เทียบ Single vs. Multi Speed Transmission ในรถ EV และ ICE ทำไมรถไฟฟ้าส่วนใหญ่ นิยมใช้แค่ เกียร์เดียว ?

42

สำหรับคนที่ใช้ รถ EV สิ่งหนึ่งที่ทำให้ผู้ใช้เหล่านั้นติดอกติดใจ นอกจากอัตราเร่งที่ทรงพลัง สามารถตอบสนองได้แบบทันอกทันใจ มีค่าใช้จ่ายในการเดินทางที่ต่ำกว่า เมื่อเทียบรถที่ใช้เครื่องยนต์สันดาปหรือรถไฮบริดทั่วๆ ไป รวมถึงให้ความสะดวกในยามที่ต้องจอดรอ หรือใช้ชีวิตบนรถในขณะจอดนิ่งแล้ว คงหนีไม่พ้นเรื่องความสมูทในขณะขับขี่ ด้วยความที่ รถยนต์พลังงานไฟฟ้า หรือ รถ EV โดยส่วนมากแล้ว จะใช้ระบบส่งกำลังในรูปแบบ Single Speed ซึ่งไม่จำเป็นต้องมีจังหวะเปลี่ยนเกียร์ ทำให้เรารู้สึกได้ถึงความสมูทและต่อเนื่องในทุกๆ ย่านความเร็ว ตั้งแต่ช่วงออกตัว ความเร็วเดินทาง จนถึงช่วงความเร็วปลาย เห็นแบบนี้แล้ว เคยสงสัยกันไหมว่า…ทำไมรถ EV จึงสามารถใช้ระบบส่งกำลังแบบ “อัตราทดเดียว” ? ซึ่งต่างกับรถที่ใช้เครื่องยนต์สันดาป ที่ในยุคปัจจุบัน มีให้เลือกอย่างหลากหลาย ตั้งแต่ระดับ 6 ไปจนถึง 10 สปีด !

พื้นฐานด้าน Power Band สู่การ Matching ระบบส่งกำลังที่ลงตัว

คำว่า นักเลงเกียร์เดียว ของรถ EV มาแทนที่วลีที่คุ้นเคยอย่าง นักเลง 3 เกียร์ ในช่วง 2-3 ปีหลัง ได้แบบเต็มตัว ซึ่งปัจจัยที่ส่งผลให้เป็นแบบนั้น คงต้องย้อนไปดูตั้งแต่เนื่องพื้นฐานการให้ ย่านกำลัง (Power Band) ที่มีความแตกต่าง ระหว่าง เครื่องยนต์สันดาป และ มอเตอร์ไฟฟ้า อย่างสิ้นเชิง โดย เครื่องยนต์สันดาป (เบ็นซิน) ส่วนใหญ่ จะมีช่วงแรงบิดสูงสุด อันส่งผลต่ออัตราเร่งของรถคันนั้นๆ อยู่ในช่วงตั้งแต่ประมาณ 2,500 – 4,500 รอบ/นาที ก่อนที่กราฟของแรงบิดสูงสุดจะค่อยๆ ตกลงตามรอบที่สูงขึ้น (ตามลักษณะการออกแบบและชนิดของเครื่องยนต์ด้วย เช่น เครื่องดีเซลจะให้ช่วงแรงบิดสูงสุดในรอบที่ต่ำกว่า โดยทั่วไปจะอยู่ราว 1,500 – 2,600 รอบ/นาที) เราที่เป็นผู้ขับขี่ (หรือผู้โดยสาร) จะสังเกตได้ว่า ในย่านแรงบิดสูงสุด รถจะมีอาการดึง จากการเปลี่ยนความเร็วจากความเร็วหนึ่ง ไปยังความเร็วที่สูงขึ้นอย่างรวดเร็ว ก่อนที่อัตราในการไต่ความเร็วจะเริ่มตกลง เมื่อเลยย่าน Peak ของช่วงแรงบิด คงเหลือแต่ความเร็วที่ค่อยๆ เพิ่มขึ้นตามแรงม้า (ความรู้สึกจะไม่ค่อยดึงแล้ว แม้ความเร็วจะยังไหลอย่างต่อเนื่อง) ที่มักจะพีคในช่วงปลาย เช่น 6,000 รอบ/นาที สำหรับเครื่องเบ็นซิน และ 4,000 รอบ/นาที สำหรับเครื่องดีเซล ไปจนถึงช่วง Red Line สรุปให้เข้าใจง่ายๆ แบบภาษาชาวบ้านเลยก็คือ แรงบิด ทำให้รู้สึก “ดึง” แต่ แรงม้า ทำให้ความเร็วปลาย “เดิน” อย่างที่หลายๆ คนชอบพูดกันนั่นเอง

