Development of next generation vehicle technologies

นับตั้งแต่ประชาคมโลกได้เริ่มจัดทำกรอบอนุสัญญาสหประชาชาติว่าด้วยการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ (United Nations Framework Convention on Climate Change, UNFCCC) ขึ้นในปี พ.ศ. 2540 โดยมีจุดมุ่งหมายที่สำคัญคือการเรียกร้องให้ประเทศอุตสาหกรรมลดการปล่อยก๊าซเรือนกระจก (Greenhouse gases, GHG) โดยมีหนึ่งในหลายมาตรการที่สำคัญออกมาบังคับใช้ คือ การลดการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (CO₂) จากรถยนต์ที่ใช้เครื่องยนต์สันดาปภายใน (Internal combustion engine, ICE) ที่ถูกผลิตขึ้นใหม่ จากมาตรการนี้ ในปลายปี พ.ศ. 2540 เดียวกัน บริษัทโตโยต้าจึงได้ผลิตรถยนต์รุ่นพริอุส (Prius) ขึ้นเพื่อจำหน่ายเป็นยานยนต์ไฟฟ้าไฮบริด (Hybrid Electric Vehicle, HEV) รุ่นแรกของโลก ซึ่งเป็นยานยนต์ที่ใช้มอเตอร์ขับเคลื่อน (Traction motor) ทำงานร่วมกับเครื่องยนต์สันดาปภายใน จึงทำให้ยานยนต์มีประสิทธิภาพสูงขึ้น อัตราการสิ้นเปลืองเชื้อเพลิงลดลง และที่สำคัญช่วยทำให้การปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (CO₂) มีค่าลดลง เมื่อเปรียบเทียบกับรถยนต์ที่ใช้เครื่องยนต์สันดาปภายใน เพื่อที่จะทำให้ปัญหาการปล่อยมลพิษจากรถยนต์ให้หมดสิ้นไป ปัจจุบันประเทศไทยอยู่ในช่วงเปลี่ยนผ่านเทคโนโลยีรถยนต์ที่ใช้เครื่องยนต์สันดาปภายในไปเป็นยานยนต์ไฟฟ้า ส่งผลให้ยังพบปัญหาของมลพิษทางอากาศ โดยเฉพาะในบริเวณจังหวัดกรุงเทพมหานครและปริมณฑลที่มีปริมาณสารมลพิษมากแห่งหนึ่งของโลก  ปัญหาสิ่งแวดล้อมด้านมลพิษทางอากาศดังกล่าวได้ทวีความรุนแรงมากขึ้นและส่งผลกระทบต่อประชากรในพื้นที่เขตเมืองอย่างต่อเนื่อง  ทำให้เกิดความพยายามที่จะลดปริมาณสารมลพิษทางอากาศให้น้อยลง  โดยเฉพาะปัญหาฝุ่นละอองขนาดเล็กหรือที่เรียกกันว่า “Particulate matter 2.5 (PM2.5)”  ซึ่งส่วนใหญ่มาจากระบบการขนส่ง และพบว่ารถยนต์ดีเซลนั้นเป็นแหล่งกำเนิดหลักในการปลดปล่อยฝุ่น PM2.5 รวมถึงสารมลพิษที่เกิดจากการเผาไหม้ที่ไม่สมบูรณ์ ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ยานยนต์ไฟฟ้าจึงได้ถูกหยิบยกขึ้นมาเป็นประเด็นอย่างมากทั้งในแวดวงอุตสาหกรรม หรือ ในกลุ่มงานวิจัยเพื่อการศึกษา ยานยนต์ไฟฟ้าจะใช้พลังงานไฟฟ้า 100% ในการขับเคลื่อน ซึ่งการใช้งานยานยนต์ไฟฟ้าอย่างแพร่หลาย จะสามารถแก้ปัญหาฝุ่นละออง PM2.5 ได้ อีกทั้งยังช่วยชะลอการใช้งานพลังงานปิโตรเลียมที่มีอยู่อย่างจำกัด ซึ่งมีส่วนสำคัญอย่างมากในระบบการผลิต ขนส่ง และระบบสาธารณูปโภคของประเทศ เพื่อตอบรับต่อการพัฒนาประเทศ ขยายขอบเขตความรู้ที่สามารถใช้งานได้จริง มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรี จึงได้สนับสนุนให้บุคลากรด้านการวิจัยที่มีความสามารถเฉพาะด้าน และมีความสนใจพิเศษที่เกี่ยวข้องกับยานยนต์ไฟฟ้า ได้ร่วมกันเสนอโครงการวิจัยเกี่ยวกับ Next Generation Vehicle โดยใช้ความเชี่ยวชาญเฉพาะด้านของแต่ละบุคคล

