Chứng nhận cọc sạc tiêu chuẩn Mỹ (III) – Chi tiết thiết kế của cọc AC (đầu vào và đầu súng ra)

Từ góc độ nguyên lý sản phẩm, các trạm sạc AC tiêu chuẩn của Mỹ không khác biệt so với các tiêu chuẩn quốc gia và châu Âu – cả hai đều hoạt động như những công tắc điện lớn, dẫn dòng điện xoay chiều từ lưới điện đến bộ sạc trên xe (OBC), sau đó chuyển đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều để sạc pin.

Mặc dù nhìn chung chúng khá giống nhau, nhưng vẫn có những khác biệt đáng kể về nhiều chi tiết so với các tiêu chuẩn quốc gia và châu Âu. Nếu không, việc bán trực tiếp chúng tại Hoa Kỳ mà không cần bất kỳ sửa đổi nào sẽ quá dễ dàng.

(1)

Trước khi thảo luận về các đường dây đầu vào của các trạm sạc AC ở Bắc Mỹ, chúng ta hãy cùng tìm hiểu về hệ thống điện áp của lưới điện AC tại Hoa Kỳ.

Hệ thống lưới điện của hầu hết các quốc gia trên thế giới đều tương đồng với hệ thống của châu Âu (thời kỳ thuộc địa và chiến tranh), nghĩa là điện áp sinh hoạt thông thường là 220V~230Vac 50Hz, còn điện áp ba pha công nghiệp là 380~400Vac 50Hz. Rõ ràng là điện áp công nghiệp gấp ba lần căn bậc hai của điện áp sinh hoạt – hiệu số giữa điện áp lưới và điện áp pha.

Hệ thống điện áp ở Hoa Kỳ khá độc đáo, với điện áp phổ biến trong gia đình là 120V/240V 60Hz và điện áp phổ biến trong công nghiệp là 480V/277Vac 60Hz. Điện áp sử dụng cho mục đích thương mại hoặc nhà ở mật độ cao là 120V/208Vac 60Hz, trong khi đối với một số ngành công nghiệp nặng quy mô lớn, điện áp sử dụng là 347V/600Vac 60Hz.

Bạn có ngạc nhiên không khi hệ thống điện áp ở Hoa Kỳ lại hỗn loạn đến vậy?

Việc sử dụng điện áp 110V bắt nguồn từ Edison. Chính Edison là người nổi tiếng với phát minh bóng đèn. Sau nhiều thí nghiệm và so sánh, ông nhận thấy rằng bóng đèn có hiệu suất phát sáng cao nhất và tuổi thọ dài nhất khi điện áp là 110V. Vì vậy, vào năm 1882, Edison chính thức giới thiệu điện một chiều 110V ra thị trường tại Trạm điện Pearl Street, nhà máy điện một chiều thương mại đầu tiên ở Hoa Kỳ.

Nhưng chúng ta đều biết rằng dòng điện một chiều có một nhược điểm lớn, đó là sự hao phí nhiệt nghiêm trọng trong quá trình truyền tải đường dài, dẫn đến lãng phí rất nhiều năng lượng điện. Để tránh sự hao phí năng lượng quá mức trong quá trình truyền tải đường dài, Nikola Tesla đã giới thiệu hệ thống dòng điện xoay chiều (AC). Mặc dù dòng điện xoay chiều cuối cùng đã thay thế dòng điện một chiều, nhưng hàng nghìn thiết bị và dụng cụ sử dụng điện áp 110V đã được lắp đặt trong các hộ gia đình và nhà máy ở Mỹ vào thời điểm đó.

Để tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình chuyển đổi suôn sẻ sang kỷ nguyên dòng điện xoay chiều, Tesla đã đưa ra một giải pháp thỏa hiệp: ông cũng đặt điện áp xoay chiều trong gia đình ở mức 110V. Điều này không chỉ bảo vệ khoản đầu tư thiết bị của người dùng hiện tại mà còn xóa bỏ nỗi sợ hãi của công chúng đối với dòng điện xoay chiều cao áp (điều mà nhiều người tin là có hại hơn cho sức khỏe con người vào thời điểm đó).

Do đó, việc áp dụng nguồn điện xoay chiều 110V tại Hoa Kỳ là kết quả của việc thích ứng với nguồn điện một chiều 110V.

Với sự ra đời của kỷ nguyên điện, các kỹ sư dần nhận ra rằng so với việc áp dụng điện áp 220V/240V muộn hơn ở châu Âu, hệ thống 110V ở Hoa Kỳ chịu tổn thất lớn hơn khi truyền tải điện năng cao và yêu cầu dây dẫn bằng đồng dày hơn để tránh bị nóng. Nhưng nếu nâng cấp toàn diện lên 220Vac, chi phí lại quá cao. Các thiết bị gia dụng, ổ cắm, cầu chì, và thậm chí toàn bộ mạng lưới phân phối điện của hàng triệu hộ gia đình trên khắp Hoa Kỳ đều được thiết kế theo tiêu chuẩn 110V.

Vì lý do này, các kỹ sư điện ở Hoa Kỳ đã phát minh ra một “phương pháp đất” rất thông minh – công nghệ phân pha.

Giữa dây nóng và dây trung tính ở giữa, một điện áp 110V/120V được hình thành, được thiết kế đặc biệt cho các thiết bị gia dụng nhỏ như điện thoại di động, tivi và bóng đèn (an toàn và không nóng khi chạm vào).

