สำหรับรถยนต์ปลั๊กอินไฮบริด และรถยนต์ไฟฟ้าแบตเตอรี่ EV ผู้ที่เคยใช้งานจะทราบดีว่าจะสามารถชาร์จไฟฟ้าไปที่แบตเตอรี่แรงดันสูงในรถยนต์ประเภทดังกล่าวได้โดยตรงผ่านเต้ารับที่ตัวรถ ส่วนรถยนต์ EV ที่ต้องมีการชาร์จไฟฟ้าเพียงอย่างเดียวเท่านั้นเพราะไม่มีเครื่องยนต์สันดาปติดตั้งมาในรถแล้วการชาร์จไฟฟ้าจึงเป็นสิ่งเดียวที่จ่ายพลังงานเข้ามา ดังนั้นถ้าเราสามารถใช้พลังงานไฟฟ้าจากแหล่งพลังงานสะอาดจากแสงอาทิตย์หรือโซลาเซลล์เพื่อชาร์จแบตเตอรี่รถยนต์ดังกล่าวจะทำให้เราใช้พลังงานสะอาดเกือบทั้งหมดในรถยนต์เลยทีเดียว

หากเราต้องการใช้โซลาเซลล์ในการชาร์จรถยนต์ไฟฟ้า ปัญหาที่เราต้องหาคำตอบประการแรกสุดคือจะใช้โซล่าเซลล์จำนวนเท่าไหร่ถึงจะเพียงพอต่อการใช้งานรถยนต์ของเราในแต่ละวัน บทความนี้จะขอเสนอกรณีศึกษาในประเทศออสเตรเลียว่าเขามีรูปแบบใดบ้างในการใช้พลังงานแสงอาทิตย์เพื่อการชาร์จรถยนต์ไฟฟ้า EV และการหาขนาดโซล่าเซลล์อย่างง่าย

พลังงานไฟฟ้าที่ใช้งานเฉลี่ยต่อวัน

อันดับแรกคือต้องทราบพลังงานไฟฟ้าเฉลี่ยที่ใช้งานต่อวันของรถยนต์ก่อน ในออสเตรเลียเฉลี่ยใช้พลังงานประมาณ 8 kWh ต่อวันต่อคัน และจำนวน 56% ของบ้านหลังคาเรือน จะมีรถตั้งแต่ 2 คันขึ้นไป

ข้อมูลระยะทางวิ่งของรถยนต์ไฟฟ้าแต่ละรุ่นโดยอ้างอิงจาก EPA (US Environmental Protection Agency) รถยนต์ไฟฟ้าแต่ละรุ่นสามารถใช้งานได้ต่อ 1 kWh เป็นดังนี้

Tesla Model 3: 7.0 กิโลเมตร
Mitsubishi i-MiEV: 6.3 กิโลเมตร
2016 Nissan Leaf: 5.7 กิโลเมตร
Tesla S sports car: 5.3 กิโลเมตร

ต้องอย่าลืมว่าเราไม่สามารถใช้งานรถยนต์ไฟฟ้าจนกระทั่งความจุแบตเตอรี่ลดต่ำลงเหลือ 0% ได้ ดังนั้นค่าระยะทางที่วิ่งได้จริงจะต่ำกว่าตัวเลขข้างต้นเล็กน้อย เมื่อนำไปใช้คำนวนเราต้องใช้ต่ำกว่า Spec ที่ผู้ผลิตให้มาเสมอ

การสูญเสียระหว่างการชาร์จ

ส่วนมากผู้ใช้รถยนต์ไฟฟ้าจะใช้สายชาร์จจากไฟบ้านดังนั้นมีความสูญเสียระหว่างการชาร์จด้วยคือประสิทธิภาพการชาร์จอยู่ที่ประมาณ 90% สายชาร์จชนิดนี้จะมีการสูญเสียไฟฟ้าไปเป็นความร้อนระหว่างการชาร์จ

