โครงสร้างและการออกแบบของรถยนต์ไฟฟ้าล้วนแตกต่างจากรถยนต์ที่ขับเคลื่อนด้วยเครื่องยนต์สันดาปภายในแบบดั้งเดิม นอกจากนี้ยังเป็นระบบวิศวกรรมที่ซับซ้อน จำเป็นต้องบูรณาการเทคโนโลยีแบตเตอรี่ เทคโนโลยีมอเตอร์ขับเคลื่อน เทคโนโลยีรถยนต์ และทฤษฎีการควบคุมสมัยใหม่ เพื่อให้ได้กระบวนการควบคุมที่เหมาะสมที่สุด ในแผนพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีรถยนต์ไฟฟ้า ประเทศยังคงยึดมั่นในแผนการวิจัยและพัฒนาแบบ "สามแนวตั้งและสามแนวนอน" และเน้นการวิจัยเทคโนโลยีหลักทั่วไปของ "สามแนวนอน" ตามกลยุทธ์การเปลี่ยนแปลงเทคโนโลยีของ "ระบบขับเคลื่อนไฟฟ้าล้วน" กล่าวคือ การวิจัยเกี่ยวกับมอเตอร์ขับเคลื่อนและระบบควบคุม แบตเตอรี่และระบบจัดการ และระบบควบคุมระบบส่งกำลัง ผู้ผลิตรายใหญ่แต่ละรายกำหนดกลยุทธ์การพัฒนาธุรกิจของตนเองตามยุทธศาสตร์การพัฒนาประเทศ
ผู้เขียนได้จัดเรียงเทคโนโลยีสำคัญในกระบวนการพัฒนาระบบขับเคลื่อนพลังงานใหม่ โดยให้พื้นฐานทางทฤษฎีและข้อมูลอ้างอิงสำหรับการออกแบบ การทดสอบ และการผลิตระบบขับเคลื่อน เนื้อหาแบ่งออกเป็นสามบทเพื่อวิเคราะห์เทคโนโลยีสำคัญของการขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้าในระบบขับเคลื่อนของรถยนต์ไฟฟ้าล้วน วันนี้เราจะเริ่มต้นด้วยการแนะนำหลักการและการจำแนกประเภทของเทคโนโลยีการขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้า
รูปที่ 1 การเชื่อมโยงที่สำคัญในการพัฒนาระบบขับเคลื่อน
ในปัจจุบัน เทคโนโลยีหลักของระบบขับเคลื่อนรถยนต์ไฟฟ้าล้วนประกอบด้วย 4 ประเภทดังต่อไปนี้:
รูปที่ 2 เทคโนโลยีหลักสำคัญของระบบขับเคลื่อน
นิยามของระบบมอเตอร์ขับเคลื่อน
ระบบขับเคลื่อนไฟฟ้าจะแปลงพลังงานไฟฟ้าที่ผลิตจากอุปกรณ์ผลิตพลังงานสำรองบนรถให้เป็นพลังงานกล โดยขึ้นอยู่กับสถานะของแบตเตอรี่และข้อกำหนดด้านพลังงานของรถ จากนั้นพลังงานกลบางส่วนจากรถยนต์จะถูกแปลงเป็นพลังงานไฟฟ้าและส่งกลับไปยังอุปกรณ์ผลิตพลังงานสำรอง ระบบขับเคลื่อนไฟฟ้าประกอบด้วยมอเตอร์ กลไกการส่งกำลัง ตัวควบคุมมอเตอร์ และส่วนประกอบอื่นๆ พารามิเตอร์ทางเทคนิคในการออกแบบระบบขับเคลื่อนไฟฟ้าส่วนใหญ่ประกอบด้วย กำลัง แรงบิด ความเร็ว แรงดันไฟฟ้า อัตราทดเกียร์ ความจุของแหล่งจ่ายไฟ กำลังไฟฟ้าขาออก แรงดันไฟฟ้า กระแสไฟฟ้า เป็นต้น
1) ตัวควบคุมมอเตอร์
เรียกอีกอย่างว่าอินเวอร์เตอร์ ทำหน้าที่แปลงกระแสตรงที่ป้อนเข้ามาจากแบตเตอรี่ให้เป็นกระแสสลับ ส่วนประกอบหลัก:
◎ IGBT: สวิตช์อิเล็กทรอนิกส์กำลัง หลักการ: ควบคุมแขนบริดจ์ IGBT ผ่านตัวควบคุม เพื่อให้ปิดวงจรตามความถี่และลำดับที่กำหนด เพื่อสร้างกระแสสลับสามเฟส โดยการควบคุมให้สวิตช์อิเล็กทรอนิกส์กำลังปิดวงจร จะสามารถแปลงกระแสสลับเป็นแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับได้ จากนั้นจึงสร้างแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับโดยการควบคุมรอบการทำงาน (duty cycle)
◎ ตัวเก็บประจุฟิล์ม: ทำหน้าที่กรองสัญญาณ; เซ็นเซอร์กระแส: ตรวจจับกระแสของขดลวดสามเฟส
2) วงจรควบคุมและขับเคลื่อน: แผงควบคุมคอมพิวเตอร์, วงจรขับเคลื่อน IGBT
หน้าที่ของตัวควบคุมมอเตอร์คือการแปลงกระแสตรง (DC) เป็นกระแสสลับ (AC) รับสัญญาณแต่ละสัญญาณ และส่งออกกำลังและแรงบิดที่สอดคล้องกัน ส่วนประกอบหลัก ได้แก่ สวิตช์อิเล็กทรอนิกส์กำลัง ตัวเก็บประจุแบบฟิล์ม เซ็นเซอร์กระแส วงจรขับควบคุม เพื่อเปิดสวิตช์ต่างๆ สร้างกระแสในทิศทางต่างๆ และสร้างแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับ ดังนั้น เราสามารถแบ่งกระแสสลับไซน์ออกเป็นรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้า พื้นที่ของรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้าจะถูกแปลงเป็นแรงดันไฟฟ้าที่มีความสูงเท่ากัน แกน x จะควบคุมความยาวโดยการควบคุมรอบการทำงาน และสุดท้ายจะแปลงพื้นที่ให้เท่ากัน ด้วยวิธีนี้ สามารถควบคุมกำลังไฟฟ้ากระแสตรงเพื่อปิดแขนบริดจ์ IGBT ที่ความถี่และลำดับการสลับที่กำหนดผ่านตัวควบคุมเพื่อสร้างกำลังไฟฟ้ากระแสสลับสามเฟส
ในปัจจุบัน ส่วนประกอบสำคัญของวงจรขับเคลื่อนยังต้องพึ่งพาการนำเข้า ได้แก่ ตัวเก็บประจุ หลอดสวิตช์ IGBT/MOSFET ตัวประมวลผลสัญญาณดิจิทัล (DSP) ชิปอิเล็กทรอนิกส์ และวงจรรวม ซึ่งสามารถผลิตได้เองแต่มีกำลังการผลิตต่ำ ได้แก่ วงจรพิเศษ เซ็นเซอร์ ตัวเชื่อมต่อ ซึ่งสามารถผลิตได้เองเช่นกัน ได้แก่ แหล่งจ่ายไฟ ไดโอด ตัวเหนี่ยวนำ แผงวงจรหลายชั้น สายไฟหุ้มฉนวน และแผงระบายความร้อน
3) มอเตอร์: แปลงกระแสสลับสามเฟสให้เป็นพลังงานกล
◎ โครงสร้าง: ฝาครอบด้านหน้าและด้านหลัง, ตัวเรือน, เพลา และตลับลูกปืน
◎ วงจรแม่เหล็ก: แกนสเตเตอร์, แกนโรเตอร์
◎ วงจร: ขดลวดสเตเตอร์, ตัวนำโรเตอร์
4) อุปกรณ์ส่งสัญญาณ
ชุดเกียร์หรือตัวลดเกียร์จะแปลงแรงบิดและความเร็วที่ส่งออกมาจากมอเตอร์ ให้เป็นความเร็วและแรงบิดที่จำเป็นสำหรับยานพาหนะทั้งคัน
ประเภทของมอเตอร์ขับเคลื่อน