Khi hai dây dẫn điện được ghép nối với nhau, chúng ngay lập tức tạo thành điện áp 220V/240V, được thiết kế đặc biệt cho các thiết bị tiêu thụ điện năng cao như máy điều hòa, bình nước nóng điện và máy sấy (với hiệu suất cao và tiêu thụ điện năng thấp).

Sau khi hiểu được nguồn gốc của điện áp 120Vac và 240Vac, nguồn gốc của điện áp 208Vac cũng dễ hiểu. 208V là điện áp lưới của 120V (gấp ba lần căn bậc hai).

(II)

Sau khi hiểu về hệ thống điện áp ở Hoa Kỳ, giờ chúng ta hãy xem xét điện áp đầu vào của pin AC kiểu Mỹ.

Tại Hoa Kỳ, có ba loại điện áp phổ biến cho các trạm sạc AC thông thường, đó là 120V, 208V và 240Vac. Về cơ bản, việc quảng bá của các công ty sản xuất pin sẽ dựa trên dải điện áp mà họ hỗ trợ, tức là 110~120Vac hoặc 200V~240Vac.

Cần lưu ý rằng trạm sạc có đầu vào 208V cũng là đầu vào một pha, chứ không phải 16kW hoặc 22kW như chúng ta hiểu là tương tự với đầu vào ba pha năm dây của châu Âu. Tuy nhiên, rất ít trạm sạc đầu vào ba pha ở Hoa Kỳ đã được tìm kiếm trên thị trường nhưng vẫn chưa được tìm thấy.

Trong số đó, 110~120Vac là loại phích cắm thông dụng có thể hỗ trợ dòng điện đầu vào tối đa 16A.

Đối với các trạm sạc AC có điện áp đầu vào 200V~240Vac (208Vac hoặc 240Vac), đầu vào của đường dây có thể ở dạng phích cắm hoặc đầu nối cáp. Ổ cắm “điện áp cao” với đầu vào 240Vac ở Hoa Kỳ (gồm bốn dây: hai dây nóng, một dây trung tính và một dây nối đất) cần được thực hiện bởi thợ điện chuyên nghiệp.

Nhân tiện, ổ cắm để kết nối phích cắm đầu vào của trạm sạc AC 240V phải tuân thủ các yêu cầu của tiêu chuẩn NEMA14-50. Dòng điện tối đa mà nó có thể chịu được là 50A. Theo yêu cầu của Tiêu chuẩn Lắp đặt Điện Hoa Kỳ NFPA 70, dòng điện tối đa mà các thiết bị điện sử dụng không được vượt quá 80% định mức của ổ cắm. Vì vậy, dòng điện tối đa của một trạm sạc AC đầu vào 240V có phích cắm chỉ có thể đạt 40A, với công suất 9,6kW.

(3)

Sau khi thảo luận về các yêu cầu đối với phía đầu vào của trạm sạc AC tiêu chuẩn Mỹ, chúng ta hãy bỏ qua phần vỏ ngoài và xem xét trực tiếp phía đầu ra.

Phần đầu ra của trạm sạc liên lạc rất đơn giản, chỉ gồm giá đỡ súng và dây cáp phù hợp với giá đỡ súng.

Nếu bạn truy cập trang web của trạm sạc tại Hoa Kỳ, bạn sẽ thấy rằng bất kỳ trạm sạc nào cũng cung cấp hai loại đầu cắm sạc, đó là giao diện TYPE1 đáp ứng tiêu chuẩn SAE J1772 và giao diện NACS đáp ứng tiêu chuẩn Tesla SAE J3400.

Các chi tiết cụ thể về cấu trúc và kích thước của đầu súng và giá đỡ súng có hai giao diện có thể được tìm thấy trong các tiêu chuẩn tương ứng.

Về mặt cấu tạo bên trong, không có sự khác biệt giữa giao diện NACS của Tesla và giao diện TYPE1 của tiêu chuẩn SAE J 1772, cả hai đều bao gồm năm dây – L/N/PE/CP/PP. Tất nhiên, thiết kế của Tesla rất thông minh, với cả giao diện DC và AC đều sử dụng cùng một bộ dây.

Về thị trường trạm sạc điện tại Bắc Mỹ, giao diện sạc đầu ra đang chuyển đổi từ giao diện TYPE1 kiểu cũ sang giao diện NACS, và ngày càng nhiều xe sẽ lựa chọn hỗ trợ giao diện Tesla trong tương lai. Các trạm sạc AC đời đầu được trang bị giao diện TYPE1 không thể sạc được chuẩn NACS mới.

Dĩ nhiên, không cần phải quá lo lắng, trên thị trường có rất nhiều bộ chuyển đổi có thể giúp bạn.

Tiêu chuẩn châu Âu IEC 61851-1:2017 nghiêm cấm tuyệt đối việc sử dụng bộ chuyển đổi đầu súng, nhưng tiêu chuẩn UL 2594 của Hoa Kỳ lại không có điều khoản tương tự. Vì vậy, việc sử dụng chúng không bị cấm theo luật, chỉ cần dùng trực tiếp là được.

Đó là tất cả về phần đầu vào và đầu ra của trạm sạc AC tiêu chuẩn Mỹ. Trong bài viết tiếp theo, chúng tôi sẽ chia sẻ chi tiết thiết kế của phần “vỏ máy”.