ワイヤレス電力伝送 (WPT) 入門

ワイヤレス電力伝送 (WPT) は、もはやSFの世界の話ではなく、さまざまな産業、特に自動車製造産業で急速に拡大し、重要なアプリケーションが見出されている現実のものです。電気自動車 (EV) を遠隔充電する機能から、車内にあるアイテムに電力を供給する機能まで、可能性の幅は広大であり、絶えず拡大しています。

WPTの原理と技術

電磁誘導の原理は、最も基本的な形でのWPTのインスピレーションの源となります。歴史を通して、配線のコイルの磁気環境の変化が配線に起電力を発生させることができるというマイケル・ファラデーによってなされた発見は、WPTとして知られる研究の基本的な基礎として役立ちます。この誘導された電磁場 (EMF) は、その後、電流を駆動することができ、その結果、電力がワイヤレスで伝送されます。

WPTでは、次の2つの主要なテクノロジーを使用します。

誘導結合: これは、2つのコイルを使用し、そのうちの1つが送信機として機能し、もう1つが受信機として機能する技術です。送信機のコイルに交流電流が流れると、変動する磁場が発生します。この磁界は、受信コイルに接近したときに、受信コイルにわたって電圧の誘導をもたらします。これは最もよく知られたタイプのWPTであり、現在、電気自動車のチャージャから歯ブラシのチャージャに至るまで、幅広いアプリケーションに利用されています。

図1 : 誘導結合電力供給XXXXの概念

共振誘導結合: この技術は、送信機コイルと受信機コイルが同じ周波数で共振する高度な種類の誘導結合です。これは共振誘導結合と呼ばれます。このようにして、従来の誘導結合の方法と比較して、より長い距離にわたって、より高い効率で電力を伝達することができます。

図2 : 共振誘導結合電力供給の概念

車載アプリケーションにおけるWPTの利点と課題

利点

• 利便性: 物理的な接続を排除することが重要な利点であり、便利であるという利点があります。これにより、電気自動車のプラグを差し込んだり抜いたりする必要がなくなり、必要なのは充電パッドの上に車両を駐車することだけになります。
• 美観と空間: 煩雑なケーブルおよびコネクタシステムを必要としなければ、車両設計をより合理化することができます。充電コードが乱雑にならずに、車内で利用可能なスペースを最大限に活用することも可能です。
• 耐久性: 物理的なコネクタの耐久性は、繰り返し使用に耐える能力と、長期にわたる外部条件の影響によって決まります。それらの接触が無くなる結果として、ワイヤレスシステムは、そのような損傷を経験する可能性が低くなります。

課題

• 効率: 大きな進歩が達成されたにもかかわらず、ワイヤレス電力伝送 (WPT) システムは、通常、対応するケーブルシステムよりも効率が低くなります。その結果、充電時間が長くなり、エネルギー効率が低下します。
• コスト: WPT技術の実施は、特に電気自動車の充電を目的とした公共の場所では、大規模なインフラの構築を必要とし、これは高額になる場合があります。
• 干渉: 電磁場に依存するため、他の電子システムと干渉する可能性があります。これは、多数の組み込みデバイスを含む自動車の状況を考慮する場合に特に重要です。
• アライメント: 電力伝送に関してピーク性能を達成するためには、送信機コイルと受信機コイルが正確にアライメントされていることを確保する必要があります。この調整を確実に行うプロセスは、特に絶えず変化する駐車の場合には困難な可能性があります。

WPTは、自動車における動力伝達のための前向きで便利な方法を提示しますが、困難がないわけではありません。本質的に、それには障害がないわけではありません。一方、自動車部門は、技術の急速な改善と、それがもたらす可能性のある潜在的利益の明確なイメージのために、これらの障害を克服するために多大な投資を行っています。次のセクションでは、自動車市場の状況におけるWPTの特定のアプリケーション、問題、および明るい未来についてさらに深く掘り下げます。

