電動車のワイヤレス充電、金属異物検出に新技術
電動車（EV）の普及が進む中、充電の利便性をさらに高める技術として、ケーブル不要のワイヤレス充電への期待が高まっている。この技術は、駐車するだけで充電が開始されるため、特に高齢者や身体に不自由のあるユーザーにとって大きな利便性をもたらす。しかし、その裏側には、見過ごされがちな重大な安全リスクが存在する。充電パッドの上に落ちた小さな金属片、例えば硬貨やネジ、あるいはアルミホイルのくしゃくしゃになった切れ端が、充電中の強力な電磁界にさらされると、内部に渦電流が発生し、たちまち高温に達する。この現象は、充電効率の低下を招くだけでなく、火災や車両損傷の原因となり得る。この危険を未然に防ぐための「金属異物検出」（FOD: Foreign Object Detection）は、ワイヤレス充電システムにとって絶対に欠かせない安全機能である。
これまでの検出技術は、それぞれに限界があった。システムのインピーダンス変化を監視する方法は、車両のバッテリー状態の変化と区別がつきにくく、誤検出のリスクがある。追加の検出コイルを配置する方法は、異物の存在は検知できるが、その正確な位置や形状を特定するのは困難だ。磁気センサーを多数並べたアレイは高解像度の検出が可能だが、コストが非常に高く、実用化には向かない。カメラによる画像認識は、雨や雪、汚れで視界が悪くなると機能が低下する。赤外線サーモグラフィーは、金属が発熱してからでないと検出できないため、危険が生じてからでないと反応しないという致命的な欠点がある。
こうした課題を解決する画期的な新技術が登場した。中国の研究チームが開発したこの方法は、コストと性能の両立という難題を巧みに克服し、ワイヤレス充電の安全基準を一気に引き上げる可能性を秘めている。その鍵を握るのは、4×4の16個の小型コイルからなる「平面コイルアレイ」と、産業分野で用いられる「電磁層析（トモグラフィー）技術」（EMT）の組み合わせだ。
このシステムの仕組みは、非常に独創的である。従来のアプローチが「異物の存在」を検知することに焦点を当てていたのに対し、この新技術は「異物の姿」を可視化しようとする。16個のコイルは、互いに励磁コイルと検出コイルの役割を兼ね備える。ある1つのコイルに高周波の電流を流すと、その周囲に電磁界が発生する。この電磁界は、他の15個のコイルに相互インダクタンスとして影響を与える。ここで、もし充電エリアに金属異物があれば、その金属が電磁界を歪め、相互インダクタンスの値が変化する。このプロセスを16個のコイルすべてに対して順番に行い、256通りの相互インダクタンスのデータを取得する。この膨大なデータセットこそが、異物の「画像」を描き出すための鍵となる。
得られたデータは、高度な数学アルゴリズムによって処理される。研究チームは、電磁層析（EMT）という技術を採用した。EMTは、医療分野のCTスキャンや、パイプラインの内部検査などに使われる技術で、内部の構造を非破壊で可視化することができる。この技術を応用し、256個の相互インダクタンスの測定値と、事前にシミュレーションで得られた「感度マトリクス」（どの位置の異物がどの程度測定値に影響を与えるかを示す地図）を照らし合わせる。これにより、充電エリア内の電気伝導度の分布を再構成し、金属異物の位置、大きさ、そして輪郭までを含めた2次元画像として再現する。
この「見える化」の能力こそが、従来技術との決定的な差である。システムは単に「何か金属があります」と警告するのではなく、「ここに直径25mmの円形の物体があります」という情報を提供する。これにより、システムはよりスマートな判断ができる。例えば、小さな金属片が充電エリアの端にあり、車両のコイルと重なっていない場合、充電を中断するのではなく、ユーザーに注意喚起するだけにするという柔軟な対応が可能になる。また、複数の異物が存在する場合も、それぞれを個別に識別し、その数を正確にカウントできる。
この技術の有効性は、シミュレーションと実物実験の両方で証明されている。研究チームは、一元硬貨、ネジ、鍵、くしゃくしゃにされた銅箔やアルミ缶といった日常生活でよく見られる金属物体を用いて実験を行った。評価には、AI分野で広く使われる「交差比」（IoU: Intersection over Union）と「位置誤差」（LE: Location Error）という指標を採用した。IoUは、再構成された画像の輪郭と実際の物体の輪郭がどれだけ重なり合っているかを示す指標で、1に近いほど正確である。LEは、再構成された物体の中心と実際の中心との距離を示す。
