プラグイン電気自動車の所有者のほぼ全員が、車両を電気自動車充電器に接続するために、重くて高価なケーブルを使用しています。ケーブルは、必要とされるピーク充電電流（通常は11kWから100kW以上）を流すのに十分な太さや、車の後部に不注意に放り込まれたり悪天候で使用されたりするのに耐えられる強度や、繰り返しの抜き差しに耐えられる堅牢性が必要であるため、高価になります。それでも、ケーブルとコネクタの寿命には限りがあり、日々の使用によって最終的には安全でなくなったり、摩耗したり、損傷したりします。より良い解決策は、ケーブルとコネクタを完全になくすことでしょう。
ワイヤレス電力伝送（WPT）
2024/01/26
私たちは低出力のワイヤレス電力伝送を利用する充電式歯ブラシや携帯電話の充電パッドには慣れ親しんでいますが、たとえば電気自動車（EV）などの高出力ワイヤレス充電にはどのような課題があるのでしょうか？
図1はワイヤレス電気自動車充電器のコンセプトを示しています。車両が充電コイルの上に駐車するだけで、電磁誘導ワイヤレス電力伝送によって電力が伝送され、車両のバッテリーが充電されます。現代の携帯電話がQi対応の充電パッドと通信し、電力が供給される前に充電フィールドに異物がないことを確認するのと同じように、ワイヤレス通信によって、安全な場合にのみ電力が送られることが保証されます。
携帯電話とEVワイヤレス充電器の主な違いは、使用される電力レベルです。高出力ワイヤレス充電器では効率を最大化する必要がありますが、携帯電話の充電器は通常70%の効率しかありません[1]。この数値は低コストの製品では許容されますが、AC電源からDC電源)への変換で約85%のシステム効率が求められるEVワイヤレス充電器にとっては無駄が多いです。
電力伝送効率を向上させるには3つの方法があります。磁気回路の結合をより密接にすること、高い周波数で運用すること、そして、より適切にマッチングすることが挙げられますが、まずはワイヤレス電力伝送技術の基礎について見ていきましょう。
携帯電話とEVワイヤレス充電器の主な違いは、使用される電力レベルです。高出力ワイヤレス充電器では効率を最大化する必要がありますが、携帯電話の充電器は通常70%の効率しかありません[1]。この数値は低コストの製品では許容されますが、AC電源からDC電源)への変換で約85%のシステム効率が求められるEVワイヤレス充電器にとっては無駄が多いです。
電力伝送効率を向上させるには3つの方法があります。磁気回路の結合をより密接にすること、高い周波数で運用すること、そして、より適切にマッチングすることが挙げられますが、まずはワイヤレス電力伝送技術の基礎について見ていきましょう。
ワイヤレス電力伝送の基本
WPT（ワイヤレス電力伝送）技術の歴史は1800年代後半にさかのぼります。Heinrich Hertzは当時、RF放射を集束させるために2つの放物面鏡を使用した高周波スパークギャップワイヤレス電力伝送を実演しました。世紀が変わる直前には、Nikola Teslaも結合した電磁共振回路の実験を行いましたが、有意義な量の電力を伝送したという証拠はありません。電磁誘導電力伝送の実演に最初の成功したのは1910年のことで、開放形変圧器の上で電球を点灯させましたが、これもまた実用的なワイヤレス電力製品にはなりませんでした。商業的な成功にはならなかったものの、こういった初期のパイオニアたちは、現在使用されている主要なワイヤレス電力伝送技術の基礎を築きました。
静電結合および磁気方式のWPTシステムにおいて、送信機と受信機の間の単位体積の空気に貯蔵されるエネルギーは、それぞれ次のように求められます。
| WPT 方式 | 範囲 | 周波数 | 用途 |
|---|---|---|---|
| 電磁誘導 | 近距離 | kHz-MHz | 電動歯ブラシ |
| 磁界共振結合 | 中距離 | kHz-GHz | 携帯電話充電器、EV充電器 |
| 静電結合 | 近距離 | kHz-MHz | 生体医療用インプラント |
| マイクロ波 | 長距離 | GHz | 人工衛星 |
| レーザー | 長距離 | THz | ドローン |
静電結合および磁気方式のWPTシステムにおいて、送信機と受信機の間の単位体積の空気に貯蔵されるエネルギーは、それぞれ次のように求められます。
