Chống giật cho trạm sạc xe điện: Tại sao không dùng thiết bị Type AC?

Lê Hồng Phong

Rò điện là một trong những sự cố nguy hiểm nhất khiến người dùng sợ xe điện, nhất là khi sử dụng các trạm sạc nhanh DC công suất lớn, bởi ngay cả dòng điện rò 6mA cũng có thể đe dọa tính mạng con người. Vì vậy, việc chống sốc cho trạm sạc xe điện cần phải đáp ứng những quy định nghiêm ngặt từ thiết bị chuyên dụng đến những tiêu chuẩn cụ thể về kỹ thuật, an toàn điện. Trong bài viết này, chúng tôi sẽ giới thiệu đến các bạn các thiết bị chống giật cụ thể cho các trạm sạc và giải thích lý do tại sao các thiết bị chống giật AC thông thường không được sử dụng cho cơ sở hạ tầng trạm sạc.

Các loại dòng điện rò rỉ trong trạm sạc xe điện

So với các thiết bị điện tử thông thường, dòng điện rò ở trạm sạc xe điện đa dạng và phức tạp hơn rất nhiều. Nguyên nhân là do có sự hiện diện của Bộ sạc On-board – bộ chuyển đổi OBC được tích hợp trên xe (hoặc trạm), khiến dòng điện đầu vào từ lưới là AC nhưng dòng điện đầu ra cung cấp cho ắc quy ô tô là DC. Chính bộ chuyển đổi năng lượng điện tử này sẽ chia dòng rò tại trạm sạc EV thành 3 dạng như sau:

Dòng điện dư AC

Đây là dòng rò phổ biến nhất ở dạng sóng hình sin và dễ dàng nhận thấy trong hệ thống điện dân dụng. Dòng điện rò AC có nguy cơ gây giật nếu chạm vào vỏ kim loại của thiết bị rò rỉ, thậm chí có thể gây bỏng điện và tử vong.

Dòng điện dư DC dạng xung

Loại dòng điện rò này có dạng xung 1 chiều, thường xuất hiện trong các thiết bị sử dụng linh kiện bán dẫn để chỉnh lưu dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều nhưng không bị dẹt hoàn toàn ở đầu ra.

Với dòng điện rò DC dạng xung, các thiết bị chống giật loại AC thông thường rất khó phát hiện nên các trạm sạc cần trang bị thiết bị chuyên dụng loại A.

Dòng điện dư DC mượt mà

Dòng điện DC trơn được xếp vào loại dòng rò nguy hiểm nhất trong các trạm sạc EV vì ngay cả một lượng nhỏ ( ≥ 6mA) cũng có khả năng vô hiệu hóa tính năng bảo vệ của thiết bị chống giật AC hoặc loại A, làm tăng số ca tử vong do điện giật cho người sử dụng xe điện.

DC mượt được hình thành do lỗi bên trong bộ chuyển đổi OBC tích hợp trên xe hoặc hệ thống chỉnh lưu của trụ sạc nhanh DC khiến dòng điện một chiều rò rỉ trở lại hệ thống AC. Để phát hiện dòng rò dạng sóng 1 chiều gần như thẳng này, trạm sạc cần có thiết bị chống giật chuyên dụng như RCD Type B.

Nhóm thiết bị chống giật chuyên dụng cho trạm sạc

Tiêu chuẩn quốc tế (IEC 61851-1 và IEC 62955) quy định hệ thống sạc EV phải có khả năng phát hiện và ngắt mạch ngay lập tức khi phát hiện dòng điện một chiều rò rỉ chỉ 6mA. Từ đây, các thiết bị chống giật thông thường không còn khả năng bảo vệ chống rò rỉ điện tại trạm sạc.

Một số thiết bị chống giật chuyên dụng cho trạm sạc EV được các chuyên gia khuyên dùng bao gồm:

Thiết bị dòng điện dư loại B (RCD/RCCB loại B)

Đây là nhóm thiết bị phổ biến và phù hợp nhất cho các trạm sạc công cộng và sạc nhanh DC công suất cao, với khả năng phát hiện và ngắt mạch nhanh chóng trước mọi loại dòng rò, đặc biệt là dòng rò DC trơn tru.

