Follow

Show

เทคโนโลยียานยนต์ที่ขับเคลื่อนด้วยพลังงานไฟฟ้า

โดย แผนกตรวจประเมิน
สถาบันยานยนต์

    แม้ว่าปัจจุบันเทคโนโลยีที่ใช้ในการขับเคลื่อนยานยนต์นั้นจะมาจากเครื่องยนต์ที่ใช้เชื้อเพลิงจากน้ำมันปิโตรเลียมเป็นหลัก แต่จากการที่น้ำมันปิโตรเลียมมีแนวโน้มที่จะหมดไปในอนาคต ทำให้มีการคิดค้นเทคโนโลยีใหม่ที่ใช้พลังงานทดแทนมาแทนที่ โดยพลังงานทดแทนหนึ่งที่มีความน่าสนใจคือ พลังงานไฟฟ้าซึ่งสามารถผลิตได้จากหลายกรรมวิธี เช่น จาก พลังงานแสงอาทิตย์ พลังงานลม พลังงานน้ำ ถ่านหิน หรือแม้กระทั่งพลังงานจากก๊าซธรรมชาติ โดยยานยนต์ที่มีการพัฒนาให้ใช้พลังงานไฟฟ้าในการขับเคลื่อน อาทิ ยานยนต์ Hybrid Electric Vehicle ยานยนต์ Plug-in Hybrid Electric Vehicle รวมถึงยานยนต์ Electric Vehicle ซึ่งได้มีประมาณการไว้ว่ารถที่ขับเคลื่อนจากพลังงานไฟฟ้าดังกล่าวจะเริ่มเข้ามามีบทบาทตั้งแต่ปี 2020 เป็นต้นไป และในที่สุดก็จะมาแทนที่ยานยนต์ที่ขับเคลื่อนโดยใช้เครื่องยนต์สันดาปภายในประมาณปี 2050 ขณะที่รัฐบาลปัจจุบันก็มีนโยบายสนับสนุนยานยนต์ที่ขับเคลื่อนจากพลังงานไฟฟ้าด้วยเช่นเดียวกัน

Roadmap global Technology Trend


Source: IEA, 2010

 

    เพื่อความเข้าใจของผู้อ่าน ผู้เขียนขออธิบายเกี่ยวกับยานยนต์ที่ขับเคลื่อนโดยพลังงานไฟฟ้าโดยเริ่มจากยานยนต์ Hybrid Electric Vehicle ก่อนเพื่อง่ายต่อความเข้าใจ โดย ยานยนต์ Hybrid Electric Vehicle ได้ผสานเครื่องยนต์สันดาปภายในของรถในปัจจุบันพร้อมด้วยแบตเตอรี่และมอเตอร์ไฟฟ้าของรถไฟฟ้า ส่งผลให้มีอัตราการสิ้นเปลืองน้ำมันเชื้อเพลิงประหยัดลงอย่างมีนัยสำคัญโดยเฉพาะในสภาวะการจราจรที่ติดขัดในเมือง การผสานของทั้งสองระบบนี้ทำให้การเติมน้ำมันในแต่ละครั้งนานขึ้นในระยะทางที่วิ่งเท่ากัน นอกจากด้านการประหยัดพลังงานแล้วก็ยังเป็นยานยนต์ที่ช่วยสิ่งแวดล้อมอีกด้วย เนื่องจากมีปริมาณไอเสียต่ำเทียบกับยานยนต์ในปัจจุบัน

หลักการทำงานของยานยนต์ Hybrid Electric Vehicle

    Hybrid Electric Vehicle คือยานยนต์ที่ผสานการทำงานจากแหล่งพลังงานสองแหล่งคือ จากเครื่องยนต์ และไฟฟ้าจากแบตเตอรี่ โดยมีระบบการทำงานสามแบบ โดยแบบแรกคือแบบขนาน (Parallel hybrid) ประกอบด้วยชุดถังน้ำมันซึ่งสนับสนุนเชื้อเพลิงให้กับเครื่องยนต์ และชุดแบตเตอรี่ซึ่งสนับสนุนกำลังให้กับมอเตอร์ไฟฟ้า โดยทั้งเครื่องยนต์และมอเตอร์ไฟฟ้าสามารถขับเคลื่อนชุดส่งกำลัง (transmission) เพื่อไปหมุนล้อ ส่วนแบบที่สองคือ แบบอนุกรม (Series hybrid) โดยเครื่องยนต์จะไปหมุน Generator และ Generator จะส่งพลังงานไปเก็บในแบตเตอรี่ หรือให้กำลังแก่มอเตอร์ไฟฟ้าเพื่อขับเคลื่อนชุดส่งกำลัง ซึ่งเครื่องยนต์จะไม่ได้ให้กำลังกับชุดขับเคลื่อนโดยตรง แบบที่สามคือแบบผสมซึ่งนำเอาทั้งสองแบบแรกมารวมกัน

