sạc đầy/xả cạn, mô phỏng dung lượng pin (Ah), công suất tiêu thụ và kiểm tra chu kỳ dành cho pin xe điện.

Hệ thống thử nghiệm sạc xả pin 9841 có thể hoạt động như tải điện tử và đã được STC Bureau tin dùng.

Cách thức sạc pin

Chế độ sạc phổ biến nhất cho xe điện là chế độ sạc ổn dòng, ổn áp (CC-CV), trong đó pin sẽ được cấp dòng sạc không đổi để sạc nhanh hơn đồng thời cho phép theo dõi điện áp pin khi đang sạc. Khi điện áp pin đạt đỉnh, bộ sạc sẽ chuyển sang chế độ CV để điện áp pin không bị sạc vượt ngưỡng, Cách thức này được mô tả ở Hình 1.

Cách thức thử nghiệm bộ sạc xe điện

Khi sạc xe điện bằng bộ sạc đi kèm hoặc trạm sạc, pin của xe điện sẽ trở thành tải của bộ sạc đó. Trong quá trình sạc, điện áp pin sẽ tăng chậm. Để đẩy nhanh tốc độ sạc nhằm theo dõi điện áp pin, sử dụng tải điện tử mô phỏng pin và trở kháng sẽ giúp quá trình thử nghiệm nhanh hơn và chất lượng hơn.

Khi mô phỏng pin sạc, chế độ tải được dùng phổ biến nhất là tải ổn áp CV (điện áp không đổi). Chế độ này có chức năng mô phỏng điện áp pin còn chế độ CR (điện trở thuần không đổi) mô phỏng trở kháng pin.

Trong chế độ ổn dòng CV, điện áp cực của tải điện tử sẽ được giữ theo mức giá trị cài đặt điện áp CV. Bằng cách điều chỉnh giá trị CV ta dễ dàng mô phỏng trạng thái pin từ lúc xả cạn tới khi sạc đầy.

Trong chế độ CR, giá trị điện áp cực của tải điện tử sẽ là bội số của giá trị dòng sạc và giá trị CR được cài đặt. Bằng cách thay đổi giá trị cài đặt CR ta có thể mô phỏng nhiều trạng thái trở kháng của pin từ sạc đầy tới xả cạn.

Như đã trình bày ở trên, chế độ CV có thể dùng để mô phỏng các trạng thái sạc khác nhau trong chu trình sạc/xả như điện áp thấp, điện áp pin tăng khi sạc và điện áp cao khi khối pin được sạc đầy. Trong mỗi giai đoạn, tải điện tử sẽ kiểm soát và hiển thị các thông số quan trọng như điện áp, công suất (W) và dòng. Đến cuối chu kỳ sạc, tải điện tử sẽ chuyển dần sang chế độ CC và CV, người dùng có thể theo dõi qua màn hình hiển thị. Cách thức này tiện lợi hơn hẳn so với việc dùng pin để kiểm tra các bộ sạc hoặc trạm sạc đi kèm.

Lựa chọn model tải

Do nhiều nhà sản xuất sử dụng đa dạng tiêu chuẩn sạc xe điện và kích cỡ khối pin khác nhau, nên mức công suất, điện áp và dòng DC của tải điện tử dùng trong kiểm tra cũng phải thay đổi. Để đáp ứng cho việc này, Prodigit cho ra đời tải điện tử có nhiều mức công suất từ 5kW để kiểm tra bộ sạc xe lai tới 60kW phục vụ kiểm tra bộ sạc xe điện chạy đường dài. Lựa chọn đúng model tải trong danh sách các model của Prodigit sẽ giúp các kỹ sư tiến hành kiểm tra chất lượng hoàn chỉnh cho sạc xe điện. Nếu thực tế yêu cầu trên 60kW thì có thể mắc song song từ 2 tải điện tử trở lên để đạt mức công suất lớn hơn.

