แนวโน้มการใช้งาน E-Axle สำหรับรถยนต์ไฟฟ้า


ในปี ค.ศ. 2023 จะมีการใช้งาน E-Axle ซึ่งเป็นชุดขับเคลื่อนที่สำหรับรถยนต์ไฮบริดหรือรถยนต์ไฟฟ้าแบตเตอรี่ เป็นหนึ่งในหลายๆ แบบที่มีการพัฒนาขึ้นมาและถูกเลือกใช้ในรถยนต์ไฟฟ้าในทุกแพลตฟอร์ม ด้วยจำนวนความต้องการที่เพิ่มขึ้นอย่างมาก โดย 46% จะใช้ในระบบขับเคลื่อนล้อหลัง และ 35% ใช้ในระบบขับเคลื่อนล้อหน้า เมื่อเทียบเป็นปริมาณการผลิตต่อปีจะได้เป็นตัวเลขที่สูงเลยทีเดียว คาดการณ์ว่าจะเพิ่มขึ้นจาก 750,000 ชุด เป็น 1.4 ล้านชุด โดยนับจากปีนี้จนถึงปี ค.ศ. 2023 ทำไมผู้ผลิตรถยนต์หลายรายจึงเลือกใช้ E-Axle เรามาหาคำตอบกัน

การออกแบบ

จุดเด่นของ E-Axle คือการรวมอุปกรณ์ในระบบขับเคลื่อนทั้งตัวชิ้นส่วนทางกลและเพาเวอร์อิเล็กทรอนิกส์ (Power Electronics) เข้าเป็นชุดเดียว ทำให้นํ้าหนักเบาขึ้น และใช้พื้นที่น้อย ต้นทุนการผลิตตํ่าลง ยิ่งไปกว่านั้นคือลดการใช้สายไฟ High Voltage และ Connector ต่างๆ ลงไปได้มากซึ่งทำให้การสูญเสียทางไฟฟ้าตํ่าลงเพราะใช้สายไฟน้อย รวมทั้งลดความยุ่งยากในการออกแบบระบบระบายความร้อนอีกด้วย

ชุด E-Axle แบบต่างๆ จากผู้ผลิตชิ้นส่วนรถยนต์ชั้นนำ
รูปที่ 1 ชุด E-Axle แบบต่างๆ จากผู้ผลิตชิ้นส่วนรถยนต์ชั้นนำ

แต่สำหรับการใช้ E-Axle ในโครงสร้างตัวถังรถยนต์ในกรณีที่ผู้ผลิตรถยนต์ต้องการวางชุด E-Axle แทนระบบขับเคลื่อนเดิม ยังอาจจะเป็นปัญหาอยู่บ้างในบางครั้ง ตัวอย่างเช่น ต้องลดขนาดของถังนํ้ามัน ต้องปรับระดับพื้นห้องโดยสารบางจุดเพื่อหลบชุด E-Axle ถึงจะติดตั้งได้ หรือการออกแบบการติดตั้งบนโครงสร้างตัวถังเดิมได้แต่ต้องเปลี่ยนตำแหน่งชุดขับเคลื่อนล้อหน้าให้เป็นขับเคลื่อนล้อหลังแทน ซึ่งก็ไม่สามารถที่จะทำแบบนั้นได้ทุกกรณี บริษัทผู้ผลิตรถยนต์ต่างๆ ได้ร่วมออกแบบกับผู้ผลิต E-Axle เพื่อหารูปแบบที่เหมาะสมสำหรับรถยนต์ของตัวเองทั้งการใช้งาน E-Axle บนแพลตฟอร์มเดิมและการออกแบบโครงสร้างตัวถังใหม่ทั้งหมดเพื่อรองรับการติดตั้ง E-Axle ในรถยนต์รุ่นใหม่ ผู้ผลิตชิ้นส่วน OEM ส่วนมากประสบความสำเร็จในการออกแบบเพื่อใช้งานแล้วสำหรับกรณีติดตั้งบนแพลตฟอร์มเดิม แต่ที่เพิ่มเติมขึ้นมาคือในอนาคตเราจะได้เห็น E-Axle สามารถรองรับชุดส่งกำลังแบบใดก็ได้สำหรับรถยนต์รุ่นใหม่ทุกแบบ ตั้งแต่รถยนต์ไฮบริดที่ยังมีเครื่องยนต์สันดาปภายในติดตั้งอยู่ รถยนต์ไฮบริดขับเคลื่อน 4 ล้อแบบ All Wheel Drive หรือจะเป็นรถยนต์ไฟฟ้าแบตเตอรี่ก็ตาม

ในส่วนระบบควบคุมนั้นต้องควบคุมทั้งความเร็วรอบ และทอร์คที่ส่งผ่านยังเพลาและล้อ หาก E-Axle แบบที่ใช้มอเตอร์ขับเคลื่อน 2 ชุด เราต้องควบคุมทอร์คทั้งสองข้างให้กระจายออกไปอย่างเหมาะสมเพื่อประสิทธิภาพ และความปลอดภัยด้วย เพราะเราไม่ต้องการให้ล้อขับเคลื่อนข้างหนึ่งข้างใดเป็นเหมือนเป็นตัวถ่วงเสมือนว่ากำลังฉุดล้อขับอีกข้างหนึ่งไปด้วยในขณะรถวิ่งอยู่ และส่วนที่สำคัญที่สุดในการออกแบบ E-Axle คือการควบคุมช่วงความเร็วที่รองรับได้ของตัว E-Axle เอง นักพัฒนาผลิตภัณฑ์มีตัวเลือกให้ใช้ได้อยู่ 3 แบบคือ

