EVワイヤレス充電の効率と安定性を両立、新たなインピーダンスマッチング技術が登場
電動モビリティの進化は、バッテリーの容量向上だけでなく、充電インフラの利便性と効率性の革新にもかかっている。世界中でEVの普及が加速する中、従来のケーブルによる充電の煩わしさや、電力網への負担といった課題が、次世代の充電技術の開発を後押ししている。その最前線に位置するのが、非接触で自動化された充電が可能なワイヤレス給電（WPT）技術である。しかし、この技術の実用化を阻む長年の課題が一つある。それは、バッテリーの充電状態が変化するにつれて内部抵抗が変動し、それに伴って給電効率が大きく低下してしまうという問題だ。
この難題に対し、画期的な解決策を提示したのが、中国・東北石油大学電気情報工学部の付光杰（フー・グァンジエ）教授と劉輝（リュウ・フイ）研究員の研究チームである。彼らの研究成果は、学術誌『吉林大学学报（信息科学版）』に掲載され、EVワイヤレス充電の効率と安定性を同時に実現する新たなアプローチを明らかにした。その核心は、受電側に「同期式Sepicコンバーター」を導入し、動的にインピーダンスをマッチングすることで、理論上の最高効率を維持するという点にある。
従来のWPTシステムは、送電コイルと受電コイルの間で磁気共鳴を利用して電力を伝送する。S/S（直列/直列）補償ネットワークは、その中でも電圧利得が安定しており、実用性が高いとされる構成だ。しかし、このシステムの効率は、バッテリーという負荷の抵抗値に強く依存する。理想的な効率を発揮するためには、負荷抵抗が特定の「最適負荷値」に一致している必要がある。問題は、リチウムイオンバッテリーの内部抵抗は、満充電時と空の状態では大きく異なることだ。充電が進むにつれて抵抗値が上昇するため、固定されたシステムでは、充電の初期段階では高効率でも、終盤には効率が著しく低下してしまう。これは、エネルギーの無駄だけでなく、発熱の増加や充電時間の延長にもつながる。
付教授らの研究は、この根本的な問題に直接アプローチしている。彼らの提案するシステムでは、受電側の整流回路とバッテリーの間に、同期式Sepicコンバーターを配置する。このコンバーターの役割は、実際のバッテリーの抵抗値を、システムが「最適」と認識する抵抗値に変換する「インピーダンスマッチング」を行うことだ。具体的には、システムが現在の負荷抵抗をリアルタイムで認識し、その値に応じてSepicコンバーターの「デューティ比」（スイッチング素子がオンの時間の割合）を精密に調整する。この調整により、バッテリーの実際の抵抗値が変化しても、送電側から見ると常に最適な負荷が接続されているように見える。その結果、理論上の最高効率を、充電サイクル全体にわたって維持することが可能になる。
ここで注目すべきは、「同期式」Sepicコンバーターという選択だ。従来のSepicコンバーターは、昇圧・降圧の両機能を持ち、バッテリー充電の変動する電圧に対応できるという利点がある一方で、内部のダイオードによる導通損失が大きく、高効率化の妨げとなっていた。付教授らは、この課題を克服するために、ダイオードを低損失のNチャネルMOSFETに置き換え、同期整流技術を採用した。これにより、コンバーター自体の損失が大幅に削減され、システム全体の効率をさらに引き上げることに成功した。これは、単なる制御アルゴリズムの改良ではなく、ハードウェアレベルでの効率化を追求した点で、非常に実用的で優れた設計思想といえる。
しかし、効率の最適化だけでは、実用的なEV充電システムとは言えない。もう一つの重要な要件が「定電圧出力」だ。バッテリー管理システム（BMS）は、安全かつ長寿命な充電のために、非常に安定した電圧を要求する。仮にインピーダンスマッチングによって効率が最大化されたとしても、負荷変動に伴って出力電圧が大きく変動してしまっては、バッテリーにダメージを与える可能性がある。この点で、付教授らの研究はさらに一歩進んでいる。彼らは、効率最適化と電圧制御を分離した「二重ループ制御」を採用している。
具体的には、電圧制御のための別の回路を設けている。それが「位相シフト全波整流回路」である。この回路は、固定周波数で動作するため、可変周波数制御にありがちな複雑さや、弱い結合条件下でのカオス的な挙動（分岐現象）を回避できる。制御の仕組みはこうだ。まず、出力電圧を測定し、その値と目標電圧（例えば360V）との差（誤差）を検出する。この誤差信号を、比例・積分（PI）制御器で処理し、さらに受電コイルの電流信号をフィードバックとして加えることで、二重の制御ループを形成する。この制御によって生成された信号が、全波整流回路のスイッチング素子の「位相角」を精密に制御する。位相角を変えることで、実質的に伝送される電力が調整され、出力電圧を目標値にぴったりと固定することができる。