Tất cả các tải điện tử Seri 34000A/36000A đều được tích hợp mạch bảo vệ quá công suất (OPL) để đảm bảo an toàn khi vận hành trong chế độ ghép nối song song. Mục đích của mạch OPL là để giới hạn công suất tải khi công suất bộ sạc vượt quá định mức cực đại của tải. Khi đó, tải điện tử sẽ tự động giới hạn công suất đầu vào khi công suất thực tế ở gần hoặc đang ở mức cực đại. Sau đó tải điện tử sẽ tiếp tục làm việc ở mức công suất đó. Chức năng OPL cho phép mắc song song từ 2 tải điện tử trở lên để dùng trong điều kiện công suất cao.

Chẳng hạn, có thể dùng tải điện tử công suất định mức 25kW để kiểm tra các hạng mục như quá dòng, quá công suất của bộ sạc 20kW. Nhưng nếu vẫn bộ sạc đó, thì không dùng tải điện tử 20kW để kiểm tra được.

Trường hợp khi kiểm tra bộ sạc mà chỉ có tải điện tử 20kW, thì có thể mắc song song thêm tải điện tử 5kW để dùng trong chế độ CV hoặc CR. Mô tả ở hình 2. Sở dĩ tải điện tử 5kW có thể nối với tải 20kW là do chức năng OPL trên tải điện tử của Prodigit cho phép mắc song song 2 tải lệch công suất định mức với nhau để kiểm tra trong chế độ CV hoặc CR. Việc kiểm tra từ đó cũng linh hoạt hơn hẳn khi tải điện tử có thể đáp ứng nhiều mức công suất.

Các cách thức kiểm tra pin xe điện

Khi ắc quy đã được sạc đầy, xe có thể di chuyển với quãng đường rất xa trước khi cần sạc lại. Khi xe di chuyển trên đường, pin sẽ đóng vai trò làm nguồn năng lượng chính cho xe.

Khi thiết kế xe điện, thời gian sạc/ xả, thời lượng pin là những yếu tố cần đặc biệt chú ý. Tuy nhiên, khoảng vận hành an toàn của pin liên quan tới mức xả/sạc áp từ cực đại tới cực tiểu cũng là một tiêu chí không kém phần quan trọng. Ví dụ, một pin li-ion có điện áp sạc không được vượt quá 4.2V DC để tránh sạc quá áp, còn điện áp xả pin không được tụt dưới 2.5V DC để tránh xả quá áp. Dù là trường hợp nào thì cũng đều ảnh hưởng lớn tới tuổi thọ pin đồng thời gây thiệt hại vĩnh viễn tới cấu trúc bên trong pin. Chính vì thế, trong quá trình phát triển và kiểm tra cần đặc biệt chú ý mức điện áp sạc/xả để hạn chế gây hỏng pin.

Để tránh gặp phải các hiện tượng phát sinh có thể gây ra thiệt hại vĩnh viễn do điện áp quá cao hoặc quá thấp trong quá trình thử nghiệm xả pin, hãng Prodigit cho ra đời tải điện tử DC seri 34000/36000 với 4 chế độ vận hành để hỗ trợ những tình huống như vậy.

1. Chế độ CC+CV hỗ trợ thử nghiệm xả pin

Trong chế độ này, pin sẽ xả theo chế độ ổn dòng sau khi đã cài đặt mức xả dòng (CC Set point) và mức điện áp ngắt xả (CV Set point), từ đó xác định đầy đủ trạng thái sạc của pin. Khi điện áp pin sụt xuống mức CV set point, tải điện tử sẽ ngắt xả để giữ điện áp pin ở giá trị CV set. Chế độ CC+CV thao tác rất đơn giản do tải điện tử tự động chuyển từ chế độ CC (chế độ xả dòng xả không đổi) sang chế độ CV (điện áp không đổi), giúp pin không bị ảnh hưởng do xả quá sâu. Hình 4 mô tả chế độ vận hành CC+CV.

Quy trình vận hành

- Đầu vào của tải điện tử được nối với bộ sạc xe điện hoặc pin

- Chuyển cài đặt sang chế độ CC và tiến hành cài đặt dòng

- Nhấn Limit để cài giá trị điện áp CV và màn hình hiển thị “Add.CV”.