  1. การตัดกำลังออกจากมอเตอร์กรณีที่ความเร็วสูงเกินไป
  2. ใช้ชุดเกียร์ที่มีอัตราทดคงที่และใช้มอเตอร์ขับตลอดการขับเคลื่อน
  3. ใช้ชุดเกียร์ส่งกำลังในแพ็กเป็นแบบ Multi-Speed

Speedการประกอบ-ติดตั้งเข้ากับตัวถังรถยนต์

ประเด็นสำคัญอีกอย่างหนึ่งที่ทำให้ E-Axle ได้รับความนิยมคือความง่ายในการประกอบเข้ากับตัวรถในสายการผลิตรถยนต์เพราะ E-Axle ประกอบด้วยส่วนขับเคลื่อนและชุดควบคุมครบทั้งหมดรวมกันในชุดเดียว ในรูปที่ 2 เป็นตัวอย่างของ E-Axle ที่ใช้มอเตอร์ไฟฟ้า 2 ชุดเป็นตัวขับเพียงแค่ประกอบเข้ากับโครงรถด้วยโบลท์ไม่กี่ตัว จากนั้นต่อสายไฟ DC และข้อต่อสารหล่อเย็นเท่านั้นก็พร้อมใช้งานได้ทันที สามารถลดเวลาในการประกอบระบบส่งกำลังในสายการผลิตรถยนต์ไปได้อย่างมาก

ชุด E-Axle ขนาดกะทัดรัดพร้อมติดตั้ง
รูปที่ 2 ชุด E-Axle ขนาดกะทัดรัดพร้อมติดตั้ง

จากข้อดีต่างๆ ในการออกแบบและการประกอบเข้ากับตัวรถที่สะดวกรวดเร็ว มาถึงการพิจารณาในส่วนของการเซอร์วิสกันบ้าง ในมุมมองการของเซอร์วิสเครื่องยนต์หรือชิ้นส่วนรถยนต์ในแบบเดิมนั้นหากออกแบบไว้โดยให้ชิ้นส่วนหลายชิ้นประกอบรวมกันเป็นชิ้นเดียวมักจะทำให้การซ่อมบำรุงทำได้ยาก แต่ E-Axle นั้นมีชิ้นส่วนภายในที่มีความจำเป็นต้องเซอร์วิสน้อยมากเพียงแค่การตรวจเช็คสภาพทั่วไปและเปลี่ยนนํ้ามันเกียร์ตามระยะเท่านั้น ข้อสังเกตเพิ่มเติมจากผู้ผลิตหลายรายในระยะหลังนี้จะมีการเพิ่มส่วน Power Electronics เข้าไปใน E-Axle ด้วย ปกติการรวมมอเตอร์เข้ากับชุดเกียร์นั้นสามารถทำได้ไม่ยากแต่การที่จะต้องเพิ่ม Power Electronics เข้าเป็นชุดเดียวกันอีกส่วนหนึ่งด้วยนั้นไม่ง่ายเลย เป็นความท้าทายสำหรับผู้ผลิตในขณะนี้

ชิ้นส่วนภายใน E-Axle
รูปที่ 3 ภาพชิ้นส่วนภายใน E-Axle จากผู้ผลิตรายหนึ่ง ซึ่งประกอบด้วยส่วนหลักๆ คือ มอเตอร์ ชุดเกียร์ และเพาเวอร์อิเล็กทรอนิกส์

นวัตกรรมล่าสุดผู้ผลิต E-Axle รายใหญ่จากเยอรมนีรายหนึ่งกำลังทำต้นแบบ E-Axle ที่ลํ้าหน้าไปอีกขั้นหนึ่งโดยกำหนดให้มีการทำงาน 2 ความเร็วและตัดต่อกำลังโดยใช้คลัตช์ ส่วนฝั่งผู้เชี่ยวชาญการผลิตมอเตอร์จากญี่ปุ่นรายหนึ่งก็เปิดตัว E-Axle ที่ออกแบบให้มีกลไกของคลัตช์ตัดต่อกำลังในตัวมอเตอร์เพิ่มเข้าไปจากเดิม

ตัวอย่างระบบระบายความร้อนใน E-Axle
รูปที่ 4 ตัวอย่างระบบระบายความร้อนใน E-Axle (Inlet คือช่องทางเข้าสารหล่อเย็น)

ทั้งหมดที่กล่าวมานี้เห็นได้ชัดเจน E-Axle เป็นตัวเลือกที่สำคัญสำหรับรถยนต์ไฮบริดและรถยนต์ไฟฟ้าแบตเตอรี่ ด้วยรูปแบบที่ยืดหยุ่นด้านขนาดและตำแหน่งของการติดตั้ง รวมถึงความเหมาะสมในเรื่องราคาและเวลาในการประกอบเข้าตัวรถ ดังนั้นในอนาคตเราคงได้เห็น E-Axle ในรถยนต์อีกหลายรุ่นอย่างแน่นอนครับ


Source: นิตยสาร Green Network ฉบับที่ 94 กรกฎาคม-สิงหาคม 2562 คอลัมน์ GREEN Focus
โดย ชินวุฒิ ขวัญณัฐพร B.ENG (Mechanical),MS (CEM) นักวิชาการด้านวิศวกรรมยานยนต์