図2、図3、図4は、RECOM AC/DC「知識の本」第10章から引用。
ここでは、EとHはそれぞれ電界と磁界の強度を示し、ε0 と μ0 は自由空間の誘電率と透磁率の値となっています。μ0 が ε0より大きいため、実用的な電圧と電流の制限を考慮すると、静電結合による電界よりも磁界結合の方が約1000倍多くのエネルギーを伝送できます。このため、電磁誘導結合および磁界共振結合は最大の電力伝送に適しています。
基本的に、電磁誘導充電システムは送信機コイルを用いて局所的な磁界を生成し、その磁界が相互インダクタンスによって受信コイルと結合します（図2）。
送信機コイルと受信機コイル間の相互インダクタンスMは、驚くほど単純な式で求められます。
ここでは、Lt および Lr はそれぞれ送信コイルと受信コイルの巻線インダクタンスであり、kはコイルの寸法、巻数、およびアライメント（方向と間隔）に依存する結合係数です（図3）。
図3：フラットコイルのアライメントのさまざまなずれが電磁誘導電力伝送効率に及ぼす影響
基本的に、電磁誘導充電システムは送信機コイルを用いて局所的な磁界を生成し、その磁界が相互インダクタンスによって受信コイルと結合します（図2）。
送信機コイルと受信機コイル間の相互インダクタンスMは、驚くほど単純な式で求められます。
図3：フラットコイルのアライメントのさまざまなずれが電磁誘導電力伝送効率に及ぼす影響
結合係数は、磁束を集中させる「磁気レンズ」として機能する中間コイルを挿入することで向上させることができます（図4）。高出力の共振誘導結合システムは、これらのコイルを3つ以上使用することがあります。これらの中間コイルは、交番磁界の周波数で共振する巻線と並列に配置したコンデンサを持つ共振タンク回路です（図5）。
共振器は送信コイルからの有効磁界の強さを増幅し、受信コイルに有効受信磁界を集中させ、結合効率を著しく向上させます。さらに、投影された磁束の一部のみが中間回路によって遮られたとしても共振し続けるため、2つの単純なフラットコイルの場合ほど分離距離やアライメントが重要ではありません。
共振器は送信コイルからの有効磁界の強さを増幅し、受信コイルに有効受信磁界を集中させ、結合効率を著しく向上させます。さらに、投影された磁束の一部のみが中間回路によって遮られたとしても共振し続けるため、2つの単純なフラットコイルの場合ほど分離距離やアライメントが重要ではありません。
中間共振器は図4に示されているように対称的に配置する必要はなく、電力伝送の制限要因が十分な磁束である場合、送信機コイルに近接して配置された共振器対は結合係数k12およびk23を介して局所磁界を増幅し、より遠くの受信機コイルに対してより強い結合係数k34を提供します。
このような中間コイルは、例えば走行している車両を充電する電気道路のように、送信コイルと受信コイルの距離とアライメントが固定されていないWPTアプリケーションに不可欠です。 テスラを含む複数の企業が、車両が移動中に充電できるように、車体下部にバネ式の金属電源コネクタを備えた路上充電システムのプロトタイプを試作しています。米国のデトロイトは、ワイヤレス電力伝送に基づく非接触型路上充電システムを実装した米国内初の都市となりました3。このシステムは最大19kWの充電レートを実証しました。
3 https://eu.freep.com/story/money/cars/2023/11/29/detroit-wireless-charging-road-project-electric-vehicles/71728454007/
このような中間コイルは、例えば走行している車両を充電する電気道路のように、送信コイルと受信コイルの距離とアライメントが固定されていないWPTアプリケーションに不可欠です。 テスラを含む複数の企業が、車両が移動中に充電できるように、車体下部にバネ式の金属電源コネクタを備えた路上充電システムのプロトタイプを試作しています。米国のデトロイトは、ワイヤレス電力伝送に基づく非接触型路上充電システムを実装した米国内初の都市となりました3。このシステムは最大19kWの充電レートを実証しました。