Khác với dòng RCD Type A chỉ sử dụng lõi biến dòng đơn giản, RCD Type B được trang bị thêm cảm biến dòng hiệu ứng Hall hoặc các mạch điện tử bổ sung để phân tích và phát hiện các thành phần DC trong dòng điện, đặc biệt không bị “mù” bởi dòng điện DC trơn tru, thậm chí có thể phát hiện dòng rò ở dải tần số rộng. Vì vậy, RCD Type B được coi là thiết bị chống sốc cấp độ cao nhất, chịu trách nhiệm đảm bảo an toàn tối đa cho phương tiện và người sử dụng xe điện, đặc biệt là ở các trạm sạc nhanh DC.

RCD Loại B phải tuân thủ nghiêm ngặt các tiêu chuẩn IEC 62423 (đối với các thiết bị nhạy cảm AC và DC) và IEC 61008/61009 (tùy thuộc vào RCCB hoặc RCBO).

Thiết bị phát hiện dòng điện một chiều dư (RDC-DD – Thiết bị phát hiện dòng điện một chiều dư)

Về bản chất, RDC-DD không phải là cầu dao mà là một thiết bị giám sát/cảm biến, được tích hợp trong nhiều bộ sạc cá nhân và bộ sạc AC công suất nhỏ.

RDC-DD có khả năng phát hiện dòng rò DC vượt quá 6mA. Khi đó, thiết bị này sẽ gửi tín hiệu đến mạch điều khiển của bộ sạc hoặc RCD loại A được lắp đặt bên ngoài tủ điện trạm sạc để ngắt nguồn điện.

Mặc dù có giới hạn về dòng rò nhưng tại các trạm sạc AC công suất nhỏ, RDC-DD kết hợp với RCD Type A là giải pháp chống giật kinh tế hơn RCD Type B.

Thiết bị dòng điện dư loại EV (Loại EV RCD/RCCB)

Đây là thiết bị chuyên dụng dành riêng cho các trạm sạc EV. Trong các trạm sạc AC Mode 3, RCD/RCCB Loại EV sẽ được ưu tiên hơn RCD Loại B do có sự cân bằng tối ưu giữa khả năng bảo vệ toàn diện (của thiết bị Loại B) và chi phí lắp đặt (của thiết bị Loại A).

Thiết bị đo dòng điện dư EV được phát triển từ tiêu chuẩn sạc EV IEC 62955 nên có thể phát hiện cả dòng điện rò AC và DC, đặc biệt là dòng DC trơn tru, với ngưỡng nhạy là 6mA DC và 30mA AC. Nếu bộ sạc của bạn không tích hợp cảm biến RDC-DD, bạn có thể chọn RCD Type EV để đơn giản hóa việc lắp đặt trong tủ điện mà vẫn tuân thủ tiêu chuẩn chống giật cho các trạm sạc.

So sánh các thiết bị chống giật chuyên dụng cho trạm sạc trong bảng dưới đây:

Tại sao không sử dụng thiết bị chống giật Type AC cho trạm sạc?

Để trả lời câu hỏi này, bạn cần hiểu rõ sự khác biệt về bản chất của dòng điện rò rỉ ở trạm sạc xe điện và dòng điện rò rỉ trong nguồn điện gia dụng thông thường.

Bản chất dòng điện rò rỉ ở trạm sạc xe điện

Điện sinh hoạt thường chỉ có một dạng dòng rò là dòng điện xoay chiều hình sin. Trong khi đó, các trạm sạc EV có dòng rò ở cả hai dạng AC và DC, đặc biệt là dòng rò DC trơn tru, nguy hiểm hơn nhiều so với dòng rò AC.

Hạn chế của thiết bị chống giật Type AC

Hầu hết các thiết bị chống giật loại AC chỉ được thiết kế để phát hiện sự mất cân bằng của dòng điện xoay chiều. Khi dòng điện một chiều rò rỉ chạy qua cuộn dây cảm ứng bên trong thiết bị loại AC, độ bão hòa từ trường sẽ xảy ra trong lõi thiết bị, gây mất khả năng phát hiện dòng rò. Nói cách khác, thiết bị Type AC hiện nay đã bị “mù”, nghĩa là nó không còn khả năng chống sốc nữa.

Vì vậy, các thiết bị chống giật loại AC được khuyến cáo không nên sử dụng tại các trạm sạc, đặc biệt là các trạm sạc nhanh DC.

RCBO có tác dụng chống giật cho trạm sạc không?

Xét về bản chất của dòng điện trong xe điện, RCBO dân dụng thông thường (Loại AC hoặc Loại A) sẽ không đủ đáp ứng yêu cầu chống giật của trạm sạc khi được lắp đặt độc lập.

