รถยนต์ไฟฟ้า
รถยนต์ไฟฟ้า คือ รถยนต์ที่ขับเคลื่อนด้วยมอเตอร์ไฟฟ้า โดยใช้พลังงานไฟฟ้าที่เก็บอยู่ในแบตเตอรี่หรืออุปกรณ์เก็บพลังงานไฟฟ้าแบบอื่นๆ ซึ่งข้อดีของมอเตอร์ไฟฟ้าทำให้เกิดแรงบิดได้ทันที ส่งผลให้รถยนต์พลังงานไฟฟ้ามีอัตราเร่งที่เรียบและรวดเร็ว ซึ่งปัจจุบันรถยนต์ไฟฟ้าได้แบ่งเป็นประเภทต่างๆ ตามระบบการใช้งาน ดังนี้
รถยนต์ไฟฟ้าระบบไฮบริด หรือ Hybrid Electric Vehicle (HEV) มีรูปแบบการทำงานที่ใช้น้ำมันเชื้อเพลิงผสมกับพลังงานไฟฟ้า โดยยังคงใช้เครื่องยนต์หลักดั้งเดิมในการขับเคลื่อน แต่จะมีมอเตอร์และแบตเตอรี่ที่จะช่วยให้รถยนต์สามารถวิ่งได้ด้วยการใช้ไฟฟ้าประมาณ 2-3 กิโลเมตร โดยเครื่องยนต์หลักที่ใช้จะทำงานผสมผสานกับระบบมอเตอร์ไฟฟ้าในการขับเคลื่อน ซึ่งระบบจะเลือกทำงานเองโดยอัตโนมัติ โดยมอเตอร์จะช่วยออกตัวด้วยระบบไฟฟ้า ก่อนที่เครื่องยนต์จะทำงานต่อ ทั้งนี้หากเมื่อรถติด หรือรถหยุดนิ่ง ถ้ารถมีแบตเตอรี่มากพอ เครื่องยนต์จะดับ แล้วดึงไฟจากแบตเตอรี่มาใช้ในอุปกรณ์ต่างๆ เช่น ไฟหน้ารถ แอร์รถยนต์ เครื่องเสียง เป็นต้น
รถยนต์ไฟฟ้าปลั๊ก-อิน ไฮบริด หรือ Plug-in Hybrid (PHEV) ซึ่งเป็นรถยนต์ที่ผสานเครื่องยนต์กับแบตเตอรี่ขนาดใหญ่ที่ชาร์จไฟได้ โดยการเสียบปลั๊กไฟฟ้าที่อยู่ในบ้านหรือที่สถานีชาร์จไฟ ใช้เวลาชาร์จประมาณ 4-6 ชั่วโมงจนแบตเตอรี่เต็ม ซึ่งช่วยให้รถยนต์สามารถวิ่งได้โดยใช้พลังงานไฟฟ้าจากแบตเตอรี่อย่างเดียว ประมาณ 20-50 กิโลเมตร โดยไม่ต้องใช้น้ำมัน แต่ทั้งนี้ก็สามารถกลับมาใช้ระบบไฮบริดที่ใช้ทั้งน้ำมันและไฟฟ้าได้เช่นกัน
รถยนต์พลังงานไฟฟ้า 100% หรือ Electric Vehicle (EV) จะใช้พลังงานไฟฟ้าจากแบตเตอรี่เพียงอย่างเดียว ไม่มีเครื่องยนต์ระบบสันดาปภายในไว้ใช้งาน จึงไม่มีการปล่อยไอเสียและไม่สร้างมลพิษ ซึ่งสามารถชาร์จไฟได้สม่ำเสมอเมื่อแบตเตอรี่หมด ผ่านทางที่ชาร์จภายในบ้านหรือสถานีชาร์จไฟ โดยใช้เวลาประมาณ 6-8 ชั่วโมงในการชาร์จปกติ หรือ 2-4 ชั่วโมงในการชาร์จผ่านแทนชาร์จเร็ว
