銅パイプコイルを用いた数百 kW 級ワイヤレス給電の実機検証
山縣一輝＊，日下佳祐（長岡技術科学大学）

Verification of Hundreds kW-class Wireless Power Transfer with Copper Pipe Coil.
Kazuki Yamagata＊, Keisuke Kusaka (Nagaoka University of Technology)

Wireless power transfer (WPT) for electric vehicles has been studied to put it into practical use. In recent years,
however, as the cruising distance of electric vehicles is extended, the battery capacity of the electric vehicles which
are the target of power transfer tends to be increased. As a result, the conventional transmission power requires a longcharging time, which may lead an inconvenience of wireless power transfer. Therefore, it is necessary to increase thetransmission power. This paper proposes a wireless power transfer system using a pair of copper pipe coils. The
proposed system uses water cooling as a cooling method to prevent heating of the coils. Experimental results
demonstrate that the proposed system achieves a power transmission of 150 kW.
キーワード：ワイヤレス給電，電気自動車，大電力化

Keywords：Wireless power transfer, Electric vehicle, High power

1.

はじめにCoil diameter

現在，電動車両向けワイヤレス給電技術の実用化に向けた検討が進められている。その一方で，近年の電動車両はRx coil

航続距離延長を目的とし，給電対象であるバッテリー容量Gapが大容量化する傾向にある。そのため，従来の伝送電力では充電時間が長時間となり，ワイヤレス給電の利便性低下

Winding spacing

Tx coilを招く恐れがある。従って，伝送電力の大電力化が求められている。

Ferrite

大電力のワイヤレス給電では伝送コイルに高周波大電流Aluminumを通流させるため，コイルの発熱が問題となる。本問題をFig. 1. A cross section of analysis model.

解決するために，リッツ線を並列使用して大電力用コイルを製作する手法が提案されている(1-2)。しかし，本手法で数百 kW 級の伝送を行う場合，リッツ線の並列数が増大し，システムを使用した電力伝送試験により 150 kW の電力伝送電流をバランスさせるための設計が複雑化することが懸念を実現したため報告する。

される。また，コイルの冷却方式が自然空冷であるため，

2.

動作中にコイルの温度がリッツ線の被覆の温度上限を超過

コイルの設計パラメータ選定する恐れがあり，大電力用途には適さない。他にも，コイワイヤレス給電における送受電の伝送コイルの寸法設計

ルを複数個使用して大電力化を実現する手法が提案されてには巻数，コイル径，巻線間隔，送受電間の伝送距離等のいるが，コイル間のクロスカップリングを防止する必要が自由度があり，これらの組み合わせによりコイルのインダあるため，設計の自由度が低下する(3-4)。

クタンスや結合係数等の回路パラメータが定まる。また，そこで，本論文では一組の銅パイプコイルを用いた伝送SS 方式を用いたワイヤレス給電システムで高い伝送効率を電力 500 kW のワイヤレス給電システムを提案する。提案手得るためには，回路パラメータの関係は以下の最大効率条

法ではコイルの発熱対策として冷却方式に強制水冷を採用

件式を満足することが求められる(5)。

する。電磁界解析を用いてコイルの寸法設計を行い，提案

1

あたり，巻数，コイル径，巻線間隔，伝送距離の 4 つを設計パラメータとして，各パラメータの組み合わせによるイ120
Max. condition
5turn
8turn

Inductance [μH]

110

3turn
6turn9turn

4turn
7turn
10turnンダクタンスと結合係数の変化を明らかにするために，有100限要素法による電磁界解析を行った。なお，上記の設計パ90ラメータの内，伝送距離については米国自動車技術会が定80めた SAE J2954 で示されている Z3 規格に対応できるように

70250 mm とした。

60(a)2D

Fig. 1 に解析で使用した伝送コイルの 2D モデルを示す。

(b)3D

コイルの形状はスパイラル形状を採用し，寸法は送電側と5040受電側で同一とした。また，コイルの外側に遮蔽用のフェ30ライトとアルミニウムを配置した。これに加えて，受電側20には電動車両の車体を模擬した鉄板を配置した。

10Fig. 2 に伝送距離 250 mm の場合におけるインダクタンス

000.050.10.150.20.250.30.350.40.450.5と結合係数の解析結果を示す。各プロットが各設計パラメCoupling factor

ータを組み合わせた際の解析結果を示している。図中の黒Fig. 2. Analysis results of inductance and coupling factor for

色の曲線は式(1)を基に引いた曲線である。2D モデル使用

each combination of design parameters.

