東京大学大学院新領域創成科学研究科の藤本博志准教授らの研究グループ（以下、東大グループ）は、ブリヂストン、日本精工（NSK）、ローム、東洋電機製造（以下、研究グループ）と共同で、道路からインホイールモータ（以下、IWM/注1）に直接、走行中給電（注2）できる「第3世代 走行中ワイヤレス給電インホイールモータ」を開発し、実車での走行実験に成功した。

これは、2017年3月に東大グループらが発表した「第2世代ワイヤレスIWM」を発展させたもので、今回、実用化に向けて走行中給電性能・モータ性能・車両への搭載性を大幅に改善。また、更なる発展に向けてワイヤレス給電を阻害しないタイヤ・ホイールの研究開発に着手した。

[研究開発のあゆみ]

東大グループは、「EVへのワイヤレス給電の適用」の研究として、まず「IWMと車体の間をワイヤレス化する」ことから開始した。

従来のIWMは、電力を供給するため車体とワイヤでつなぐ必要があるため、ワイヤ断線のリスクを鑑み、「ワイヤが断線する恐れがあるならば、なくしてしまおう」というコンセプトのもと、NSK、東洋電機製造と共同で「第1世代ワイヤレスIWM」を開発。

2015年5月に世界で初めて実車走行に成功した＜http://www.k.u-tokyo.ac.jp/info/entry/22_entry400/＞。

次のステップとして、ワイヤレスIWMにおいて走行中給電を実現するための研究・開発を実施。

その成果として2017年3月に「第2世代ワイヤレスIWM」を開発し、道路に設置したコイルからワイヤレスIWMへの走行中給電に成功した＜http://www.k.u-tokyo.ac.jp/info/entry/22_entry553/＞。

この走行中給電の研究開発をさらに推進するべく、東大グループは、昨年度からブリヂストン、NSKを共同研究機関として、本年度から東洋電機製造を共同研究機関として科学技術振興機構（JST）未来社会創造事業（注3）の研究プロジェクト「電気自動車への走行中直接給電が拓く未来社会」を実施。

今回、その成果として「第3世代 走行中ワイヤレス給電インホイールモータ」を開発し、実車での走行中給電実験に成功した。

[第3世代ワイヤレスIWMの3つのキーワード]

（1）すべてをタイヤのなかに

研究グループは今回、電気自動車の駆動装置であるモータ・インバータと、走行中ワイヤレス給電の受電回路のすべてをホイール内の空間に収納するIWMユニットを開発。

「第2世代」では、軽自動車クラスのEVをターゲットとしてモータ性能を12kW（1輪あたり）としてたが、「第3世代」では乗用車クラスのEVをターゲットにモータ性能25kW（1輪あたり）を実現した。

また、ユニットのサイズにおいて、「第2世代」のIWMユニットがホイールから突出していたのに対して、「第3世代」ではモータ設計の最適化と合わせて超小型SiCパワーモジュールを搭載。IWMに適した構造とすることで軸方向にコンパクトなユニットを実現し、車両への搭載性を大幅に改善した（図1）。

なお、IWMと車体の間のワイヤレス給電については、「第1世代」「第2世代」で既に技術的に確立できているため、「第3世代」ではこれを省略し有線による接続とした。

図1 　車両搭載性の比較

ちなみに、ワイヤレス給電ではコイル間の距離により性能が大きく変化するため、受電コイルが車体底面ように「ばね上」にある場合、路面の凹凸やクルマの乗車人数に応じて路面と受電コイルとの間の距離が大きく変化。その設計の最適化が困難になると云う。

そこで研究グループは、受電コイルを「ばね下（注4）」に配置。路面と受電コイルとの距離変化をきわめて小さくしてワイヤレス給電の設計最適化を容易にし、給電能力と効率を向上（図2）している。

図2 　受電コイルの配置による送電・受電コイル間距離変化のちがい。「ばね上」（車体底面）に配置した場合（左）。「ばね下」に配置した場合（右/同研究）

また、磁界により電力を伝えるワイヤレス給電では、送電コイルと受電コイルの間に金属異物が存在すると異物が加熱されてしまう（IH調理器具と同じ原理）ため、安全性確保のために、異物を検知する方法が多く研究されている。

