เชิงนามธรรม

การเปลี่ยนผ่านสู่ยานยนต์ไฟฟ้า (EV) ทั่วโลกมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการลดการปล่อยก๊าซเรือนกระจกและการใช้เชื้อเพลิงฟอสซิล แต่การขยายตัวของตลาดรถยนต์ไฟฟ้าส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับความพร้อมของโครงสร้างพื้นฐานการชาร์จ ปัจจุบัน ระบบเสียบปลั๊กชาร์จมีประสิทธิภาพสูง แต่ก็ประสบปัญหาต่างๆ เช่น การสึกหรอของกลไก ความเสี่ยงด้านความปลอดภัย ความไม่สะดวกสำหรับผู้ใช้ และข้อจำกัดด้านความสามารถในการขยายขนาด การถ่ายโอนพลังงานไร้สาย (WPT) อาจเป็นทางออกที่ปฏิวัติวงการได้ เนื่องจากช่วยให้การชาร์จเป็นไปโดยไม่ต้องสัมผัส จึงเป็นระบบอัตโนมัติอย่างสมบูรณ์ผ่านสนามแม่เหล็กไฟฟ้า การศึกษาครั้งนี้กล่าวถึงประเด็นแรก คือ การทำงานทางเทคนิคของ WPT ประการที่สอง คือ การนำเสนอสถานการณ์ทางเทคโนโลยีของ WPT และสุดท้าย คือ การระบุความท้าทายหลักและการพัฒนาในอนาคตของ WPT สำหรับรถยนต์ไฟฟ้า

วิธีการส่งพลังงานไร้สาย (WPT) ที่สำคัญที่สุดในรถยนต์ไฟฟ้า ได้แก่ การเหนี่ยวนำและการเชื่อมต่อแบบเรโซแนนซ์แม่เหล็ก การชาร์จแบบเหนี่ยวนำเชื่อมต่ออุปกรณ์สองชิ้นด้วยขดลวด โดยใช้ขดลวดหนึ่งสร้างสนามแม่เหล็กสลับ และอีกขดลวดหนึ่งเหนี่ยวนำพลังงานโดยตรงจากสนามแม่เหล็ก ทำให้เป็นการถ่ายโอนพลังงานในระยะสั้น ในขณะที่การเชื่อมต่อแบบเรโซแนนซ์ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพและระยะทางในการส่งพลังงานระหว่างตัวส่งและตัวรับอย่างมากโดยการจับคู่ความถี่ อุปกรณ์เหล่านี้ยังสามารถใช้สำหรับการชาร์จแบบคงที่ (การชาร์จ ณ จุดจอด) และการชาร์จแบบไดนามิก (การถ่ายโอนพลังงานระหว่างการเคลื่อนที่บนถนนที่มีอุปกรณ์ครบครัน) การกำจัดตัวเชื่อมต่อทางกายภาพใน WPT ช่วยเพิ่มระดับความปลอดภัยและประสบการณ์การใช้งานที่ดีขึ้น ในขณะเดียวกันก็สามารถใช้งานได้ในสภาวะที่รุนแรง การบูรณาการกับโครงข่ายไฟฟ้าอัจฉริยะยังเปิดโอกาสให้ใช้พลังงานหมุนเวียนได้อย่างเหมาะสมที่สุด

อย่างไรก็ตาม ระบบส่งไฟฟ้าด้วยคลื่นความถี่ไร้สาย (WPT) ก็ไม่ได้ปราศจากปัญหา ประสิทธิภาพขึ้นอยู่กับการจัดเรียงขดลวด ระยะห่างของช่องว่างอากาศ และการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) ดังนั้นจึงเกิดคำถามเกี่ยวกับประสิทธิภาพและความปลอดภัย ต้นทุนการติดตั้งที่สูงมาก (โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับระบบไดนามิก) และการขาดมาตรฐาน (ขนาดขดลวดที่แตกต่างกัน ความถี่ที่แตกต่างกัน) เป็นปัจจัยที่ชะลอการพัฒนา WPT ความปลอดภัยของสิ่งมีชีวิตและการปฏิบัติตามกฎระเบียบ EMI ก็ต้องได้รับการดูแลเช่นกัน ในอนาคต WPT อาจถูกรวมเข้ากับปัญญาประดิษฐ์และอินเทอร์เน็ตของสิ่งต่างๆ เพื่อสร้างระบบการจัดการพลังงานอัจฉริยะที่ปรับตัวเองได้ตามภาระของโครงข่ายไฟฟ้า สถานะของแบตเตอรี่ และความต้องการของผู้ใช้ WPT เมื่อรวมกับพลังงานหมุนเวียน อาจเป็นแหล่งชาร์จที่สะอาด จำนวนการวิจัยและพัฒนาและโครงการนำร่องที่เพิ่มขึ้นซึ่งได้รับการสนับสนุนทางการเงินจากภาครัฐและภาคเอกชน เป็นสัญญาณบ่งชี้ว่า WPT มีศักยภาพอย่างมากที่จะเป็นแรงขับเคลื่อนของการขนส่งที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม

