ระบบส่งกำลัง (Powertrain) คือระบบส่วนประกอบต่างๆ ในยานพาหนะที่แปลงพลังงานเคมีจากเชื้อเพลิงเป็นพลังงานกลเพื่อขับเคลื่อนการเคลื่อนที่ของรถยนต์ ระบบส่งกำลังประกอบด้วยองค์ประกอบต่างๆ เช่น ระบบผลิตไฟฟ้า ระบบจ่ายกำลัง (ระบบส่งกำลัง) และส่วนประกอบเชิงกลต่างๆ สำหรับการเคลื่อนที่

รถยนต์ที่ใช้เครื่องยนต์สันดาปภายใน (ICE) มีชิ้นส่วนเคลื่อนไหวที่ซับซ้อนมากมาย ส่วนประกอบหลัก ได้แก่ เครื่องยนต์ ระบบส่งกำลัง และเพลาขับ รวมถึงส่วนประกอบอื่นๆ สำหรับระบบปล่อยไอเสีย ไอเสีย และระบบระบายความร้อนเครื่องยนต์ ในกรณีของ รถยนต์ไฟฟ้าการออกแบบระบบส่งกำลังและส่วนประกอบต่างๆ นั้นง่ายกว่าระบบรถยนต์ที่ใช้เครื่องยนต์สันดาปภายในแบบเดิมมาก

ระบบส่งกำลังของรถยนต์ไฟฟ้าทั่วไปประกอบด้วยชุดแบตเตอรี่ อินเวอร์เตอร์สำหรับถ่ายโอนกำลัง และมอเตอร์ไฟฟ้าผ่านชุดขับเคลื่อนแบบลดรอบสุดท้าย สำหรับรถยนต์ไฮบริดและรถยนต์ไฮบริดแบบปลั๊กอิน จะมีส่วนประกอบเพิ่มเติมในระบบส่งกำลัง เช่น ICE ระบบส่งกำลังเฉพาะ และระบบไอเสีย

ส่วนประกอบหลักของระบบส่งกำลังของรถยนต์ไฟฟ้า ได้แก่:

• ชุดแบตเตอรี่ ชุดแบตเตอรี่ประกอบด้วยเซลล์ที่เชื่อมต่อกันเป็นกลุ่มแบบอนุกรมและขนาน ขีดจำกัดแรงดันและกระแสไฟฟ้าของแบตเตอรี่ถูกกำหนดโดยจำนวนการเชื่อมต่อแบบอนุกรมและขนานเพื่อควบคุมกำลังไฟฟ้าขาออก
• อินเวอร์เตอร์สำหรับระบบเบรกแบบ Traction อินเวอร์เตอร์ จะแปลงกระแสไฟฟ้าตรงจากชุดแบตเตอรี่เป็นกระแสไฟฟ้าสลับเพื่อจ่ายให้กับมอเตอร์ไฟฟ้า อีกหนึ่งคุณสมบัติที่สำคัญคือระบบเบรกไฟฟ้า ซึ่งช่วยยืดอายุการใช้งานของระบบเบรกเชิงกลโดยลดการสึกหรอที่ไม่จำเป็น
• มอเตอร์ไฟฟ้าและระบบส่งกำลังแบบทดรอบ มอเตอร์ไฟฟ้าผลิตพลังงานกลสำหรับการขับเคลื่อนโดยอาศัยพลวัตของกำลังไฟฟ้าที่ได้รับจากระบบส่งกำลัง ระบบส่งกำลังแบบทดรอบสุดท้ายจะแปลงกำลังไฟฟ้าที่ป้อนเข้าจากมอเตอร์เป็นกำลังแรงบิดสูงที่ส่งไปยังล้อเพื่อเร่งความเร็วของรถยนต์ เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการใช้งานแบตเตอรี่และระยะทางการขับขี่ รถยนต์ไฟฟ้าจึงได้รับการออกแบบให้กำหนดอัตราทดรอบสุดท้ายตามข้อกำหนดของรถยนต์และสภาพการขับขี่ ซึ่งเป็นอัตราส่วนระหว่างความเร็วขาเข้าของมอเตอร์ต่อความเร็วขาออกของล้อ อัตราทดรอบสุดท้ายที่สูงขึ้นจะนำไปสู่แรงบิดที่สูงขึ้นหรือการเร่งความเร็วที่ดีขึ้น ในขณะที่อัตราทดรอบที่ต่ำกว่าจะช่วยให้รถยนต์สามารถทำความเร็วสูงสุดได้
• เครื่องชาร์จออนบอร์ด (OBC) OBC ควบคุมกระแสไฟฟ้าสลับที่ได้รับผ่านพอร์ตชาร์จและแปลงเป็นกระแสไฟฟ้าตรงเพื่อเก็บแบตเตอรี่