ระยะทางในการใช้งานรถยนต์เฉลี่ยในออสเตรเลีย

จากการสำรวจพบว่าคนออสเตรเลียโดยเฉลี่ยใช้รถยนต์อยู่ที่ 14,000 กิโลเมตรต่อปีหรือ 38 กิโลเมตรต่อวัน หากรถยนต์ไฟฟ้าของเราใช้พลังงาน 1 kWh ใช้งานได้ 5 กิโลเมตร คำนวณแล้วต้องใช้พลังงานไฟฟ้า 8 Kwh (38/5 = 8 kWh) ที่ต้องการต่อวัน ดังนั้นเราก็จะสามารถประมาณค่าพลังงานที่ใช้ต่อวันได้จากการใช้งานของเราเองเพราะตัวเราเท่านั้นที่รู้ดีที่สุดว่าเฉลี่ยแล้วในหนึ่งวันขับไปกี่กิโลเมตร

ขนาดของแผงโซล่าเซลล์ที่ใช้เป็นเท่าไหร่

หลังจากที่เราได้ค่าพลังงานไฟฟ้าที่ต้องการแล้ว ก่อนจะกำหนดขนาดของโซล่าเซลล์ได้เราจำเป็นต้องดูทิศทางของแสงอาทิตย์ที่ตกกระทบกับแผงโซล่าเพื่อประมาณเวลาการรับแสงซึ่งมีผลต่อการผลิตกระแสไฟฟ้าของโซล่าเซลล์ ในออสเตรเลียค่าความเข้มแสงแดดเมื่อหันด้านรับแดดไปทิศเหนือสามารถผลิตไฟฟ้าได้ที่ 4 ชั่วโมงต่อวัน และแนวตะวันออก-ตะวันตกอยู่ที่ 3.4 ชั่วโมงต่อวัน ดังนั้นถ้าแผงโซล่าเซลล์ของเราใช้แบบ 1.9 kW หรือสูงกว่า แล้วหันไปทางด้านทิศเหนือเราก็จะได้พลังงานไฟฟ้าประมาณ 8 kWh ตรงกับความต้องการใช้งาน (8/4 = 2 kW)

หลังจากทราบวิธีการคำนวณง่าย ๆ แล้ว มาถึงรูปแบบของการชาร์จบ้าง จะกล่าวไว้เพียงสั้น ๆ คือที่มีอยู่ในปัจจุบันนี้ในเกือบทุกประเทศทั้งออสเตรเลีย ยุโรป หรือในประเทศไทยก็ตาม

การชาร์จไฟฟ้าจากโซล่าเซลล์ไปยังรถยนต์ไฟฟ้า

1. ชาร์จทางอ้อมโดยจ่ายไฟเข้าและใช้ไฟจาก Power Grid (On-Grid Solar Charging)

ในประเทศออสเตรเลียมีการส่งเสริมการใช้พลังงานสะอาดเหมือนกับหลาย ๆ ประเทศ ไฟฟ้าที่ผลิตได้จากโซล่าเซลล์สามารถจำหน่ายกลับไปยังระบบ Power Grid ในช่วงเวลาที่มีแสงแดดเพียงพอ (คล้ายกับของประเทศไทยที่มีโครงการนี้เป็นระยะ ๆ โดยเปิดให้ผู้สนใจลงทะเบียนรับสิทธิ) ดังนั้นคนออสซี่จึงไม่นิยมใช้แบตเตอรี่สำรองไฟฟ้าที่ผลิตได้จากโซล่าเซลล์เพื่อใช้ชาร์จรถยนต์ไฟฟ้าในตอนกลางคืนเมื่อกลับจากทำงาน เพราะต้องมีค่าใช้จ่ายและค่าบำรุงรักษาแบตเตอรี่โซล่าเซลล์เพิ่มขึ้นมา แต่ใช้ไฟฟ้าจาก Power Grid คือไฟบ้าน ในตอนกลางคืนเพื่อชาร์จรถยนต์ไฟฟ้า ถ้าหากผลิตไฟฟ้าด้วยโซล่าเซลล์ในตอนกลางวันได้จำนวน kwh คิดเป็นเครดิตที่มากกว่าการใช้ไฟฟ้าชาร์จรถยนต์ไฟฟ้าในแต่ละวัน ส่วนต่างของการผลิตและการใช้งานจะเกิดขึ้น ในระบบ Power Grid จะมีพลังงานไฟฟ้าสำรองเติมเข้ามาถ้าหากมีปริมาณมากพอ การผลิตไฟฟ้าจากโรงไฟฟ้าจะปรับลงลงได้ นั่นก็คือเราได้ผลลัพธ์ที่เป็นบวกจากการใช้พลังงานสะอาดแล้ว