อี–พาวเวอร์ (E-Power) เป็นเทคโนโลยีที่ถูกคิดค้นและพัฒนาขึ้นโดยค่ายรถยนต์ยักษ์ใหญ่อย่างนิสสัน ซึ่งมีการผสมผสานการทำงานระหว่างมอเตอร์ไฟฟ้า และระบบเครื่องกำเนิดไฟฟ้า โดยหลักการง่ายๆ ของระบบอี-พาวเวอร์ ค่อนข้างคล้ายกับระบบไฮบริด คือประกอบด้วย เครื่องยนต์และมอเตอร์ไฟฟ้า ต่างกันที่ อี-พาวเวอร์ จะขับเคลื่อนด้วยมอเตอร์ไฟฟ้า โดยมีเครื่องยนต์ขนาดเล็กทำหน้าที่ปั่นกระแสไฟฟ้าเก็บไว้ที่แบตเตอรี่และส่งพลังงานไปยังมอเตอร์ไฟฟ้า ขณะที่ไฮบริดขับเคลื่อนด้วยเครื่องยนต์โดยมีมอเตอร์ไฟฟ้าค่อยสนับสนุน อีกทั้งยังต่างกับรถยนต์ไฟฟ้า (EV) ตรงที่ไม่ต้องเสียบปลั๊กชาร์จไฟ เพียงแค่เติมน้ำมันก็สามารถใช้งานได้เหมือนรถยนต์ทั่วไปแล้ว
รถพลังงานไฮโดนเจน (Fuel Cell) ซึ่งถือเป็นรถยนต์ไฟฟ้าประเภทหนึ่งเช่นกัน เพราะมีการใช้ไฮโดรเจนที่เป็นพลังงานสะอาด มาแปลงเป็นกระแสไฟฟ้าแล้วนำไปขับเคลื่อนมอเตอร์ไฟฟ้าให้รถยนต์สามารถวิ่งได้ โดยในโครงสร้างจะมีแผงเซลล์เชื้อเพลิงที่เก็บไฮโดรเจนในรูปแบบของเหลว มอเตอร์ไฟฟ้าที่ทำหน้าที่ขับเคลื่อนและชาร์จกระแสไฟฟ้า และแบตเตอรี่ ซึ่งหลักการทำงานของรถยนต์ระบบนี้ จะมีการส่งไฮโดรเจนและอากาศที่มีออกซิเจนเข้าไปสู่แผงเซลล์เชื้อเพลิงเพื่อทำปฏิกิริยาการสร้างกระแสไฟฟ้าเข้ามาเก็บในแบตเตอรี่ จากนั้นกระแสไฟฟ้าจากแบตเตอรี่ก็จะถูกส่งไปที่มอเตอร์ไฟฟ้าเพื่อใช้ในการขับเคลื่อนรถยนต์ต่อไป
แบตเตอรี่
แบตเตอรี่ เป็นส่วนประกอบที่สำคัญของรถยนต์ไฟฟ้าแบตเตอรี่ มีผลต่อต้นทุนของราคารถยนต์ ระยะเวลาในการชาร์จ และระยะทางในการขับขี่ ผู้พัฒนารถยนต์ไฟฟ้าแบตเตอรี่จึงต้องพัฒนาเทคโนโลยีแบตเตอรี่ให้มีคุณภาพสูงและต้นทุนต่ำเพื่อผลักดันให้มีการใช้ไฟฟ้าอย่างแพร่หลายแบตเตอรี่ที่ใช้งานแบ่งออกเป็น 3 ประเภทคือ
แบตเตอรี่นิกเกิลเมทัลไฮดรายด์ (Ni-MH) เป็นแบตเตอรี่ที่ใช้สำหรับรถยนต์ไฟฟ้าไฮบริด แบตเตอรี่ชนิดนี้ให้ค่าความจุพลังงานที่สูง มีประสิทธิภาพและอายุการใช้งานได้นาน แต่มีน้ำหนักมาก
แบตเตอรี่ลิเธียมไอออน (Li-ion) เป็นแบตเตอรี่ที่ได้รับความนิยมใช้ในรถยนต์ไฟฟ้า มีความจุพลังงานสูงและน้ำหนักน้อย มีอัตราการคายประจุในขณะที่แบตเตอรี่ยังไม่ทำงานต่ำ และมีอายุการใช้งานที่ยาวนาน แต่มีราคาสูงเมื่อเทียบกับแบตเตอรี่ชนิดอื่น