ซอฟต์แวร์หลายตัวทำงานร่วมกับส่วนประกอบระบบส่งกำลังเฉพาะของรถยนต์ไฟฟ้า (EV) เพื่อแลกเปลี่ยนและประมวลผลข้อมูล เฟิร์มแวร์ดังกล่าวเรียกว่าหน่วยควบคุมอิเล็กทรอนิกส์ (ECU) ตัวอย่างหลักคือ ECU ระบบส่งกำลัง ซึ่งควบคุมตัวแปลง DC/AC เพื่อปรับปริมาณและความถี่ของแรงดันไฟฟ้าที่จ่ายให้กับมอเตอร์ตามอินพุตของผู้ขับขี่จากการเร่งความเร็วและการเบรก

ECU อื่นๆ ที่จำเป็นในระบบส่งกำลังของรถยนต์ไฟฟ้า ได้แก่ ระบบจัดการแบตเตอรี่ (BMS) เพื่อตรวจสอบสภาพของชุดแบตเตอรี่ ตัวแปลง DC/DC เพื่อแปลงแรงดันไฟฟ้าจากชุดแบตเตอรี่ไปยังส่วนประกอบเสริมของรถยนต์ เช่น ใบปัดน้ำฝน ไฟ และกระจกปรับไฟฟ้า ตามความต้องการแรงดันไฟฟ้า ระบบจัดการความร้อนเพื่อควบคุมเฟิร์มแวร์ที่จำเป็นในการรักษาอุณหภูมิที่เหมาะสมสำหรับระบบส่งกำลัง และโมดูลควบคุมตัวถังเพื่อควบคุมส่วนประกอบเสริม เช่น กระจกปรับไฟฟ้าและกระจกมองข้าง

สำหรับ EV แต่ละส่วนประกอบสามารถจำแนกประเภทได้เป็น 3 ประเภทของระบบส่งกำลัง:

• ระบบผลิตไฟฟ้า : แบตเตอรี่แพ็ค, OBC
• ระบบจ่ายไฟ (ส่ง) : ตัวแปลง DC/AC (อินเวอร์เตอร์ลากจูง), ตัวแปลง DC/DC, BMS
• ส่วนประกอบทางกล: มอเตอร์ไฟฟ้า ระบบขับเคลื่อนแบบลดรอบสุดท้าย ส่วนประกอบสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ เช่น กระจกไฟฟ้าและกระจกมองข้าง

การออกแบบระบบส่งกำลัง EV

ประสิทธิภาพ ระยะทาง และประสิทธิภาพโดยรวมของ EV สามารถปรับให้เหมาะสมได้ที่ระดับส่วนประกอบ สถาปัตยกรรม และการควบคุม

ตัวอย่างเช่น แบตเตอรี่ มอเตอร์ และเครื่องยนต์มีขนาดที่ระดับส่วนประกอบเพื่อให้ตรงตามข้อกำหนดการขับขี่เป้าหมาย เช่น การขับขี่ในเมืองระยะสั้น หรือการขับขี่บนทางหลวงระยะไกล นอกจากนี้ สถาปัตยกรรมระบบส่งกำลังของรถยนต์ไฟฟ้า (EV) ยังสามารถปรับปรุงสมรรถนะของรถยนต์ได้อย่างมีนัยสำคัญ ด้วยการผสานรวมและสลับโหมดการขับขี่หลายโหมดตามสภาพการใช้งาน โหมดการขับขี่คือการกำหนดค่าส่วนประกอบที่เฉพาะเจาะจงสำหรับกรณีการใช้งานเฉพาะ เช่น การเร่งความเร็วของรถยนต์ (แรงบิดสูง) หรือการเร่งความเร็วแบบคงที่ (ความเร็วสูง) ECU เสริมสถาปัตยกรรมฮาร์ดแวร์ที่มีอยู่เพื่อแปลงคันเร่งจากผู้ขับขี่เป็นคำสั่งสำหรับแบตเตอรี่และมอเตอร์ เพื่อให้ตรงตามข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพ เช่น การเร่งความเร็วจาก 0 ถึง 60 ไมล์ต่อชั่วโมง โดยใช้พลังงานใกล้เคียงกับระดับที่เหมาะสมที่สุด นโยบายการควบคุมที่เหมาะสมที่สุดจะถูกกำหนดโดยใช้อัลกอริทึม เช่น การเขียนโปรแกรมแบบไดนามิก หลักการขั้นต่ำของปงตริยากิน หรือกลยุทธ์การลดการใช้พลังงานที่เทียบเท่า

บทบาทของอิเล็กทรอนิกส์กำลัง

วัตถุประสงค์หลักในการออกแบบระบบส่งกำลังของรถยนต์ไฟฟ้าคือประสิทธิภาพ เนื่องจากประสิทธิภาพที่สูงขึ้นนำไปสู่การจัดการความร้อนและระยะทางที่ดีขึ้น ประสิทธิภาพที่ต่ำลงจะส่งผลให้เกิดการสูญเสียพลังงานที่สูงขึ้น ทำให้เกิดความร้อนเพิ่มขึ้น ซึ่งจำเป็นต้องเพิ่มขนาดของรถยนต์ไฟฟ้าเพื่อระบายความร้อน อีกหนึ่งปัจจัยสำคัญในการปรับปรุงระบบส่งกำลังของรถยนต์ไฟฟ้าคือความหนาแน่นของพลังงาน (กำลังที่ส่งมอบต่อหน่วยปริมาตรของรถยนต์)