2. ชาร์จโดยตรงจากโซล่าเซลล์ไปยังรถยนต์ไฟฟ้า (Off-grid Solar Charging)

แบบนี้ในออสเตรเลียก็มีใช้งานเช่นกัน คือการชาร์จโดยตรงไปยังรถยนต์ไฟฟ้าในเวลาที่มีแสงแดด ไม่มีการต่อเข้าระบบ Power Grid โดยมี Solar Inverter เพื่อเปลี่ยนไฟฟ้ากระแสตรงจากแผงโซล่าเซลล์ไปเป็นกระแสสลับสำหรับปลั๊กชาร์จ EV แบบต่าง ๆ

ระบบไฟฟ้าของออสเตรเลียนั้นมีความแตกต่างกับไทยคือ การมีผู้จำหน่ายไฟฟ้าหลายรายทำให้ราคาค่าไฟฟ้าแตกต่างกันบ้าง บางรายมีส่วนลดหรือโปรโมชั่นราคาพิเศษสำหรับการใช้ไฟฟ้าจาก Power Grid เพื่อชาร์จรถยนต์ไฟฟ้าโดยเฉพาะอีกด้วย สำหรับผู้ใช้งานรถยนต์ไฟฟ้าในไทยส่วนมากก็จะต้องใช้ไฟฟ้าจากไฟบ้านเป็นหลักในการชาร์จแบตเตอรี่เพราะการติดตั้งโซล่าเซลล์ยังไม่เป็นที่นิยมอย่างแพร่หลายเหมือนกับต่างประเทศที่มีการติดตั้งไว้สำหรับใช้ไฟฟ้าภายในบ้านอยู่แล้ว จากการคำนวณข้างต้นพบว่าถ้าคิดต้นทุนการติดตั้งโซล่าเซลล์เพื่อใช้งานเฉพาะชาร์จรถยนต์ไฟฟ้าเพียงอย่างเดียวนั้นไม่ได้แพงเกินไปมีและความเป็นไปได้มากกว่าหากใช้รูปแบบ Off-Grid Solar Charging ในระยะเริ่มต้น

Source: คอลัมน์ Green Focus โดย ชินวุฒิ ขวัญณัฐพร B.ENG (Mechanical), MS (CEM) นักวิชาการด้านวิศวกรรมยานยนต์

หลายๆ ท่านคงทราบกันดีว่าแบตเตอรี่ที่ใช้ในรถยนต์ไฟฟ้าประกอบกันด้วยเซลล์ไฟฟ้าเล็กๆ หลายๆ เซลล์ต่ออนุกรมและขนานกันรวมกันเป็นแบตเตอรี่แพ็ก เพื่อให้ได้ขนาดของแบตเตอรี่ตามที่ผู้ผลิตรถยนต์ต้องการเพื่อจ่ายกระแสไฟฟ้าให้มอเตอร์ทำงานได้เต็มประสิทธิภาพและมีระยะทางการเดินทางต่อการชาร์จ 1 ครั้งที่ไกลที่สุดเท่าที่จะทำได้ (จำนวนของเซลล์แบตเตอรี่ของ TESLA MODEL S มีประมาณ 7 พันเซลใน 1 แบตเตอรี่แพ็ก) แบตเตอรี่ที่ใช้งานส่วนมากในรถยนต์ไฟฟ้าในปัจจุบันเป็นแบบ Li-Ion ซึ่งเป็นหนึ่งในหลายๆ แบบที่ค่ายรถยนต์แต่ละค่ายจะเลือกใช้งาน แต่ละแบบก็มีข้อดีข้อเสียแตกต่างกัน ผมจะเลือกกล่าวเฉพาะแบตเตอรี่ 2 ชนิดที่มีการใช้งานมากที่สุดในขณะนี้คือแบบ Li-Ion และ NiMh

