EVワイヤレス充電、金属異物検出の感度を最適化
電気自動車（EV）のワイヤレス充電技術は、電源ケーブルを差し込むという煩わしさを解消し、まるでスマートフォンを充電するかのように、駐車するだけで自動的に充電が開始されるという未来のモビリティを象徴する技術として、長年にわたり注目を集めてきました。しかし、この技術の実用化を阻む最大の課題の一つとして、安全性、特に「金属異物検出」（FOD: Foreign Object Detection）の信頼性がありました。充電パッドと車両下部の受電コイルの間には、数千ワットの高電力が伝送される強力な磁場が発生します。この磁場内に、偶然落ちたコインや鍵、あるいは小さな金属片が入り込むと、渦電流が発生して急速に加熱され、火災や機器の損傷につながる恐れがあります。従来の検出技術は、感度が不十分であったり、周囲の電磁ノイズに弱く誤検出を起こしやすかったりするという課題を抱えていました。
この長年の課題に、科学的なアプローチで突破口を開いたのが、上海交通大学機械動力工学部の張彬（Zhang Bin）、朱翀（Zhu Chong）、張希（Zhang Xi）の研究チームです。彼らが『電源学報』（Journal of Power Supply）に発表した最新の研究成果は、ワイヤレス充電システムの安全性を飛躍的に向上させるものであり、この技術の実用化と大規模展開に向けた重要な一歩を踏み出したと評価されています。
従来の金属異物検出技術には、いくつかのアプローチがありました。一つは、温度センサーや赤外線カメラを用いて、金属異物の発熱を直接観測する方法です。しかし、この方法はコストが非常に高く、また雨や雪、直射日光などの環境要因に強く影響されるため、信頼性に欠けるという問題がありました。もう一つのアプローチは、主な電力伝送コイルの電流や電圧の変化を監視し、金属異物の存在による影響を間接的に検出する方法です。これは比較的安価ですが、感度が低く、特に小さな金属片や非磁性金属（アルミニウムなど）を検出するのが困難でした。また、複雑な信号処理アルゴリズムを必要とし、システム全体の負担が大きくなるという欠点もあります。
張彬らの研究チームが目をつけたのは、検出コイル自体の設計にあります。彼らは、金属異物が検出コイルの磁場に近づくと、そのコイルのインピーダンス（抵抗とリアクタンスの合成）が変化するという物理現象に注目しました。この変化を高感度に捉えることが、より信頼性の高い検出システムの鍵になると判断したのです。しかし、検出コイルの形状や寸法、巻き数、線間隔といった設計パラメータが、感度にどのように影響するのかを、理論的に明確にした研究はこれまで十分ではありませんでした。多くの開発は、経験則や試行錯誤に頼っていたのが現状でした。
この知識のギャップを埋めるために、研究チームはまず、矩形の検出コイルに金属異物が近づいた際の「等価電磁モデル」を構築しました。これは、複雑な電磁気現象を、電気回路の抵抗やインダクタンスに置き換えて解析する手法です。このモデルを通じて、彼らは金属異物の存在が検出コイルのインダクタンス（自己誘導係数）をどのように変化させるのかを、数学的な式で表現することに成功しました。この理論式が、本研究の最も重要な基盤となりました。
理論式が確立されたことで、研究チームは各設計パラメータが感度に与える影響を、定量的にシミュレーションで分析することができるようになりました。彼らは、検出コイルの外寸、巻き数、線間隔、線幅、銅箔の厚さなど、複数の要因を変化させ、それぞれが検出感度にどのような影響を及ぼすかを詳細に検証しました。その結果、直感に反するいくつかの重要な知見が得られました。
例えば、検出コイルのサイズについては、単純に「大きいほど良い」というわけではありません。確かに大きなコイルは全体的な磁場を強くできますが、小さな金属異物に対しては、その影響がコイル全体に対して相対的に小さくなり、感度が低下するというトレードオフがありました。逆に、極端に小さなコイルでは、検出範囲が狭くなってしまいます。研究チームは、実際のEV充電環境でよく見られる金属異物のサイズ（おおよそ25mmから60mm）を想定し、最もバランスの取れた最適サイズを特定しました。
