講演番号280

文献番号20175280

電動アシスト自転車向け非接触給電システム
金子 裕良 1）

大住 征有紀 2）

柿沼 賢造 3）

鈴木 正太郎 4)

Wireless Power Transfer System for Pedal Electric Cycle
Yasuyoshi Kaneko

Masayuki Osumi

Kenzou Kakinuma

Shotaro Suzuki

The wireless power transfer technology is very useful to improve the convenience of the electric smart mobility. We developed the several
small sized wireless power transfer systems for the pedal electric cycle, which mounting location and area are confined in comparison with theelectric vehicle. This paper describes the research and development examples of the wireless power transfer system for the pedal electric cycle,
for example, the bicycle-sharing system managed in Saitama City.
KEY WORDS: other means of mobility, personal mobility, Wireless Power Transfer, Pedal Electric Cycle (F3)
1．ま え が き
EV や PHV の導入など自動車のエコ化が進む中，都市部に継コイル型システムについても検討し，その有用性について報告する．

おける交通渋滞の緩和を目指して，自転車など小型モビリテ
ィーを活用したパーソナルな移動を推進する街づくりが進められている．日本のように起伏の多い地形を有しかつ高齢化

2．電動アシストレンタサイクル用給電システム
2.1. システム構成が進む社会において，電動アシスト自転車は免許が無くても提案する電動アシストレンタサイクル用非接触給電のシス利用することができる身近な小型モビリティーで，近年急速

テム構成図を Fig.1 に示す．自家用 EV 向け非接触給電の電源に市場が拡大している．レンタサイクルとしても電動アシス

リソースや漏洩電磁界強度を考慮して，磁界結合(電磁誘導)ト自転車が活用されつつあるが，充電などのメンテナンスが方式を採用した．非接触給電部(WPT パッド)はレンタサイク必要で人手がかかり事業としての収益性は低く，自治体等のルのロック機構部(フレーム側面取付アーム，前輪車軸部など)公共サービスの一環として運用されている程度である．収益付近に設置し，送受電コイル間ギャップが短くなるように工性の改善には無人化が必須で，野外での漏電の危険性がなく，夫している．ロック機構部に取付可能なサイズまで WPT パッ

自動充電が可能な非接触給電技術は有効な手段である．

ドを小さくするため，小型化に有利なソレノイド方式 (平板ソ電動アシスト自転車など電動二輪車は EV に比べて平面部レノイド型，コの字型)を用いる．磁界結合のコイル形状には分が少なく，受電コイルを取付ける位置やその面積に制限が磁界分布が噴水形状となる円形コイル方式とアーチ形状となある．前カゴ前面など広い面積が確保できる場所に受電パッるソレノイド方式が存在する(Fig.2)．送電パッドから発生するドを設置する例もあるが(1)，受電パッドを小型軽量化できれば磁束はコイル巻き幅 wc (地上トランスの磁極間距離)に依存しロック機構部や車輪部分など地上設備との距離が最短となるて高い位置まで強い磁界強度を保つ(2)．よって，同じギャップ場所に設置でき，高効率で安全な給電が可能となる．本稿で長で同等の起磁力を得るために，円形コイル方式のサイズはは，現在さいたま市内でレンタサイクルとして商業運用してソレノイド方式より大きくなり，パットの小型化にはソレノいる小型化に有利なソレノイド方式 (平板ソレノイド型，コの字型)の電動二輪車用 50W 非接触給電システムについて紹介
WPT Padする．次に，給電中に受電コイルを引き抜いたとき，インバLock Partータ電源出力が過電流とならない中継コイルを付加した非接触給電システムの理論と給電性能について述べる．そして，

Inverter

地面と接する車輪部分から給電可能な非接触給電システムとPFC
Converter

して，車輪に巻いたコイルを媒介に給電する二段式および中Rectifier

DC-DC
ConverterPedal(Sensor)

Battery

Controller1)・2)・3）埼玉大学(338-8570 埼玉県さいたま市桜区下大久保 255)
4) (株)ベルニクス(336-0024

埼玉県さいたま市南区根岸5-7-8)

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MotorDriveSystemMotorRental
Stand

Pedal Electric Cycle

Fig.1 Wireless power transfer system of pedal electric cycle

2017 年春季大会学術講演会 (2017 年 5 月 24 日～ 26 日 )発行日 ( 公開日 ) 2017 年 5 月 22 日
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Solenoid Type