หัวข้องานวิจัยด้าน Next Generation Vehicle ที่ร่วมกันเสนอดังกล่าว สามารถจัดเป็นกลุ่มงานวิจัยที่สอดคล้องกันได้ 3 กลุ่ม กลุ่มแรกได้แก่ กลุ่ม Low Carbon and Cleaner Vehicle Technology ประกอบไปด้วยโครงการวิจัยย่อยที่ 1 เน้นการนำเอาเทคนิค Premixed Charge Compression Ignition (PCCI) สำหรับเครื่องยนต์ดีเซลมาใช้ เพื่อลดผลกระทบจากความหนืดของน้ำมันไบโอดีเซลในระบบฉีดเชื้อเพลิง และส่งเสริมให้เกิดการจุดระเบิดในห้องเผาไหม้ได้ดียิ่งขึ้น ทำให้เครื่องยนต์ดีเซลมีประสิทธิภาพที่สูงขึ้นและลดมลพิษจากไอเสียที่เกิดขึ้นหลังจากการจุดระเบิด  นอกจากนี้ยังได้ทำการศึกษาการติดตั้งชุด Diesel Particulate Filters (DPF) ที่ทำหน้าที่ดักจับเขม่าและฝุ่นละอองขนาดเล็ก และการพิสูจน์ผลของการดักจับอนุภาคฝุ่น (Particulate matter 2.5, PM2.5) และอนุภาคของฝุ่นขนาดเล็กมาก (Ultrafine Particles, UP) ซึ่งก่อให้เกิดมลพิษทางอากาศ รวมถึงจะนำข้อมูลที่ได้ไปใช้ในการส่งเสริมมาตรฐานของเครื่องยนต์ดีเซลล์ เพื่อรอบรับมาตรฐาน Euro ที่สูงขึ้น และลดปัญหามลพิษที่เกิดขึ้นในปัจจุบัน

กลุ่มที่สอง ได้แก่ กลุ่ม Electric Vehicles Technologies (โครงการวิจัยย่อยที่ 2 และ 3) ประกอบไปด้วยโครงการวิจัยย่อย 2 โครงการ คือ โครงการวิจัยย่อยที่ 2 การออกแบบและพัฒนาต้นแบบระบบจัดการด้านความร้อนของแบตเตอรี่ (Battery Thermal Management System) สำหรับยานยนต์ไฟฟ้า โดยครอบคลุมทั้งในส่วนระบบจัดการด้านความร้อนของแบตเตอรี่ และส่วนระบบบริหารจัดการแบตเตอรี่ (Battery Management System) ระบบจัดการด้านความร้อนของแบตเตอรี่ จะเป็นการพัฒนาระบบระบายความร้อนที่สามารถควบคุมอุณหภูมิของแบตเตอรี่ให้อยู่ในช่วงที่เหมาะสมต่อการทำงาน เพื่อยืดอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ให้ได้นานที่สุด ในส่วนของโครงการย่อยที่ 3 มุ่งเน้นการศึกษาออกแบบและพัฒนาแพลตฟอร์มยานยนต์ไฟฟ้าซึ่งมีเทคโนโลยีแบตเตอรี่และระบบระบายความร้อนซึ่งเหมาะสมกับการใช้งานในประเทศไทย เทคโนโลยีระบบขับเคลื่อนอัตโนมัติตามพิกัด GPS ซึ่งสามารถพัฒนาต่อยอดในอนาคตโดยใช้เซนเซอร์และอุปกรณ์ตรวจจับสิ่งกีดขวางเพิ่มเติมเพื่อให้ความแม่นยำเพิ่มสูงขึ้น และเทคโนโลยีโครงสร้างน้ำหนักเบาที่ออกแบบโดยใช้กระบวนการ Optimization ร่วมกับการวิเคราะห์ความแข็งแรงด้วยระเบียบวิธีไฟไนต์เอลิเมนต์ ซึ่งโครงสร้างแพลตฟอร์มสำหรับยานยนต์ไฟฟ้าขับเคลื่อนอัตโนมัติจะมีน้ำหนักเบา และยังคงมีความแข็งแรงเพียงพอต่อการใช้งานในสภาวะการขับขี่ที่หลากหลาย

