カーブでも安定給電、円形補償コイルが実現
電気自動車（EV）の普及に伴い、その充電インフラの進化は止まらない。従来のケーブルを差し込むプラグイン式充電は、利便性の面で依然課題を抱えている。長時間の充電待ち、ケーブルの取り扱いの煩わしさ、そして何より、走行中のエネルギー補給ができない点が、EVの真の自由度を制限している。この壁を打ち破る鍵として、世界中で注目されているのが「動的ワイヤレス給電」技術である。道路に埋め込まれたコイルから、走行中の車両が非接触で電力を受けるこのシステムは、将来的には「走る＝充電する」という、まるで無限に近い航続距離を実現する可能性を秘めている。
しかし、この夢のような技術も、現実の複雑な道路環境に直面すると、重大な技術的課題にぶつかる。その最大の難関が、「カーブでの給電の不安定性」である。直線道路では、車両底部に搭載された受電コイルと、路面に埋設された送電コイルが完璧に平行に保たれ、効率的で安定した電力伝送が可能だ。ところが、車両がカーブを曲がる瞬間、この理想的なアライメントが崩れる。受電コイルと送電コイルの重なり合う面積が急激に変化し、その結果、電力伝送の効率を決定づける「相互インダクタンス」が大きく変動する。この変動は、車両側の電圧や電流を不安定にし、最悪の場合、バッテリーへの充電が途切れたり、車両の電子制御システムに悪影響を及ぼす可能性さえある。特に、都市部の交差点や円環交差点（ラウンドアバウト）など、カーブが頻発する環境では、この問題が動的ワイヤレス給電の実用化を阻む大きな足かせとなっていた。
この長年の課題に対して、画期的な解決策を提示したのが、上海電機学院電気学院の駱強（ラク・キョウ）と胥飛（ジョ・ヒ）の研究チームである。彼らの最新の研究成果は、カーブ走行中の電力伝送の安定性を飛躍的に向上させる、シンプルながらも非常に効果的な設計を提案している。その核となるアイデアは、「内蔵型円形補償コイル」の導入である。
従来のEV受電システムは、効率と製造のしやすさから、長方形のコイルが主流である。駱氏らの研究も、この基本構成を踏襲している。しかし、彼らが革新を加えたのは、この長方形コイルの内部に、小さな円形の補償コイルを追加するという点だ。この補償コイルは、直線走行時には休止状態にあり、電力伝送には関与しない。しかし、車両がカーブに差し掛かると、ナビゲーションシステムや路面のインフラからの信号によって自動的に作動を開始する。この円形コイルが、カーブによって失われる長方形コイルの磁気結合を、巧みに補完する役割を果たす。
この設計の優れた点は、円形という幾何学的特性にある。カーブを曲がる際、長方形コイルの角が送電コイルから急激に外れることで、相互インダクタンスに大きな変動が生じる。一方、円形コイルはその対称性により、カーブに入っていく過程で、送電コイルとの結合面積が滑らかに、そして均等に変化する。これにより、相互インダクタンスの変動を最小限に抑え、電力伝送の安定性を保つことが可能になる。これは、カーブという「障害」を、コイルの形状という「設計」で乗り越える、非常にエレガントな解決策である。
しかし、形状を決めるだけでは不十分だ。補償コイルの性能は、その巻き数（ターン数）に大きく左右される。巻き数が少なすぎれば補償効果は弱く、多すぎれば今度は逆に過剰な補償（オーバーコンペンセーション）が生じ、再び不安定さを招く。この最適な巻き数を決定するため、研究チームは高度な計算手法を用いた。それが「遺伝的アルゴリズム」である。これは、生物の進化の過程を模した計算手法で、膨大な組み合わせの中から最適解を効率的に見つけることができる。彼らは、45度から180度までのさまざまなカーブ角度を想定し、それぞれで相互インダクタンスの変動を±0.5%以内に抑える最適な巻き数をシミュレーションで探索した。
その結果、驚くべきことに、あらゆるカーブ角度において最適な性能を発揮する「統一的な最適巻き数」が存在することが判明した。それは「10回巻き」だった。この発見は、実用化の面で極めて重要である。道路インフラは、あらゆる角度のカーブに対応できる必要がある。もし、カーブの角度ごとに異なる仕様の補償コイルや制御ロジックが必要であれば、システムは極めて複雑で高価なものになってしまう。しかし、「10回巻き」という単一の仕様で、あらゆるカーブに対応できるのであれば、量産性が格段に向上し、コストも大幅に削減される。これは、技術的なブレークスルーと同時に、経済性という観点からも大きな前進である。