มอเตอร์ขับเคลื่อนแบ่งออกเป็นสี่ประเภทดังต่อไปนี้ ในปัจจุบัน มอเตอร์เหนี่ยวนำไฟฟ้ากระแสสลับและมอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวรเป็นประเภทที่พบได้บ่อยที่สุดในรถยนต์ไฟฟ้าพลังงานใหม่ ดังนั้นเราจึงมุ่งเน้นไปที่เทคโนโลยีของมอเตอร์เหนี่ยวนำไฟฟ้ากระแสสลับและมอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวร
| มอเตอร์ DC | มอเตอร์เหนี่ยวนำไฟฟ้ากระแสสลับ | มอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวร | มอเตอร์แบบสวิตช์รีลักแทนซ์ | |
| ข้อได้เปรียบ | ต้นทุนต่ำกว่า ความต้องการระบบควบคุมต่ำกว่า | ต้นทุนต่ำ ครอบคลุมกำลังไฟฟ้ากว้าง เทคโนโลยีควบคุมที่พัฒนาแล้ว ความน่าเชื่อถือสูง | ความหนาแน่นพลังงานสูง ประสิทธิภาพสูง ขนาดเล็ก | โครงสร้างเรียบง่าย ความต้องการระบบควบคุมต่ำ |
| ข้อเสีย | ต้องการการบำรุงรักษาสูง ความเร็วต่ำ แรงบิดต่ำ อายุการใช้งานสั้น | พื้นที่ใช้งานขนาดเล็กแต่มีประสิทธิภาพสูง ความหนาแน่นพลังงานต่ำ | ต้นทุนสูง ปรับตัวเข้ากับสิ่งแวดล้อมได้ไม่ดี | แรงบิดผันผวนมาก เสียงดังขณะทำงาน |
| แอปพลิเคชัน | รถยนต์ไฟฟ้าขนาดเล็กหรือขนาดจิ๋วความเร็วต่ำ | รถยนต์ไฟฟ้าเพื่อธุรกิจและรถยนต์นั่งส่วนบุคคล | รถยนต์ไฟฟ้าเพื่อธุรกิจและรถยนต์นั่งส่วนบุคคล | รถยนต์พลังงานผสม |
1) มอเตอร์เหนี่ยวนำไฟฟ้ากระแสสลับแบบอะซิงโครนัส
หลักการทำงานของมอเตอร์อะซิงโครนัสแบบเหนี่ยวนำไฟฟ้ากระแสสลับคือ ขดลวดจะผ่านร่องของสเตเตอร์และโรเตอร์ ซึ่งประกอบด้วยแผ่นเหล็กบางๆ ที่มีค่าการนำไฟฟ้าแม่เหล็กสูง กระแสไฟฟ้าสามเฟสจะไหลผ่านขดลวด ตามกฎการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าของฟาราเดย์ จะเกิดสนามแม่เหล็กหมุนขึ้น ซึ่งเป็นสาเหตุที่ทำให้โรเตอร์หมุน ขดลวดทั้งสามของสเตเตอร์ต่อกันที่ช่วงห่าง 120 องศา และตัวนำที่มีกระแสไหลผ่านจะสร้างสนามแม่เหล็กขึ้นรอบๆ เมื่อจ่ายกระแสไฟฟ้าสามเฟสเข้าไปในโครงสร้างพิเศษนี้ สนามแม่เหล็กจะเปลี่ยนทิศทางไปตามการเปลี่ยนแปลงของกระแสสลับในช่วงเวลาหนึ่ง ทำให้เกิดสนามแม่เหล็กที่มีความเข้มของการหมุนสม่ำเสมอ ความเร็วในการหมุนของสนามแม่เหล็กนี้เรียกว่าความเร็วซิงโครนัส สมมติว่ามีตัวนำปิดอยู่ภายใน ตามกฎของฟาราเดย์ เนื่องจากสนามแม่เหล็กเปลี่ยนแปลงได้ วงจรจะรับรู้ถึงแรงเคลื่อนไฟฟ้า ซึ่งจะสร้างกระแสไฟฟ้าในวงจร สถานการณ์นี้เปรียบเสมือนวงจรที่มีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านในสนามแม่เหล็ก