- Nhấn START để bắt đầu kiểm tra CC+CV, Nhấn STOP để dừng kiểm tra

2. Kiểm tra xả pin trong chế độ CP+CV

Trong chế độ CP+CV, tải điện tử tiến hành xả pin với công suất không đổi được quy định theo giá trị CP set point. Khi điện áp pin bị giảm xuống CV setpoint, tải điện tử sẽ chuyển chế độ từ CP sang CV để duy trì trạng thái xả của pin.

Chế độ CP+CV thao tác rất đơn giản vì tải điện tử sẽ tự động chuyển chế độ từ CP (chế độ xả công suất không đổi) sang CV (chế độ ổn áp) để ngăn pin bị xả quá sâu gây ảnh hưởng tới pin. Hình 5 mô tả chế độ vận hành CP+CV.

Quy trình vận hành

- Đầu vào của tải điện tử được nối với bộ sạc xe điện hoặc pin

- Chuyển cài đặt sang chế độ CP và tiến hành cài giá trị công suất.

- Nhấn Limit để cài điện áp CV và màn hình hiển thị “Add.CV”.

- Nhấn START để bắt đầu kiểm tra CP+CV, Nhấn STOP để dừng kiểm tra.

- Cài điện áp giới hạn trên trong chế độ CC+CV hoặc CP+CV. Ô giữa hiển thị “Add.CV4”, ô bên phải hiển thị đơn vị “V”. Xoay núm vặn để thay đổi giá trị Add.CV trong khoảng từ 0.00 V tới 600.00V với mức chia 0.01V.

3. Kiểm tra xả pin trong chế độ CC+UVP

Trong chế độ CC+UVP (Under Voltage Protection), tải điện tử sẽ xả pin theo chế độ xả ổn dòng với giá trị dòng được quy định theo giá trị CC set point. Tải điện tử sẽ ngừng xả khi điện áp pin chạm tới ngưỡng bảo vệ áp thấp quy định bởi UVP set point. Khi đó, màn hình hiển thị dung lượng xả pin - tính theo đơn vị Ah - và quá trình xả sẽ ngừng hoàn toàn.

Chế độ CC+UVP thao tác rất đơn giản vì tải điện tử sẽ tự động chuyển chế độ từ CC (chế độ xả ổn dòng) sang OFF để ngăn pin bị xả quá sâu gây ảnh hưởng tới pin. Hình 6 mô tả chế độ vận hành CC+UVP.

Quy trình vận hành

- Cài đặt dòng tải trong chế độ CC (dòng không đổi)

- Nhấn Config tới vị trí BATT1 và cài đặt giá trị điện áp UVP

- Nhấn START để tiến hành kiểm tra BATT1 (chế độ CC+UVP)

Khi điện áp pin thấp hơn giá trị UVP, màn hình Load ON LED trên tải điện tử sẽ tắt, báo trạng thái OFF; rồi hiển thị tổng dung lượng xả tính theo Ah. Chú ý: khi dùng chế độ vận hành từ xa, màn hình sẽ không báo tổng dung lượng xả mà sẽ hiển thị qua thiết bị được kết nối.

4. Kiểm tra xả pin chế độ CP+UCP

Trong chế độ CP+UVP (Under Voltage Protection), tải điện tử sẽ xả pin với công suất không đổi được quy định theo giá trị CP set point. Quá trình xả sẽ dừng khi điện áp pin chạm tới ngưỡng bảo vệ điện áp thấp quy định theo UVP set point. Trên màn hình sẽ báo dung lượng xả pin - tính theo đơn vị Ah - và tải điện tử sẽ ngừng xả hoàn toàn.

Chế độ CP+UVP thao tác rất đơn giản vì tải điện tử sẽ tự động chuyển chế độ từ CP (chế độ xả công suất không đổi) sang OFF để ngăn pin xả quá sâu gây ảnh hưởng tới pin. Hình 7 mô tả chế độ vận hành CP+UVP.

