ทำไมรถยนต์ไฮบริดถึงหายไปจากวงการนานถึง 80 ปี?

รถยนต์ไฮบริดหายไปจากวงการนาน 80 ปี เพราะปัญหาไม่ใช่เรื่องเทคนิค แต่เป็นเรื่องเศรษฐกิจ ต้นปี 1900 ระบบขับเคลื่อน Lohner-Porsche ของ Ferdinand Porsche มีฟังก์ชันครบและพัฒนาแล้ว แต่น้ำหนักของแบตเตอรี่ การขาดแคลนโครงข่ายไฟฟ้า และโดยเฉพาะราคาน้ำมันเบนซินที่ถูก ทำให้ระบบขับเคลื่อนแบบผสมนี้ตายคลอดในเชิงพาณิชย์ไปนับสิบปี แนวคิดนี้กลับมามีชีวิตอีกครั้งในปี 1997 ซึ่งเป็นจุดที่วิกฤตน้ำมัน กฎการปล่อยมลพิษ และความเป็นผู้ใหญ่ของแบตเตอรี่ NiMH มาบรรจบกันพอดี

รถไฮบริดคันแรกไม่ใช่ Toyota Prius: เส้นทางสู่ปี 1900

เรื่องราวของระบบขับเคลื่อนไฮบริด ตรงข้ามกับที่หลายคนคิด ไม่ได้เริ่มต้นในต้น ศตวรรษที่ 20 แต่เริ่มขึ้นในปลาย ศตวรรษที่ 19 เมื่อ Ferdinand Porsche เข้าทำงานที่บริษัทไฟฟ้า Béla Egger & Co. ในเวียนนา ในปี 1893 ขณะอายุ 18 ปี เขายังไม่มีปริญญาวิศวกรรมอย่างเป็นทางการในมือเลย โดยเป็นนักศึกษาแบบพาร์ทไทม์ที่มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีเวียนนา แต่ภายในบริษัทนี้เอง เขาได้พัฒนามอเตอร์อยู่ในล้อแบบไฟฟ้าคันแรก และมอเตอร์นี้จะกลายเป็นศูนย์กลางของเรื่องราวทั้งหมด แต่ภายในบริษัทนี้เอง เขาได้พัฒนามอเตอร์อยู่ในล้อแบบไฟฟ้าคันแรก - และมอเตอร์นี้จะกลายเป็นรากฐานสำคัญของเรื่องราวทั้งหมด

ในปี 1898 เมื่ออายุ 23 ปี เขาสร้างยานพาหนะแรกของเขาที่โรงงานของ Jacob Lohner: ยานยนต์ต้นแบบไฟฟ้าพลังงานแบตเตอรี่ที่ติดตั้งมอเตอร์แบบหัวล้อไว้ที่ล้อหน้าทั้งสอง มอเตอร์แต่ละตัวให้กำลัง 2.5-3.5 แรงม้า และในช่วงเวลาสั้นๆ สามารถเพิ่มขึ้นได้ถึง 7 แรงม้า ระบบนี้ที่เรียกว่า "System Lohner-Porsche" สร้างความสนใจจากสื่อในยุโรปอย่างมาก และที่งาน Paris Fuarı 1900 Lohner-Porsche Electromobile คันแรกได้เปิดตัว: ด้วยกำลัง 2 x 2.5 PS สามารถวิ่งด้วยความเร็ว 37 กม./ชม.

สิ่งที่น่าสนใจคือ เหตุผลในการเลือกระบบขับเคลื่อนไฟฟ้าของ Lohner นั้นสอดคล้องกับปัจจุบันอย่างสมบูรณ์: อากาศในเมือง "ถูกทำลายอย่างโหดร้ายโดยเครื่องยนต์เบนซินจำนวนมากที่ใช้งานอยู่" เมื่อร้อยยี่สิบปีก่อน ความกังวลเรื่องการปล่อยมลพิษก็เป็นหนึ่งในเหตุผลของการกำเนิดระบบไฮบริดแล้ว