คาแร็กเตอร์การให้กำลังในรอบกว้าง อัตราทดจึงมีความจำเป็นน้อยลงมาก

ความต่างที่ชัดเจน ระหว่าง เครื่องยนต์ และ มอเตอร์ไฟฟ้า ก็คือ มอเตอร์ไฟฟ้า เป็นอุปกรณ์อิเล็คทรอนิคส์ที่ถูกออกแบบมาเพื่อให้สร้างกำลังได้อย่างสม่ำเสมอในทุกย่านรอบของการทำงาน โดยใช้สเตเตอร์และขดลวดสนามแม่เหล็ก ที่ถูกปล่อยไฟฟ้าเข้าไปเพื่อสร้างกำลังในการหมุนโรเตอร์ ซึ่งคาแร็กเตอร์ที่สำคัญอย่างหนึ่งของมอเตอร์ไฟฟ้า คือ การสามารถสร้างกำลังสูงสุดได้ในทันทีที่เริ่มหมุน หากเปรียบเทียบกับการใช้งานรถ EV ก็คือ ในทันที่ที่ออกตัวแล้วเหยียบคันเร่งจนสุด แรงบิดสูงสุดของตัวรถ จะพร้อมตอบสนองในทันทีทันใด เวลาที่เราขับรถ EV จึงรูสึกว่า รถคันดังกล่าวให้การตอบสนองที่ฉับไว กดเป็นมา ไม่มีอาการรอรอบ ซึ่งอาจเป็นข้อจำกัดของรถที่ใช้เครื่องยนต์สันดาป โดยนอกจากกำลังและแรงบิดสูงสุดที่มีมาให้ใช้ในทันทีตั้งแต่เริ่มออกตัวแล้ว คาแร็กเตอร์หนึ่งที่ระบบส่งกำลังด้วยมอเตอร์ไฟฟ้าให้ได้ ก็คือ ช่วงการทำงานที่มีความต่อเนื่อง ในยุค 5-6 ปีก่อน มอเตอร์ของรถ EV ถูกออกแบบให้สามารถทำงานด้วยรอบการหมุนสูงสุดที่ราว 15,000 รอบ/นาที แต่พอในช่วง 2-3 ปี ถัดมา มอเตอร์ไฟฟ้าสำหรับรถ EV ถูกพัฒนาให้มีประสิทธิภาพในการทำงานให้สูงขึ้น ยกระดับลิมิตรอบการหมุนสูงสุดขึ้นเกิน 20,000 รอบ/นาที (จำลองตัวอย่างกำลังและแรงบิดสูงสุดตั้งแต่ 0-20,000 รอบ/นาที) จนถึง ณ ปัจจุบัน แบรนด์รถ EV ชั้นนำ เริ่มคุยกันถึงรอบการหมุนสูงสุดที่ 30,000 รอบ/นาที กันแล้ว ซึ่งถือเป็นการพัฒนาอย่างก้าวกระโดดในเทคโนโลยีของรถ EV ยุคนี้

