EV動的ワイヤレス充電の効率向上
中国の研究チームが、電気自動車（EV）の動的ワイヤレス充電技術において画期的な進展を遂げた。河北工業大学の張献（ZHANG Xian）教授らの研究グループは、隣接する送電コイル間の不要な電磁干渉（クロスカップリング）を物理的に解消する「自己解耦型分断レール」を開発し、システムの安定性と効率を大幅に向上させることに成功した。この研究成果は、電力分野の権威ある学術誌『中国電機工程学会論文集（Proceedings of the CSEE）』に掲載され、EVの走行中充電という未来のモビリティ実現に向けた重要な一歩を示している。
現在、EVの普及に伴い、長距離走行時の「航続不安」を解消するための動的ワイヤレス充電への期待が高まっている。この技術は、道路に埋め込まれた送電コイルが走行中のEVに非接触で電力を供給するもので、バッテリーの大型化を抑制し、インフラの整備次第では、EVの航続距離が事実上無限になる可能性を秘めている。しかし、実用化には大きな技術的課題が立ちはちしていた。その一つが、連続して敷設される送電コイル同士の間に生じる「クロスカップリング」である。隣接するコイルが近接しているため、電磁的に相互に影響し合い、システムの共振周波数が不安定になる。その結果、EVの受電コイルがレール上を移動する際に、出力電力が大きく変動し、充電が不安定になるだけでなく、効率も低下してしまう。これまでの研究では、この問題を複雑な電子制御や補償回路で対処しようとしてきたが、コストや信頼性の面で限界があった。
張献教授らの研究は、この根本的な問題に、革新的なハードウェア設計で挑戦した。彼らの提案する「自己解耦型分断レール」の核心は、送電コイルの構造にある。従来の平面コイルに加え、その上にソレノイドコイル（円筒状コイル）を直交（90度）に巻き付けるという、二重構造を採用している。電磁気学の原理により、互いに直交するコイル間の磁気結合（相互インダクタンス）は理論上ゼロに近づく。この特性を活かし、隣接する送電ユニットのソレノイドコイル同士が干渉しないように設計することで、クロスカップリングを物理的に、そして受動的に抑制している。研究チームは、ソレノイドコイルの巻き数やピッチを精密に最適化し、隣接ユニット間の相互インダクタンスを0.3μH程度まで低減することに成功した。これは、従来の設計で見られる10μHという値と比べ、実に97%以上の低減であり、システムの共振パラメータが安定し、設計が格段に容易になることを意味する。この「自己解耦」の設計は、アクティブな電子制御に頼らず、構造そのもので問題を解決する点に、その真の革新性がある。
この安定した送電レールの上で、さらに高効率かつ安定した充電を実現するため、研究チームは「二モード切替戦略」という高度な制御手法を提案した。これは、EVの受電コイルの位置に応じて、送電コイルの稼働数を動的に変化させるものである。具体的には、受電コイルが一つの送電ユニットの真上にある「最適充電エリア」では、そのユニットのみを稼働させる「シングルモード」を採用し、効率を最大化する。一方、受電コイルが二つの送電ユニットの境界領域に近づいた際には、二つのユニットを同時に稼働させる「デュアルモード」に切り替える。このモードでは、送電能力が向上し、出力電力の低下を防ぐことができる。そして、受電コイルが次のユニットの中心に達すると、再びシングルモードに戻す。このように、走行中のEVの位置に応じて、最適な送電状態をリアルタイムで切り替えることで、出力電力の変動を最小限に抑え、効率と安定性の両立を図っている。
この二モード切替を正確に実行するためには、EVの位置を高精度で検出する必要がある。しかし、送電に使用される強力な電磁場の中では、位置検出用の信号が干渉を受けて誤作動を起こすリスクがある。これに対して研究チームは、位置検出用のソレノイドコイルを、受電コイルと直交するように取り付けるという、同様に「自己解耦」の原理を応用した検出システムを構築した。送電コイル、受電コイル、検出コイルの三者が互いに直交する配置により、電力伝送用の磁場と位置検出用の信号が完全に分離される。これにより、送電中の強磁場下でも、位置検出信号はノイズに影響されず、非常に高い信頼性と精度を保つことができる。この検出コイルの出力電圧は、EVの位置に応じて周期的に変化するため、その変化の傾きや閾値を用いて、シングルモードとデュアルモードの切り替えタイミングを制御することが可能となる。この、構造と制御が一体となったアプローチが、システム全体の信頼性を支えている。
