ワイヤレス充電がエネルギー効率と環境にやさしいEVを実現する鍵になるか

環境面でも経済面でもメリットが期待できる電気自動車（EV）は業界を急速に電気化の未来へと導いています。国際エネルギー機関（International Energy Agency）によると、2030年までに道路上の電気自動車の台数は1億3000万台に達すると予測されています¹。同時に、ワイヤレス電気自動車システムの市場規模は2027年までに8億2500万ドルに達すると見込まれています²。

そのため、アメリカでは革命的な交通手段に大きな支援が集まっています。例えば、新車のEVには最大7500ドル、中古車には最大4000ドルの税額控除が適用されています³。しかし、EVが主流に達するために、エネルギー効率や製造過程での排出量といった課題を克服する必要がまだあります。

EVは充電なしでどれぐらい走れるでしょうか

EVはこれまで、面倒なケーブルを用いて固定式の充電ステーションから電力を得ていました。そして、一回の充電で平均110～300マイル（約177～483キロメートル）を走行できます。ほとんどの通勤には十分な距離ですが、充電は30分から20時間までかかるため⁴、EVの普及に大きな障害となっています。さらに、都市全体を支えるために十分な充電ステーションを設置することは、全ての政府が実施できるわけではなく、そのための予算も確保できない場合もあります。

出典：Energy5

ダイナミック・ワイヤレス充電でEVをさらに進化させよう

ほとんどの都市のインフラは、ドライバーや乗客の「航続距離への不安」⁵を解消するには不十分です。50kWの急速充電器を使用すれば、技術的には35分で約100マイル（約160キロメートル）を追加することが可能ですが⁶、回り道を完全になくすためのより便利な解決策（たとえ動的で空中無線充電）が現在検討されています。

2022年に、スウェーデンのゴットランド島で1.6kmの道路において、アスファルト道路に埋め込まれた銅コイルと車載受信機を使って充電誘導の試験が成功しました。このコンセプトは、日本の柏の葉スマートシティプロジェクトの都市計画担当者によってさらに進められており⁷、現在道路に埋め込まれた送電コイルの長期的な耐久性を観察しています。

千葉県柏市の職員は、2025年3月までに実施するこの試験が成功すれば、2030年までに道路内充電による自動運転シャトルバスの導入を目指しています。また、送電を道路インフラに組み込むことで、EVのバッテリー容量を小さくすることが可能になり、軽量化と製造コストの削減が期待されるほか、固定充電ステーションの必要性も軽減されるでしょう。

EVはどのようなワイヤレス充電方式を採用していますか？

ワイヤレス充電技術は、有線充電技術よりも遅いと考えられがちですが、最近開発された高結合インダクタを使用するニアフィールド・システムでは、放射によるエネルギー損失を防ぎ、ワイヤレス誘導充電システムの効率が直流（DC）急速充電器よりも1～2パーセントポイント高くなることが示されています⁸.。では、ワイヤレス充電技術とEVの展開について詳しく見てみましょう。

誘導充電 

誘導充電は、最も一般的なワイヤレスEV充電方法である。送信機と受信機の間でエネルギーを伝達するために、磁気コイルを利用します。送信コイル内に発生する交流磁場が受信コイル内に交流電流を誘導し、伝送されるエネルギー量は両コイル間の距離の二乗に比例します。この充電方法は、2012年9月にQi仕様に基づくワイヤレス充電を搭載した初の市販スマートフォンであるノキア920によって初めて普及しました⁹。

誘導充電の電離作用による健康への影響について懸念がありましたが、スイス連邦エネルギー省による調査で、誘導充電製品の比吸収率（SAR）が許容限度を1,000倍下回っていることが確認されます¹⁰。しかし、誘導充電には依然として10mm未満という短い有効距離や、コイルのアライメントに対する高い感度といった制限があります。

磁気共振

誘導技術の原理を応用した磁気共鳴充電は、送信コイル内に特定の周波数の振動磁界を生成します。これらの磁界の周波数は受信コイルの周波数と一致するため、約32～50mmの距離での電力伝送が可能となり、コイルの位置合わせに関する制約も緩和されます。これにより、1つの送信機から複数の受信機への電力供給が可能になります¹¹。現在までに、磁気共鳴充電は安全なSARを維持しながら、テーブルやデスクトップでの適用に成功しています。

無線周波数（RF） 

RF充電は、磁界の代わりに電磁波を用いて電力を伝送し、最大15フィートの距離で効果を発揮します。この充電方法は、電子レシーバーがRF波を直流電圧に変換する方式に由来しています。さまざまなワイヤレス充電技術の中でも、RF技術はサイズや形状において最も自由度が高く、1つの送信機で複数のデバイスに同時に電力を供給することが可能です。

RFワイヤレス充電はまだ広く普及していませんが、将来的にはRF技術がゲームコントローラー、煙探知機、防犯カメラ、医療機器、在庫スキャナー、そして車載充電やオフィス内充電に組み込まれる可能性があります。

EVの種類と環境への影響

しかし、EVが克服すべき課題は充電だけではありません。環境への配慮を謳う一方で、中型EVは従来の自動車と比べて製造過程¹³で2〜3トンの二酸化炭素を追加で排出します¹²。この排出量の大部分は、充電式バッテリーの製造に起因しています。