車両におけるワイヤレス電力伝送のアプリケーション

ワイヤレス電力伝送 (WPT) は自動車市場において広範囲が可能なアプリケーションを有しますが、特に2つのアプリケーションは、それらの変換の可能性と実世界での実行可能性により際立っています。これらのアプリケーションは、ワイヤレス電気自動車 (EV) 充電と、デバイスの車内ワイヤレス充電です。

電気自動車のワイヤレス充電

電気自動車 (EV) への世界的な移行の結果として、効果的で、アクセスしやすく、迅速な充電ソリューションに対する切実な需要が生まれています。「パークアンドチャージ」は、これらの基準を満たすためにワイヤレス電気自動車充電がとる戦略です。このアプローチにより、車両を接続するために必要な人的作業が不要になります。

動作の仕組み

• 地上設ベース送信機: これらは電力グリッドに接続されたコイルであり、通常は駐車スペースの表面の下に配置されます。通電されると磁場の生成を開始します。
• 車両ベース受信機: 電気自動車の下側に位置する車両ベースの受信機は、地上ベースの送信機から送信される磁場を捕捉し、それを電気に変換してバッテリーを充電できるようにする役割を担うコイルです。
• 通信システム: 充電プロセスの開始、モニタリング、および完了を支援するために、送信機および受信機の両方に、最も一般的なタイプの通信インタフェースである通信インタフェースが提供されます。

利点

• 利便性: 運転手がしなければならない唯一のことは、充電パッドの上の正確な位置に車を駐車することです。運転手は重いコードやコネクタを扱う必要はありません。
• 普遍的なアクセス: プラグやコネクタがないので、自動車のメーカーに関係なく、普遍的な互換性の可能性があります。
• 耐候性: ワイヤレス充電システムは耐候性を持つように設計できます。つまり、悪天候の影響を受けません。これにより、充電性能を一定に保つことができます。

デバイスに対する車内ワイヤレス充電

最近の自動車はますます連携ハブになりつつあるため、スマートフォン、タブレット、ウェアラブルなどの電子機器の電源を常にオンにすることが最も重要です。車内でのワイヤレス充電の使用は便利なソリューションです。

動作の仕組み

• 充電マットまたは表面: これは、消費者が充電するために電子機器を置く場所です。ダッシュボード、センターコンソール、または直接アクセスできるその他のエリアに統合されている場合があります。
• 誘導コイル: 充電パッドは、有効になると磁界を生成するコイルを持っています。これらのコイルはプラットフォームの表面の下に配置されています。
• デバイスの互換性: 互換性を持たせるために、デバイスには誘導充電が可能なケースが装備されているか、ケース内に収納されている必要があります。

利点

• きれいな環境: さまざまな電子機器に複数の充電配線を使用する必要がなくなるため、環境内のゴチャゴチャを減らします。
• ユニバーサル充電: 機内ワイヤレス充電ソリューションの大部分は、広く採用されているワイヤレス充電規格であるQiと互換性があるように設計されています。これにより、乗員はさまざまな電子機器を充電できるようになります。
• 安全性: 運転手が運転中に手探りする必要があるコードがないため、気が散ることが少なくなり、運転手の安全性が向上します。

WPTは自動車市場への参入をますます進めており、運転手と同乗者の両方に提供する利便性と実用性のレベルが向上しています。技術が成熟し、採用率が高まるにつれて、自動車はますますコードフリーな領域になるでしょう。これにより、ユーザーエクスペリエンスが簡素化され、自動車市場における電力管理の新時代への道が開かれます。以下のセクションでは、この技術に固有の困難さと、WPTの分野で利用可能になると予測される技術革新について調べます。

WPTを実装する際の課題と検討事項

車載環境におけるワイヤレス電力伝送 (WPT) の実装は革命的な機会を提供するという事実にもかかわらず、関連する困難と工学的懸念を調査することが不可欠です。これらの困難を解決することは、WPTシステムの信頼性、有効性、安全性を保証するために最も重要です。

効率と電力伝送レート

有線システムとのギャップ: WPTを従来のケーブル充電システムと比較すると、WPTが直面する最も深刻な問題は、2つのタイプの充電システム間に存在する効率のギャップです。誘導充電の方法は、特に、空気または導電性でも非導電性でもない任意の他の媒体を介してエネルギーが通過する間に、エネルギーのいくらかの損失を必然的に含みます。