ความต่างที่ใช้ย่าน Power Band เป็นจุดชี้วัด

เทียบจาก 2 ย่อหน้า ในด้านบน ความแตกต่างที่เห็นได้ชัดมากๆ คือ ย่านกำลัง หรือ ช่วง Power Band ของ เครื่องยนต์สันดาป และ มอเตอร์ไฟฟ้า นั้นค่อนข้างห่างกันมาก โดยจะสังเกตได้ว่า เครื่องยนต์สันดาป มีช่วงของพละกำลังที่แคบกว่า (เช่น แรงบิดสูงสุดยาวต่อเนื่องเพียง 1,000-2,000 รอบ) อีกทั้งยังมีช่วงที่ระดับพละกำลัง รวมถึงแรงบิดอยู่ในระดับที่ต่ำมากๆ เช่น ในช่วงต่ำกว่า 1,000 รอบ/นาที หรือช่วงที่เลยย่าน Peak ของแรงบิดไปแล้ว การจะปรับจูนให้เครื่องยนต์สามารถทำงานได้อย่างเต็มประสิทธิภาพ หรือรักษาระดับการทำงานไว้ในช่วง Power Band อย่างเหมาะสมก็คือ การใช้ อัตราทดเกียร์ (Gear Ratio) เข้ามาเป็นตัวช่วย ซิ่งยิ่งซอยอัตราทดได้มากเท่าไหร่ Matching ระหว่างช่วงกำลังกับความเร็วที่ใช้ ก็จะยิ่งมีความละเอียดมากขึ้นเท่านั้น เพื่อผลลัพท์ในแง่การตอบสนองและอัตราเร่งในช่วงย่านความเร็วที่แตกต่างกันออกไป รวมถึงการเซ็ตอัตราทดเกียร์สูงๆ ให้อยู่ในระดับที่ต่ำที่สุดเท่าที่กำลังของเครื่องยนต์จะรับไหว เพื่อให้ได้ความประหยัดจากการลดรอบเครื่องยนต์ในการเดินทางให้ต่ำลง เราจึงจะเห็นได้ว่า รถยุคใหม่ๆ มักออกแบบชุดเกียร์ให้มีจำนวนอัตราทดให้มีช่วงที่กว้างขึ้น (ตามระดับที่พละกำลังจากเครื่องยนต์รับไหว) กว่ารถในยุคก่อนๆ ที่มีกำลังหรือระดับเทคโนโลยีต่ำกว่า ส่วนรถ EV ที่มีจุดเด่นด้วยการตอบสนองในทันทีทันใด รวมถึงความคงที่ของระดับพละกำลังสูงสุดอย่างต่อเนื่องจากมอเตอร์ไฟฟ้า จึงไม่มีความจำเป็นที่จะต้องใช้ (หลาย) อัตราทดของระบบส่งกำลังเข้ามาช่วย เพียงแต่ใช้รอบการหมุนของมอเตอร์ กับการเซ็ตอัตราทดสุดท้ายจากมอเตอร์ลงสู่ล้อขับเคลื่อน (ไม่สามารถใช้รอบจากมอเตอร์หมุนล้อได้โดยตรง เนื่องจากมอเตอร์มีรอบการหมุนที่สูงเกินไป จึงต้องมีอัตราทดเพื่อปรับรอบการหมุนให้สัมพันธ์กับความเร็ว) เพื่อให้ได้ระดับความเร็วที่เหมาะสมกับการใช้งาน ซึ่ง #ทีมขับซ่า ได้จำลองมาเพื่อให้ดูและทำความเข้าใจได้ง่ายขึ้นตามรายละเอียดด้านล่าง

