EVワイヤレス充電、新設計で飛躍的進化
電気自動車（EV）の普及に伴い、充電インフラの利便性はますます重要性を増している。従来のケーブルを差し込む充電方式は、取り回しが面倒で、悪天候下での使用には不安が残り、また頻繁な差し込み・抜きで端子の摩耗も懸念される。こうした課題を解決する次世代技術として、駐車するだけで自動的に充電が始まる「ワイヤレス充電」が注目を集めている。しかし、その実用化を阻んできた最大の壁は、充電効率の低下だった。車両と地面に埋められた充電パッドの位置が、わずかでもずれると、エネルギーの送受信効率が急激に落ちてしまうため、ユーザーは非常に正確に駐車しなければならず、実用性が大きく損なわれていた。
この長年の課題を、画期的な設計で克服した研究が、中国・長安大学（Chang’an University）の研究チームによって発表された。同チームは、従来の技術を凌駕する新構造「非対称D4Q二重層コイル」を開発し、位置ずれに対する耐性を飛躍的に向上させた。この成果は、EVワイヤレス充電を、特別な技術を持つドライバーだけのものから、誰でも簡単に使える日常的なインフラへと変える可能性を秘めている。
この研究を主導したのは、長安大学エネルギー・電気工学部の徐先峰（Xu Xianfeng）准教授だ。同氏のチームは、EVワイヤレス充電システムの心臓部である「磁気結合構造」に着目した。この構造は、地面の送電コイルと車両の受電コイルで構成され、互いのコイルがどれだけ強く磁場を共有できるか（結合係数）が、出力電力と伝送効率を直接左右する。これまでの多くの研究では、送電コイルと受電コイルのサイズを同じ（対称）に設計していたが、これは現実的な制約を無視したものだった。
実際の車両では、床下に受電コイルを設置するスペースは非常に限られている。一方、路面に埋め込む送電コイルは、その制約がはるかに少ない。この「非対称性」を無視した従来設計では、スペースの無駄が生じ、性能が最大限に発揮されていなかった。徐氏のチームは、この根本的な問題に気づき、設計思想を大胆に転換した。
彼らの第一の革新は、「非対称D4コイル」の設計である。具体的には、地面の送電コイルを650mm×500mmの大きなサイズにし、車両の受電コイルは400mm×380mmの小型に抑えた。この非対称設計により、シミュレーション上、結合係数が20%向上し、横方向のずれ耐性が20mm、縦方向のずれ耐性が30mm拡大した。これは、ユーザーが駐車する際の自由度が大きく増したことを意味する。
しかし、チームはここで満足しなかった。既存のD4コイルには、新たな問題があった。D4コイルは4つのD字型コイルを四角形に配置したものだが、隣接するコイルの接合部では、電流の向きが逆になり、磁場が打ち消し合う。このため、コイルの中心部の磁場が弱くなり、最大出力が犠牲になっていた。これは、正確に駐車できたときの充電スピードを犠牲にして、ずれに強くなるという、難しいトレードオフだった。
このトレードオフを解消するため、チームは「二重層」のアイデアを思いついた。それが「非対称D4Q二重層コイル」である。この設計では、既存の非対称D4コイルの上に、もう一つの大きな矩形コイル（Qコイル）を追加する。送電側では地面のD4コイルの上に、受電側では車両のD4コイルの下に、それぞれQコイルを配置する。
この二重層構造の真髄は、それぞれのコイルが異なる役割を果たす点にある。D4コイルは「ずれ耐性」を担当する。その広く均一な磁場分布により、車両が大きくずれていても、何らかの形でエネルギーを送信できる。一方、Qコイルは「高効率出力」を担当する。車両が正確に駐車されたとき、この中央のQコイルが強力な磁場を発生させ、最大限の出力と効率を引き出す。このように、D4コイルが「安全ネット」として機能し、Qコイルが「ブースター」として機能することで、両者の長所を併せ持つ、理想的なシステムが実現された。
研究チームは、Ansys Maxwellという高度な電磁界シミュレーションソフトウェアを用いて、この新構造の性能を徹底的に検証した。その結果は驚異的だった。垂直距離150mm（一般的なSUVの地上高に相当）で、非対称D4Q構造の結合係数は0.12に達した。これは、従来の対称D4構造の約1.6倍、非対称D4構造の2倍という圧倒的な差である。この高い結合係数は、理論上、より大きな出力電力を可能にすることを意味している。
シミュレーションは、実際の駐車のずれを想定した様々なシナリオでも行われた。横方向に300mm、縦方向に400mm、垂直方向に230mm、さらには45度の回転ずれが生じても、依然として電力の送信が可能であることが確認された。これは、ユーザーが駐車する際、非常にラフな位置取りでも充電が継続できるレベルであり、実用性の面で大きな一歩を踏み出したことを示している。
シミュレーションの結果だけでは不十分である。理論が現実の世界で機能するかを確かめるため、研究チームは実物大の実験プラットフォームを構築した。このプラットフォームは85kHzの高周波で動作し、LCC-LCC型の補償回路を採用して高効率を実現している。また、過電流、過電圧、過熱、短絡など、あらゆる故障に対する保護機能も備えており、実用化を視野に入れた堅牢な設計となっている。
