位相制御による共振周波数の追従が可能な磁界共鳴型非接触給電用受電回路の開発に向けた動作原理の検証

摘要

2030 年にドイツがエンジン車の入国を禁止すると発表して以降，自動車業界では電気自動車の研究開発が盛り上がりを見せている。しかし電気自動車は，充電走行距離が短いことが課題となっている。その課題を解決する手段として，非接触給電による走行中の電力供給が検討されている。非接触給電には，様々な方式が存在する。ひとつは，すでに携帯電話や電動歯ブラシ，電動髭剃りなどで実用化されている電磁誘導型非接触給電である。これは変圧器と同様に，送電コイルで発生した磁束が受電コイルを貫くことによって電力を伝送している。しかし電磁誘導型非接触給電では，送受電コイル間の距離が長くなると，磁束の漏れが大きくなり，送電効率が著しく低下する(１)。この問題を解決できる他の方式として，磁界共鳴型非接触給電がある。この方式は比較的離れた対象に対して大きな電力を送電できることから，電気自動車の他に，スマートフォンやノートパソコンなどのポータブル機器の充電方法，産業機器への給電技術として，実用化が期待されている。磁界共鳴型非接触給電の最も簡単なシステム構造を図1 に示す。磁界共鳴型非接触給電は，図1 の左側の送電回路のコイルで発生した磁界が，右側の受電回路のコイルを貫き，送受電回路でそれぞれ共振させて電力を伝送している。本稿では，受電コイルを貫く交番磁界の周波数を受電回路の動作周波数とする。この方式の送電効率は，結合係数k とQ 値の積が大きいほど良くなる(２)。そのため，送受電間の距離が大きくなって，結合係数k が小さくなってもk とQ 値の積を大きく保つには，大きなQ 値が求められる。Q 値が大きくなると，受電回路の動作周波数と共振周波数がわずかにずれただけでも，受電回路に電流が流れなくなり，受電電力は著しく低下してしまう。そのため，受電回路の動作周波数と共振周波数を一致させないと十分給電ができない。ここで，受電コイルを貫く交番磁界の周波数は，送電回路のインバータのスイッチング周波数と等しい。また図1 の送電効率を高めるためには，送電回路のインバータのスイッチング周波数と共振周波数を一致させて，送電コイルで発生する磁界を強くする必要がある。よって高いQ 値が求められる磁界共鳴型非接触給電において，高効率な給電を行うためには，送受電回路で共振周波数を一致させなければならない。しかし，コイルのインダクタンスは，ばらつきが大きく，設計値通りのインダクタンスを実現するのが難しいため，送受電間で共振周波数を一致させるのは極めて困難である。また複数の受電回路の共振周波数には，ばらつきがあるため，1 つの送電回路に対して受電回路が変わると，送受電間で共振周波数が異なってしまい，送電効率が著しく低下するといった問題点がある。そこで送受電間で共振周波数がずれても，自動的に受電回路の共振周波数を動作周波数に追従させて，受電電力を最大にできれば，磁界共鳴型非接触給電の実用化に大きく貢献すると考えられる。