ภาพรวมขั้นตอนการทำงานของยานยนต์ Hybrid Electric Vehicle

1. Low speeds
    จากเริ่มออกตัวสู่ความเร็วต่ำพลังงานจากแบตเตอรี่จะถูกส่งไปยังมอเตอร์ไฟฟ้าเพื่อขับชุดอุปกรณ์ส่งถ่ายกำลัง เพื่อไปขับเคลื่อนล้อรถ และเมื่อใดที่พลังงานสะสมในแบตเตอรี่ต่ำ เครื่องยนต์จะมีการทำงานและเปลี่ยนรูปจากพลังงานกลเป็นพลังงานไฟฟ้าโดยเจเนอเรเตอร์และไปสะสมไว้ในแบตเตอรี่

2.  Heavy Acceleration
    พลังงานที่ใช้ในการขับเคลื่อนจะมาจากเครื่องยนต์ โดยส่วนหนึ่งมีการเปลี่ยนรูปจากพลังงานกลเป็นพลังงานไฟฟ้า โดยเจเนอเรเตอร์ไปยังมอเตอร์ไฟฟ้าเพื่อขับชุดอุปกรณ์ส่งถ่ายกำลังเพื่อไปขับเคลื่อนล้อรถ และนอกจากนี้ยังมีพลังงานเพิ่มเติมที่ใช้ในการขับเคลื่อนจากแบตเตอรี่อีกทางหนึ่ง

3. Highway Cruising
    พลังงานที่ใช้ในการขับเคลื่อนจะมาจากเครื่องยนต์ โดยส่วนหนึ่งมีการเปลี่ยนรูปจากพลังงานกลเป็นพลังงานไฟฟ้า โดยเจเนอเรเตอร์ไปยังมอเตอร์ไฟฟ้า เพื่อขับชุดอุปกรณ์ส่งถ่ายกำลังเพื่อไปขับเคลื่อนล้อรถ ซึ่งขณะที่ความเร็วลดลง พลังงานกลบางส่วนที่ได้จากเครื่องยนต์จะถูกเปลี่ยนรูปเป็นพลังงานไฟฟ้าโดยเจเนอเรเตอร์ และไปสะสมไว้ในแบตเตอรี่

4. Deceleration/Braking
    เมื่อมีการลดความเร็วหรือเบรค นั้นพลังงงานจลน์ที่ได้จากการลดความเร็วหรือเบรคจะถูกเปลี่ยนรูปเป็นพลังงานไฟฟ้า โดยมอเตอร์ไฟฟ้า (ซึ่งขณะนี้ทำหน้าที่เป็น Generator) แล้วไปสะสมในแบตเตอรี่

5. At a stop
    เครื่องยนต์จะหยุดการทำงานเพื่อเป็นการประหยัดความสิ้นเปลืองการใช้พลังงานเชื้อเพลิง ขณะที่มอเตอร์ไฟฟ้าทำงานอย่างเงียบๆ โดยเตรียมพร้อมในการทำงานต่อไป และเมื่อใดที่พลังงานสะสมในแบตเตอรี่ต่ำ เครื่องยนต์จะมีการทำงานและเปลี่ยนรูปจากพลังงานกลเป็นพลังงานไฟฟ้าโดย Generator และไปสะสมไว้ในแบตเตอรี่