Circular TypeU-shaped Core Type

Plate Core Type

Ferritex

Gap
LengthAluminum Plate

CoilygMagnetic Fluxy(a) Cross sectionx

40×50×16mmwcCoilFrequency f90kHz
Gap length g
6mm
Efficiency TR (Pout=50W)(Δx=Δy=0mm)
94.0%(Δx=±5mm)
93.6%(Δg=+4mm)
92.7%

wc
Coil(b) Top view

Secondary
Coil(c) Magnetic flux distribution

Fig.2 Structure and magnetic flux of solenoid and circular coil

Charging Circuit

Battery

Fig.3 Circuit diagram of wireless power transfer system for pedal
electric cycle

Aluminum
CasexgWPT Pad

40×50×60mm

Frequency f90kHz
Gap length g
10mm
Efficiency TR (Pout=50W)(Δx=Δy=0mm)
94.6%(Δx=±12mm)
92.7 %(Δg=+8mm)
94.0%Fig.4 Photograph and efficiency of plate core and U-shaped
core type’s solenoid coil

Magnetic Flux

Inverter Power SorcegFig.5

PrimaryCoil

Photograph of U-shaped core type’s solenoid coil withaluminum shield case

ソレノイド方式コイルではパッドの周囲をアルミシールドケース等で覆えば，コイル間の結合係数は増加する．フェライド方式が有利となる．また，ソレノイド方式は位置ずれ変

イトとケース間に適度な間隔を設ければ，アルミ表面に発生化に伴う伝送効率の低下も少ない．ソレノイド方式は円形コする渦電流による損失も抑えることができ，結合係数の増加

イル方式に比べて漏洩電磁界強度が高いが，ギャップを小さによる伝送効率の向上も図れる(4)．Fig.5 と Fig.6 にアルミシーくして開口面積を減らし，かつアルミシールドケース等で外ルドケース付きコの字型パッドの外形と 50W 給電実験結果を周を覆えば規制値以下にできる．

示す．ケース付きの伝送効率は 94.3％でケース無しの 93.5％2.2. 給電特性から上昇している．ケース内(g <30mm)での効率低下や電圧電電動アシストレンタサイクル用非接触給電システムの回路流の変化も小ない．また，ケース外周部で計測した磁界強度図を Fig.3 に示す．送受電回路にコンデンサを接続し各コイルはアルミシールドケースを付けた方が低くなっており，シーのインダクタンスと共振をとることにより，送受電パッド間ルドケースが漏洩電磁界を低減するのに有効であることを示の伝送効率とインバータ出力の力率を向上させている．今回している．

は一次側直列，二次側並列にコンデンサを接続した一次直列以上のソレノイドコイルを適用した電動アシストレンタサ二次並列方式(SP 方式)を用いた．提案した 2 種類のソレノイイクルを Fig.7 に示す．Fig.7(a)はフレーム側面取付アーム部分

ドコイルの形状と電源周波数 90kHz で 50W 給電実験を行ったにあるロック機構近辺に平板ソレノイド型パッドを配置した

ときのパッド間伝送効率を Fig.4 に示す．平板ソレノイド型はもので，0～10mm のギャップや±20mm の位置ずれを許容し，リッツ線コイルを巻いたフェライトを 2 枚付き合わせたもの

初期充電から満充電まで約 4 時間で充電可能である．このシで，ギャップ長 6mm で 94％，10mm で 92.7％の伝送効率を得ステムはさいたま市とレンタサイクル運営会社の協力を得て，ている．また，コイルと並行方向に位置ずれしたときの効率2015 年 2 月に JR 武蔵浦和駅で実証実験を，2016 年 3 月に JR低下も小さい．コの字型は片方のパッドを包むように，もう武蔵浦和駅と JR 南与野駅で社会実験(Fig.8)を実施し，高い評一つのフェライトの磁極部分を拡張したもので，平板ソレノ価を得ている．Fig.7(b)はコの字型パッドを適用した電動アシ

イド型よりサイズは若干大きくなるが伝送効率は高い．磁極スト自転車で，一般家庭など大きな充電スタンドが設置できフェライト内に相手側パッドがあれば効率低下は小さい(3)．

ない環境でも使用できるタイプとなっている．コの字型パッ公益社団法人自動車技術会

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1000.880k、b、[%]10.6600.440kb0.220

in Aluminum Case

00WPT Pad(Plate Core Type)

1020304050
misalignmentofgx[mm]direction[mm]Gap600(a) With plate core type’s WPT pad(a) Efficiency and coupling factor
in Aluminum Case(b) With U-shaped core type’s WPT pad

Gap g [mm]Fig.7 Photograph of pedal electric cycle(b) Input/output voltage and current
with Aluminum Casewith Plastics Casein CaseICNIRP 2010

x [mm](c) Leakage flux
Fig.6

Performance of U-shaped core type’s solenoid coil withaluminum shield case

Fig.8 Rental ports of pedal electric cycle in JR Musashi-urawa
station
ンピーダンス ZIN が増加する．これにより，定電圧で給電中にドは前輪車軸部にロック機構を持つ電動アシスト自転車にも受電コイルを引き抜いた場合でも，入力電流 IIN は増加せず，有効である．