3 https://eu.freep.com/story/money/cars/2023/11/29/detroit-wireless-charging-road-project-electric-vehicles/71728454007/
高周波ワイヤレス電力伝送
主電源から利用できる低周波の50/60 Hz交流電流を使用して誘導充電を実行することも可能ですが、これは高電力では非効率的です。
ここでは、出力電力Poutは、共振時の角周波数ω0に相互インダクタンスM、送信コイルの電流It 、受信コイルに生じる誘導電流Irを乗じたものです。 そのため、送信電力は交番磁界の周波数に直接比例します。 しかし、コアの渦電流とスイッチング損失は周波数が高くなるにつれて増加するため、ピーク電磁誘導電力伝送効率のためには、他のシステムパラメーターに依存する最適なWPT動作周波数が存在します。
既存の高出力スイッチング技術では、20kHzから150kHzの共振周波数が最良の結果をもたらします。
システム効率に影響する最後の重要な要素は、電源、コイル、および負荷抵抗のマッチングです。 最大電力伝送効率 (PTEmax) は、以下の関係式から導出されます（共振時）。
ここではRLは負荷抵抗、Rtは送信機抵抗、Rrは受信機抵抗をそれぞれ指します。
最高のパフォーマンスを得るには、負荷、受信コイル、送信コイルの抵抗がすべて同じである必要があります。
これにより、WPTシステムの設計においていくつかの実際的な問題が生じます。送信機の高電流電源フロントエンドとインバータは、内部インピーダンスが非常に低いため、コイルへの結合伝送電力を最大にするためには、高周波インピーダンス整合変圧器が必要になる場合があります。同様に、負荷は充電状態に依存する非線形の内部抵抗特性を持つバッテリーパックであるため、最適な電力受信のためにインピーダンスを調整できるDC/DCオンボード充電（OBC）ユニットが必要になります。これは、太陽光発電DC/DCコンバータで使用される最大電力点追跡（MPPT）回路とよく似ています（図6）。
図6：WPTパワーステージおよび予想変換効率
効率目標を達成するには、アクティブフロントエンド（AC/DC変換および力率補正）はブリッジレストーテムポール配列または同様の配列（図7）を使用する必要があり、インバータはフルブリッジまたはLLCトポロジーのバリアントを使用する必要があります。どちらの設計でも、複数の絶縁型トランジスタゲートドライバを使用する必要がありますが、RECOMは、標準的でプログラム可能な絶縁型ゲートドライバDC/DC電源でWPTの設計をサポートすることができます。
図7：GaNトーテムポールブリッジレス整流器の回路例
高出力スイッチング設計では、各レグの電源グランド浮遊インダクタンスのバランスを取ることが困難な場合が多く、これが非対称性能やスイッチングの不安定性を引き起こす可能性があります。ハイサイドとローサイドの両方のゲートドライバを絶縁すると、この問題は解消されます（図8）。
RECOMは、高絶縁性、最適なパワートランジスタスイッチングのための非対称出力電圧、広い動作温度範囲を備えたコンパクトなゲートドライバ電源モジュールを幅広く提供しており、双方向回路を含むこのような高出力設計に最適です。
図8：フルブリッジゲートドライバの回路例
ここでは、出力電力Poutは、共振時の角周波数ω0に相互インダクタンスM、送信コイルの電流It 、受信コイルに生じる誘導電流Irを乗じたものです。 そのため、送信電力は交番磁界の周波数に直接比例します。 しかし、コアの渦電流とスイッチング損失は周波数が高くなるにつれて増加するため、ピーク電磁誘導電力伝送効率のためには、他のシステムパラメーターに依存する最適なWPT動作周波数が存在します。
既存の高出力スイッチング技術では、20kHzから150kHzの共振周波数が最良の結果をもたらします。
システム効率に影響する最後の重要な要素は、電源、コイル、および負荷抵抗のマッチングです。 最大電力伝送効率 (PTEmax) は、以下の関係式から導出されます（共振時）。
ここではRLは負荷抵抗、Rtは送信機抵抗、Rrは受信機抵抗をそれぞれ指します。
最高のパフォーマンスを得るには、負荷、受信コイル、送信コイルの抵抗がすべて同じである必要があります。