    โดยปัจจุบันได้มีการจำหน่ายยานยนต์ Hybrid Electric Vehicle กันอย่างแพร่หลายในประเทศไทยและมีส่วนช่วยในการลดมลพิษในเมืองได้เป็นอย่างดี ยานยนต์ Plug-in Hybrid    จึงนับเป็นอีกนวัตกรรมหนึ่งของการพัฒนายานยนต์ที่ใช้พลังงานทางเลือก หลักการทำงานของรถยนต์ Plug-in Hybrid ก็จะคล้ายกับรถ Hybrid Electric Vehicle คือจะเป็นการผสานทำงานของเครื่องยนต์เผาไหม้ภายในที่ใช้ในปัจจุบันกับพลังงานไฟฟ้า แต่รถ Plug-in Hybrid นั้นจะมีข้อแตกต่างตรงที่พลังงานไฟฟ้าที่ได้สามารถชาร์จได้จากไฟบ้านโดยใช้เวลาในการชาร์จประมาณ 5-8 ชั่วโมง หรือ เครื่องชาร์จที่ออกแบบมาพิเศษ Quick Charge โดยใช้เวลาในการชาร์จประมาณ 30 นาที ซึ่งจะสามารถประจุไฟฟ้าได้ประมาณ 80%  และสามารถขับเคลื่อนที่ระยะทางที่ไม่ไกลมากโดยใช้พลังงานไฟฟ้าอย่างเดียว เช่น การขับขี่จากบ้านไปที่ทำงาน ด้วยยานยนต์ Plug-in Hybrid   นั้นถือได้ว่ามีการใช้พลังงานไฟฟ้าในการขับเคลื่อนหลักอย่างหนึ่งไม่ใช่เป็นพลังงานเสริมในการขับเคลื่อนเหมือน ยานยนต์ Hybrid Electric Vehicle และทำให้สามารถประหยัดเชื้อเพลิงได้สูงรวมถึงเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม โดยเฉพาะในเมือง ขณะที่ยานยนต์ Electric Vehicle นั้นจะใช้พลังงานไฟฟ้าจากแบตเตอรี่อย่างเดียว โดยไม่มีเครื่องยนต์สันดาปภายใน โดยยานยนต์ประเภทนี้จะไม่มีสารมลพิษที่เกิดขึ้นในขณะขับเคลื่อนหรือที่เรียกว่า Zero Emission 

Types of Electric Vehicle


วัสดุที่ใช้สำหรับยานยนต์ที่ขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้า
Material Made for Electric Vehicle
    แนวโน้มการใช้วัสดุในยานยนต์มีแนวโน้มในการใช้วัสดุที่เบาขึ้นในขณะที่ยังสามารถใช้งานและมีความปลอดภัยเท่าเดิมหรือดีขึ้น รวมถึงยังช่วยในการประหยัดพลังงานในการขับขี่ ตัวอย่างวัสดุนี่นำมาใช้ในยานยนต์ที่ขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้ามีดังนี้

เหล็กชนิดพิเศษ
    ได้มีการนำเหล็กชนิดพิเศษความแข็งแรงสูงที่ถูกผสมผสานขึ้น เพื่อนำไปใช้ผลิตเป็นชิ้นส่วนของยานยนต์ทีขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้าที่มีความแข็งแรงมากกว่า และใช้เหล็กในปริมาณน้อยกว่าเหล็กแบบเก่า ซึ่งสามารถลดน้ำหนักรถลงไปได้ ขณะที่เหล็กพิเศษที่สามารถปรับแต่งความแข็งแรงได้ในระดับต่างๆ กันนี้ได้ถูกนำไปใช้ผลิตเป็นตัวถังรถ โดยโครงสร้างตัวถังมีทั้งต้องการความแข็งแรงสูงและส่วนที่ต้องการความยืดหยุ่น เมื่อเกิดการชนบริเวณที่มีความยืดหยุ่นจะยุบตัวและดูดซับแรงกระแทกที่เกิดขึ้น

คาร์บอนไฟเบอร์
    คาร์บอนไฟเบอร์มีน้ำหนักเบากว่าเหล็ก 50% และเบากว่าอะลูมิเนียม 30% คาร์บอนไฟเบอร์ช่วยลดน้ำหนักได้ในระดับเดียวกับแมกนีเซียม และถูกนำมาใช้เป็นวัสดุพิเศษในบางส่วนเท่านั้น ตัวอย่างชิ้นส่วนที่นำมาใช้กับยานยนต์ที่ขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้าอาทิ หลังคาคาร์บอนไฟเบอร์ซึ่งนอกจากจะมีน้ำหนักเบาและหลังคาที่มีน้ำหนักเบายังช่วยให้จุดศูนย์ถ่วงของรถต่ำลง ทั้งนี้รวมถึงกันชน ซึ่งวน้ำหนักรถที่น้อยลงก็หมายถึงความคล่องตัวที่เพิ่มมากขึ้น