研究チームは、これらの理論を実証するため、実験装置を構築し、詳細な検証を行った。実験では、受電コイルを秒速1メートルで移動させながら、出力電力やシステム効率の変化を測定した。その結果、従来のシングルモードのみの運用と比べて、出力電力の変動が19.5%改善され、非常に安定した電力供給が可能であることが実証された。また、システムのピーク効率は92.3%に達し、静的ワイヤレス充電システムと肩を並べる高い効率を実現した。これは、送電損失を最小限に抑え、エネルギーを有効に利用できる優れた設計の証であり、実用化に向けた大きな成果と言える。実験データは、シミュレーション結果と良好に一致しており、その設計理論の正確性も裏付けられた。
この研究成果の意義は、単に効率が向上したという点にとどまらない。それは、動的ワイヤレス充電の実用化における信頼性とコストの壁を大きく下げた点にある。自己解耦設計により、送電コイル間の干渉という根本的な不安定要因が取り除かれ、システム全体の設計と制御が劇的にシンプルになる。複雑で高価なアクティブ補償回路や、高速な信号処理装置の必要性が低減され、大規模な道路インフラへの展開を想定した場合、そのコストメリットは計り知れない。また、位置検出システムの信頼性が飛躍的に向上したことで、高速走行下でも安全かつ正確な充電が可能になる。これにより、都市部のバス路線やタクシーの運行ルートへの導入が現実味を帯びてくる。バスは走行中に常に充電でき、停留所での充電時間ゼロを実現し、運用効率が劇的に向上する。個人用EVにおいても、高速道路の特定区間を走行中にバッテリーを補充できれば、長距離旅行の際の充電計画が不要になり、ガソリン車と同等の利便性を提供できる。
さらに、この技術はEVの設計哲学にも影響を与える可能性がある。走行中に充電が可能になれば、EVに搭載するバッテリーの容量を大幅に小さくすることができる。バッテリーはEVの最も重く、高価な部品であり、その小型化・軽量化は、車両の燃費（電費）向上、価格の低下、そして資源の節約に直結する。結果として、より手頃な価格のEVの普及が加速し、電動化の波がより多くの人々に届くことになる。このように、張献教授らの研究は、単なる技術的改良ではなく、EV社会のインフラと車両の両方を再設計する可能性を秘めた、トランスフォーメーショナルなイノベーションである。
もちろん、この技術の完全な実用化には、まだ越えなければならない課題がある。実験では1m/sという比較的遅い速度での検証であったが、実際の道路では時速100km以上で走行する必要がある。高速化に伴う位置検出の精度や、送電コイルのスイッチング速度の確保が重要になる。研究チームは、コイルのサイズや間隔を調整することで、より高速な走行に対応できる設計が可能であると指摘しており、今後の研究開発が期待される。また、道路への大規模な施工コスト、電力供給インフラの整備、そして国際的な標準化など、技術以外の課題も山積している。
しかし、これらの課題は「どうやって実現するか」というものに変わりつつある。張献教授らの研究が示した「自己解耦」という物理的な解決策は、それまでのアプローチとは一線を画すものであり、動的ワイヤレス充電技術の発展に新たな方向性を示した。それは、複雑な制御で問題を押さえ込むのではなく、問題の発生源である物理構造そのものを変えるという、エレガントで根本的なアプローチである。この思想は、今後の研究に大きな影響を与えるだろう。例えば、送電コイルの材料や形状の最適化、路面からの磁気漏れを抑えるためのシールド技術、そして複数のEVが同時に走行する際の干渉回避技術など、関連する研究がこの成果を土台に加速することが予想される。
結論として、河北工業大学の張献教授らが発表したこの研究は、EV動的ワイヤレス充電の実用化に向けた決定的な進歩である。自己解耦型の分断レールと二モード切替戦略という、ハードウェアとソフトウェアの見事な融合により、長年の課題であった出力の不安定性と効率の低さを克服した。92.3%という高効率と19.5%の安定性向上は、技術的な優位性を如実に示している。この成果は、電動モビリティの未来を形作る重要な一歩であり、走行中に充電できる自動車が、近い将来、私たちの日常に溶け込む日が確実に近づいたことを示している。
ZHANG Xian, XU Weida, WANG Fengxian, YUAN Zhaoyang, YANG Qingxin, DAI Zhongyu, Hebei University of Technology, Proceedings of the CSEE, DOI: 10.13334/j.0258-8013.pcsee.230797