による解析の誤差を考慮して，プロット(a)の設計パラメータを選定した。
検証のため，選定した設計パラメータを適用した 3D モデルを作成して，再度インダクタンスと結合係数を解析した。Fig. 3 に解析に使用した 3D モデルを示す。なお，解析時間短縮のためモデルは 1/4 モデルとした。Table 1 に 3D モデルによるインダクタンスと結合係数の解析結果を示す。

Iron plate

また，Table 1 の結果をプロット(b)として Fig. 2 に追加した。Fig. 2 より，選定した設計パラメータを適用したコイル

AluminumFerrite
Rx coilGapのインダクタンスと結合係数の関係が，最大効率条件に近しいことがわかる。

Tx coil

次に，Fig. 3 のモデルを使用して 500 kW の電力伝送を想定した解析を行った。回路は送電側に周波数 9 kHz，振幅Aluminum
FerriteCoil radius

600 V の矩形波電圧源を接続して，受電側に抵抗負荷を接続した構成とする。本解析では基本波近似法 (FHA)によWinding spacing

り，矩形波の基本波成分のみを考慮するため，抵抗負荷のFig. 3. 3D analysis model.

値は以下の式を基に設定した。
Table 1. Analysis results with selected design parameters.

Req =Value
Inductance [μH]36.7

Coupling factor

0.27

8 VDC 2 2
 2 Pout············································· (2)

ここで，VDC2 は受電側出力電圧，Pout は定格電力である。
また，本検討では SS 方式による補償を適用するため，送電側及び受電側コイルと直列にキャパシタを追加した。キャパシタの値は以下の式を基に設定した。

L2 =ReqkC1 =························································· (1)11, C2 = 22 L1 L2······························· (3)ここで，C1 は送電側キャパシタンス，C2 は受電側キャパシタンスである。

ここで，L2 は受電側インダクタンス，Req は等価負荷抵抗，上記のパラメータを使用して解析を行った結果，受電側

ω は伝送角周波数，k は結合係数である。
本論文では大電力のシステムを検討するため，伝送効率に接続した負荷抵抗の消費電力が 512 kW となった。従っを高める必要があることから，式(1) を満足することを前て，設計した伝送コイルにより 500 kW の電力伝送が可能あ

提条件としてコイルの寸法設計を行う。寸法を決定するにることが確認できた。

2

3.

試験環境及び電力伝送試験結果〈3･1〉 伝送コイルの製作

実機試験を行うために，前章で選定した設計パラメータを基に銅パイプ製のスパイラルコイルを 2 つ製作した。また，製作したコイルに加えて
Aluminum

解析モデルと同一寸法のフェライトタイル及びアルミ板をFerrite配置して送受電の伝送コイルを組み立てた。
Tx capacitor

Fig, 4 に伝送コイルの外観を示す。コイル間の伝送距離は

Rx coilRx capacitor

Tx coil

解析モデルと同じく 250 mm としている。なお，試験の都合上，本試験では車体模擬のための鉄板は配置していな
Aluminumい。
〈3･2〉 伝送コイルのパラメータ測定

FerriteTable 2 に送受電の伝送コイルの自己インダクタンスと結合係数の測定結果を示す。Table 2 より，実機の伝送コイルのインダクタンス

Fig. 4. Transmission coils of transmission and receiving.

値は電磁界解析で求めた値より 26%程度大きいことがわかる。この誤差の要因は解析モデルで考慮していなかった，

Table 2. Measurement result of self-inductance and coupling

コイル端部の引き出し口と接続用のブスバーの影響である

factor of transmission coils.と考えられる。
〈3･3〉 電力伝送試験の回路構成

ValueFig. 5 に電力伝送試

T x coil inductance [μH]46.4

電側の電源には高周波熱錬社製の高周波電源を使用した。

Rx coil inductance [μH]46.7

本電源は系統から 3 相 440 V を受電して単相交流を出力す

Coupling factor0.23

験の試験環境を示す。Fig. 5(a)は本試験の回路図である。送る。本試験では電源の出力周波数を 8.5 kHz に設定した。送受電の共振キャパシタの容量はいずれも 7.2 μF である。また，受電側の負荷には水抵抗器を使用した。Fig. 5(b)に試験環境の外観を示す。

(a) Circuit diagram.