พลาสติก
    พลาสติกถูกนำมาแทนที่วัสดุที่มีน้ำหนักมากในชิ้นส่วน อาทิ สานต่อเชื่อม โครง ฉนวน โดยพลาสติกที่มีการวิจัยมาเป็นพิเศษสามารถรับน้ำหนักได้ดี ทนความร้อนสูงและเก็บของเหลวได้อย่างมีประสิทธิภาพ รวมถึงยังมีการนำพลาสติกมาใช้สำหรับชิ้นส่วนภายใน เช่น ที่นั่ง และระบบป้องกันเสียงรบกวน

วัสดุอื่นๆ
    ในรถยนต์ขับเคลื่อนไฟฟ้าบางรุ่น พื้นที่บริเวณตัวถัง อาทิ ฝากระโปรงหน้า ประตู และฝาปิดถังน้ำมัน ทำด้วยอะลูมิเนียม โลหะน้ำหนักเบาชนิดนี้มีน้ำหนักน้อยกว่าเหล็กถึง 1 ใน 3 เท่า นอกจากนี้แล้ววัสดุที่ให้ความแข็งแรงต่อน้ำหนักที่สูง อย่าง อลูมิเนียม และ แมกนีเซียม นั้นนักวิจัยยังได้มีความพยายามที่จะนำมาใช้งานมากขึ้นในอนาคต

การชาร์จไฟฟ้าเข้าไปในยานยนต์ Plug-in Hybrid Electric Vehicle และ Electric Vehicle
   
ถ้าเราใช้รถยนต์ที่ใช้เครื่องยนต์สันดาปภายในที่ใช้น้ำมันปิโตรเลียมเป็นเชื้อเพลิงขณะที่ยานยนต์ที่ขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้านั้นอาทิ Plug-in Hybrid Electric Vehicle และ Electric Vehicle เมื่อแบตเตอรี่หมดก็จะต้องมีการชาร์จแบตเตอรี่ซึ่งถ้าเสียบกับไฟบ้านปรกติก็จะต้องใช้เวลาชาร์จประมาณ 5 ชั่วโมง โดยถ้า Quick Charge ก็จะใช้เวลาประมาณ 30 นาที


สถานีชาร์จแบตเตอรี่แบบ Quick Charge


    ผู้เขียนเห็นว่ายานยนต์ที่ขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้า อาทิ  Plug-in Hybrid Electric Vehicle และ Electric Vehicle จะเริ่มเข้ามามีบทบาทในประเทศไทยตั้งแต่นี้เป็นต้นไป โดยรัฐบาลก็ได้ในการสนับสนุนยานยนต์ประเภทดังกล่าว โดยสิ่งที่ภาครัฐและเอกชนต้องร่วมกันพัฒนาเพื่อส่งเสริมยานยนต์ที่ขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้าอาทิ การพัฒนาสถานีบริการชาร์จไฟฟ้าแบตเตอรี่ การจัดหาพลังงานไฟฟ้าให้เพียงพอต่อปริมาณการใช้ในอนาคต การสนับสนุนให้มีการติดตั้ง Solar Roof Top เพื่อเป็นแหล่งพลังงานไฟฟ้าเพิ่มขึ้น รวมถึงการส่งเสริมด้านการลงทุน และการให้ Incentive ด้านภาษี เมื่อประเทศไทยมีวางแผนและเตรียมความพร้อมในด้านดังกล่าวทั้งหมดแล้วก็จะให้ประเทศไทยเป็นผู้นำด้านการผลิตยานยนต์ Plug-in Hybrid Electric Vehicle ในอนาคตซึ่งนอกจากจะทำให้ประเทศไทยมีเศรษฐกิจที่ดีขึ้นก็ยังเป็นการส่งเสริมให้ประเทศไทยมีสิ่งแวดล้อมที่ดีขึ้นโดยเฉพาะในเมือง




 
เพิ่มเติม