Quy trình vận hành

- Cài đặt công suất tải trong chế độ CP (công suất không đổi)

- Nhấn Config tới vị trí BATT1 và cài đặt điện áp UVP

- Nhấn START để tiến hành kiểm tra BATT1 (chế độ CP+UVP)

Khi kiểm tra xả pin trong chế độ CP (công suất không đổi) mà điện áp pin thấp hơn giá trị UVP Setting, thì màn hình Load ON trên tải sẽ tắt để báo OFF rồi hiển thị tổng dung lượng xả tính theo Ah.

5 Xả chu kỳ thời gian, xả xung, và xả chế độ RAMP

Bên cạnh 4 chế độ kiểm tra xả pin như đã trình bày ở trên, tải điện tử model 34000/36000 còn hỗ trợ chế độ xả thời gian ngắt quãng và xả dòng xung. Dòng xả có thể được lập trình để tuân theo trình tự cài đặt hoặc trình tự ramp nếu cần thiết. Hình bên dưới minh họa dạng sóng dòng tải. Những mẫu dòng xả này có thể dùng để mô phỏng các điều kiện thực tế tùy theo cấu hình xả pin để kiểm tra và đánh giá hiệu năng, tuổi thọ pin.

5.1 Xả chu kỳ thời gian

Trong chế độ xả chu kỳ thời gian, có thể cài đặt tổng thời gian xả trực tiếp trên tải điện tử theo mô tả như hình 8. Khi hết thời gian, tải điện tử ngừng xả, vsf màn hình sẽ báo thời gian xả và điện áp xả pin. Thời gian xả ngắt quãng có thể cài đặt trong khoảng từ 1s tới 99999s hoặc 27 tiếng.

Quy trình vận hành

- Cài đặt dòng tải trong chế độ CC hoặc công suất tải trong chế độ CP

- Nhấn Config tới vị trí BATT3 và cài đặt thời gian xả

- Nhấn START để tiến hành kiểm tra BATT3 (chế độ CC/CP +thời gian xả)

Kiểm tra tải trong chế độ CC (dòng không đổi) hoặc chế độ CP (công suất không đổi), khi hết thời gian xả theo cài đặt, tải điện tử sẽ tự động chuyển sang chế độ OFF và màn hình sẽ báo điện áp pin.

5.2 Xả xung

Dùng chế độ PULSE để kiểm tra dòng xả pin trong trường hợp xả xung. Dùng chế độ DYNAMIC để kiểm tra + chức năng Repeat, theo mô tả như hình 9, kiểm tra tải LOAD ON, DYN ON to COUNTER = 0 tới khi kết thúc, khi kết thúc LOAD OFF, DYN OFF.

5.3 Xả RAMP

Kiểm tra xa chế độ RAMP, tốc độ quét chìm dòng + chức năng Repeat, mô tả như ở hình 10

Các cổng kết nối hỗ trợ

Khách hàng cần chọn loại cổng kết nối thích hợp khi đặt hàng, sau đó thiết bị mới được giao.

Phím tắt

Giao diện I/O

External digital signal and analog control (optional)

Series tải điện tử 34000A được thiết kế với phím tắt ở đằng trước và các output cảnh báo ở sau thân máy, đầu connector là cổng GPIB cái 25 Pin, tín hiệu dừng khẩn cấp và tín hiệu báo động được rách riêng.

Tín hiệu dừng khẩn cấp thường ở mức thấp, khi tín hiệu này chuyển xuống mức thấp, tải điện điện tử 34000A sẽ ngắt tải “off” ngay lập tức.

Tín hiệu cảnh báo thường ở mức thấp, khi người dùng kích hoạt các chế độ bảo vệ (OVP, OCP, OPP, OTP), tải điện tử sẽ ngắt tải ngay lập tức.

Tải điện tử series 34000A có option giao diện PLC, đầu ra giao diện số ở mặt sau, đầu connector GPIB cái 25 pin. Ngoài ra, tải điện tử còn có đầu connector 7 pin (cũng ở đằng sau thân máy) để nạp tín hiệu tương tự để điều khiển trong chế độ CC, CV, CP và tín hiệu đầu ra I và U

Sơ đồ các pin được mô tả như ở bên dưới