また、コイルの巻き数も重要なパラメータでした。巻き数を増やすと感度は向上しますが、ある一定の巻き数を超えると、その向上率は鈍化し、さらに過剰な巻き数は、コイル自体の寄生容量を増大させ、信号の安定性を損なう可能性があることがわかりました。線間隔も同様に、狭すぎると製造上の問題や高周波損失が発生しやすくなるため、最適な「隙間」が存在することが明らかになりました。
これらの理論的分析とシミュレーションを経て、研究チームは「最適な検出コイルの構成」を提案しました。具体的には、外寸30mmの矩形、11巻き、線幅1mm、線間隔2mm、銅箔厚さ35μm（1オンス）という仕様です。この設計は、あらゆるパラメータを最適化し、特に25mm以上の金属異物に対して最も高い感度を発揮するように計算されたものです。
理論が実際の世界でも機能するかを検証するために、研究チームは3つの異なる検出コイルを製作しました。一つは提案された最適設計のコイル、残りの二つは感度が低いと予想される非最適な設計のコイルです。まず、これらのコイルのインダクタンスを理論値と電磁界シミュレーションの結果で比較したところ、誤差は5%以内と非常に高く、彼らの理論モデルの正確性が裏付けられました。
次に、金属異物検出性能の実験が行われました。3つの検出コイルに、直径25mmのコイン、40mmのアルミ板、90mmの金属蓋といった異なるサイズの金属異物を近づけ、検出回路の出力信号の変化を測定しました。結果は圧倒的でした。最適設計のコイルを使用した場合、25mmのコインでも出力信号が約69%も変化し、明確に検出可能でした。一方、非最適なコイルでは、同じコインでも信号変化は非常に小さく、信頼性の高い検出は困難でした。特に、40mmのアルミ板では、最適コイルの感度がピークに達し、理論で予測された通り、50-55mm前後のサイズの金属異物に対して最も鋭敏に反応することが実証されました。
さらに重要なのは、このシステムが「抗干渉能力」を持っていることです。実際のEVワイヤレス充電システムでは、主な電力伝送コイルから強力な電磁ノイズが発生します。このノイズが検出回路に影響を与えると、誤検出や感度の低下を引き起こします。しかし、研究チームが設計した検出回路（直列共振サンプリング回路、高周波フィルタ、ピーク検出回路など）は、このノイズを効果的に除去し、出力信号は非常にクリーンな波形を保ちました。これは、実用環境下でも安定した検出が可能であることを意味します。
また、車両の位置が完全に一致しない場合、受電コイルの位置によっても検出コイルのインダクタンスが変化するという問題があります。これに対して、研究チームは「プリ検出」（Pre-detection）というプロセスを導入しました。車両が停車した直後、充電を開始する前に、各検出コイルの出力電圧を基準値として記録します。その後、この基準値から大きく逸脱した場合にのみ、金属異物が存在すると判断する仕組みです。これにより、車両の位置ずれによる誤検出を確実に防ぐことができます。
この研究の意義は、単に一つの高性能な検出コイルを開発したことにとどまりません。彼らが構築した「理論モデル」と「最適化手法」は、今後のワイヤレス充電技術の開発に革命をもたらす可能性を秘めています。これにより、開発者は試行錯誤ではなく、科学的な根拠に基づいて、特定の用途や要件に最適化された検出システムを設計できるようになります。これは、コスト削減、開発期間の短縮、そして何よりも安全性の向上に直結します。
安全性の観点から見ても、25mm以上の金属異物を高感度で検出できる能力は、中国の国家基準GB/T 38775.3—2020などの厳しい安全規格を満たし、安心して利用できるレベルに達していることを示しています。コスト面でも、このシステムは標準的なプリント基板（PCB）と一般的な電子部品で構成できるため、赤外線カメラなどを用いる高価なシステムと比べて、はるかに安価に量産・展開が可能です。これは、公共の駐車場や商業施設、さらには家庭用充電器への普及にとって非常に重要な要素です。
張彬、朱翀、張希、上海交通大学、電源学報、DOI: 10.13234/j.issn.2095-2805.2024.4.209