新しい電力システムがワイヤレス充電を改善する方法

ワイヤレス充電システムの普及は驚くべきことではありません。これらのデバイスは、有線のものに比べてより便利で柔軟性があります。しかし、いくつかの制限要因により、ワイヤレス充電器が業界標準になるのを妨げています。

特に、仁川国立大学のエンジニアチームが最近導入した新しい電力管理システムは、ワイヤレス充電ソリューションを大幅に改善する可能性があります。この新システムは安定した電力を提供し、干渉を低減します。以下が知っておくべきポイントです。

ワイヤレス充電はどのように機能するのか？

スマートフォンやスマートウォッチをワイヤレス充電ステーションに置くと、裏側で多くのことが行われています。これらのデバイスは、電磁誘導を利用してプラグやケースを介さずにワイヤレス電力伝送（WPT）を実現します。

ワイヤレス送信コイルが充電ステーションに配置され、受信コイルの近くに来ると、電磁誘導がワイヤレスで発生します。この状況により受信コイル内の電子が振動し、2つのコイル間に電磁場が生成され、デバイスが充電されます。

共振回路

ワイヤレス充電システムの主要部品の一つが共振回路です。これらのデバイスは受信コイルのインダクタンスを調整して周波数共振を実現します。また、ユニットへの電力伝送を増幅し、回路インピーダンスを低減する重要な役割も果たします。

共振チューニング

干渉とシステム電力を制御するために、共振チューニングが使用されます。これらの調整は、並列補償受信機を用いてシステムの動作周波数を変調することが多いです。興味深いことに、この変調が変調周波数と共振周波数の不一致を生み、性能低下を招きます。

現在のワイヤレス充電システムの問題点

現在、ワイヤレス充電には重大な課題があります。例えば、有線に比べて充電速度が大幅に遅くなります。また、ほとんどの充電システムは正しく機能するためにデバイスが非常に近くにある必要があります。

電磁干渉

現在のワイヤレス充電ステーションで使用される電源システムと共振回路は、近くにある他のデバイスの共振回路に干渉することがあります。この電磁干渉は、ワイヤレス充電ステーションの効率と性能も低下させます。

システム効率の低さ

従来のワイヤレス充電システムは、突然の予期せぬ電力損失が発生することがあります。この電力低下の主な原因は、共振回路における急激な周波数変化です。この状況はデバイスの過熱と充電速度の低下を引き起こします。

共振器チューニングソリューション

ワイヤレス充電が市場に登場して以来、さまざまなチューニングソリューションが導入されてきました。特に、すべてが何らかの追加ハードウェアを必要とします。問題は、これらのデバイスがシステムの複雑さ、電力要件、全体的なサイズを増大させることです。さらに、コストが高く、複雑な制御設定を扱うには専門家が必要になることがあります。

Qi ワイヤレス充電規格

現在最も普及しているワイヤレス充電規格は Qi 規格です。このタイプの充電ステーションは、約4cm離れたデバイスにワイヤレス電力を供給できます。動作周波数は110〜205kHzの範囲で、同時に複数のデバイスを充電できます。

ソース – Torro

Qi は普及していますが、効率的ではありません。充電が遅く、デバイスが過熱することがあります。デバイスが熱くなると、時間とともにバッテリー性能が低下します。そのため、より安定かつ効率的なワイヤレス充電ソリューションが直接的に求められています。幸いにも、解決策が見えてきました。

改良されたワイヤレス充電の研究

仁川国立大学のエンジニアは、今月『Resonant Tuning Rectifier for Parallel Compensated Receivers in Wireless Power Transfer』¹というタイトルの研究を、学術誌 IEEE Transactions on Industrial Electronics に掲載しました。この研究は、安定したワイヤレス電力を提供し、市場を変革する可能性のある新しい共振チューニング整流器ソリューションを紹介しています。

共振チューニング整流器 (RTR)

共振チューニング整流器（RTR）は、スプレッドスペクトラム周波数変調中に発生する並列補償受信機（RX）の共振不一致を修正するのに役立ちます。このタスクを実現するために、ユニットは自律的に有効容量を調整します。

このステップにより、RTR は制御信号とシステム電流を同期させることで共振周波数を調整できます。同期が完了すると、デバイスは固有の共振と変調期間間の不一致を補償し始めます。

具体的には、研究者は整流器 MOSFET のオフタイミングを一次電流のゼロクロッシングと同期させることでチューニングを実現しました。システムは統合されたセンサーコイルを利用して位相情報を取得し、出力を一次電流と同期させます。

改良されたワイヤレス充電テスト

改良されたワイヤレス充電システムをテストするため、エンジニアは 2.2 kW の EV 充電ステーションプロトタイプを構築しました。この自動車用充電ステーションは複数のテストフェーズを経ました。試験中にチームは性能、効率、干渉レベル、安定性、バッテリーへの影響に関するデータを収集しました。その結果は印象的でした。

改良されたワイヤレス充電テスト結果

新しい電源構成は、充電ステーション全体の性能を向上させました。まず、80〜90 kHz の範囲で動作周波数変調を維持しました。この周波数により、ステーションは一定の出力電力を供給できました。