Semper Vivus และ Mixte: หลักการไฮบริดแบบอนุกรมเกิดขึ้นได้อย่างไร

จุดอ่อนที่สำคัญที่สุดของยานยนต์ไฟฟ้าพลังงานแบตเตอรี่คือระยะทาง และ Porsche ได้แก้ปัญหานี้ด้วยการสร้างโครงสร้างที่วันนี้เราเรียกว่า "ไฮบริดแบบซีรีส์" Semper Vivus ที่เขาออกแบบในปี 1900 (ภาษาละตินแปลว่า "มีชีวิตเสมอ") เป็นรถยนต์ไฮบริดที่ใช้งานได้จริงคันแรกของโลก: แทนที่จะพึ่งพาแบตเตอรี่ เครื่องยนต์สันดาปภายในหนึ่งตัวทำหน้าที่ขับเคลื่อนเครื่องกำเนิดไฟฟ้า และไฟฟ้าที่ผลิตได้ถูกส่งตรงไปยังมอเตอร์ที่ซับซ้อนอยู่ในล้อ เครื่องยนต์เบนซินไม่เคยเชื่อมต่อกับล้อโดยตรงทางกลไกเลย หน้าที่เดียวของมันคือการผลิตไฟฟ้า

เวอร์ชันที่พร้อมผลิตถือกำเนิดขึ้นในปี 1901 ในชื่อ Lohner-Porsche "Mixte" Porsche คว้าชัยชนะในการแข่งขัน Exelberg Rally ปี 1902 ด้วย Mixte ในปี 1905 รถแข่งไฟฟ้าแบ่งใช้มอเตอร์ 2 x 30 PS สามารถทำความเร็วเกิน 130 กม./ชม. ผลงานระดับนี้ไม่ใช่แค่การอวดฝีมือทางวิศวกรรมโดยไม่มีความหมาย Porsche ได้รับรางวัล Pötting ในปี 1905 ในฐานะวิศวกรยานยนต์ที่ประสบความสำเร็จที่สุดของออสเตรีย ภาพทางเทคนิคชัดเจน - ระบบนี้ทำงานได้จริง

ประวัติศาสตร์ได้นำเสนอหลักฐานเพิ่มเติมอีกสองชิ้นเพื่อแสดงพลังของแนวคิดไฮบริดแบบอนุกรม Boeing และ NASA ได้ศึกษาการออกแบบของ Lohner-Porsche สำหรับ Lunar Roving Vehicle ของโครงการ Apollo ส่วนแนวคิดไฮบริดแบบอนุกรมยังคงเป็นพื้นฐานของหัวรถจักรรางร่วมสมัยจำนวนมากจนถึงทุกวันนี้ นั่นหมายความว่าหลักการนี้ไม่ได้ผิด - เพียงแต่จังหวะเวลาผิดพลาดเท่านั้น

รถยนต์ที่มีน้ำหนักเข้าใกล้สี่ตัน: ราคาที่ต้องจ่ายด้วยน้ำหนัก

สิ่งที่บดบังความสำเร็จทางเทคนิคของไฮบริดยุคแรก คือต้นทุนที่จับต้องได้ชัดเจนผ่านตัวเลข: น้ำหนัก ลูกค้าชาวอังกฤษ E.W. Hart สั่งผลิตรุ่น La Toujours Contente ซึ่งใช้งานได้ทั้งเบนซินและไฟฟ้า ถือเป็นตัวอย่างสุดขั้วของต้นทุนนี้ ตัวเลขพูดเพื่อตัวมันเอง:

แบตเตอรี่ 1.8 ตัน ที่ต้องพกพาด้วยความหนาแน่นพลังงานของสารลด-กรด ได้ทำลายสมการความประหยัดของระบบไฮบริดตั้งแต่ต้น Lohner-Porsche เองก็มีน้ำหนักเกือบ สองตัน แม้จะมีกำลังที่ไม่มากนักก็ตาม ทุกกิโลกรัมที่เกินมา หมายถึงโครงสร้างที่ต้องแข็งแรงขึ้น ยางที่มากขึ้น เชื้อเพลิงที่มากขึ้น - และทั้งหมดนี้สะท้อนไปยังป้ายราคา

ทำไมไฮบริดจึงหายไปจากตลาดถึง 80 ปี?

