電気自動車のワイヤレス充電に画期的進展
中国の研究チームが、電気自動車（EV）のワイヤレス充電技術において、長年の課題を解決する画期的な進展を遂げた。この新たなシステムは、充電中の車両の位置ズレによる性能低下という最大の障壁を克服し、同時にリチウムイオン電池の充電プロファイルに完全に適合する安定した出力制御を実現している。広西電網公司柳州供電局と重慶大学自動化学院の共同研究によるこの成果は、EVのワイヤレス充電を、実用性の低い実験室の概念から、日常の移動手段に組み込むことができる現実的な技術へと大きく前進させた。
ワイヤレス充電の魅力は、その利便性にある。プラグを差し込む必要がなく、雨の日や雪の日でも手を汚すことなく、また夜間の暗闇でも簡単に充電を開始できる。この技術は、単なる利便性の向上にとどまらず、完全自動運転車の実現に不可欠な要素でもある。自動運転車は、人間の介入なしに自らのバッテリーを充電する能力を持たなければならない。しかし、これまでのワイヤレス充電システムには、致命的な弱点があった。それは、送電コイルと受電コイルが完璧に位置合わせされていないと、充電効率と出力が急激に低下するという問題だ。現実の駐車場では、誰もがミリ単位の精度で車を停められるわけではない。この「位置ズレへの脆弱性」が、消費者の不安をあおるとともに、インフラの設置コストを大幅に押し上げ、技術の普及を妨げてきた。
この度、陸虹辰（Lu Hongchen）、董金熹（Dong Jinxi）、劉浠流（Liu Xiliu）、陳冠霖（Chen Guanlin）の広西電網公司柳州供電局のエンジニアたちと、重慶大学の張景海（Zhang Jinghai）教授が率いるチームは、この二つの課題を同時に解決する革新的なアプローチを提案した。彼らの解決策は、単一の魔法の特許ではなく、電力伝送の「回路設計」と、物理的な「コイル構造」の二つの柱が巧みに組み合わさったものである。
第一の柱は、「両側LCCトポロジー」と呼ばれる高度な電力伝送回路の応用である。この回路は、従来のものと比べて優れた性能を持つが、研究チームはその潜在能力を完全に引き出すための理論的基盤を確立した。彼らは、この回路が「負荷に依存しない定電流出力」と「負荷に依存しない定電圧出力」を実現するための厳密な条件を解明した。リチウムイオン電池の充電には、まず大電流で急速に充電する「定電流（CC）モード」と、その後、電圧を一定に保ちながら安全に満充電する「定電圧（CV）モード」の二段階が必要だ。このシステムは、100.0 kHzの周波数で動作すると定電流モードとなり、バッテリーに一定の電流を供給する。そして、バッテリーの電圧が所定の閾値に達すると、システムは自動的に107.3 kHzの周波数に切り替わる。この周波数では、定電圧モードとなり、出力電圧を安定して維持する。この「周波数ジャンプ制御」は、機械的なスイッチや複雑な電力回路の切り替えを必要とせず、ソフトウェアによる制御でスムーズなモード遷移を実現する。これは、システムの信頼性と耐久性を高めるだけでなく、コストを抑える鍵でもある。
さらに、この回路は両モードで「ゼロ位相角（ZPA）」を達成している。これは、入力電圧と入力電流が完全に同位相になる状態を意味し、無効電力が最小限に抑えられ、エネルギー効率が最大になることを示している。87.4%という高い効率は、この優れた回路設計の賜物である。
しかし、どんなに優れた回路でも、位置ズレによって磁気結合が弱まれば、性能は台無しになってしまう。ここに、研究の第二の柱である「双方向同軸平面コイル」という革新的な物理設計が登場する。従来の正方形や円形の単一コイルとは一線を画すこの設計は、送電側（一次側）のコイルを、外側のコイルと、内側に設けられた逆方向に巻かれた小さなコイルが直列に接続された構造としている。
この設計の物理的メカニズムは非常に洗練されている。外側のコイルが主な磁束を発生させる一方、内側の逆巻きコイルは、その磁束の一部を打ち消す方向に働く。車両が横方向にずれた場合、送電コイルと受電コイルの間の磁気結合（相互インダクタンス）は通常、急激に減少する。しかし、この双方向コイルでは、外側コイルと内側コイルの結合が、ほぼ同じ割合で減少する。逆巻きの内側コイルの効果と相まって、結果として「実効的な磁気結合」が驚くほど安定して保たれるのだ。研究チームの実験では、最大200ミリメートルもの横方向のずれが生じても、出力電力は1.6キロワット前後で安定し、効率も86%台を維持した。これは、駐車時の小さなズレをはるかに超える範囲であり、実用上、ユーザーが位置合わせを気にする必要がないレベルの耐性を意味している。対照的に、従来の正方形コイルでは、わずか40ミリメートルのずれで効率が低下し始め、200ミリメートルでは出力が1.24キロワットまで落ち込むという結果が得られており、その差は歴然としている。
研究チームは、この設計を理論にとどめず、実物のプロトタイプを構築して実証を行った。送受電コイルには高周波損失を抑えるリッツ線が使用され、負荷には実際のEV用バッテリーパック（海康Q7-1000E）を模した電子負荷が接続された。これは、実際の使用環境を想定した非常に現実的なテストであり、その結果は理論とシミュレーションを裏付けている。定電流モードでは、負荷が変化しても出力電流は安定し、位置ズレが最大でも出力電流の変化は約2%に抑えられた。定電圧モードでは、出力電圧の変動がわずか0.5ボルト（約1%）と、極めて高精度な制御が確認された。
この研究の意義は、技術的成果そのもの以上にある。それは、電力会社（広西電網公司）と大学（重慶大学）という、実用化の視点と基礎研究の視点を持つ二つの強力な機関が協働した点にある。電力会社は、インフラとしての信頼性、安全性、コストの現実を知っている。一方、大学は、最先端の理論と深い技術的洞察を持っている。この相乗効果が、実世界に適用可能な革新的なソリューションを生み出した。
この成果は、EVのワイヤレス充電の未来を根本から変えうる。個人ユーザーにとっては、充電が格段に簡単でストレスフリーになる。さらに、自動運転タクシーや配達ロボット、電動バスなどのフリート運用において、夜間の自動充電が可能になれば、稼働率の向上と人件費の削減に大きく貢献する。都市部では、駐車スペースや道路にこの技術を埋め込むことで、動的充電（走行中の充電）の実現にもつながる可能性がある。
この画期的な研究は、学術誌『重慶大学学報』（Journal of Chongqing University）第47巻第8号（2024年8月）に「Research on constant current/constant voltage output of electric vehicle wireless charging system and anti-offset magnetic energy coupling mechanism」というタイトルで掲載され、DOI: 10.11835/j.issn.1000.582X.2024.08.007 で公開されている。著者は、広西電網公司柳州供電局の陸虹辰、董金熹、劉浠流、陳冠霖、および重慶大学自動化学院の張景海である。