エンジニアは、アップグレードされたデバイスを使用した際に効率が 3.5%〜8.1% 向上したことを報告しました。新システムは自動化されたシステムとゼロ電圧スイッチング（ZVS）オン、低 dv/dt オフ機能により追加の効率を実現しました。この機能はスイッチングによる電力損失を防止します。

改良されたワイヤレス充電研究の利点

このワイヤレス充電研究が市場にもたらす利点は多数あります。まず、現状に対する低コストの代替手段を提供し、性能を向上させます。さらに、ミニマリスト設計により、ユースケースシナリオにリアルタイムで適応できる制御設定が増えます。

安定した電力供給

アップグレードされた充電ソリューションが提供する主な利点は、信頼性と安定性のある電力供給です。この利点は、より効果的で有用なエレクトロニクスを実現する上で重要です。アップグレードされたシステムは前世代を上回り、最小限のエネルギーロスで安定した電力スループットを実現します。

電力コンポーネント不要

この研究のもう一つの大きな利点は、追加の電力コンポーネントが不要になることです。新しい RTR は、ユニットの形状を大きくするような複雑なシステムや追加のバッテリー、コンデンサ、その他の大型電力コンポーネントを必要としません。

制御ロジック不要

同様に、アップグレードされた RTR は複雑なフィードバック回路の統合を不要にします。エネルギーとスペースが大幅に節約され、送受信機間の通信システムも不要になります。その結果、ユニットは小型で耐久性が向上します。

改良されたワイヤレス充電システムの応用

高性能ワイヤレス充電システムにはほぼ無限に近い応用があります。EV、スマートフォン、時計の充電に加えて、これらのユニットはコンピュータ、センサー、さまざまなデバイスに電力を供給し、数十億人の生活を簡素化できます。以下は、高性能ワイヤレス充電ステーションの潜在的な応用例の一部です。

医療

医療業界はこの技術を活用して、より効果的なモニタリングと治療プロセスを構築できるでしょう。これらのデバイスは患者に 24 時間体制でのカバーを提供できます。すでに、エンジニアはウェアラブル、インプラント、その他の重要な医療機器がこの技術を利用して機能を向上させる可能性を検討しています。

物流

ワイヤレス充電機能の向上から恩恵を受けるもう一つの産業は物流セクターです。物流業界は本研究を活用して、IoT デバイスを含む追跡システムを改善できます。これらのデバイスはワイヤレス充電ソリューションを用いて、24 時間体制で新たなレベルのモニタリングを提供できます。将来的には、倉庫、トラック、店舗の IoT センサーにより、荷物が安全に管理されるでしょう。

改良されたワイヤレス充電システムの研究者

このワイヤレス充電研究は、韓国仁川の仁川国立大学の研究者が主導し、オークランド大学のチームの協力を得て実施されました。具体的には、Saidul Alam Chowdhury、Seongmin Kim、Sangwon Kim、Inkui Cho、Duk Ju Ahn が論文に貢献しています。現在、チームは充電システムの機能拡張とコスト削減を目指し、大規模な統合を可能にしようとしています。

ワイヤレス充電でリードする企業

ワイヤレス充電オプションの増加に伴い、複数の企業が市場で支配的なプレーヤーとなっています。これらの企業は研究開発に特化し、より高性能で手頃なデバイスを継続的に投入しています。以下は、業界の大きな技術革新により大幅な投資回収率（ROI）を確保できる可能性のある企業です。

Energous Corporation

Energous Corporation (WATT ) は 2012 年に市場に参入しました。カリフォルニア州サンノゼで設立され、以来、ワイヤレス充電システムのリーディングプロバイダーへと成長しました。同社は現在、従来型パッドから長距離倉庫向けワイヤレス充電ソリューションまで、幅広いワイヤレス充電製品を提供しています。

Energous Corporation の主力製品は WattUp ワイヤレス電力ネットワークです。これらのデバイスは IoT ユニットと連携し、長距離のスマート充電を提供します。無線周波数ベースの充電を利用し、膨大な数の IoT デバイスやその他のエレクトロニクスと互換性があります。

WATT は、いくつかの重要な理由からポートフォリオにとって有力な銘柄と見なされています。まず、株価は最近上昇傾向にあります。ワイヤレス充電分野での同社のリーダーシップと、約束された技術アップデートがこの成長を牽引しています。

現在、WATT の時価総額は 1,079.1 万ドルで、52 週間の価格帯は 0.2800〜2.7000 です。信頼できる充電ステーションメーカーを探す方は、Energous Corp とその製品についてさらに調査することを検討すべきです。

Energous Corporation の最新情報

ワイヤレス充電は最終的に標準になるでしょう。

ワイヤレス充電が有線の代替に追いつく瞬間、標準になることは間違いありません。コスト削減、利便性、柔軟性が引き続きユーザーとメーカーの双方にとってワイヤレス充電を好ましい選択肢にしています。そのため、充電ケーブルやバッテリーを探す必要がなくなる日が遠くないかもしれません。

他の革新的な電力ソリューションについては こちらをご覧ください。

研究参考文献：

^{1. Chowdhury, S. A., Kim, S., Kim, S., Cho, I., & Ahn, D. (2024). Resonant tuning rectifier for parallel compensated receivers in wireless power transfer. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 71(12), 15664–15673. https://doi.org/10.1109/TIE.2024.3390737}