ไฮบริดที่ผลิตด้วยเทคโนโลยี Mixte ถูกผลิตต่อเนื่องจนถึงทศวรรษ 1910 นั่นคือแนวคิดนี้ไม่ได้ตาย และไม่ได้ถูกห้ามใช้ทันทีทันใด มันถูกผลิต ถูกขาย แล้วจากนั้นก็แพ้การแข่งขันในตลาดอย่างเงียบ ๆ มีสามเหตุผลที่วัดได้ และไม่มีข้อใดเกี่ยวข้องกับเทคโนโลยีเลย

เบนซินราคาถูกทำลายสมการ

การค้นพบน้ำมันดิบราคาถูกในเท็กซัส ดึงต้นทุนเชื้อเพลิงลงอย่างรวดเร็วในทศวรรษแรก ๆ ของศตวรรษที่ 20 รถยนต์เบนซินกลายเป็นทั้งถูกกว่าและใช้งานสะดวกกว่าสำหรับระยะทางไกล ส่วนไฮบริด Mixte มีราคาแพงกว่าและทรงพลังน้อยกว่ารุ่นเบนซินที่เทียบเคียงกัน - ผลคือส่วนใหญ่ขายได้แย่ สำหรับบริษัทที่จะลงทุน ตัวเลขไม่ได้ผล ตามที่ประเมินประวัติศาสตร์ของ Smithsonian ระบุไว้ ในตอนต้นศตวรรษที่ 20 บริษัทที่ล่มจมบางแห่ง ลงทุนใน "ม้าที่ผิด" ในแง่ของประเภทเชื้อเพลิงอย่างง่าย ๆ ตัวเลือกไอน้ำ ไฟฟ้า และเบนซินต่างแข่งขันกัน และเบนซินชนะการแข่งขันนี้ด้วยความถูกของมัน โครงสร้างพื้นฐานไฟฟ้าไม่เคยเกิดขึ้นเลย

โครงสร้างพื้นฐานไฟฟ้าไม่เคยมีอยู่จริงเลย

อนาคตของการขับเคลื่อนไฟฟ้า ไม่ว่าจะเป็นแบตเตอรี่แบบใด ก็ขึ้นอยู่กับระบบโครงข่ายไฟฟ้า แต่ในช่วงต้นทศวรรษ 1900 ยังไม่มีโครงสร้างพื้นฐานสำหรับการชาร์จในบ้านเรือนหรือตามท้องถนนเลย ความขาดแคลนโครงสร้างพื้นฐานนี้ เมื่อผสมกับระยะทางที่สั้นของแบตเตอรี่ ก็ปิดกั้นทางเดินของยานยนต์ไฟฟ้าไปอีกหลายสิบปี รถยนต์ไฟฟ้าที่ชาร์จไม่ได้ ในทางปฏิบัติก็เป็นเพียงของเล่นในโรงรถเท่านั้น

เศรษฐกิจการผลิตจำนวนมากเอนเอียงไปทางรถเบนซิน

เทคโนโลยีพัฒนาไปพร้อมกับการยอมรับและการผลิตจำนวนมาก และต้นทุนก็ลดลงในจุดนั้น ในยุคนั้นรถยนต์ไฟฟ้าคิดเป็นประมาณ หนึ่งในสาม ของยานพาหนะบนท้องถนน นั่นคือส่วนแบ่งตลาดไม่ได้เล็กเลย แต่เมื่อโมเมนตัมของเศรษฐกิจการผลิตจำนวนมากเลื่อนไปที่เครื่องยนต์เบนซิน รถเบนซินก็ถูกและสมบูรณ์แบบขึ้นอย่างรวดเร็ว ระบบขับเคลื่อนไฟฟ้าตกอยู่นอกวงจรการพัฒนานี้ และภายในปี 1935 ก็หายไปจากถนนเกือบสมบูรณ์ แม้แต่ข้อได้เปรียบในชีวิตประจำวันอย่างความยุ่งยากของที่หมุนสตาร์ทมือและมลพิษจากท่อไอเสีย ก็ไม่สามารถเปลี่ยนความจริงทางเศรษฐกิจนี้ได้