とはいえ、EVはそのカーボンフリーな推進システムのおかげで、15,000〜20,000マイル走行すれば二酸化炭素の排出量が収支均衡に達すると予測されており¹⁴、AIの統合や再生可能エネルギーの急速な導入により、この閾値はさらに低くなると見込まれています。

また、新しいワイヤレス充電規格の導入が電子廃棄物の増加を招く懸念もあります。すでに広く採用されているQiワイヤレス充電規格は、スマートフォン、公共の共用充電器、車載充電器など、600種類以上の機器で利用されています¹⁵。バッテリーに関連する土地や水の汚染を防ぐため、研究者たちはEVバッテリーのリサイクルプロセスを検討しています。リサイクル素材から新しいEVバッテリーを製造することが成功すれば、製造時の排出量を最大28%削減できる可能性があります¹⁶。

EVが環境に与える影響とそのエコフレンドリーな機能を完全に理解するために、排出ガスがどのように発生し、どのように防止されているのかを詳しく見ていきましょう。

バッテリー電気自動車（BEV）

プラグインEVまたは純EVとも呼ばれるBEVは、電気モーターに依存し、バッテリーのみで走行します。そのため、BEVが走行中に排出ガスを一切出しません。さらに、一部のBEVには回生ブレーキ・システムが装備されており、ブレーキング時に発生する運動エネルギーを電力に変換して充電します。

ハイブリッド電気自動車（HEV）

従来の内燃エンジン（ICE）と電気モーターを利用するHEVは、伝統的な燃料とバッテリの組み合わせで走ります。純粋なEVとは異なり、HEVのバッテリーは充電のためにプラグインすることができません。その代わり、同じ回生ブレーキ・システムに頼ってバッテリーを充電し、ガソリンエンジンの燃費を向上させています。そのため、HEVは排出ガスを発生させますが、一般的な内燃エンジン車両に比べて環境への影響は少なくなります。

プラグインハイブリッド電気自動車（PHEV）

PHEVはHEVと似ていますが、主な違いはPHEVのバッテリーはコンセントや公共の充電ステーションで充電できる点です。また、PHEVはバッテリーの電力のみでより長距離を走ることが可能です。燃料タンクは、バッテリーの残量が一定の閾値を下回ったときにのみ使用されます。つまり、PHEVはEVと同じように走行しつつ、燃料タンクをフェイルセーフとして備えているのです。

水素または燃料電池電気自動車（FCEV）

FCEVは、現在オーストラリアで研究が進められている新しい技術です。水素と酸素の電気化学反応を利用して電気モーターを駆動します。市場にはまだあんまり出回っていませんが、将来高率のクリーンな交通手段をサポートできるかもしれません。従来の自動車と同様に、FCEVは5分以内に水素ガスを充填でき、300マイル（約482キロメートル）以上の走行が可能です¹⁷。

EV産業はまだ発展途上であり、太陽光発電ステーション¹⁸での再生可能エネルギーや、LiDARセンサーによるAI支援ナビゲーションなど、さらなる要素が現在具体化されています。EV産業が今後どのように進展するかは分かりませんが、世界中の組織や政府がその進展に対して既に大きな投資を行っていることは明らかです。EVがよりクリーンで便利かつ費用対効果の高い自動車所有を実現することを期待しています。

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参考資料

1. Energy5 Your Way. The Future of Electric Vehicle Charging: A Convenient Solution for Autonomous Vehicles.
2. EV Charging Summit. Everything You Need to Know About Wireless EV Charging.
3. Courtney Lindwall. Nov 17 2023. Electric vs. Gas Cars: IsIt Cheaper to Drive an EV? NRDC.
4. Energy5 Your Way. 14 Nov 2023. The Cost of Electric Car Charging Stations: Are They Worth the Investment?
5. U.S. Department of Energy. At a Glance: Electric Vehicles.
6. Pod Point. 16 Nov 2023. How Long Does It Take to Charge an Electric Car?
7. Dan Robinson. 17 Oct 2023. Japan cruises ahead with drive-thru EV charging trial. The Register.
8. Florian Nägele and Shivika Sahdev. April 3 2023. Perspectives on wireless and automated charging for electric vehicles. McKinsey & Company.
9. Lucas Mearian. Mar 18 2018. Wireless charging explained: What is it and how does it work? ComputerWorld.
10. Electronics Devices & Networks Annex (EDNA). July 2019. Global Forecast of Energy Use for Wireless Charging.
11. invisQi. Wireless Charging at a Distance - How Long Is Too Long?
12. PTI. 23 Nov 2023. Wireless EV charging? Here’s how e-transport will look like in 10 years. The Economic Times.
13. Russell Campbell. 17 Aug 2022. Car pollution facts: from production to disposal, what impact do our cars have on the planet? Auto Express.
14. James Morris. 18 Jun 2022. We Need To Measure Total Lifecycle Emissions For Cars — But EVs Still Win. Forbes.
15. Zens. Qi enabled phones with wireless charging-compatible devices.
16. McKinsey & Company. 13 Mar 2023. Battery recycling takes the driver’s seat.
17. U.S. Department of Energy. Alternative Fuels Data Center.
18. Beth P. 15 Jan 2024. Wireless Charger for Car: Tesla Confirms Development of Groundbreaking Charging Technology. Energy Matters.