これにより、WPTシステムの設計においていくつかの実際的な問題が生じます。送信機の高電流電源フロントエンドとインバータは、内部インピーダンスが非常に低いため、コイルへの結合伝送電力を最大にするためには、高周波インピーダンス整合変圧器が必要になる場合があります。同様に、負荷は充電状態に依存する非線形の内部抵抗特性を持つバッテリーパックであるため、最適な電力受信のためにインピーダンスを調整できるDC/DCオンボード充電（OBC）ユニットが必要になります。これは、太陽光発電DC/DCコンバータで使用される最大電力点追跡（MPPT）回路とよく似ています（図6）。
図6：WPTパワーステージおよび予想変換効率
効率目標を達成するには、アクティブフロントエンド（AC/DC変換および力率補正）はブリッジレストーテムポール配列または同様の配列（図7）を使用する必要があり、インバータはフルブリッジまたはLLCトポロジーのバリアントを使用する必要があります。どちらの設計でも、複数の絶縁型トランジスタゲートドライバを使用する必要がありますが、RECOMは、標準的でプログラム可能な絶縁型ゲートドライバDC/DC電源でWPTの設計をサポートすることができます。
図7：GaNトーテムポールブリッジレス整流器の回路例
高出力スイッチング設計では、各レグの電源グランド浮遊インダクタンスのバランスを取ることが困難な場合が多く、これが非対称性能やスイッチングの不安定性を引き起こす可能性があります。ハイサイドとローサイドの両方のゲートドライバを絶縁すると、この問題は解消されます（図8）。
RECOMは、高絶縁性、最適なパワートランジスタスイッチングのための非対称出力電圧、広い動作温度範囲を備えたコンパクトなゲートドライバ電源モジュールを幅広く提供しており、双方向回路を含むこのような高出力設計に最適です。
図8：フルブリッジゲートドライバの回路例
電気自動車自体では、別のアクティブ整流回路が、受信コイルからのACを変換して中間バスコンデンサCDCを充電します。この非安定化DCバス電圧は、RECOMの15kW OBC設計などの高出力デジタルDC/DCコンバータユニットに電力を供給するために使用できます（図9）。
この15kWコンバータ設計は、25VDCから最大280VDCまでの広いDC入力電圧範囲に対応し、高電圧EVバッテリースタックを充電するために出力電圧は200V～800VDC（プログラム可能）まで昇圧し、97%を超える効率を実現しています。内蔵MPPT回路は、充電サイクル全体を通じて電力伝送効率を最適化します。CANバスインターフェースにより、標準バッテリーマネジメントシステムコントローラー との通信が可能になり、並列ユニット間でのアクティブな負荷共有が可能になります。
この15kWコンバータ設計は、25VDCから最大280VDCまでの広いDC入力電圧範囲に対応し、高電圧EVバッテリースタックを充電するために出力電圧は200V～800VDC（プログラム可能）まで昇圧し、97%を超える効率を実現しています。内蔵MPPT回路は、充電サイクル全体を通じて電力伝送効率を最適化します。CANバスインターフェースにより、標準バッテリーマネジメントシステムコントローラー との通信が可能になり、並列ユニット間でのアクティブな負荷共有が可能になります。
まとめ
ワイヤレス電力伝送は、コストが高いためにまだ主流ではありませんが、技術的には、有線の電気自動車充電システムの代替手段として現実的なものです。EVが例外的なものではなく標準となっていくにつれて、駐車場まで運転してワイヤレスでバッテリーの充電を開始するだけという使いやすさと利便性が、WPTの魅力をさらに高めることになるでしょう。特に、車を移動させ駐車させるという技術自体はすでに存在しているのですから。最終的には、電気道路を使用した外出先でのWPT充電により、EV使用の「航続距離の不安」が解消され、旅の最初だけでなく旅の最後にもバッテリーがフル充電されているということが可能になります。
RECOMはすでに、電気自動車用の高電圧電源とワイヤレス充電システムの構築、評価、テストを可能にする製品を提供しています。
RECOMはすでに、電気自動車用の高電圧電源とワイヤレス充電システムの構築、評価、テストを可能にする製品を提供しています。
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