สรุปสั้นๆ คือ: แนวคิดไฮบริดมีความพร้อมทางเทคนิค แต่เกิดมาตายทางการค้า สิ่งที่ทำลายมันไม่ใช่ความผิดพลาดทางวิศวกรรม แต่เป็นกำแพงทางเศรษฐกิจสามชั้นที่ประกอบด้วยน้ำมันราคาถูก โครงสร้างพื้นฐานที่ไม่สมบูรณ์ และเศรษฐกิจขนาด

ความเงียบงันเกือบ 80 ปี

รถยนต์ไฮบริดกลับมาเป็นส่วนหนึ่งของวงการยานยนต์อีกครั้งหลังจากผ่านไปประมาณ 80 ปี ตามที่ระบุไว้ในประวัติศาสตร์ของ Toyota เอง ในช่วงเวลานั้นก็มีการทดลองระหว่างกาลที่น่าสนใจเกิดขึ้น: ในปี 1976 รถสปอร์ตขนาดเล็กที่ใช้เครื่องกังหันแก๊สเป็นเครื่องปั่นไฟและมอเตอร์ไฟฟ้า แสดงให้เห็นว่าแนวคิดไฮบริดถูกซ้อมมาแล้วครั้งหนึ่ง Audi ก็เปิดตัวคอนเซปต์ Duo ด้วยเช่นกัน แต่สิ่งเหล่านี้เป็นเพียงการทดลองที่โดดเดี่ยว ไม่ได้กลายเป็นผลิตภัณฑ์จริง บริบทยังไม่พร้อม: น้ำมันถูก แรงกดดันด้านการปล่อยมลพิษยังอ่อนแอ และแบตเตอรี่ยังคงคลานอยู่ในยุคตะกั่ว-กรด

จุดหักเหเริ่มต้นขึ้นในกลางทศวรรษ 1980 หลังวิกฤตน้ำมัน งานวิจัยไฮบริดลุกขึ้นใหม่อีกครั้ง และคราวนี้ตัวแปรทั้งสามในสมการเริ่มเปลี่ยนแปลงพร้อมกัน: ความกังวลด้านความมั่นคงทางเชื้อเพลิง กฎระเบียบด้านสิ่งแวดล้อม และเคมีของแบตเตอรี่

ทำไมกันแน่ที่ต้องเป็นปี 1997? วิกฤตน้ำมัน กฎการปล่อยมลพิษ และ NiMH

คำถามที่ควรถามก็คือ: ทำไมแนวคิดไฮบริดจึงฟื้นคืนชีพไม่ใช่ในปี 1900 แต่กลับมาในปี 1997 พอดี? คำตอบอยู่ที่การที่สามเหตุการณ์อิสระมาบรรจบกันในช่วงเวลาเดียวกัน

วิกฤตน้ำมันสร้างความกังวลเชิงกลยุทธ์

กลยุทธ์ไฮบริดของ Toyota ถูกขึ้นรูปในบริบทของการตอบสนองต่อวิกฤต ถูกขึ้นรูปในบริบทของการตอบสนองต่อวิกฤตน้ำมัน เมื่อความสะดวกสบาย 80 ปีของน้ำมันราคาถูกสั่นคลอน ประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิงก็เปลี่ยนจากโบนัสทางการตลาดกลายเป็นประเด็นเรื่องความอยู่รอดของบริษัท Prius ที่เปิดตัวในญี่ปุ่นเดือนธันวาคม 1997 ในฐานะไฮบริดผลิตจำนวนมากรุ่นแรกของโลก ได้เพิ่มประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิงและลดมลพิษจากท่อไอเสียไปพร้อมกัน ผลลัพธ์เชิงตัวเลขชัดเจน: เศรษฐกิจเชื้อเพลิงแบบรวม 57.6 mpg การปล่อย CO2 104 กรัม/กิโลเมตร ด้านวิศวกรรม การออกแบบวัฏจักร Atkinson ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพทางความร้อน โดยมอเตอร์ไฟฟ้าทดแทนกำลังที่ต่ำของเครื่องยนต์เบนซิน ในมุมมองของ IEEE ยานพาหนะนี้ยังถูกบันทึกไว้ในฐานะจุดหมุนที่ช่วยลดการปล่อย CO2 และบรรเทาการหมดสิ้นของน้ำมันปิโตรเลียม