インバータ電源出力が過電流とならない．また，給電パッド

2.3. 中継コイルを付加した非接触給電システムの入出力の電流電圧は，SP 方式と同じ理想変圧器特性を有し，共振コンデンサ方式として Fig.9(a)の SP 方式を採用した場インバータ電源を定電圧駆動すれば，給電パッド出力も定電合，Fig.6(b)に示すように，入力電圧 VIN 一定でもギャップ g圧特性，電源を定電流駆動すれば出力も定電流特性となる(6)．

が大きくなると入力電流 IIN や出力電流電圧が増加する．これ

前述のコの字型パッド(Fig.10(a))の一次側コイルに重ねて中は Table 1 に示すように SP 方式の入力インピーダンス ZIN が結継コイルを巻いたパッド(Fig.10(b))を製作し，給電実験を行っ合係数k の減少(ギャップ長の増加)とともに小さくなるのが原て特性を比較した．Fig.11 に示すように，中継コイルを付加し因である．これに対し，中継コイルを用いた場合，装置引きた方では，ギャップ長の増加に伴い入力インピーダンス ZIN も(5)．

抜き時の入力インピーダンスを増加することが可能である

増加している．パッド間の伝送効率もアルミシールドケース

Fig.9(b)に示すように，一次直列二次直列コンデンサ方式(SS内ではほぼ一定で SP 方式と同様の特性を維持している．複数方式)に共振コンデンサ付きの中継コイルを付加し，中継コイ台の自転車を１個の電源で充電する場合，この方式を用いる

ルを一次側コイルの近くに置き二次側コイルのみ遠ざけると，と自転車がない(ギャップ長∞)ときでも，過電流が流れない安中継コイルと 2 次側コイル間の結合係数 kr2 が減少し，入力イ全な状態で，システムを運用が可能となる．

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Primary Pad

IINSecondary PadCSIL

L1r1

ZIN

CPL2r2

PrimaryCoil

VIN

Secondary Coil Primary CoilkRL

VL

SecondaryCoil(a) SP capacitor topology

k12ILCrL1
ZIN r1Lrrr

L2r2

k2r

SecondaryCoilRepeater
CoilPrimary
Coilk1r

Repeater Coil Primary CoilCS2VLRL(b) Repeater coil topology
Circuit diagram of wireless power transfer system(b) 3 coil type (Repeater coil topology)

Table 1 Theoretical equation of parameters
SP capacitor topology

Capacitor

CP 

Repeater coil topology
1CS1 

kk2r

Cr 

 2 L1 1  1r k12 1

 2 L2

CS 2 1

 2 Lr



100

1 k
 L2 1  2 r k12 
 k1r

2

VIN  k

L1VL
L2

VIN 

k1r
k2r

L1
VL
L2

1k

L2
IL
L1

I IN k2r
k1r

L2
IL
L1ZIN

Z IN  k 2

L1RL
L2k  L
Z IN   1r  1 RL k 2 r  L2

 max max Voltage, Current

I IN RLmax

1Q2
 k2
Q1rQ
RL max  2 2kQ2
 k2
Q1in Aluminum Case

VIN(2coil)
ZIN(2coil)
VIN(3coil)
ZIN(3coil)

1020304050
MisalignmentGapof thex direction[mm]g [mm]

1

 max 1

RL max Q1 50002

2
kQ2

1

Shape and structure of U-shaped core type’s WPT pad

VIN[V]

1
CS  2
 L1 1  k 2 Fig.10

2
k1r k 2 r Qrk 22r(a) Input voltage and input impedanceQrQ k12r r
Q1Q2QQk2r
r2Q2 k 22r r  k12r r
Q2Q1k1r

L1r1, Q2 

L2r2, Qr 90Lrrr

[%]

Fig.9

Secondary CoilZIN[]CS1VIN(a) 2 coil type (SP capacitor topology)

Secondary Pad

Primary Pad

IIN

80
3coil

3．車輪給電システムの検討
上述のシステムでは駐輪する区画に，別途スペースを確保70

して，給電のための専用ポートを設置する必要があり，駅周in Aluminum Case0

辺に見られる収容台数の多いサイクルラックのような車輪を1020304050
MisalignmentGapof thex direction[mm]g [mm]

直接ロックする駐輪システムへの適用は困難である．このた(b) Efficiency

め，Fig.12 に示すように，自転車の車輪部に設置したコイルを媒介に給電する 2 つの新しいシステム(二段式システムと中継

Fig.11

Performance of 2 coil and 3 coil type’s WPT padコイル型システム)を検討した．車輪を介した非接触給電シス
テムには電界結合方式による EV 向けの先行研究(7)があるが，回転式円形コイルでフレーム側に電力を給電(二段目)する．共自転車の車輪幅は EV より狭く結合係数が低下すると考えら