เพื่อบรรลุเป้าหมายทั้งสองประการนี้ นอกเหนือจากการออกแบบระบบส่งกำลังแล้ว สวิตช์อิเล็กทรอนิกส์กำลังที่ใช้สารกึ่งตัวนำยังมีบทบาทสำคัญในการปรับปรุงประสิทธิภาพและความหนาแน่นของพลังงาน ความต้องการรถยนต์ไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้นอย่างทวีคูณกำลังกระตุ้นให้เกิดการวิจัยอย่างกว้างขวางเกี่ยวกับสวิตช์อิเล็กทรอนิกส์กำลัง เช่น IGBT และ MOSFET ที่ใช้ซิลิคอน (Si) เพื่อปรับปรุงคุณลักษณะการสวิตช์ให้มีประสิทธิภาพที่ดีขึ้น

นอกจากนี้ ยังมีความสนใจเพิ่มมากขึ้นในการใช้ MOSFET ซิลิกอนคาร์ไบด์ (SiC) โดยพิจารณาจากศักยภาพในการปรับปรุงประสิทธิภาพและลดขนาดของตัวแปลงพลังงาน:

• SiC MOSFET ในฐานะอุปกรณ์ที่มีแบนด์แก๊ปกว้าง มีข้อดีหลายประการที่เอื้อประโยชน์ต่ออุตสาหกรรมยานยนต์ไฟฟ้า SiC MOSFET มีการสูญเสียการสวิตชิ่งและการนำไฟฟ้าต่ำกว่า Si IGBT หรือ MOSFET ซึ่งจำเป็นต่อการเพิ่มระยะทางของยานยนต์ไฟฟ้า
• อุปกรณ์สวิตชิ่งที่ใช้ SiC มีอุณหภูมิบริเวณรอยต่อที่สูงกว่าที่ 175°C เมื่อเทียบกับ 150°C ของอุปกรณ์ที่ใช้ Si ซึ่งทำให้สามารถออกแบบระบบส่งกำลังแบบบูรณาการที่มีความต้องการการระบายความร้อนที่ลดลงได้
• นอกจากนี้ ความถี่การสลับที่สูงของอุปกรณ์ที่ใช้ SiC ยังช่วยลดขนาดของส่วนประกอบแบบพาสซีฟ เช่น ตัวเก็บประจุ DC-link ตัวเหนี่ยวนำบูสต์ และตัวกรอง EMI คุณสมบัติเหล่านี้ของอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ที่ใช้ SiC ช่วยลดขนาดโดยรวมของระบบส่งกำลัง ซึ่งส่งผลให้ความหนาแน่นของพลังงานในรถยนต์ไฟฟ้า (EV) สูงขึ้นทางอ้อม

นอกเหนือจากประสิทธิภาพที่ดีขึ้นแล้ว ผู้ผลิตเซมิคอนดักเตอร์ยังกำลังปรับปรุงเทคโนโลยีบรรจุภัณฑ์ซิลิคอนเพื่อตอบโจทย์การใช้งานยานยนต์ต่างๆ เช่น การจัดการความร้อน และปรับปรุงแพ็คเกจเซมิคอนดักเตอร์เพื่อรองรับความหนาแน่นของพลังงานที่ท้าทาย

โดยไม่คำนึงถึงวัสดุเซมิคอนดักเตอร์อย่าง Si หรือ SiC โซลูชันที่ใช้ IGBT และ MOSFET กำลังพัฒนาเพื่อการจัดการความร้อนสูง เพื่อลดขนาดและต้นทุนของรถยนต์ไฟฟ้า ด้วยการลดความจำเป็นในการใช้ระบบระบายความร้อนที่มีราคาแพง โมดูล IGBT 750 โวลต์ ระบายความร้อนสองด้านขนาดกะทัดรัด พร้อม ECU อุณหภูมิระดับชิปและเซ็นเซอร์กระแสไฟฟ้า ได้เริ่มถูกนำมาใช้งานสำหรับการใช้งานอินเวอร์เตอร์ควบคุมการลากจูงขนาด 400 โวลต์ นอกจากนี้ แพ็คเกจ MOSFET ที่มีบรรจุภัณฑ์แบบติดตั้งบนพื้นผิวที่ทันสมัยและระบบระบายความร้อนด้านบน ช่วยให้บรรจุภัณฑ์อินเวอร์เตอร์ควบคุมการลากจูงมีขนาดกะทัดรัด ช่วยลดขนาดของรถยนต์