2020 Fiscal Year Annual Research Report
Development of innovative electric vehicles with wireless in-wheel motor
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18H03768
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
藤本 博志 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 准教授 (20313033)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
居村 岳広 東京理科大学, 理工学部電気電子情報工学科, 准教授 (30596193)
堀 洋一 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 教授 (50165578)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 電気自動車 / ワイヤレス給電 / インホイールモータ / モーションコントロール |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ガーボンニュートラルを実現するために，世界中の自動車メーカは自動車が走行中にCO2を排出しない電気自動車(EV)の開発・市販を進めている。しかしながら，現在のEVは航続距離に問題がありその普及が妨げられて，またバッテリの資源不足問題に直面している。バッテリの大型化をすることなく，この問題点を解決するために，道路の一部に送電用コイルを敷設し，走行中のEVに無線で給電する研究が世界中で行われている。申請者らは，その究極のかたちとして，車輪内に駆動用モータと蓄電デバイスを配置し，その車輪に路面から直接電力を供給する，ワイヤレスインホイールモータ方式を提案している。
本研究課題では，本技術をさらに発展させるため次世代ワイヤレスインホイールモータのための基盤的研究を行っている。さらに開発した技術を他の応用分野に発展させるための検討を進めている。
申請者らが2017年に開発した第二世代ワイヤレスインホイールモータ(W-IWM2)は，世界で初めて走行中給電に対応したインホイールモータの開発に成功したものではあるが，走行中給電の送電能力は一輪あたり9kWにすぎず，多くの部品が車輪の外にはみ出し，その搭載性が大きな課題となっていた。そこで2019年に，走行中給電能力を20kWに大容量化した上で，受電コイル以外の部品を全て車輪内に収めた第三世代ワイヤレスインホイールモータの開発し，2020年には制御の最適化によりシステム効率が95.2%と世界一の性能に到達した。さらに受電コイルをも車輪内に配置し，搭載性を大きく向上できる基礎研究を継続的に行った。
また開発した多段階ワイヤレス給電技術をワイヤレスインホイールモータ以外にも応用するための研究を行った。半導体・液晶露光装置の超精密位置決めステージのワイヤレス化に関して，試作ステージのコイル再設計と多軸動作・制御技術の開発に成功した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
2020年度は，タイヤ内に中継コイルを装着することで，エアギャップを最小化し，給電効率の最大化と漏洩磁界の最小化を達成する研究を行った。結果として，電力変換回路を含めた総合効率で95.2%と世界一の性能に到達することができた。
具体的には車輪内に受電コイルを搭載しIWMに給電するという未踏の研究に挑戦した。すなわち，路面からタイヤを介してIWMユニットや車体側に電力を送る構成を開発した。路面コイルから車輪内蔵コイルに直接給電することで，走行中給電におけるコイル間ギャップが極めて小さくなるため高効率に電力を送ることが期待でき，さらにコイル間に異物が入るリスクもほとんどなくなることを示していたが，これを複数の大電力コイルから送電するときのより実質的な研究を行った。交差点の手前30mにコイルを連続的に並べることにより，停車中の給電が不要になる自動充電スマートシティが構築できることが明らかにしたが，その路面側設備を詳細に検討するための理論とミニモデルを構築した。
またCFRPのような特殊なホイールを用いることなく車輪内コイルを成立させる新構造を検討した。送電側に関しては，漏洩磁界と損失の低減を目的とした分割コイル方式を成立させるための回路・制御方式を開発した。この新方式は各コイルをフルブリッジインバータで駆動する従来方式に比べ，パワー半導体数を半減させることに成功した。
さらに多段階ワイヤレス給電技術の基礎研究を進めると同時に，他分野への応用に関する応用研究も進めた。その中で半導体・液晶露光装置の超精密位置決めステージのワイヤレス化に関しては，試作ステージの多軸動作・制御技術開発をさらに進め，新コイルの制作と多軸動作の実証に成功した。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は，タイヤ内に中継コイルを装着することで，エアギャップを最小化し，給電効率の最大化と漏洩磁界の最小化を目指した研究をさらに発展させる。また特殊なホイールを用いることなく，従来のアルミニウムホイールに中継コイルを配置するだけで，車輪内コイルを成立させる新構造について実際の試作・試験と，制御開発を行う。送電側に関しては，漏洩磁界と損失の低減を目的とした分割コイル方式を成立させるための回路・制御方式の改良を行ったうえで，実際にコイルを路面に埋め込み，その性能評価を行う。
さらに多段階ワイヤレス給電技術の基礎研究を進めると同時に，他分野への応用に関する応用研究も進める予定である。その中で半導体・液晶露光装置の超精密位置決めステージのワイヤレス化に関しては，試作ステージの多軸動作・制御技術の最終性能評価を行う予定である。
この応用以外にも，ドローンへの飛行中給電といった全く新しい応用分野への挑戦を実際に検討を始める。近年，空飛ぶクルマやドローンなど，人・モノのオンデマンドな移動を可能とする電動フライングモビリティ（Electric Flying Mobility: EFM）が注目されている。本研究はEFMの課題である航続距離と安全性を解決すべく，磁界共振結合方式を用いたEFMへの無線電力伝送（Wireless Power Transfer: WPT）技術と，モータの高応答性を生かした運動制御技術の検討を開始する。そしてエネルギーと安全性の問題が解決された「落ちない空飛ぶモビリティ」の実現を目指すための基礎検討を行う。
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