fbpx
Thursday, January 23Modern Manufacturing

ยานยนต์ไฟฟ้า พาหนะแห่งอนาคต EP: 05

ใน EP.01 ถึง EP.04 ผมได้กล่าวถึงหลักการของรถยนต์ไฟฟ้าประเภทต่างๆ ที่มีความเป็นไปได้ที่จะนำมาใช้ในอนาคต  EP.05 เป็นต้นไปเราจะมาดูรายละเอียดของยานยนต์ไฟฟ้ากันครับ

สวัสดีเพื่อน ๆ ชาว MMThailand ทุกท่านครับ ก็กลับมาพบกับบทความของผมอีกครั้งนะครับ ช่วงนี้ก็เป็นช่วงเกษียณอายุของราชการ รัฐวิสาหกิจหลาย ๆ ท่าน ช่วงปลายเดือนกันยายนหน่วยงานต่าง ๆ ก็จัดเลี้ยงให้ผู้ที่กำลังจะเกษียณ ช่วงต้นเดือนตุลาคมก็ไปส่งผู้ที่ได้รับตำแหน่งใหม่ ก็วนเวียนกันไปตามวิถีปุถุชนทั่วไปครับ ท่านที่เกษียณก็จะรู้สึกแปลก ๆ ไปบ้างในตอนแรก แทนที่ตอนเช้าจะต้องรีบออกจากบ้านไปที่ทำงานให้ทันเวลาก็ไม่ต้องแล้ว นั่งจิบกาแฟ อ่านหนังสือ ดูคนวัยทำงานที่ต้องรีบไปทำงานในตอนเช้าแทนครับ  มีผู้หลักผู้ใหญ่ที่ผมนับถืออยู่หลายท่านที่เกษียณมานานมากแล้วก็ยังไปทำงานเป็นกรรมการบริหารบ้าง ประธานสมาคมบ้าง ตามแต่กำลังบารมีของแต่ละท่าน ทำให้ชีวิตท่านเหล่านั้นไม่เหงาครับ ที่ผมกล่าวถึงแต่ละท่านก็แปดสิบกว่ากันทั้งสิ้นแล้วนะครับ แต่ยังเดินเหินคล่องแคล่ว ดำเนินชีวิตเป็นคนแก่ที่มีความสุขในทุกๆวันของชีวิตครับ มีท่านนึงเคยสอนผมว่า อย่าใช้ชีวิตโดยประมาทการที่เราสามารถตื่นขึ้นในตอนเช้าและลุกขึ้นจากเตียงออกไปทำงานได้เป็นปกตินั้นนับว่าเราโชคดีแล้วที่จะได้ใช้ชีวิตอันแสนสั้นนี้เพิ่มขึ้นอีก 1 วัน จงทำเพื่อตนเอง ทำเพื่อคนอื่น ทำบุญ ทำทานบ้างตามโอกาส ให้สมกับที่ยังได้ใช้ชีวิตเพิ่มอีก 1 วัน  กลายเป็นบทความทางจิตใจไปซะงั้นกลับมาเข้าเรื่องกันดีกว่าครับ

องค์ประกอบและคุณสมบัติสำคัญสำหรับมอเตอร์ EV

ในช่วงหลายๆปีมานี้เทคโนโลยีมอเตอร์ไดรฟ์ได้มีการพัฒนาอย่างต่อเนื่อง มีนวัตกรรมความก้าวหน้าใหม่ๆเพิ่มขึ้นอย่างมากมาย ไม่ว่าจะเป็นด้านการออกแบบ การวิเคราะห์และการควบคุมเครื่องกลไฟฟ้า

เทคโนโลยีแหล่งจ่ายพลังงานก็พัฒนาขึ้นมากเช่นเดียวกัน แต่ก็ยังคงมีการพัฒนาเทคโนโลยีแบตเตอรี่อย่างต่อเนื่องต่อไปเพื่อให้ได้แบตเตอรี่ที่มีราคาถูกและเก็บพลังงานได้มากโดยมีขนาดเล็ก

เทคโนโลยีในการชาร์จแบตเตอรี่ก็พัฒนาขึ้นมากเช่นเดียวกันโดยเฉพาะแนวคิด Move-and-Charge (MAC) ที่นำหลักการส่งผ่านพลังงานแบบไร้สาย (Wireless Power Transfer) เพื่อนำมาแก้ปัญหาระยะทางที่วิ่งได้น้อยของยานยนต์ไฟฟ้า

