車両タイヤによるゼロギャップ無線電力伝送 Zero-Gap Wireless Power Transfer Exploiting Vehicle Tires ○鈴木良輝 2，鳥井俊宏 1，水谷豊 2，杉浦貴光 2，坂井尚貴 3，上原秀幸 4，大平孝 4 Yoshiki Suzuki, Toshihiro Torii, Takamitsu Sugiura, Naoki Sakai, Hideyuki Uehara, and Takashi Ohira 豊橋技術科学大学電気電子工学課程 1 電気・電子情報工学専攻 2 電子・情報工学専攻 3，電気・電子情報工学系 4 Dept. of Electrical and Electronic Information Engineering, Toyohashi University of Technology 〒441-8580 愛知県豊橋市天伯町雲雀ヶ丘 1-1 1-1 Hibarigaoka，Tempaku，Toyohashi, Aichi 441-8580 Japan TEL: 0532-44-6825 Fax:0532-44-6757 E-mail: [email protected] １．まえがき環境問題およびエネルギー問題の対策として電気自動車（EV）が注目されている．しかし， EV は，ガソリンに比べてエネルギー密度が小さいバッテリーを用いるために，航続距離が短い，充電時間が長いという問題点が存在する．そこで，走行中の電気自動車への無線電力伝送が提案されている[1]-[6]．しかし，現在提案されている方式は，走行中の電気自動車の位置ずれによる伝送効率の低下が大きいという問題点が存在する．本論文では，この問題点を解決した走行中の EV への無線電力伝送技術である， EVER （Electric Vehicle on Electrified Roadway：電化道路電気自動車）を提案する．さらに，EVER の原理実証実験として，自動車模型実験および自動車タイヤを用いた電力伝送実験を行う．２．電化道路電気自動車（ EVER） EVER は走行中の電気自動車への無線電力伝送技術である．図 1 にそのシステム構成を示す．高周波インバータと電極板を路面下に埋め込み，電気自動車タイヤ内のスチールベルト間がコンデンサと等価となることを用いる．このようなタイヤやアスファルト（誘電体）を介した結合を誘電結合と呼ぶ．電極板，スチールベルト間に流れる高周波電流によって電力伝送を行う． EV へ給電された高周波電力は整流回路により直流へ変換され，直流モーターへ供給される．本方式のメリットは次の 2 点である．1 点目は，走行中の車両の位置ずれに強い電力伝送が可能な点である．なぜならば，電極板が埋設されたアスファルトがタイヤに常に接しており，走行中でも誘電結合を維持できるためである．2 点目は，周囲への電界漏洩が少ないことが期待できる点である．一般的な電気自動車への無線電力伝送は，路面下の送電器から電気自動車底部の DC Motor Tire(Rubber) Capacitor Steel belt! ! ! Rectifier Asphalt Tire Steel belt Matching! circuit Metal! plate Matching! circuit ＝ Asphalt Metal plate Tire Asphalt(Road surface layer) Metal plate RF inverter 図 1 想定する EVER システム構成受電器までの間にエアギャップが存在する．しかし，本方式は電極板-スチールベルト間にエアギャップが存在しない「ゼロギャップ」無線電力伝送である．代わりに，タイヤやアスファルトなどの誘電体を介するため，電界の閉じ込め効果が期待できるからである．また，電極板への入力を差動入力とすることで，いっそう周囲への電界漏洩低減を図ることができる．３． EVER ミニチュアモデル実証実験 EVER による電力伝送の原理実証実験としてミニチュアモデル実験，自動車タイヤ実験の 2 種類の実験を行った．ミニチュアモデル実験では，模型自動車を電極板上に配置し，電極板-スチールベルト間で高効率電力伝送が可能であることを確認した．製作した模型自動車および電極板を図 2 に示す．電極板-スチールベルト間の S パラメータを測定し，高効率電力伝送を実現するインピーダンス整合回路を設計・試作した．電極板-スチールベルト間の電力伝送効率の測定結果を図 3 に示す．測定結果より，周波数 52MHz において，電力伝送効率 76%を達成していることが分かる．点線で示す最大有能効率（Maximum Available Efficiency : MAE）は式(1),(2)で定義され，電力伝送効率の理論限界を示す． 2 MAE = K ! 2 K= (1) K ! 1 2 1 ! S11 ! S22 + S11S22 ! S12 S21 2 2 S12 S21 (2) Tire 電力伝送効率測定値は MAE に近く，整合回路により効率が最大化されている． Matching! Circuit Tire Matching! Circuit Steel belt Wheel! (Aluminum) Steel belt Metal plate Matching! Circuit Matching! Circuit Balun Balun RF input(#1) RF input(#1) Front Side 図 4 自動車タイヤ実験の実験系図 2 製作した模型自動車と電極板自動車タイヤ実験においては，自動車タイヤを介して，50W の電力伝送が可能であることを確認した．実験系を図 4 に示す．今回はスチールベルトではなく，簡易的にアルミホイールで受電した．アルミホイールはスチールベルトと誘電結合しているため，受電が可能であると考えた．50W の電力を入力したところ，図 5 に示すように 60W 型電球の点灯に成功した． Power transmission efficiency [%] ４．むすび本研究では，走行中電気自動車への給電システム EVER を提案し，原理実証実験を行った． EVER ではタイヤを利用した誘電結合によるゼロギャップ無線電力伝送を行う．故に，走行中の EV の位置ずれに強い電力伝送が可能である．また，周囲への電界漏洩が少ないことが期待される．実証実験では，ミニチュアモデル実験により高効率電力伝送を達成し，自動車タイヤ実験では 50W の電力伝送が可能であることを示した． EVER の実現に向けて，ゼロギャップ無線電力伝送は有効な方式であることを確認した． 90 MAE 80 70 Measurement 60 50 51 52 53 54 Frequency [MHz] 図 3 ミニチュアモデルの電力効率測定結果 55 図 5 自動車タイヤ実験の様子参考文献 [1] 西川和廣，電気自動車（EV）普及が広げる道路インフラの可能性への期待，土木学会論説，Feb. 2011. [2] 阿部茂，金子裕良，非接触給電技術，電学誌，vol. 128，no. 12，pp. 796-799，2008. [3] 加々見友弘，松下隼人，岩堀大希，桑原義彦，走行中の模型電気自動車へのワイヤレス給電デモシステム，信学技報， WPT2010-20, pp. 37-42, Sep. 2010. [4] J. Huh, S. Lee, C. Perk, G.H. Cho, and C.T. Rim, “Narrow-Width Inductive Power Transfer System for Online Electrical Vehicle, ” IEEE Trans. Power Electron., vol. 26, no. 12, Dec. 2011. [5] Y. Suzuki, T. Sugiura, N. Sakai, M. Hanazawa, and T. Ohira, “Dielectric Coupling from Electrified Roadway to Steel-Belt Tires Characterized for Miniature Model Car Running Demonstration, ” IEEE MTT-S, IMWS-IWPT2012, pp. 35-38, Kyoto, May 2012. [6] 大平孝，走行中タイヤ内スチールベルトで集電する電化道路電気自動車，ワイヤレス・テクノロジ・パーク，横浜，July 2012.