共振調整: WPTの有効性に関しては、共振調整が最も重要です。これには、送信機と受信機の両方が同じ共振周波数で動作していることを確認することが含まれます。いかなる種類の変動も、伝達の効率の低下をもたらす可能性があります。

熱管理: 非効率性は、特に電気自動車の充電などの高出力アプリケーションでは、大幅な発熱につながる可能性があり、堅牢な熱管理ソリューションの実装を必要とするため、費用がさらに増加します。

位置合わせとポジショニング

厳密な配置: 可能な限り高いレベルのエネルギー伝達を達成するには、送信ユニットと受信ユニットの両方のコイルを正確に位置合わせする必要があります。アライメント不良により、充電効率が著しく低下する可能性があり、その結果、供給できる電力が少なくなるため、充電時間が長くなる可能性があります。

自動ポジショニング: 一部のシステムでは、自動車両ポジショニングまたは誘導システムを利用して、運転者が充電パッド上に正しく駐車するのを支援します。これは、アライメントの問題に対処するために行われます。ですが、これらのシステムの設置はより複雑で高価です。VOLTEIROが開発した自動ポジショニングシステムのような追加システムは、自動電力送信機モジュールを装備しています。ロボットは送信機を車の下に運び、超音波ナビゲーションシステムの助けを借りて適切な方向に回転させることができます。

柔軟なコイルの設計: アライメントに対するコイルの感度を低減するために、研究者らは、より柔軟なコイル設計および複数コイル設定を研究しています。しかし、これらの設計はまた、複雑さと潜在的な障害点を追加します。

安全性と電磁適合性

電磁場の懸念事項: 電磁場 (EMF) への長期曝露の影響は、公衆衛生に関する懸念の主な原因です。その一方で、現在のWPTシステムは不健全な限界をはるかに下回るように設計されているにもかかわらず、一般の認識や長期的な影響の可能性は、引き続き活発な研究と懸念を招いている分野です。

干渉の問題: ワイヤレス充電中に生成される電磁場は、車内の他の電気システムや周辺地域のインフラに干渉を引き起こす可能性があります。WPTシステムが他の重要な車両サービスや外部システムに干渉しないことを確認することが最も重要です。100kHz未満の低周波数アプリケーション向けのすぐれた透磁率を有する強磁性材料、およびより高周波数アプリケーション向けの電磁シールド (基本的に任意の導電性金属材料) などのシールド技術は、磁場を封じ込め、方向付けるために、充電コイルの周囲で利用されます。

これは、無線電力伝送システムによって引き起こされる電磁障害 (EMI) の量を低減するために行われます。このアプローチを採用することにより、電磁障害 (EMI) が周辺領域の電子デバイスおよびシステムに影響を与えることを防ぎます。キーレスエントリーシステムやデジタルラジオ受信などの車両電子システムとの潜在的な干渉は、適切なシールドがない場合に発生する可能性のある一般的な問題です。この干渉は、そのような外部電磁場に耐えるように設計された心臓のペースメーカーなどの医療機器に影響を与える可能性が高くなります。

異物検出: WPTのフィールドに入る金属物体は、誘導電流の結果として加熱される可能性があり、火災の潜在的なリスクをもたらす可能性があります。これは異物検出と呼ばれます。この問題を緩和するために、現代のWPTシステムは、充電プロセスを停止するか、またはシステムを使用しているユーザーに通知する異物検出を組み込んでいます。

図3 : 異物検出のさまざまな方法

標準安全プロトコル: ワイヤレス電力伝送 (WPT) がより普及するにつれて、メーカーに関係なく、すべてのシステムが確立された安全基準に準拠することを保証するために、標準化された安全プロトコルが緊急に必要とされます。

結論として、WPTが車載環境に革命的な変化をもたらす可能性があることは議論の余地がありませんが、この技術を大規模に実施するには、現在直面している課題に対処するための体系的なアプローチが必要です。将来のWPTシステムが便利であるだけでなく、効率的で、安全で、信頼できるものであることを確実にするために、世界中のエンジニアと研究者が協力して技術の限界を押し広げています。WPT領域で予想される刺激的な将来の展望と発展についての議論を以下のセクションで述べます。