เพื่อที่จะทำให้ยานยนต์ไฟฟ้าดูมีความคุ้มค่าที่จะนำมาใช้งานถึงแม้ว่าราคาค่าตัวมันจะสูงก็ตาม นักพัฒนาจึงได้คิดค้นเทคโนโลยีที่เรียกว่า Vehicle-to-Grid (V2G) เพื่อให้ผู้ใช้งานยานยนต์ไฟฟ้ารู้สึกว่าซื้อมาแล้วคุ้มค่ามากกว่าแค่ขับไปตามท้องถนนเฉยๆ

องค์ประกอบสำคัญของระบบขับเคลื่อนของยานยนต์ไฟฟ้าประกอบไปด้วย เครื่องกลไฟฟ้า มอเตอร์ไดรฟ์และแบตเตอรี่  เครื่องกลไฟฟ้าของยานยนต์ไฟฟ้าในปัจจุบันมีหลากหลายชนิดมากตามรูปครับ โดยจะแบ่งเป็นชนิดหลักๆคือแบบมีคอมมิวเตเตอร์ (Commutator) กับแบบที่ไม่มีคอมมิวเตเตอร์ (Commutatorless)

ชนิดของเครื่องกลไฟฟ้าที่ใช้ในยานยนต์ไฟฟ้า

ที่มาภาพ: Electric Vehicle Machines and Drives,K.T. Chau,2015

คุณสมบัติของเครื่องกลไฟฟ้าสำหรับยานยนต์ไฟฟ้านั้นต้องมีคุณสมบัติหลายประการดังต่อไปนี้ครับ

  • ต้องมีกำลังและแรงบิดสูง
  • มีช่วงความเร็วครอบคลุมตั้งแต่ความเร็วต่ำไปถึงความเร็วสูง
  • มีประสิทธิภาพสูงทุกช่วง Torque และช่วงความเร็ว
  • ใช้งานต่อเนื่องที่ระดับกำลังต่าง ๆ ได้ต่อเนื่องเป็นเวลานาน
  • ให้ Torque สูงในช่วงออกตัวและช่วงขึ้นเขา
  • สามารถใช้งานเกินกำลังในช่วงเร่งแซงได้
  • มีเสถียรภาพและความทนทานต่อสภาวะแวดล้อมในสถานที่ต่าง ๆ
  • มีเสียงรบกวนน้อย
  • ราคาไม่สูงเกินไป

คุณสมบัติเพิ่มเติมสำหรับใช้งานกับรถยนต์ไฮบริด

  • จ่ายกำลังได้อย่างมีประสิทธิภาพในทุกช่วงความเร็ว
  • ให้แรงดันคงที่ในทุกช่วงความเร็ว
  • สามารถประกอบติดตั้งเข้ากับเครื่องยนต์ได้

เป็นยังไงบ้างครับ คุณสมบัติอย่างเทพเลย! การที่จะออกแบบให้มีคุณสมบัติครบถ้วนทุกประการตามที่กล่าวมานั้นเป็นเรื่องที่ยากเย็นจริง ๆ แต่บริษัทผู้ผลิตก็มีการพัฒนาเครื่องกลไฟฟ้าที่แทบจะเรียกได้ว่าเป็นอุดมคตินี้ให้เป็นไปได้ครับ

ในบทความนี้ผมจะกล่าวถึงเครื่องกลไฟฟ้าและมอเตอร์ไดรฟ์เพียงบางชนิดเท่านั้นครับ ถ้าพูดถึงรายละเอียดทั้งหมดคงจะต้องเขียนเป็นตำราออกมาเลยละครับ เพราะรายละเอียดมีมากมาย หากท่านผู้อ่านสนใจจริงก็สามารถหาอ่านได้จากเอกสารอ้างอิงที่ผมได้ให้ไว้คู่กับรูปภาพได้เลยครับ และในปัจจุบันก็มีการสอนเรื่องการดัดแปลงรถยนต์ธรรมดานำมาติดตั้งระบบขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้ากันแล้ว  ผมจะกล่าวถึงเครื่องกลไฟฟ้าชนิดที่ใช้กันแพร่หลายในยานยนต์ไฟฟ้าเท่านั้นครับ

เครื่องกลไฟฟ้ากระแสตรง (DC Machine)

เป็นเครื่องกลไฟฟ้าที่มีใช้กันมาอย่างยาวนานมากแล้วครับ ประดิษฐ์ขึ้นโดยนักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ William Sturgeon ในปี 1832 ก็ใช้กันมาร้อยกว่าปีแก่ ๆ แล้วครับ จนถึงปัจจุบันก็ยังมีการใช้งานกันอยู่ เนื่องจากวงจรควบคุมออกแบบได้ง่าย ส่วนประกอบของเครื่องกลไฟฟ้ากระแสตรงเป็นดังรูป