振コンデンサは 3 つ接続し，地上側コイルと車輪コイルにはれるため，コイルを介した磁気結合方式を用いた．

それぞれ直列に，フレーム側の回転式円形コイルには直列二段式システムは，地上側に設置したコの字型パッドから，(SSS 方式)または並列(SSP 方式)に接続する．また，中継コイ

車輪に巻いたコイルで受電(一段目)し，これを車軸に取付けた

ル型システムは，車輪に巻いたコイルを中継コイルとし，地公益社団法人自動車技術会

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式が，SP 方式と同じ理想変圧器特性を有し，SSP 方式は EVの駐車中非接触給電システムに多く用いられている SS 方式と同じイミッタンス変換器特性を有する(8)．ベークライトで車
MagneticFlux

DC-DCConverter

Rectifier

WPT Pad

輪を模擬して 50W 給電実験を行ったときのパッド間伝送効率

Battery(Circular Type)

Axleの位置ずれ特性を Fig.13 に示す．各方式とも位置ずれなしでCS295%以上の高効率が得られ，また位置ずれ時の効率変化も大差
Tire

MagneticFlux

Crないことが分かった．現在，車輪の材質による影響や漏洩電磁界強度の測定と低減方法について検討中である．

Pedal Electric Cycle
WPT Pad

CS1(U-shaped Core Type)

Cr

CS1

Inverter

PFC
Converter

4．ま と めCS2

小型化が可能なソレノイド方式 (平板ソレノイド型，コの字CrCS1CP型)を用いた電動アシストレンタサイクル用非接触給電システ
ムを紹介した．給電部をロック機構部周辺に設置しギャップ

SSS topology

SSP topology

長の増大を抑えるとともに，アルミシールドケースを活用して結合係数を上げかつ漏洩電磁界も低減できることを示した．

(a) Two-stage topology

次に，中継コイルを付加した非接触給電システムの理論と給電性能を示し，給電中に受電コイルを引き抜いたとき，インWPT Pad

バータ電源出力が過電流とならないことを確認した．そして，(U-shaped Core Type)

CS2
Rectifier

DC-DCConverter

地面と接する車輪部分から給電可能な非接触給電システムとBatteryして，車輪に巻いたコイルを媒介に給電するシステムについAxleても紹介し，給電実験結果によりその有用性を示した．
Magnetic
Flux

Repeater
Coil

Tire

Cr
Pedal Electric Cycle
InverterWPT Pad

CS1(U-shaped Core Type)参 考 文 献PFCConverter(1) 山脇敬介ほか：電動アシスト自転車への非接触給電，日本機械学会中国四国学生会第 42 回学生員卒業研究発表講演会予CS1稿集(2012)，S807

CS2(2) 山田潤ほか：円形及びソレノイド型磁界結合方式非接触給Cr

電トランスと共用可能な Hc 型トランスの回路解析と性能評
価，電気学会論文誌 D，Vol.136，No.11，p.891-900 (2016)(b) Repeater coil topology
Fig.12

Wireless power transfer system by using wheel coil(3) 吉岡直人ほか：電動アシスト自転車用コの字型 50W 非接触給電トランス，
平成 26 年電気学会全国大会予稿集，p.150-151(2014)，4-091(4) 柿沼賢造ほか：差込式非接触給電トランスの開発と性能評

100

価，平成 28 年電気学会全国大会予稿集，p.292-293 (2016)，4-174
ηTR [%](5) K. E. Koh etc.: New Wireless Power Transfer via Magnetic
90and APE Japan (2014), 20144026
800Fig.13Resonant Coupling for Charging Moving Electric Vehicle, EVTeC(6) 柿沼賢造ほか：中継コイルを用いた非接触コンセントの検Two stage system(SSS)
Two stage system(SSP)
Repeater system
50100
misalignment [mm]討，平成 29 年電気学会全国大会予稿集，p.322-323 (2017)，4-184
150

Performance of wireless power transfer system by usingwheel coil(7) 大平孝：自動車タイヤを介するゼロギャップ走行中給電，電子情報通信学会技報，WPT2012-17，p.13-16 (2012)(8) 大住征有紀ほか：走行中給電可能な二輪車向け非接触給電システムの検討，
平成 28 年電気学会産業応用部門大会予稿集，pp.345-350 (2016)，1-97

上側とフレーム側に設置したコの字型パッド間で給電を行う．
共振コンデンサは 3 つのコイルにそれぞれ直列に接続する．
システムの入出力の電流電圧は，SSS 方式と中継コイル方

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