WPTの今後の展望と展開

技術の進歩に伴い、ワイヤレス電力伝送 (WPT) の能力と範囲は拡大し続けており、自動車市場に革命的な進歩をもたらす可能性を秘めています。WPTの領域内で、このセクションでは、これから起こる最も予想される将来の傾向と発展のいくつかを掘り下げます。

移動する車両のための動的ワイヤレス充電

コンセプトの概要: 動的ワイヤレス充電のコンセプトの概要は、充電プロセス中に車両を固定する必要がある静的ワイヤレス充電とは対照的に、車両が移動している間のエネルギー伝達を可能にします。このアイデアは、道路にワイヤレス充電インフラを組み込むことを前提としており、これにより、電気自動車 (EV) が移動中に充電できるようになります。

技術的な課題: 動的充電が実行可能な選択肢となるためには、対処するべき多くの工学的課題があります。道路状況に起因する接続品質の急速な変化の管理、組み込まれたインフラが様々な環境条件や激しい道路使用に耐えうることを保証する管理、および可変車速で電力伝送が一貫していることを保証する管理は、関連する課題の一部です。

現在の進捗状況: 現状では、動的充電はまだ初期段階ですが、世界中のいくつかのパイロットプロジェクトによって実現可能であることが実証されています。この技術は有望ですが、インフラへの多額の投資と交通網の全体的な再考が必要です。

標準化と相互運用性

ユニバーサル標準の必要性: 多数のメーカーや組織がWPTシステムを作成しているため、断片化された独自のシステムになるという重大なリスクがあります。顧客は、さまざまなブランドや地理的領域間の非互換性を懸念している場合、この断片化の結果として新しいアプリを採用することに消極的になる可能性があります。

グローバルコラボレーション: 世界的なテクノロジーと自動車の巨大企業は、標準化された規格の必要性を認識しているため、多くの合弁企業を通じて協力しています。それらの目的は、ベンダーに関係なく、WPTシステムの一貫した相互運用可能な運用を保証する世界標準を作成することです。

標準化のメリット: 世界的なWPT規格が確立されれば、ワイヤレスEV充電の普及に向けたきっかけとして機能する可能性があります。顧客は、自分たちの車が世界中のWPTシステムと相互運用可能であることを知って安全な充電のための広範なインフラから利益を得るでしょう。

継続的な課題: 現在進行中のパートナーシップにもかかわらず、金銭的利益と技術的相違が合意形成を困難にしています。それにもかかわらず、標準化の価値が広く受け入れられているため、統一された標準がすぐに作成されることが期待されています。

電気自動車 (EV) と充電ステーション間の通信プロトコルを記述するISO/IEC 15118規格は、車載アプリケーションにおけるワイヤレス電力伝送 (WPT) のために開発されている重要な規格の一つです。自動車とさまざまなメーカー製の充電ステーションの間でワイヤレス充電を提供するには、この規格が不可欠です。

自動車技術者協会 (SAE) によって作成されたSAE J2954規格も重要な規格です。これは、WPTシステムの性能と安全基準を設定し、電気自動車の無線電力伝送に関する推奨事項を提供します。SAE J2954の目標は、様々な電気自動車と充電機器のモデルやブランド間の互換性を保証し、EVユーザーがより合理的で効果的なワイヤレス充電体験を楽しめるようにすることです。

車載アプリケーションにおけるワイヤレス電力伝送に明るい未来があることは否定できません。ユニバーサルスタンダードが世界的な採用を促進しようとする一方で、動的充電のような技術革新は、モビリティを完全に改革することを約束しています。他の新興技術と同様に課題は残っていますが、産業界、学界、政策立案者が協力することで、WPTの可能性が今後数年間で可能な限り最大限に活用されることが保証されます。車両のパワーエレクトロニクスに影響を与える将来の開発については、次の章で詳しく説明します。