แบตเตอรี่ NiMH เปลี่ยนจากวัยอ่อนเป็นวัยเจริญงอกงาม

ปัญหาที่ร้ายแรงที่สุดของปี 1900 คือน้ำหนัก ภายในปี 1997 ปัญหานี้ได้รับการแก้ไขไปเป็นจำนวนมากแล้ว รุ่นแรกของHonda Insight (1999–2006) เปิดตัวในรูปแบบลิฟต์แบ็กสองที่นั่งสามประตู พร้อมแพ็กแบตเตอรี่นิกเกิล-เมทัลไฮไดรด์ (NiMH) แรงดัน 144 โวลต์ และหน่วยควบคุมกำลังไฟฟ้าแบบอิเล็กทรอนิกส์ ในช่วงเวลาเดียวกันกับการเปิดตัว Prius Insight ก็อาศัยความเป็นผู้ใหญ่ของเทคโนโลยี NiMH เช่นกัน แทนที่มรดกน้ำหนัก 1.8 ตันของตะกั่ว-กรด เคมีชนิดใหม่ที่สามารถพาความต้องการพลังงานของยานยนต์ได้ในน้ำหนักที่เหมาะสมก็มาถึง แนวคิดเดียวกับยุคปี 1900 ในตอนนี้มีแหล่งเก็บพลังงานที่มันพาไหวแล้ว

กฎระเบียบด้านการปล่อยมลพิษบีบตลาด

กฎการปล่อยมลพิษที่เข้มงวดขึ้นทำให้ผู้ผลิตเปลี่ยนประสิทธิภาพเชื้อเพลิงจากทางเลือกเป็นข้อบังคับ รถไฮบริดคือคำตอบทางเทคโนโลยีเพียงหนึ่งเดียวที่จุดตัดของแรงทั้งสามนี้ และต่างจากเมื่อ 80 ปีก่อน คราวนี้กำแพงทางเศรษฐกิจได้พังทลายลงแล้ว

ก้าวต่อไป: ยุคลิเทียม-ไอออนและไฮบริดแบบเสียบปลั๊ก

รากฐานที่คลื่นไฮบริดรุ่นแรกวางไว้เริ่มเร่งความเร็ว ในด้านแบตเตอรี่ ในปี 1998 Nissan Altra EV กลายเป็นรถยนต์เชิงพาณิชย์คันแรกที่ใช้แบตเตอรี่ลิเทียม-ไอออน การที่ลิเทียม-ไอออนกลายเป็นเทคโนโลยีที่เหมาะสมกับการใช้งานในยานยนต์ ร่วมกับกฎระเบียบการปล่อยมลพิษที่เข้มงวดขึ้น ทำให้ความสนใจในระบบขับเคลื่อนไฟฟ้าฟื้นคืนอย่างถาวร ในปี 2010 Chevy Volt เปิดตัวในฐานะไฮบริดแบบเสียบปลั๊กคันแรกที่วางจำหน่ายได้จริงเชิงพาณิชย์ โดยฝั่งแบตเตอรี่ได้รับประโยชน์จากเทคโนโลยีที่พัฒนาโดยกระทรวงพลังงาน ในปีเดียวกัน Porsche เริ่มต้นการเปลี่ยนผ่านสู่ electromobility ด้วยCayenne S Hybrid ส่วนPanamera S E-Hybrid ปี 2015 นำเสนอระยะทางไฟฟ้า 36 กม. ในฐานะไฮบริดแบบเสียบปลั๊กคันแรกของโลกในเซกเมนต์ของมัน