ตัวอย่างการคำนวณอัตราทด เมื่อรอบไม่ได้ กำลังไม่มา…ก็ต้องใช้เกียร์เข้าช่วย

โดยทั่วไปแล้ว มอเตอร์ไฟฟ้าของรถ EV จะออกแบบให้มีอัตราทดป้วนเปี้ยนอยู่ราวๆ 9-12 : 1 (แล้วแต่ระดับพละกำลังและรูปแบบการใช้งานของตัวรถ) แต่เพื่อให้เข้าใจง่ายและเห็นภาพชัดเจน #ทีมขับซ่า ขอยกตัวอย่างอัตราทดในระดับ 10 : 1 ซึ่งก็คือ การที่มอเตอร์หมุน 10 รอบ ล้อขับเคลื่อนจะหมุน 1 รอบ นั่นเอง ในกรณีที่ยกตัวอย่าง หากมอเตอร์ไฟฟ้าของรถ EV คันนี้ มีรอบการหมุนสูงสุดอยู่ที่ 20,000 รอบ/นาที หากจับคู่กับล้อขนาด 235/50 R18 (เส้นผ่าศูนย์กลาง 692.2 มม.) เข้าสูตร ความเร็ว = 3.14 x เส้นผ่านศูนย์กลางของล้อ (ม.) x รอบการหมุนของล้อ (รอบ/นาที) ตัวเลขที่ได้ออกมาจะมีหน่วยเป็น เมตร /นาที แล้วนำตัวเลขนั้นไป x 60/1000 (เพื่อทำเป็น กม./ชม.) เช่น 3.14 x 0.692 x 2,000 = 4,345.7 เมตร/นาที ก่อนนำไปแปลงหน่วยเป็น กม./ชม. ด้วยสูตร 4,345.7  x  60 / 1,000 = 260.7 หรือ ประมาณ 261 กม./ชม. นั่นเอง ในทำนองเดียวกับ สำหรับเครื่องยนต์สันดาปที่มีรอบการหมุนสูงสุดเพียง 6,000 รอบ/นาที หากนำมาคำรวณในอัตราทดเดียวกัน 3.14 x 0.692 x 600 (x 60/1,000) = 78.2 เมตร/นาที ซึ่งต่างกันมาก แต่เพราะการออกแบบให้มีหลายอัตราทด รถที่ใช้เครื่องยนต์สันดาป จึงสามารถตอบสนองในทุกย่านความเร็วได้ตามวัตถุประสงค์ที่ผู้ผลิตต้องการได้เช่นกัน โดยจากอัตราทดที่ #ทีมขับซ่า ลองยกตัวอย่างมาในเบื้องต้น 22 : 1 จำลองการใช้งานที่เกียร์ 1 (เครื่องหมุน 22 รอบ ล้อหมุน 1 รอบ) โดยตัวเลข 22 มาจากการใช้อัตราทดเกียร์ x อัตราทดเฟืองท้าย เช่น อัตราทดเกียร์ 4.60 x อัตราทดเฟืองท้าย 4.80 = 22.08 ส่วนตัวเลขอัตราทด 5 : 1 ถือว่ามีความใกล้เคียงกับเกียร์ที่มีอัตราทดใกล้ 1 มากที่สุด (เกียร์สูงสุดก่อน Over Drive Ratio เช่น เกียร์ 4 สำหรับรถ 5 เกียร์, เกียร์ 5 สำหรับรถ 6 เกียร์ และ เกียร์ 6 สำหรับรถ 8 เกียร์ เป็นต้น) ส่วนอัตราทด 3 : 1 ที่ยกตัวอย่างมานั้น เป็นอัตราทดในเกียร์สูงสุด (เช่น อัตราทดเกียร์ 0.63 x อัตราทดเฟืองท้าย 4.80) ซึ่งให้ผลที่ใกล้เคียงกับอัตราทดเดียวของรถ EV นั่นเอง