しかし、「異物がコイル間に入りにくい構造にすることが、より望ましい」と考えた研究グループは、送電コイルと受電コイルの間に金属異物が入り込む確率を大幅に低減（図3）するため、受電コイルをホイールの内側に配置するコンセプトを提案。タイヤとホイールがワイヤレス給電の妨げにならない素材・構造の研究開発にも取り組んでいる。

図3 ばね下受電コイル配置のバリエーション

（2）充電からの解放

研究グループは昨年、神奈川県内の市街地一般道路において車両の走行データを取得し、信号機手前にクルマが滞在する時間的割合を定量化。

そのデータを使ってシミュレーションをした結果、仮にすべての信号機の停止線前から30mの区間で走行中給電できるようにした場合、走行中に断続的に給電されるため、車載バッテリ充電量の変化は走行前後でほぼゼロにできることが分かったと云う。

この結果から、研究グループは以下のことが云えるとしている。

・走行中給電は道路すべてに設置する必要は無く、信号機手前の限られた区間のみでよい。

・車載バッテリの容量は大幅に減らすことができる（ゼロにはならない）。

・自宅や外出先で駐車中の充電も不要になる可能性がある。

「第2世代」では、1輪あたり10 kW程度の走行中給電能力を実現したが、上記のシミュレーション結果を実現するには性能が不足していることから、「第3世代」では、コイル設計手法を確立し、最適な送電・受電コイルとすることで給電能力を大幅に向上し、その結果、ベンチ上での給電実験（静止状態）において給電電力20kW、効率92.5 %を達成。

給電効率は、今後の制御手法の改良により更なる向上が見込まれている。

研究グループは、「第3世代」の走行中給電システムが導入されたスマートシティが実現された場合、走行中の充電残量も自宅や外出先での充電時間も心配する必要がなくなり、EVが充電作業から解放されることで利便性が飛躍的に高まるとしている（図4）。

図4 　走行中給電の未来像（スマートシティ）

図4 　走行中給電の未来像（高速道路）

（3）産学オープンイノベーション

プロジェクトは東京大学、ブリヂストン、NSK、ローム、東洋電機製造の5者が主体となり、村田製作所、TDK、東レ・カーボンマジック、ティラド、カーメイトの協力により実施している。

「第3世代 走行中ワイヤレス給電インホイールモータ」は、制御手法・機械部品・タイヤとホイールの構造や材料・磁性材料・パワーエレクトロニクス・半導体パワーデバイス・電子部品など多岐にわたる技術の集結として実現。これを産学連携による共同研究の枠組みを最大限活用した成果であるとしている。

走行中給電の社会実装に向けては、クルマだけでなくインフラを含めた大規模なシステムの構築が必要となるため、産業分野を超えたコラボレーションが欠かせない。

そこで研究グループは、プロジェクトに関わる基本特許をオープン化することに合意。

プロジェクトの運営委員会で承認された企業・団体が、権利化された技術を無償で使用可能となる知的財産の仕組みを整備。現在の共同研究の枠組みに留まらず、オープンイノベーションによって研究開発を促進する。

[今後の展望]

「電気自動車への走行中直接給電が拓く未来社会」プロジェクトでは、今回開発した「第3世代 走行中ワイヤレス給電インホイールモータ」の実験と評価を進めつつ、新しいアイデアを盛り込んだ次世代機の提案と試作を意欲的に推進。

プロジェクトが提案する「走行中ワイヤレス給電インホイールモータ」の実用化に向けて、現在の参画メンバーに留まらず他の組織・企業が持つさまざまな領域の知見を広く取り入れながら2025年に実証実験フェーズへの移行を目指すとしている。

注1）インホイールモータ（IWM：In-Wheel Motor）：ホイール内部に駆動装置（モータ）を配置する技術。

注2）走行中給電：道路に設置した給電装置から走行中の車に電力を送る技術。技術的な方法としては、①接触方式（電車のような架空線や道路表面に設置したレールに電力を供給し、車両の集電装置を接触させて電力を伝える方法）と、②ワイヤレス方式 がある。

注3）科学技術振興機構（JST）未来社会創造事業：https://www.jst.go.jp/mirai/jp/index.html

[公開予定]

・2019年10月15日～10月18日：【CEATEC 2019】　ロームブース

・2019年10月24日～11月4日：【東京モーターショー2019】　日本精工ブース、ブリヂストンブース

・2019年11月8日：【自動車技術会 電気動力技術部門委員会 公開委員会】