ความสมมาตรของวิวัฒนาการนี้น่าทึ่ง หลักการไฮบริดแบบอนุกรมที่ Ferdinand Porsche สร้างขึ้นในปี 1900 ยังคงทำงานด้วยตรรกะเดียวกันในรุ่นแบบเสียบปลั๊กในปัจจุบัน และในรถจักรไอน้ำรางที่ยังใช้อยู่จนถึงทุกวันนี้ แนวคิดนี้ไม่เคยล้าสมัย มีเพียงครั้งหนึ่งที่เศรษฐศาสตร์ไม่เอื้ออำนวย และอีกครั้งหนึ่งที่มันเอื้ออย่างสมบูรณ์

เทคโนโลยีไม่ได้ชนะ สมการต่างหากที่ชนะ

ความเงียบ 80 ปีของรถไฮบริดคือหนึ่งในการทดลองควบคุมที่สะอาดที่สุดในประวัติศาสตร์ยานยนต์ แนวคิดเดียวกัน ด้วยคุณภาพวิศวกรรมที่คล้ายกัน ถูกทดลองในสองยุคที่แตกต่าง: ในปี 1900 ระบบที่ทำงานราวกับเครื่องเพชรถูกลบออกจากตลาดด้วยแรงกดดันของน้ำมันเบนซินราคาถูก ระบบไฟฟ้าที่ยังไม่มี และเศรษฐศาสตร์ของการผลิตขนาดใหญ่ ในปี 1997 แนวคิดเดียวกันนี้กลายเป็นความสำเร็จเชิงพาณิชย์ได้ด้วยความกังวลเชิงกลยุทธ์ที่เกิดจากวิกฤตน้ำมัน กฎการปล่อยมลพิษที่เข้มงวดขึ้น และความเป็นผู้ใหญ่ของแบตเตอรี่ NiMH สิ่งที่เปลี่ยนไปไม่ใช่เทคโนโลยีในตัวมันเอง แต่สิ่งที่เปลี่ยนคือสมการทางเศรษฐกิจที่ล้อมรอบแนวคิดนั้น บทเรียนนี้ซึ่งมักถูกลืมในงานวิศวกรรมยานยนต์ จำเป็นต้องไม่ลืม: ทางแก้ที่ดีไม่เพียงแค่แก้ปัญหาเท่านั้น แต่ยังต้องจ่ายค่าแก้ปัญหานั้นด้วย

แหล่งอ้างอิง

• Lohner–Porsche
• ประวัติศาสตร์ของ Porsche เริ่มต้นด้วยไฟฟ้า
• Prius สืบสายสายพันธุ์จากรถยนต์ปี 1900 จาก...
• รถยนต์ไฟฟ้า Lohner Porsche
• ปอร์เช่คันแรก: รถยนต์ไฟฟ้าจากปี 1898? รู้จัก...
• การพัฒนา Prius และกลยุทธ์รถไฮบริด - Toyota Global
• หมุดหมาย: Toyota Prius - ETHW
• ประวัติศาสตร์ของ Toyota Prius - Toyota UK Magazine
• เรื่องราวเบื้องหลังการกำเนิดของ Prius ตอนที่ 2 - Toyota Global
• Honda Insight -- บทนำ - Honda News
• Honda Insight
• ประวัติศาสตร์ของรถยนต์ไฟฟ้า - energy.gov
• ทำความเข้าใจกับเทคโนโลยีที่ "ล้มเหลว"
• ตรวจสอบข้อเท็จจริง: รถยนต์ไฟฟ้าในต้นทศวรรษ 1900 - USA Today
• เมื่อ 100 ปีก่อน รถ EV ขายดีกว่ารถเบนซิน
• ประวัติโดยย่อของรถยนต์ไฮบริด
• ประวัติศาสตร์ของรถยนต์ไฮบริดคืออะไร?
• วิวัฒนาการของเทคโนโลยีแบตเตอรี่
• เฟอร์ดินานด์ ปอร์เช่