ทำให้เกิดแรงแม่เหล็กไฟฟ้าขึ้นบนวงจร และทำให้โรเตอร์เริ่มหมุน โดยใช้หลักการคล้ายกับกรงกระรอก กระแสไฟฟ้าสลับสามเฟสจะสร้างสนามแม่เหล็กหมุนผ่านสเตเตอร์ และกระแสไฟฟ้าจะถูกเหนี่ยวนำในแท่งกรงกระรอกที่ลัดวงจรกับวงแหวนปลาย ทำให้โรเตอร์เริ่มหมุน ซึ่งเป็นเหตุผลที่มอเตอร์ชนิดนี้เรียกว่ามอเตอร์เหนี่ยวนำ ด้วยความช่วยเหลือของการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า แทนที่จะต่อสายดินโดยตรงกับโรเตอร์เพื่อเหนี่ยวนำไฟฟ้า จึงมีการใช้แผ่นเหล็กฉนวนบรรจุอยู่ในโรเตอร์ เพื่อให้เหล็กขนาดเล็กช่วยลดการสูญเสียจากกระแสไหลวนให้น้อยที่สุด
2) มอเตอร์ซิงโครนัส AC
โรเตอร์ของมอเตอร์ซิงโครนัสแตกต่างจากโรเตอร์ของมอเตอร์อะซิงโครนัส โรเตอร์จะติดตั้งแม่เหล็กถาวร ซึ่งสามารถแบ่งออกเป็นแบบติดตั้งบนพื้นผิวและแบบฝัง โรเตอร์ทำจากแผ่นเหล็กซิลิคอน และฝังแม่เหล็กถาวรไว้ สเตเตอร์ก็ต่อกับกระแสสลับที่มีเฟสต่างกัน 120 องศาเช่นกัน ซึ่งควบคุมขนาดและเฟสของกระแสสลับรูปคลื่นไซน์ เพื่อให้สนามแม่เหล็กที่เกิดจากสเตเตอร์มีทิศทางตรงข้ามกับสนามแม่เหล็กที่เกิดจากโรเตอร์ และสนามแม่เหล็กจะหมุน ด้วยวิธีนี้ สเตเตอร์จะถูกดึงดูดด้วยแม่เหล็กและหมุนไปพร้อมกับโรเตอร์ การหมุนวนเกิดขึ้นจากการดูดกลืนกันระหว่างสเตเตอร์และโรเตอร์เป็นวัฏจักร
สรุป: ระบบขับเคลื่อนมอเตอร์สำหรับรถยนต์ไฟฟ้าได้กลายเป็นกระแสหลักไปแล้ว แต่ก็ไม่ได้มีเพียงระบบเดียว แต่มีความหลากหลาย แต่ละระบบขับเคลื่อนมอเตอร์มีดัชนีรวมของตัวเอง แต่ละระบบถูกนำไปใช้ในระบบขับเคลื่อนรถยนต์ไฟฟ้าที่มีอยู่ ส่วนใหญ่เป็นมอเตอร์อะซิงโครนัสและมอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวร ในขณะที่บางส่วนพยายามใช้มอเตอร์แบบสวิตช์รีลักแทนซ์ สิ่งสำคัญที่ควรกล่าวถึงคือ ระบบขับเคลื่อนมอเตอร์ได้บูรณาการเทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์กำลัง เทคโนโลยีไมโครอิเล็กทรอนิกส์ เทคโนโลยีดิจิทัล เทคโนโลยีควบคุมอัตโนมัติ วิทยาศาสตร์วัสดุ และสาขาวิชาอื่นๆ เพื่อสะท้อนให้เห็นถึงการประยุกต์ใช้และการพัฒนาอย่างครอบคลุมของหลายสาขาวิชา จึงเป็นคู่แข่งที่แข็งแกร่งในตลาดมอเตอร์รถยนต์ไฟฟ้า เพื่อที่จะมีบทบาทในรถยนต์ไฟฟ้าในอนาคต มอเตอร์ทุกชนิดไม่เพียงแต่ต้องปรับโครงสร้างมอเตอร์ให้เหมาะสมเท่านั้น แต่ยังต้องสำรวจด้านอัจฉริยะและดิจิทัลของระบบควบคุมอย่างต่อเนื่องด้วย
วันที่เผยแพร่: 30 มกราคม 2023