理論とシミュレーションの次に来るべきは、現実世界での実証である。研究チームは、20kHzの周波数で3kWの電力を伝送する実物大の実験装置を構築した。この装置で、90度のカーブを通過する際の性能を測定した結果は、シミュレーションを上回る成功を収めた。補償コイルを用いることで、相互インダクタンスの変動はわずか±0.4%にまで抑制された。これは、目標値の±0.5%を大きく下回る、極めて安定した数値である。この安定した磁気結合は、そのまま電圧の安定性に直結した。車両側で得られる電圧の変動率は3.6%と、非常に安定した値を記録した。これは、車両のバッテリー管理システム（BMS）にとって、非常に扱いやすい安定した電源であることを意味する。
この研究の意義は、単に一つの技術的課題を解決したことに留まらない。それは、動的ワイヤレス給電という夢の技術が、現実の道路インフラに溶け込むための重要な一歩を踏み出したことを示している。カーブでの不安定性という「盲点」を解消することで、この技術は都市部の複雑な路線網への適用可能性が飛躍的に高まった。バスの路線、物流トラックの配送ルート、さらには自律走行車の運行ルートなど、ルートが固定されている交通機関への応用が、現実味を帯びてきた。
例えば、都市のバス路線にこの技術を導入すれば、バスは走行中ずっと充電され続ける。これにより、大型の高価なバッテリーを搭載する必要がなくなり、車両の重量が軽減され、運行コストが下がる。また、充電のために車庫に戻る必要も減り、運行本数を増やすことが可能になる。同様に、物流センターから工場までの固定ルートを走るトラックにも応用でき、航続距離の制限から解放され、より効率的な物流ネットワークの構築が可能になる。
さらに、研究チームは、車両と路面の間のギャップ（エアギャップ）が効率に与える影響も詳細に分析している。彼らのシミュレーションと実験から、20cmのギャップで最も高い効率（ピーク93.4%）が得られることが明らかになった。これは、市販車の一般的な最低地上高と非常によく一致している。つまり、この技術は、特別に改造された車両ではなく、量産EVにそのまま適用できる可能性が高いことを示している。これは、技術の普及にとって極めて重要なポイントである。
また、カーブの設計自体にも重要な知見が得られた。研究では、「カーブの内径と幅の比（Q値）」が、相互インダクタンスの変動に大きく影響することが分かった。Q値が3以上あれば、補償コイルがなくても十分に安定した給電が可能だが、都市部の制約から、実際の道路ではQ値が1～2の範囲になることが多い。そのような現実的な条件下では、補償コイルの効果が特に顕著に現れる。つまり、駱氏らの技術は、理想の環境ではなく、むしろ制約の多い現実の都市インフラにこそ、最も効果を発揮するのである。
このように、上海電機学院の研究は、単なる実験室での成果ではなく、実社会への応用を強く意識した、実用性に富んだ研究である。理論的な考察、高度なシミュレーション、そして実物による実験という、三つの柱で構成された堅実なアプローチが、その信頼性を裏付けている。カーブでの給電安定化という具体的な問題に焦点を当て、シンプルな構造変更と最適化アルゴリズムで解決を導き出した点は、工学の真髄ともいえる。
今後の課題としては、大規模な実証実験や、長期間にわたる耐久性試験、そして国際的な技術標準の確立が挙げられる。しかし、この研究が示した方向性は明確だ。動的ワイヤレス給電は、もはやSFの世界の話ではなく、技術的な障壁を一つ一つ乗り越え、現実の交通インフラへと近づいている。円形補償コイルという小さな部品が、EVの未来を大きく動かす可能性を秘めている。それは、私たちが「走る充電器」の時代を、一歩ずつ現実のものにしている証拠でもある。
駱強、胥飛、上海電機学院電気学院、『電気工学と技術のジャーナル』、DOI: 10.19753/j.issn1001-1390.2024.01.014