実験では、負荷抵抗10Ω、垂直距離150mmの条件下で、横方向と縦方向へのずれを再現して出力電力と伝送効率を測定した。その結果、理論通りの優れた性能が実証された。横方向に200mmずれた状態でも、非対称D4Q構造は1.57kWの出力を維持した。一方、従来の対称D4構造は同じ条件で出力が1.2kWまで低下した。最大出力においては、非対称D4Q構造が3.72kWを達成し、これは対称D4構造の約60%以上の向上である。
効率面でも同様の結果が得られた。正確に駐車した状態では、非対称D4Q構造は90.39%という非常に高い効率を記録した。横方向に200mmずれても、効率は85.2%と、依然として高い水準を保った。対照的に、対称D4構造は150mmのずれで効率が急激に低下し始めた。縦方向のずれでも、非対称D4Q構造は2.52kWの出力と90%前後の効率を維持し、他を大きく引き離した。実験結果は、論文で主張された「最大出力が約60.34%、最大伝送効率が11%向上」という数値を裏付け、新構造の優位性を確固たるものにした。
この技術の意義は、単に数値上の向上にとどまらない。それは、EVワイヤレス充電のユーザー体験そのものを変える可能性を秘めている。今後、この技術が採用されたEVを所有するユーザーは、自宅のガレージや公共の駐車場に車を停めるだけで、自動的に高速かつ高効率で充電が開始される。朝、満充電の状態で出発できることはもちろん、帰宅後は車を停めておくだけで、毎日自動的に充電される。これは、日常の煩わしさから完全に解放される、まさに「スマートモビリティ」の理想像である。
自動車メーカーにとっては、この技術は大きな差別化要因となる。プレミアムブランドは、この高度なワイヤレス充電を「リモートパーキング充電」といった高級機能として売り出すことができる。また、タクシー事業者や配達業者といったフリートオペレーターにとっても、車両の稼働率向上という点で非常に魅力的だ。車両が戻ってきたら、運転手が何もしなくても自動で充電が始まり、次の出勤までに十分な電力を確保できる。これにより、運用の効率化と人件費の削減が可能になる。
さらに、この技術は「V2G（ビークル・トゥ・グリッド）」との連携にも最適な基盤を提供する。V2Gとは、EVのバッテリーを家庭や電力網に電力を供給する技術である。高い伝送効率と安定した接続を実現する非対称D4Q構造は、双方向の電力のやり取りに理想的なインターフェースとなる。例えば、家庭の電力需要がピークの昼間に、EVのバッテリーから家庭に電力を供給し、夜間の安価な電力で再充電するといった、エネルギーマネジメントの新たな形が可能になる。EVは単なる移動手段ではなく、家庭や社会のエネルギーインフラの一部として機能するようになる。
インフラの面でも、この技術は大きな影響を与える。現在、公共のワイヤレス充電パッドは、設置コストやスペースの問題から普及が遅れている。しかし、非対称D4Q構造のような高耐性な技術が普及すれば、ユーザーの駐車精度に神経質になる必要がなくなるため、パッドの設置がより簡単になり、普及が加速する。将来的には、都市の道路や交差点に埋め込まれた充電パッドが、走行中にEVを充電する「ダイナミックワイヤレス充電」の実現にもつながるかもしれない。この場合、車両が正確にレーンを走行できれば、ずれの範囲内に収まり、連続的な充電が可能になる。
この研究は、単なる技術的改良ではなく、設計思想の転換を示している。それは、「現実の制約を前提に、それを逆手にとって最大の性能を引き出す」という、非常に実用的で洗練されたアプローチである。これまでの研究が「理想的な対称性」を追求していたのに対し、徐氏のチームは「現実の非対称性」を受け入れ、それを強みに変えた。この「問題を解決するのではなく、問題を活用する」という発想は、今後の技術開発に大きな示唆を与える。
結論として、長安大学の研究チームが開発した非対称D4Q二重層コイルは、EVワイヤレス充電技術に革命をもたらす可能性を秘めた画期的な成果である。位置ずれに対する高い耐性と、従来比で60%以上の出力向上、11%の効率向上という実績は、この技術が実用性と性能の両面で優れていることを証明している。この技術が商業化されれば、EVの所有と運用はさらにシームレスなものとなり、電動化社会の実現に大きく貢献することが期待される。徐先峰准教授とそのチームの洞察力と技術力は、モビリティの未来を形作る上で、重要な一歩を刻んだと言えるだろう。
Xu Xianfeng, Wu Huiling, Yang Xiongzheng, Lu Yong, Li Longjie, College of Energy and Electrical Engineering, Chang’an University. Transactions of China Electrotechnical Society. DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.230569