実験の結果は顕著であった。平均IoUは0.61、平均位置誤差は2.33mmと、非常に高い精度を達成した。特に形状が単純な硬貨の検出では、輪郭の再現性が極めて高く、位置の特定もミリ単位で正確に行えた。複雑な形状のネジや鍵では、輪郭の再現にやや歪みが生じるものの、その中心位置の誤差は依然として3mm以下と、実用上十分な精度を確保している。これは、4×4のアレイという限られたセンサー数の中で、非常に優れた性能を発揮していることを示している。
この技術の実用性は、そのシンプルさと堅牢性にもある。システムのセンサー部分は、すべて銅線で巻かれたコイルであり、非常に安価で耐久性が高い。また、電磁界を利用しているため、雨、雪、ほこり、暗闇といった外部環境の影響を受けない。これは、屋外の駐車場やカーポートに設置される充電パッドにとって、極めて重要な利点である。カメラや赤外線センサーが天候に弱いのに対し、この技術は一年中、いつでも安定した性能を発揮する。
コスト面でも大きなアドバンテージがある。磁気センサーを数十個も使用する高価なアレイと比べて、この平面コイルアレイは部品点数が少なく、製造コストを大幅に削減できる。また、信号の測定には一般的なLCRメータを使用しており、特別な高価な測定装置を必要としない。このため、既存のワイヤレス充電システムに後付けで追加することも、新規開発のシステムに組み込むことも、比較的容易である。
この技術の登場は、EVワイヤレス充電の普及に大きな影響を与えるだろう。BMWやヒュンダイなど、主要自動車メーカーはすでにワイヤレス充電の市販化に向けた開発を進めている。しかし、安全に対する消費者の信頼がなければ、技術はなかなか普及しない。この新技術は、安全性を「見える化」することで、ユーザーの不安を払拭し、技術への信頼を高める。また、自動運転と連携した「自動駐車・自動充電」の完全自動化においても、充電開始前にエリアを安全にスキャンできるこの機能は、不可欠な要素となる。
さらに、この技術は、メンテナンスの観点からも価値がある。充電ステーションは、金属異物の発生頻度を記録し、データを分析することで、特定の場所に異物がよく落ちる原因を特定できる。例えば、ドライバーが小銭を落としやすい場所であれば、そこに小物入れを設置するなどの対策が可能になる。これは、インフラの運用効率を高めるだけでなく、事故の根本的な予防にもつながる。
もちろん、この技術にも限界は存在する。現在の4×4アレイでは、非常に細いワイヤーや、複雑な立体構造の物体を完全に再現することは難しい。しかし、研究チームはこれを「欠点」とではなく、「改善の余地」と捉えている。将来的には、コイルの数を増やしたり、配置を最適化したり、画像再構成アルゴリズムをさらに洗練させることで、精度のさらなる向上が見込まれる。また、車両側の受電コイルの情報をシステムと連携させることで、より効率的なスキャンが可能になる。
この研究は、異なる分野の技術を融合させることで、新たな価値を生み出す好例である。電磁層析という産業用の検査技術を、自動車のワイヤレス充電という全く異なる分野に応用した発想は、まさにイノベーションの本質を体現している。研究を主導した孫冬（Sun Dong）、高子宸（Gao Zichen）、韓暁娟（Han Xiaojuan）、張文彪（Zhang Wenbiao）の各氏らのチームは、電力供給会社と大学の研究機関という異なるバックグラウンドを持つ専門家が協力することで、理論と実践の両面からこの技術を完成させた。
結論として、この平面コイルアレイと電磁層析を組み合わせた金属異物検出技術は、単なる技術的な進歩にとどまらない。それは、EVワイヤレス充電という未来の技術を、より安全で、より信頼できるものにするための、確かな一歩である。ケーブルから解放されるという利便性の上に、見えない危険まで可視化するという安全性が重ね合わされることで、真にユーザーに受け入れられる技術が完成する。この技術が、近い将来、私たちの身近なEV充電インフラの標準機能となる日は、そう遠くないだろう。
孫冬、高子宸、韓暁娟、張文彪、国家電網通化供電公司、華北電力大学、『電気測定と計器』、DOI: 10.19753/j.issn1001-1390.2024.10.025