このアーキテクチャーの優れた点は、二つの重要なタスクを独立して最適化できる点にある。同期式Sepicコンバーターは「効率最大化」に専念し、位相シフト全波整流回路は「電圧安定化」に専念する。これにより、どちらの性能も互いに干渉することなく、最大限に引き出される。これは、一つの制御器で両方を担おうとする複雑なシステムよりも、はるかに頑健で信頼性の高い設計となる。
この理論的な枠組みの有効性を検証するために、研究チームはMATLAB/Simulinkを用いた詳細なシミュレーションを行った。シミュレーション条件は、実際のEV充電を想定したもので、入力電圧400V、動作周波数50kHz、コイル間の相互インダクタンス50μHといった現実的なパラメータが設定された。負荷抵抗は、0.4秒後に20Ωから40Ωに、さらに0.8秒後に80Ωにと、段階的に変化させられ、バッテリーの充電進行に伴う抵抗上昇を模擬した。
その結果は、非常に説得力があった。インピーダンスマッチング回路を搭載しない従来システムでは、負荷抵抗の増加に伴い効率が急激に低下。20Ωでは84.6%だった効率が、40Ωでは71.5%、80Ωでは59.5%まで落ち込んだ。一方、付教授らの提案システムでは、負荷が変化しても効率が極めて高いレベルを維持した。20Ω、40Ω、80Ωの各段階で、それぞれ94.5%、89.5%、83%の効率を達成した。特に、負荷抵抗が最も高い80Ωの条件下で、従来システム（59.5%）と比較して23.5ポイントも効率が向上したことは、非常に大きな成果である。また、負荷変動後、システムは約50ミリ秒という非常に短い時間で再び安定した状態に達し、動的な応答性の高さも証明された。
電圧制御の面でも同様に優れた結果が得られた。負荷抵抗が急激に変化しても、出力電圧は目標の360Vを中心に±1V以内に収束し、極めて安定した状態を保った。これは、BMSにとって非常に重要な安定性を確保できることを意味しており、実用化への大きな一歩である。
この研究の意義は、学術的な興味にとどまらない。自動車業界にとっては、ワイヤレス充電技術の実用化を大きく加速させる可能性を秘めている。BMWやメルセデス・ベンツ、Genesisなどの高級ブランドは、すでに限定的な形でワイヤレス充電オプションを提供している。しかし、その効率や信頼性の面で課題が指摘されてきた。付教授らの技術は、こうした課題を根本的に解決する鍵となる。高効率と定電圧出力が両立できれば、ユーザーはケーブルを差し込む手間を省きつつ、従来の急速充電と同等かそれ以上の性能を享受できるようになる。
また、この技術の利点はコスト面にもある。インピーダンスマッチングを実現するため、複数のコンバーターを直列に接続する（ブースト-バック構成など）複雑な設計も提案されてきたが、それらは部品点数が増え、コストと損失が増えるという欠点がある。一方、付教授らの提案は、同期式Sepicコンバーターという単一のステージで高い性能を発揮する。これは、量産性とコスト競争力の観点からも、非常に有利な設計である。
さらに、S/S補償ネットワーク自体が持つ利点も見逃せない。この構成は、電流源的な特性を持つため、故障時の過電流を自然に抑制する効果があり、安全性が高い。また、共振動作により高調波が少なく、電磁両立性（EMC）の面でも優れている。
今後の展望として、この技術はEVにとどまらず、電動バスやトラック、あるいは工場内の自動搬送車（AGV）など、自動化された充電が求められるあらゆる分野への応用が期待される。特に、フリート運用では、充電効率の向上が直接的に運用コストの削減につながるため、経済的インパクトは計り知れない。
結論として、付光杰教授と劉輝研究員の研究は、EVワイヤレス充電技術の発展において、重要なマイルストーンを打ち立てたと言える。効率と安定性という二律背反の課題を、ハードウェアと制御の巧みな融合によって解決したこの成果は、非接触充電が「利便性のためのオプション」から「高効率なスタンダードな充電手段」へと進化する原動力となるだろう。電動モビリティの未来が、ますますスムーズで持続可能な方向に進んでいることを示す、力強い一歩である。
Fu, Guangjie; Liu, Hui. Research on Impedance Matching of Electric Vehicles Based on S/S Compensation Network. Journal of Jilin University (Information Science Edition), 2024, 42(1): 38-44.