Water resistor
High-frequency power supply

Transmission coils(b)Fig. 5. Circuit configuration of power transmission.

3

High-frequency power supply output voltage : 200 V/div

1009008070High-frequency power supply output current : 400 A/div

60

Efficiency[%]

0Receiving side current : 400 A/div

5040300Tx side to load3-phase AC to load

2010Time : 20[μs/div]00(a) Voltage and current waveforms on the transmission side
and current waveforms on the receiving side.

4080Output power [kW]120160Fig. 7. Measurement result of efficiency characteristics.

Receiving side load voltage : 200 V/div

4.

0まとめ

本論文ではワイヤレス給電の大電力化を目的として，銅パイプコイルを使用したワイヤレス給電システムを提案した。SS 方式における最大効率条件を満足させるために，電Receiving side current : 400 A/div

磁界解析を用いて送受電の伝送コイルの寸法設計を行い，解析結果から 500 kW の電力伝送を行える可能性を示した。

0

その後，実機試験により提案システムで 150 kW の電力伝送を実現した。また，このときの高周波電源出力から受電側負荷までの伝送効率は 93%程度となった。今後は，伝送電Time : 20[μs/div]力の増加と効率改善の検討を行う。

(b) Voltage and current waveforms on receiving side.

謝辞

Fig. 6. Waveform at transmission of 155 kW.
〈3･4〉 電力伝送時の動作波形

本研究の実施にあたり，試験設備の構築並びに実機試験

Fig. 6 に負荷への伝送に関して高周波熱錬株式会社より多大なご支援をいただき電力を 155 kW としたときの各部の動作波形を示す。Fig.

ました。ここに感謝の意を表します。

6(a)の Ch. 1 は高周波電源出力電圧，Ch. 2 は高周波電源出力電流，Ch. 3 は受電側電流である。Fig. 6(b)の Ch. 1 は負荷電

文圧，Ch. 2 は受電側電流である。Fig. 6 より，送電側と受電側の双方で電圧と電流がほぼ同位相となっているため，共(１) H. Hu, S. Duan, T. Cai, P. Zheng, “A Current-Sharing Compensation
Method for High-Power-Medium-Frequency Coils Composed of Multiple
Branches Connected in Parallel,” in IEEE Transactions on Industrial
Electronics, vol. 69, no. 5, pp. 4637-4651, May 2021
(２) H. Zhou, J. Chen, Q. Deng, F. Chen, A. Zhu, W. Hu, X. Gao, “Input-Series
Output-Equivalent-Parallel Multi-Inverter System for High-Voltage andHigh-Power Wireless Power Transfer,” in IEEE Transactions on PowerElectronics, vol. 36, No. 1, pp. 228-238 Jan. 2021
(３) J. Shin, S. Shin, Y. Kim, S. Ahn, S. Lee, G. Jung, S.-J. Jeon, and D.-H.
Cho, “Design and Implementation of Shaped Magnetic-Resonance-Based
Wireless Power Transfer System for Roadway-Powered Moving ElectricVehicles,” IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 61, no. 3, pp.
1179-1192, March 2014(４) H. Hao, G. A. Covic, and J. T. Boys, “A Parallel Topology for Inductive
Power Transfer Power Supplies,” IEEE Transactions on Power Electronics,
vol. 29, no. 3, pp. 1140–1151, March 2014
(５) R. Bosshard, J. W. Kolar, J. Mühlethaler, I. Stevanović , B. Wunsch, F.
Canales, "Modeling and η-α-Pareto Optimization of Inductive Power
Transfer Coils for Electric Vehicles," vol. 3, no. 1, pp. 50-64, 2015

振による補償が行えていることがわかる。
〈3･5〉 電力伝送時の効率特性

献

Fig. 7 に負荷への伝送電力を 10 kW から 155 kW まで変化させたときの効率特性を示す。本試験では高周波電源出力から受電側負荷までの伝送効率と，高周波電源入力から受電側負荷までのシステム効率を測定した。
Fig. 7 より，155 kW 伝送時に高周波電源出力から負荷までの伝送効率は 93%程度，高周波電源入力から受電側負荷までのシステム効率は 83%程度となることがわかった。以上の結果から，提案のワイヤレス給電システムにより 150kW の電力伝送が可能であるといえる。

4