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非接触でバッテリーへ給電する「ワイヤレス給電」の開発が進んでいる。そのメリットや現状における課題は何か。「日経クロステック ラーニング」で「ワイヤレス給電の基礎とEVの走行中充電に向けた取り組み」の講座を持つ東京理科大学理工学部電気電子情報工学科 准教授の居村岳広氏に聞いた。(聞き手は高市清治、安蔵靖志=IT・家電ジャーナリスト)

ワイヤレス給電とはどのようなものでしょうか。

居村 岳広 氏
居村 岳広 氏
東京理科大学理工学部電気電子情報工学科 准教授
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居村氏:非接触でバッテリーに給電する仕組みです。身近なところでは、電動歯ブラシにワイヤレス給電の一種を採用しているタイプがあります。受電する電動歯ブラシを充電器の上に載せておくと充電できますよね。

 最近は電気自動車(EV)へのワイヤレス給電が注目されています。EVでは、車体の底に受電コイルを設置したクルマが、駐車場などに設置された送電パッドの上に載ると給電される仕組みが採用されています。車体と受電コイルとの距離は15~25cm程度と、電動歯ブラシなどに比べて離れた距離でも充電できるようになっています。

磁界共振結合方式の採用で伸びた給電距離

 一口にワイヤレス給電と言っても給電する手法によってさまざまなタイプがあります。EVへの給電などのために特に研究が進んでいるのが、電力伝送の媒体に磁界を用いて効率的に電力を伝送できる「磁界結合」です*1

*1 ワイヤレス給電は、近い範囲で効率的に電力を伝送できる「結合型」と長距離の電力伝送に適している「放射型」の2つに大きく分けられる。さらに結合型には電力伝送の媒体に磁界を用いる「磁界結合」と電界を用いる「電界結合」、放射型には「マイクロ波電力伝送」と「レーザー電力伝送」のそれぞれ2つのタイプがある。その中でレーザー放射を除く3つの方式がEVのワイヤレス給電向けに研究開発が進んでいる。

磁界結合とはどのような方式でしょうか。

居村氏:磁界結合では、送電側と受電側にコイルがあります。一方のコイルに交流電流を流すとコイルを貫くようにして磁界が発生します。その磁界がもう一方の受電側のコイルに届くと、受電側のコイルに起電力が生まれ、交流の誘導電流が流れます。この原理を利用して給電するのが磁界結合方式です。

 磁界結合方式が実用化に至ったのは、「磁界共振結合」技術が開発されてからです*2。これは、同じ周波数で振動しやすいものの一方を振動させると、近くに置かれたもう一方も振動し始める共振現象を利用した技術です。送受電に用いるコイルを共振状態にして、電流を増幅させて効率を上げるのです。

*2 米Massachusetts Institute of Technology(MIT)の研究者であるMarin Soljacic氏が2007年ごろに提唱した。

 この磁界共振結合方式の採用によって、電力伝送距離(エアギャップ)を広げられました。送・受電コイルが直径30cm程度の場合、磁界共振結合方式を採用する以前の電力伝送距離は、コイル径の約10分の1の3cm程度でした。

 しかし磁界共振結合方式によって、コイルの半径から直径程度、つまり15~30cmの距離があっても大電力を高効率で送れるようになりました。EVの充電システムで、受電コイルと送電コイルが15~25cm程度離れていても充電できるのは、磁界共振結合方式を採用しているからです。

 2020年に、EVにワイヤレス給電する際の規格が定められました。このとき、家電でのワイヤレス給電で問題になった人体防護の課題が、EVへのワイヤレス給電では問題になりませんでした。

 電波利用時に人体を防護するために総務省が定めた「電波防護指針」には、家電でもEVでも指針で定められた数値以下に電波強度を抑えなければならないという規定があります。しかし、この規定を満たそうとすると、家電で広いエアギャップでのワイヤレス給電はできません。そのため、家電で採用しているワイヤレス給電は、非接触ではあってもほとんど接触と変わらないほど近づけないと充電できないのが現状です。

 EVは車体の下で送・受電するため、送電器と受電器との間に人が入り込む状況は通常あり得ません。家電に比べると給電する電力が大きいにもかかわらず、送・受電時に人体に危害を与える危険性が非常に低いため、規格化が実現しました。