ส่วนประกอบของมอเตอร์กระแสตรง

ที่มาภาพ: Electric Vehicle Machines and Drives,K.T. Chau,2015

หลักการทำงานของเครื่องกลไฟฟ้ากระแสตรงเป็นดังรูปครับ

หลักการทำงานของเครื่องกลไฟฟ้ากระแสตรง 

ที่มาภาพ: Electric Vehicle Machines and Drives,K.T. Chau,2015

รูปจำลองการกระจายตัวของสนามแม่เหล็กในเครื่องกลไฟฟ้ากระแสตรงเป็นดังรูป

ที่มาภาพ: Electric Vehicle Machines and Drives,K.T. Chau,2015

ไดรฟ์สำหรับมอเตอร์กระแสตรง(DC Motor Drive)

ไดรฟ์ชนิดนี้มีการใช้งานมานานแล้วหลายสิบปีแล้วเช่นกัน เนื่องจากออกแบบวงจรควบคุมได้ง่าย ไม่ซับซ้อน แต่มีปัญหาในเรื่องประสิทธิภาพต่ำ ความสูญเสียมีมากกว่าไดรฟ์ประเภทอื่นๆและความหนาแน่นของกำลังน้อยกว่าแบบกระแสสลับ  นอกจากนี้ยังต้องบำรุงรักษาแปรงถ่านกับคอมมิวเตเตอร์เป็นระยะๆด้วย  ส่วนใหญ่เราจะเห็นในรถกอล์ฟรุ่นเก่าๆ อีกไม่นานก็จะถูกแทนที่ด้วยมอเตอร์กระแสสลับ (AC Motor) และมอเตอร์กระแสตรงชนิดไม่ใช้แปรงถ่าน (Brushless DC Motor)

พัฒนาการที่สำคัญในการใช้ไดรฟ์มอเตอร์กระแสตรงสำหรับรถ EV คือ Lunar Roving Vehicle (LRV) ที่ออกแบบให้ทำงานในสภาพแวดล้อมของดวงจันทร์ที่เป็นสุญญากาศและแรงโน้มถ่วงต่ำ  เป็นส่วนหนึ่งของโครงการ Apollo เพื่อสำรวจผิวดวงจันทร์  LRV มีน้ำหนัก 210 กิโลกรัม สามารถรับน้ำหนักได้ 490 กิโลกรัม ใช้มอเตอร์กระแสตรง 4 ตัวเพื่อขับเคลื่อน 4 ล้อที่แรงดัน 36 โวลท์ ให้กำลัง 745 วัตต์ที่ความเร็วรอบ 10,000 รอบต่อนาทีผ่าน Harmonic Drive ที่มีอัตราทด 80:1  ด้วยงบประมาณสำหรับ LRV เพียงอย่างเดียวสูงถึง 38 ล้านเหรียญสหรัฐทีเดียวครับ

Lunar Roving Vehicle

ที่มาภาพ: Wikipedia

ผมจะขออธิบายเพิ่มเติมสำหรับ Harmonic Drive Gear สักเล็กน้อยครับ  Harmonic Drive Gear ประดิษฐ์ขึ้นที่ประเทศสหรัฐอเมริกาเมื่อปี 1959 โดย Walt Musser เพื่อใช้ในอุตสาหกรรมการบินและการทหาร จุดเด่นของมันคือมีอัตราทดที่สูงมาก

Harmonic Drive Gear

ที่มาภาพ: Wikipedia

โครงสร้าง Harmonic Drive Gear

ที่มาภาพ: Wikipedia

หากเพื่อนๆสนใจข้อมูลเพิ่มเติม สามารถหาอ่านเพิ่มเติมได้ที่ Wikipedia หรือ ลองหาใน Google ด้วยคำว่า “DEVELOPMENT OF THE HARMONIC DRIVE GEAR FOR SPACE APPLICATIONS”  ได้เลยครับ เป็นนวัตกรรมที่ทำให้ระบบขับเคลื่อนเป็นไปอย่างก้าวกระโดดทีเดียวครับ

เอาละครับก็บรรยายกันมาพอสมควรสำหรับ ระบบขับเคลื่อนสำหรับเครื่องกลไฟฟ้ากระแสตรงกันมาพอสมควร ก็ขอจบ EP.05 แบบห้วนๆเลยละกันครับ  คอยพบกับ EP.06 กันได้ครับ 

Naris Chattranont
นริศ ชัชธรานนท์
ผู้อำนวยการกองธุรกิจบำรุงรักษาระบบไฟฟ้า
การไฟฟ้านครหลวง
Columnist พิเศษด้านเทคโนโลยีไฟฟ้าให้แก่ mmthailand.com และ Modern Manufacturing