ในตารางเปรียบเทียบจะเห็นได้ว่ามีคุณสมบัติที่เราใช้พิจารณาอยู่ 7 หัวข้อใช้เป็นตัวชี้วัดแบตเตอรี่ทุกชนิดที่ใช้สำหรับรถยนต์ไฟฟ้าได้เป็นอย่างดีและง่ายที่จะเข้าใจหัวข้อที่สำคัญมี 3 ข้อที่ควรทราบคือ Life Span คือ อายุการใช้งานหน่วยเป็นรอบของการชาร์จประจุ ตรงหัวข้อนี้ใช้ชี้วัดได้อย่างคร่าวๆ เพราะมีปัจจัยอื่นมาเกี่ยวข้องด้วย เช่น สภาพการใช้งาน หรือแม้กระทั่งการคายประจุของแบตเตอรี่ ดังนั้นเราอาจจะคิดจากค่าเฉลี่ยอายุการใช้งานอยู่ที่ 8 ปี หรือ 160,000 กิโลเมตร

Specific Energy (Wh/kg) ยิ่งสูงยิ่งดีเพราะรถยนต์ไฟฟ้าที่ต้องการระยะทางต่อการชาร์จ 1 ครั้งมากๆ ดังนั้นความจุไฟฟ้าในตัวแบตเตอรี่ต่อน้ำหนักต้องสูง Specific Power (W/kg) กำลังไฟฟ้าต่อน้ำหนักตัวเลขนี้ยิ่งสูงยิ่งดี กำลังไฟฟ้ามากยิ่งทำให้รถยนต์มีอัตราเร่งที่ดี ให้ทอร์คสูง

โดยสรุปแล้วเราจะเห็นได้ชัดเจนว่า Li-Ion มีความได้เปรียบหลายด้านและมีการใช้งานอยู่มากกว่าในการผลิตรถยนต์ไฟฟ้าในปัจจุบันและแนวโน้มการใช้งานต่อเนื่องไปอีกอย่างน้อย 2 ทศวรรษ รูปแบบที่แตกต่างกันของแบตเตอรี่ Li-Ion ได้รับการพัฒนาแตกย่อยออกไปแล้วอีกหลายแบบเพื่อประสิทธิภาพที่เพิ่มขึ้น รวมถึงความปลอดภัยในการใช้งาน เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม และความสามารถของการนำมารีไซเคิลแบตเตอรี่ชนิดนี้คงเป็นอันดับต้นๆ ของมาตรฐานในรถยนต์ไฟฟ้าเกือบทุกค่ายอย่างไม่ต้องสงสัยถึงแม้ว่าจะมีข้อเสียอยู่บ้างก็ตาม เช่น การชาร์จไฟฟ้าต้องสม่ำเสมอในทุกๆ เซลล์ย่อยในแบตเตอรี่แพ็ก ทำให้ต้องการระบบการ Battery Management ที่มีประสิทธิภาพสูง ส่วนแบตเตอรี่แบบ Solid-State ที่ยังใช้อยู่ในขั้นตอนพัฒนาสำหรับใช้งานในรถยนต์ไฟฟ้า ยังไม่เข้าสู่การป้อนเข้าไปในสายการผลิต ค่ายรถยนต์ยุโรปค่ายหนึ่งกำลังพัฒนาร่วมกับผู้ผลิตแบตเตอรี่ที่เป็นพันธมิตรกัน ก็อาจจะเป็นแบตเตอรี่อีกชนิดหนึ่งที่ดีกว่าแบตเตอรี่ที่มีใช้งานอยู่ทั้งหมดก็ได้ ซึ่งเราต้องติดตามข้อมูลกันต่อไป

Source: นิตยสาร Green Network ฉบับที่ 96 พฤศจิกายน-ธันวาคม 2562 คอลัมน์ GREEN Focus
โดย ชินวุฒิ ขวัญณัฐพร B.ENG (Mechanical), MS (CEM) นักวิชาการ ด้านวิศวกรรมยานยนต์

การออกแบบ

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

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

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

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