การแนะนำ

การเปลี่ยนมาใช้รถยนต์ไฟฟ้าทั่วโลกเป็นหนึ่งในมาตรการหลักในการลดการปล่อยมลพิษและปรับปรุงคุณภาพอากาศในเมือง อย่างไรก็ตาม การมีสถานีชาร์จสำหรับรถยนต์ไฟฟ้าแบบเสียบปลั๊กทั่วไปอย่างจำกัด ทำให้การแพร่หลายของรถยนต์ไฟฟ้าเป็นไปอย่างช้าๆ ความไม่สะดวก ความเสี่ยงด้านความปลอดภัย และการบำรุงรักษาของระบบชาร์จแบบเดิม เป็นเหตุผลบางประการที่ทำให้ผู้ใช้ลังเลที่จะเปลี่ยนมาใช้รถยนต์ไฟฟ้า เทคโนโลยีการถ่ายโอนพลังงานไร้สาย (Wireless Power Transfer หรือ WPT) เป็นเทคโนโลยีใหม่ที่สามารถแก้ไขปัญหาเหล่านี้ได้โดยการให้การชาร์จแบบไร้สาย ง่าย และปลอดภัย

หลักการของ WPT 

ระบบส่งผ่านพลังงานไร้สาย (WPT) ช่วยให้สามารถส่งผ่านพลังงานไฟฟ้าได้โดยไม่ต้องมีการเชื่อมต่อทางกายภาพโดยตรงระหว่างแหล่งกำเนิดและโหลด โดยส่วนใหญ่จะใช้วิธีใดวิธีหนึ่งในสามวิธี ได้แก่ การเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า การเชื่อมต่อแบบคาปาซิทีฟ หรือการสั่นพ้องแม่เหล็กไฟฟ้า:

• การเหนี่ยวนำด้วยสนามแม่เหล็ก: เป็นเทคนิคที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุด โดยใช้สนามแม่เหล็กระหว่างขดลวดที่จัดเรียงให้ตรงกัน
• การเชื่อมต่อแบบเรโซแนนซ์แม่เหล็ก: ให้ประสิทธิภาพสูงขึ้นเนื่องจากปรากฏการณ์เรโซแนนซ์
• นอกจากนี้ยังมีวิธีการเหนี่ยวนำแบบคาปาซิทีฟและการส่งสัญญาณไมโครเวฟ/อาร์เอฟ แต่ไม่ค่อยได้ใช้เนื่องจากข้อจำกัดด้านระยะทาง ความปลอดภัย และการส่งกำลัง ประสิทธิภาพของกระบวนการขึ้นอยู่กับการจัดเรียง ระยะห่างระหว่างขดลวด ความถี่ และค่าคุณภาพของระบบ

เทคโนโลยี WPT สำหรับรถยนต์ไฟฟ้า

อุปกรณ์ WPT ได้รับการออกแบบให้ทำงานได้ทั้งในโหมดคงที่ (เมื่อรถจอดนิ่ง) และโหมดเคลื่อนที่ (เมื่อชาร์จขณะเคลื่อนที่):

• การชาร์จแบบคงที่: โดยทั่วไปจะทำในพื้นที่จอดรถ ตัวอย่างเช่น อุปกรณ์เชิงพาณิชย์อย่าง DRIVE 11 ของ WiTricity สามารถทำได้ประสิทธิภาพสูงกว่า 90%
• การชาร์จแบบไดนามิก: ช่วยให้รถยนต์ไฟฟ้าสามารถรับพลังงานจากโครงข่ายไฟฟ้าขณะวิ่งอยู่บนท้องถนนได้ โดยติดตั้งขดลวดไว้ อย่างไรก็ตาม เทคโนโลยีนี้มีศักยภาพสูง แต่ในขณะเดียวกันก็มีราคาแพงและซับซ้อน (เช่น Electreon ในอิสราเอล และ OLEV ของ KAIST ในเกาหลี)
• การชาร์จแบบสองทิศทาง (V2G): ช่วยให้พลังงานไหลย้อนกลับไปยังโครงข่ายไฟฟ้า ซึ่งช่วยปรับสมดุลการใช้ไฟฟ้า
• ระบบจัดแนว: รักษาตำแหน่งที่ถูกต้องของขดลวดโดยใช้เซ็นเซอร์และระบบอัตโนมัติ
• มาตรการด้านความปลอดภัย: ประกอบด้วยการป้องกัน การตรวจจับสิ่งแปลกปลอม และการปฏิบัติตามมาตรฐาน (ตัวอย่างเช่น SAE J2954)