แบตเตอรี่โซเดียมไอออน (Sodium-ion) เป็นแบตเตอรี่ที่มีต้นทุนในการผลิตต่ำ อีกทั้งมีความปลอดภัยสูงและมีประสิทธิภาพในการเก็บไฟฟ้าได้ดีกว่าแบตเตอรี่แบบลิเธียมไอออนมากถึง 20 เปอร์เซ็นต์ แต่ยังอยู่ในระหว่างขั้นตอนการวิจัยพัฒนายังไม่ผลิตใช้ในอุตสาหกรรม
การชาร์จไฟของรถยนต์ไฟฟ้าแบตเตอรี่
รถยนต์ไฟฟ้าแบตเตอรี่จะรับไฟฟ้าจากแหล่งจ่ายด้านนอกเป็นไฟฟ้ากระแสสลับผ่านอุปกรณ์แปลงไฟฟ้าที่ทำหน้าที่แปลงไฟฟ้าเป็นกระแสตรงเข้าสู่แบตเตอรี่ ถ้าชาร์จที่บ้านจะใช้เวลาประมาณ 6-8 ชั่วโมง ในขณะที่การชาร์จที่ตู้ชาร์จตามสถานีชาร์จไฟฟ้าจะใช้เวลาประมาณ 15 – 30 นาที เนื่องจากเป็นการชาร์จด้วยแรงดันและกระแสไฟฟ้าที่สูงกว่าไฟบ้าน ทำให้สามารถชาร์จไฟได้เร็วกว่าและเมื่อเทียบกับการเติมน้ำมันจะใช้เวลาเพียง 2 นาทีเท่านั้น แต่รถยนต์ไฟฟ้าแบตเตอรี่จะขับเคลื่อนได้ระยะทางมากกว่าเมื่อเสียค่าใช้จ่ายพลังงานที่เท่ากัน
ความสัมพันธ์ระหว่างรถยนต์ไฟฟ้าแบตเตอรี่กับศาสตร์อื่น
ความรู้วัสดุศาสตร์ มาใช้ในการผลิตโครงรถยนต์ซึ่งต้องมีน้ำหนักเบาเพื่อประหยัดพลังงานในการขับเคลื่อนและมีความแข็งแรง เช่น การนำอลูมิเนียมมาใช้แทนเหล็กที่มีน้ำหนักมาก ที่นั่งและแกนกลางของพวงมาลัยทำจากแมกนีเซียมซึ่งเป็นโลหะที่มีน้ำหนักเบา ตัวถังรถยนต์ทำจากพลาสติกที่ทนต่อแรงกระแทก และสามารถรีไซเคิลได้
ความรู้วิศวกรรมศาสตร์ เรื่องกลศาสตร์ และวัสดุศาสตร์ มาพัฒนาเบาะที่นั่งให้มีความสะดวกสบายต่อการใช้งาน รับน้ำหนักได้มาก
ความรู้วิทยาศาสตร์ เรื่องการเหนี่ยวนำของแม่เหล็กไฟฟ้า มาสร้างมอเตอร์โดยเปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานกล เพื่อให้มีแรงบิดและความเร็วรอบตามที่ต้องการอย่างมีประสิทธิภาพ
ความรู้วิทยาศาสตร์ เรื่องเซลล์เคมีไฟฟ้า มาสร้างแบตเตอรี่ซึ่งเป็นอุปกรณ์หลักในการเก็บและจ่ายพลังงานไฟฟ้า โดยการเปลี่ยนพลังงานเคมีเป็นพลังงานไฟฟ้าเพื่อให้สามารถจัดเก็บพลังงานได้มาก มีน้ำหนักเบาและทนทาน
ความรู้วิทยาศาสตร์ เรื่องเซ็นเซอร์ มาใช้ในการควบคุมแรงดันไฟฟ้าและอุณหภูมิของแบตเตอรี่ เพื่อควบคุมอัตราการชาร์จให้สัมพันธ์กับอุณหภูมิของแบตเตอรี่ความรู้วิทยาศาสตร์และวิศวกรรมศาสตร์ เรื่องแรงดันไฟฟ้า และการออกแบบวงจรอิเล็กทรอนิกส์ มาพัฒนาอุปกรณ์แปลงกระแสไฟฟ้าซึ่งทำหน้าที่แปลงไฟฟ้ากระแสตรงเป็นไฟฟ้ากระแสสลับ