กลุ่มที่ 3 คือกลุ่มของ Charging Infrastructure Technologies ซึ่งจะมีงานวิจัยที่เกี่ยวกับ การส่งกำลังไฟฟ้าแบบไร้สายสำหรับยานยนต์ไฟฟ้า จะถูกใช้งานอย่างมาก เมื่อมีการใช้งานยานยนต์ไฟฟ้าอย่าแพร่หลาย โดยมีความสะดวกในการใช้งาน เนื่องจากผู้ใช้งานไม่จำเป็นต้องเสียบสายเข้ากับตัวรถเพื่อส่งกำลังไฟฟ้า อีกทั้งยังประหยัดพื้นที่ในการติดตั้ง เนื่องจากสามารถฝังชุดส่งกำลังไฟฟ้าไว้ใต้พื้น และชุดรับกำลังไฟฟ้าจะอยู่ที่ตัวรถยนต์ ข้อดีอีกประการ คือการส่งกำลังไฟฟ้าแบบไร้สายจะช่วยให้ผู้ใช้มีความปลอดภัยจากไฟฟ้าดูด นอกจากนี้ ได้มีแนวความคิดการใช้แบตเตอรี่ในยานยนต์ไฟฟ้าเป็นแหล่งกักเก็บพลังงานให้กับระบบโครงข่าย ซึ่งระบบดังกล่าวเรียกว่า ยานยนต์ไฟฟ้าสู่ระบบโครงข่าย (V2G) มีหลักการทำงานคือ แบตเตอรี่ในยานยนต์ไฟฟ้าจะกักเก็บพลังงานเมื่อทำการชาร์จ และ จะสามารถจ่ายกำลังไฟฟ้าคืนให้กับระบบโครงข่ายได้ เมื่อมีความต้องการกำลังไฟฟ้าในช่วงสูงสุด (Peak demand)

ในปัจจุบันการใช้งานระบบส่งกำลังไฟฟ้าไปที่ยานยนต์ไฟฟ้าแบบไร้สายนิยมใช้งานกับการส่งกำลังไฟฟ้าจากระบบโครงข่ายสู่ยานยนต์ไฟฟ้า (Grid-to-vehicle, G2V) เท่านั้น ในงานวิจัยนี้ทางผู้วิจัยได้เล็งเห็นถึงคุณประโยชน์ของระบบ V2G และประโยชน์ของการส่งกำลังไฟฟ้าไปที่ยานยนต์ไฟฟ้าแบบไร้สาย นำมาประยุกต์ใช้เข้าด้วยกัน เพื่อทำให้การใช้งานระบบ V2G มีความสะดวกสบายมากยิ่งขึ้น ซึ่งในงานวิจัยนี้มีความใหม่ และยังสามารถแบ่งปัญหาออกเป็นกลุ่มงานวิจัยย่อยได้หลายสาขา และมีประเด็นที่สามารถนำมาเป็นหัวข้อวิจัยได้ค่อนข้างมาก สามารถพัฒนาต่อยอดเป็นผลิตภัณฑ์ เมื่อมีการใช้งานยานยนต์ไฟฟ้าอย่างแพร่หลาย อีกทั้งยังส่งผลต่อการพัฒนาระบบไฟฟ้า และยานยนต์ไฟฟ้าของประเทศได้อีกทางหนึ่งด้วย