รถ EV แบบที่ไม่ใช้ Single Speed ก็ยังมีให้เห็นไม่น้อย

อย่างไรก็ตาม…ไม่ได้มีนิยาม หรือข้อจำกัดไหนๆ ที่บอกว่า รถ EV จะต้องใช้ระบบส่งกำลังในรูปแบบ Single Speed เท่านั้น โดยหากมองย้อนไปในยุคแรกเริ่ม Porsche Taycan ถือเป็นรถ EV รุ่นแรกๆ ที่มีการนำระบบส่งกำลังแบบ Multi Speed มาใช้ โดยมาในรูปแบบ 2 อัตราทด อย่างไรก็ตาม ในยุคนั้น ระบบส่งกำลังแบบ Multi Speed ในรถ EV มักจะถูกตีกรอบด้วยข้อจำกัดที่ว่า จะต้องประจำการอยุ่ในรถ EV สมรรถนะสูง ที่มีราคาแพงเท่านั้น แต่ ณ ปัจจุบัน รถ EV เทคโนโลยีใหม่ๆ ในระดับราคาที่คนทั่วไปจับต้องได้ เช่น Mercedes-Benz CLA250+ Electric ก็มาพร้อมระบบส่งกำลังในรูปแบบ Multi Speed เพื่อลดข้อจำกัดและเพิ่มประสิทธิภาพในการใช้งานด้วยเช่นกัน โดยประโยชน์ของการใช้มอเตอร์ไฟฟ้าแบบ 2 อัตราทด อย่างแรกคงหนีไม่พ้นการช่วยเพิ่มอัตราเร่งของรถให้ดีขึ้น ด้วยการออกแบบอัตราทดเกียร์ต่ำให้มีความจัดจ้าน ช่วยให้การออกตัวมีความกระฉับกระเฉง ตอบสนองได้ดียิ่งขึ้น โดยไม่จำเป็นต้องเค้นพละกำลังจากตัวมอเตอร์ในระดับที่สูงเกินไปนัก ซึ่งเมื่อไม่ต้องเค้นแล้ว ความต้องการในการใช้พลังงานก็ย่อมต่ำลง ในทำนองเดียวกัน รถ EV ที่โดยปกติแล้ว มักมีข้อจำกัดในการใช้พลังงานที่ความเร็วสูงๆ คือ ยิ่งขับเร็ว ก็ยิ่งกินไฟมาก ด้วยรอบการหมุนของมอเตอร์ที่สูงขึ้น การใช้เกียร์ที่มีอัตราทดต่ำลงมาช่วยในระบบ Multi Speed จึงมีความสำคัญที่ช่วยลดรอบการหมุนของมอเตอร์ ในกรณีที่ใช้ความเร็วสูง ซึ่งช่วยให้สามรถประหยัดพลังงานได้มากยิ่งขึ้น หากต้องใช้รถ EV เดินทางแบบมีความเร็ว แต่หากทั้งนี้ทั้งนั้น การจับคู่มอเตอร์ไฟฟ้าแบบ Multi Speed ก็ย่อมมีชิ้นส่วนที่เกี่ยวข้อง ซึ่งเป็นการเพิ่มน้ำหนัก เพิ่มความต้องการในการดูแลรักษาที่มีความซับซ้อนมากขึ้น รวมถึงเพิ่มต้นทุนให้กับผู้ผลิตขึ้นไปอีกเลเวล

ในท้ายที่สุดแล้ว Single vs. Multi Speed Transmission ไม่ว่าจะระบบส่งกำลังในรูปแบบไหนๆ ทุกอย่างล้วนมีที่มาที่ไป และข้อจำกัดด้านพื้นฐานทางวิศวกรรมของตัวเองด้วยกันทั้งสิ้น ซึ่งสุดท้ายแล้ว อยู่ที่วัตถุประสงค์การใช้งานของแต่ละบุคคล เลือกให้เหมาะสม เลือกรูปแบบขุมพลังที่อยากใช้ ซื้อให้ตรงกับความต้องการ อยากได้ความสมูท เรียบง่าย ได้เรื่อยๆ หรืออยากได้ความหวือหวา สนุก เข้าถึงอารมณ์การขับขี่ เข้าถึงความต้องการของตัวเองให้ได้…แค่นี้ คือ มีความสุขแน่นอน !