ผลกระทบของการใช้รถยนต์ไฟฟ้าแบตเตอรี่
ด้านเศรษฐกิจ
ด้านบวก : วัตถุดิบที่ใช้ทำแบตเตอรี่รถยนต์ไฟฟ้าจะมีราคาเพิ่มขึ้น ส่งเสริมให้เกิดอุตสาหกรรมการผลิตประเภทใหม่ มีการลงทุนจากต่างชาติทำให้เกิดรายได้เข้าประเทศมากขึ้น
ด้านลบ : ความต้องการใช้พลังงานเชื้อเพลิงในภาคการขนส่งลดลงทำให้อุตสาหกรรมน้ำมันมีมูลค่าลดลงอุตสาหกรรมแบบเดิมที่ผลิตชิ้นส่วนรถยนต์พลังงานเชื้อเพลิงอาจเกิดการปิดตัวลง ถ้ามีการใช้ไฟฟ้าพร้อมกันเป็นจำนวนมากอาจทำให้ผลิตไฟฟ้าไม่ทัน
ด้านสังคม
ด้านบวก : คุณภาพการใช้ชีวิต และสุขภาพของประชาชนดีขึ้น เพราะคุณภาพอากาศดีขึ้น เมื่อเกิดอุตสาหกรรมประเภทใหม่ขึ้นมาทำให้เกิดความต้องการของแรงงานมากขึ้นซึ่งเป็นการเพิ่มอาชีพใหม่
ด้านลบ : ความต้องการด้านแรงงานลดลงเนื่องจากรถยนต์ไฟฟ้ามีชิ้นส่วนที่ใช้ลดลงเป็นจำนวนมาก ทำให้เกิดปัญหาว่างงานเพิ่มขึ้น
ด้านสิ่งแวดล้อม
ด้านบวก : ลดมลพิษทางอากาศ ฝุ่นละออง และเสียง
ด้านลบ : มีการสร้างโรงงานผลิตไฟฟ้าเพิ่มขึ้น เกิดขยะอิเล็กทรอนิกส์จากแบตเตอรี่ที่เสื่อมสภาพ
อ้างอิง
สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี, หนังสือเรียนรายวิชาพื้นฐานวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี เทคโนโลยี(การออกแบบและเทคโนโลยี), พิมพ์ครั้งที่ 1, สถานที่พิมพ์ : โรงพิมพ์ สกสค. ลาดพร้าว, ปีที่พิมพ์ 2563
P_P, “รถยนต์ไฟฟ้า คืออะไร มีระบบแบบใดบ้าง”, https://masii.co.th สืบค้นวันที่ 1มิ.ย. 63
nissan, “รถยนต์พลังงานไฟฟ้า 100%”, https://www.nissan.co.th/experience-nissan/Nissan-EV/how-EV-work.html สืบค้นวันที่ 1 มิ.ย. 63
mreport, “PEVE เสริมกำลังผลิตแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนหนุน Toyota”, https://www.mreport.co.th/news/industry-movement/1808210005-Automotive-LithiumIon-Battery สืบค้นวันที่ 1 มิ.ย. 63 nopick, “แบตเตอร์รี่โซเดียม-ไอออน อีกหนึ่งทางเลือกสำหรับอุปกรณ์พกพา – รถยนต์ไฟฟ้า”, https://pantip.com/topic/39263603 สืบค้นวันที่ 1 มิ.ย. 63