Lý do như chúng tôi đã phân tích: RCBO phần lớn là dòng điện chống giật AC hoặc loại A nên chỉ có khả năng phát hiện dòng rò AC hoặc dòng rò DC dạng xung. Trong khi dòng rò DC trơn tru là dạng nguy hiểm nhất ở các trạm sạc EV. Do phản ứng bão hòa từ trường khi có dòng điện DC rò rỉ nên RCBO gần như mất khả năng phát hiện dòng điện rò cơ bản nhất là AC, tiềm ẩn nguy cơ điện giật cao cho con người.

Có 2 giải pháp lắp RCBO cho trạm sạc:

• Sử dụng RCBO Loại B: Đây là loại RCBO cao cấp nhất của KTH ELECTRIC với tính năng vượt trội là phát hiện mọi loại dòng điện rò rỉ trong trạm sạc, đồng thời tích hợp 3 chức năng bảo vệ quá tải, bảo vệ ngắn mạch và chống sốc, mang lại khả năng bảo vệ toàn diện nhất. Tuy nhiên, RCBO loại này thường đắt hơn và ít phổ biến hơn loại A nên chỉ thích hợp lắp đặt ở các trạm sạc nhanh DC hoặc những khu vực cần được bảo vệ nghiêm ngặt.

• Sự kết hợp giữa RCBO Loại A và RDC-DD: Đây là giải pháp tiết kiệm và khả thi hơn cho các trạm sạc AC Mode 3. Với dòng điện rò AC thông thường, RCBO có thể tự động ngắt mạch. Khi hệ thống phát hiện dòng điện rò DC vượt quá 6mA, thiết bị giám sát RDC-DD sẽ kích hoạt cuộn ngắt của RCBO để ngắt mạch, vừa bảo vệ RCBO khỏi bị “mù” vừa bảo vệ hệ thống và con người.

Quy định về an toàn điện và chống sốc đối với trạm sạc xe điện

Dự thảo Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia (sửa đổi, bổ sung QCVN 09:2015/BGTVT) quy định về đảm bảo an toàn điện, chống điện giật và cảnh báo quá nhiệt khi sạc ắc quy tại các trạm sạc xe điện ở Việt Nam như sau:

• Các đầu nối vào dây dẫn điện hoặc đầu nối phải được bọc trong lớp cách điện, vật cách điện hoặc vỏ bọc cách điện. Dây điện cao thế trên xe điện phải được phân biệt bằng vỏ màu cam.
• Hệ thống cổng sạc của xe bắt buộc phải được nối đất khi kết nối với điện áp bên ngoài và được nối đất cho đến khi ngắt điện áp bên ngoài khỏi xe.
• Xe điện phải có khả năng cách nhiệt khi tiếp xúc với nước.
• Cổng sạc trên xe phải có hệ thống đèn hoặc thiết bị đổi màu hiển thị trạng thái sạc ắc quy, kèm theo hệ thống khóa bảo vệ trong quá trình sạc, đảm bảo xe không thể tự động khởi động.
• Trạm sạc phải được trang bị hệ thống giám sát nhiệt độ và thiết bị bảo vệ quá nhiệt khi sạc xe. Nếu xảy ra hiện tượng quá nhiệt thì phải có chế độ cảnh báo và phải dừng sạc ngay lập tức.
• Cổng sạc trên xe phải đáp ứng tiêu chuẩn kỹ thuật theo tiêu chuẩn ISO 13078 hoặc IEC 61851 về hệ thống sạc có dây cho xe điện.

Câu hỏi thường gặp về chống sốc cho trạm sạc

Câu 1: Ngưỡng dòng điện một chiều trơn (Smooth DC) có thể rò rỉ tối đa là bao nhiêu trước khi thiết bị chống giật cho trạm sạc ngắt mạch?

Hồi đáp: Tiêu chuẩn IEC 62955 quy định ngưỡng dòng điện một chiều trơn tối đa cho phép rò rỉ trước khi thiết bị chống giật phải ngắt là 6mA.

Câu 2: Nên lắp thiết bị chống giật vào tủ điện trạm sạc hay tích hợp vào tháp sạc?

Hồi đáp: Trường hợp tháp sạc có tích hợp thiết bị giám sát RDC-DD, RCD/RCBO Type A thì có thể lắp đặt bên ngoài tủ điện để tối ưu hóa chi phí. Nếu trụ sạc không được tích hợp RDC-DD thì bạn nên ưu tiên lựa chọn RCD/RCBO Type B hoặc Type EV để đáp ứng yêu cầu bảo vệ, trong đó các thiết bị Type EV thường có giá thành rẻ hơn.