ข้อดีของ WPT

• ความสะดวกสบาย: ข้อดีหลักอย่างหนึ่งคือการชาร์จเป็นแบบอัตโนมัติและไม่ต้องใช้สายไฟ
•  ความปลอดภัย: ความเสี่ยงจากไฟฟ้าช็อตลดลง รวมถึงโอกาสที่คนจะสะดุดสายชาร์จด้วย
• บำรุงรักษาน้อยลง: การไม่มีการเชื่อมต่อทางกายภาพหมายความว่าชิ้นส่วนจะไม่สึกหรอ
• การพัฒนาเทคโนโลยี WPT: ทำให้สามารถใช้แบตเตอรี่ขนาดเล็กลงและเพิ่มระยะทางการขับขี่ได้ไกลขึ้น
• ประโยชน์สำหรับชีวิตในเมือง: หนึ่งในข้อดีคือสายไฟและเสาแบบดั้งเดิมจะไม่เกะกะทัศนียภาพของเมืองอีกต่อไป
• การบูรณาการกับสมาร์ทกริด: จะช่วยให้สามารถจัดการพลังงานแบบเรียลไทม์และเชื่อมต่อเครือข่ายมือถือกับเครือข่าย (V2G) ได้

ความท้าทายและข้อจำกัด

• เทคโนโลยี WPT มีศักยภาพในการรับน้ำหนักเต็มที่ และก็มีข้อท้าทายอยู่บ้าง เช่น:
• ความล้มเหลวด้านประสิทธิภาพ: ข้อผิดพลาดในการจัดวางขดลวดนำไฟฟ้าและช่องว่างอากาศระหว่างขดลวดเป็นสาเหตุบางประการที่ทำให้ผลผลิตลดลงอย่างมาก
• การรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าและความปลอดภัย: สนามความถี่สูงอาจก่อให้เกิดการรบกวนและเป็นสาเหตุของปัญหาสุขภาพได้
• ต้นทุนสูง: การสร้างโครงสร้างพื้นฐาน โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับระบบส่งกำลังแบบไร้สายแบบไดนามิก มีค่าใช้จ่ายสูงมาก
• ข้อบกพร่องด้านมาตรฐาน: หัวข้อที่เกี่ยวข้องกับความสามารถในการทำงานร่วมกันและความเข้ากันได้ในระดับสากลยังอยู่ในช่วงเริ่มต้นมาก
• ปัจจัยด้านสิ่งแวดล้อม: ฝุ่นละออง หิมะ หรือน้ำ อาจส่งผลเสียต่อประสิทธิภาพการทำงานของระบบพลังงานน้ำได้
• ความซับซ้อนในการคิดค่าบริการแบบไดนามิก: การควบคุมที่แม่นยำและกลไกการเรียกเก็บเงินที่น่าเชื่อถือไปพร้อมๆ กันนั้นเป็นเรื่องยากมาก

ความคืบหน้าล่าสุดและกรณีศึกษา

• WiTricity: พัฒนาระบบที่เป็นพื้นฐานของมาตรฐานสากล SAE J2945
• Qualcomm Halo: ทดสอบการชาร์จแบบไดนามิกที่ความเร็ว 100 กม./ชม.
• Electreon: ได้สร้างถนนสำหรับชาร์จไฟแบบไดนามิกสำหรับรถโดยสารไฟฟ้าในทั้งอิสราเอลและสวีเดน
• KAIST (OLEV): ผลงานวิจัยที่ KAIST นำไปสู่แบตเตอรี่ขนาดเล็กและการชาร์จแบบเรียลไทม์ในระบบขนส่งสาธารณะ
• งานวิจัยทางวิชาการ: นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ดและมหาวิทยาลัยโอ๊คแลนด์ได้มีความก้าวหน้าอย่างมากในการออกแบบขดลวด ประสิทธิภาพของระบบ และด้านการควบคุม

แนวโน้มในอนาคต

คาดว่าระบบขนส่งพลังงานไร้สาย (WPT) จะเป็นหนึ่งในองค์ประกอบหลักของโครงสร้างพื้นฐานสำหรับรถยนต์ไฟฟ้าในอนาคตอันใกล้นี้:

• การขยายโครงสร้างพื้นฐานแบบไดนามิก: ถนนไฟฟ้าสำหรับทั้งรถโดยสารและรถยนต์
•  การบูรณาการกับ V2G และสมาร์ทกริด: การจัดการพลังงานแบบเรียลไทม์และด้วยความช่วยเหลือจากการวิเคราะห์เชิงคาดการณ์
• การกำหนดมาตรฐานและการนำไปใช้ในวงกว้าง: ส่งผลให้ต้นทุนลดลงและสามารถทำงานร่วมกันได้ทั่วโลก
• เมืองอัจฉริยะ: ก้าวสู่การเป็นส่วนหนึ่งของระบบอัตโนมัติและร่วมสร้างสภาพแวดล้อมเมืองที่สะอาดขึ้น
• นวัตกรรม: ปัญญาประดิษฐ์เพื่อการควบคุมแบบปรับตัวได้ วัสดุใหม่ที่ให้ประสิทธิภาพที่ดีขึ้น
• ความยั่งยืน: สนับสนุนรถยนต์ไฟฟ้าที่มีน้ำหนักเบา การใช้พลังงานที่สะอาดขึ้น และเป้าหมายด้านสิ่งแวดล้อม

สรุป

เทคโนโลยีการถ่ายโอนพลังงานไร้สาย (WPT) เป็นนวัตกรรมสำคัญในด้านการชาร์จรถยนต์ไฟฟ้า (EV) WPT โดยใช้วิธีใดวิธีหนึ่งจากสองวิธี ได้แก่ การเหนี่ยวนำหรือการเชื่อมต่อแบบเรโซแนนซ์ ช่วยให้สามารถถ่ายโอนพลังงานแบบไร้สัมผัส ซึ่งช่วยแก้ปัญหาหลายอย่างที่เกิดจากระบบการชาร์จแบบเสียบปลั๊กทั่วไป  มีผลดีหลายประการ เช่น ประสบการณ์การใช้งานที่ดีขึ้น ความปลอดภัย การบำรุงรักษาน้อยลง และความเป็นไปได้ในการชาร์จขณะเคลื่อนที่ ซึ่งเรียกว่าการชาร์จแบบไดนามิก 

ในช่วงสิบปีที่ผ่านมา มีนวัตกรรมที่สำคัญเกิดขึ้นในเทคโนโลยี WPT และนี่เป็นความจริงทั้งในด้านการวิจัยทางวิชาการและโครงการนำร่องในโลกแห่งความเป็นจริง ดังนั้นจึงมีการสาธิตให้เห็นถึงความเป็นไปได้และประสิทธิภาพของระบบชาร์จไร้สายแบบคงที่และแบบไดนามิกหลากหลายรูปแบบ ในลักษณะดังกล่าว โครงการต่างๆ เช่น ถนนแบบไดนามิกของ Electron ในอิสราเอล รถบัส OLEV ของ KAIST ในเกาหลีใต้ และการนำมาตรฐานระดับโลกอย่าง SAE J2954 มาใช้ สะท้อนให้เห็นว่าเทคโนโลยี WPT กำลังได้รับความนิยมอย่างรวดเร็วในโครงสร้างพื้นฐาน EV กระแสหลัก

อย่างไรก็ตาม เทคโนโลยี WPT ก็มีข้อเสียอยู่บ้าง เช่น ประสิทธิภาพการใช้พลังงาน ความไวต่อการจัดตำแหน่ง ต้นทุนสูง และข้อกังวลด้านความปลอดภัยทางแม่เหล็กไฟฟ้า[9] เพื่อแก้ไขปัญหาเหล่านี้ ควรมีการวิจัยอย่างต่อเนื่อง โปรโตคอลที่เป็นมาตรฐาน และความร่วมมือระหว่างภาครัฐ อุตสาหกรรม และแวดวงวิชาการ

ในอนาคตอันใกล้ การบูรณาการ WPT กับโครงข่ายไฟฟ้าอัจฉริยะ แหล่งพลังงานหมุนเวียน และระบบอัตโนมัติมีแนวโน้มที่ดีมาก เมื่อเมืองต่างๆ กลายเป็นสภาพแวดล้อมอัจฉริยะและเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมWPT น่าจะเป็นหนึ่งในตัวอำนวยความสะดวกหลักของเครือข่ายการขนส่งอัจฉริยะ ทำให้การชาร์จ EV เป็นไปแบบเรียลไทม์ มีประสิทธิภาพ และใช้งานง่าย

โดยสรุปแล้ว การถ่ายโอนพลังงานไร้สาย (WPT) ไม่ได้เป็นเพียงแค่ทางเลือกแทนการชาร์จแบบใช้สายเท่านั้น แต่เป็นก้าวสำคัญสู่อนาคตของการคมนาคมด้วยไฟฟ้า ซึ่งเป็นการเชื่อมโยงที่ราบรื่นระหว่างพลังงาน เทคโนโลยี และการขนส่ง ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่ง