JP4426504B2

JP4426504B2 - ハイブリッド型電気自動車の２次電池の供給制御装置及び電力供給システム

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Publication number: JP4426504B2
Application number: JP2005181781A
Authority: JP
Inventors: 康則大野; 倫行内山; 真一近藤; 邦良坪内; 良範深作; 康信藤田; 明彦渡辺
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2005-06-22
Filing date: 2005-06-22
Publication date: 2010-03-03
Anticipated expiration: 2025-06-22
Also published as: JP2007006573A

Description

本発明は、負荷の需要に対しハイブリッド型電気自動車（以下、ＨＥＶと略称する）から電力を供給する２次電池の供給制御装置及び電力供給システムに関する。

ＣＯ２排出削減等、地球環境への関心の高まりから、自然エネルギーの導入や省エネルギーが関心を集めている。我国の１次エネルギー消費の動向を見ると、運輸用、民生用が大きな伸びを示している。

運輸用エネルギーの削減については、ガソリン車の燃費の向上が挙げられるが、ハイブリッド型電気自動車を用いることにより、更に、高い燃費性能が得られる可能性がある（非特許文献１参照）。

商業施設や工場においては、電力の規制緩和を背景として、省エネルギーと経費削減のため、ガスエンジン等の分散型電源によるコージェネレーションを導入するところが増加している。コージェネレーション導入の目的は、熱利用を含めたエネルギー利用効率を高め、環境負荷を低減すると同時に経費を削減すること、および、分散型電源の導入により商用系統から購入する電力のパターンを調整し、電力会社に支払う電力料金を低減することにある。後者については、熱利用を前提としない場合でも効果が期待できる。

将来のエネルギー利用形態として、停車中の電気自動車から電気を供給するという考え方が紹介されている（非特許文献２参照）。また、ビル等の定置型分散型電源の燃料製造装置を利用して燃料電池自動車に燃料（水素）を供給する提案がなされている（特許文献１参照）。

さらに、燃料電池自動車群から収集した直流電力を連系インバータで交流に変換し、負荷に供給するとともに、商用系統へ売電を行なうシステムに関しての提案がなされている（特許文献２参照）。

「電気自動車の最新技術」（電気学会電気自動車駆動システム調査専門委員会、平成１１年）「PEOPLE POWER」（NEWSWEEK SEPT.6/SEPT.13, 2004）特開２００１−２４０５０１公報特開２００２−８６７３公報

環境負荷低減の観点からは、高い燃費性能の電気自動車の導入が望ましい。しかし、ガソリン車に比較してコストが高く、特に、主として通勤時にのみ利用の場合、電気自動車の導入には困難がある。

一方、商業施設や工場においては、それぞれの負荷（需要）パターンを調整し、商用系統からの購入電力を均一化し、商用系統への負担を軽減するとともに、電力会社に支払う電力料金を低減するのが望ましい。しかし、昼間の負荷が多い状態に対応するためには、分散型電源等による電力の供給が不可欠である。商業施設や工場が、独自で分散型電源を導入するには、設備費用がかかるため、分散型電源を導入できるところは限られる。

そこで、複数の電気自動車を上記分散型電源に代えることが考えられる。特許文献２の方法は、複数の燃料電池自動車からの電力を集める点では優れた方法であるが、新たに大容量の連系インバータを用意する必要がある、事故時に直流を遮断するための遮断器が交流の遮断器に比べ高価であるなどの問題がある。

また、電気自動車は電動機による駆動力を出すため交流出力が使われる。この交流出力を用いれば、上記の連系インバータは必要なくなるが、各電気自動車の出力を単にまとめるだけでは適正な交流出力とはならない。

本発明の課題は、上記従来技術の問題点に鑑み、商業施設や工場において分散型電源を独自に導入することなく、複数の電気自動車から交流電力を集め対象施設の負荷に供給することのできる電力供給システムおよび運用方法を提供することである。

前記課題を解決するための本発明は、ハイブリッド型電気自動車の２次電池から駐車中に負荷に放電して、２次電池の残存充電容量を適正に管理する電力供給装置において、前記２次電池の現時点の２次電池残存容量と予め定めた適正な効率の所定２次電池残存容量を比較し、前記現時点の２次電池残存容量が前記所定２次電池残存容量を上回っている場合に、その差分量を供給可能量とする供給制御手段を備えることを特徴とする。

本発明の電力供給システムは、対象となる電力利用事業者の負荷に関する情報を収集する通信手段と、複数のハイブリッド型電気自動車の電力供給に関する情報を収集する通信手段を有し、前記収集された情報から、需給バランスをとるため、前記負荷に電力供給するハイブリッド型電気自動車の選択と出力指令値を設定する制御手段を備える。

ＨＥＶには、需給調整センタからの指令に基づき、所定の交流電力を需要家の負荷に供給するための情報、および、ＨＥＶで発生させる交流の特性を決定するための、需要家内配電系統の交流の特性に関する情報を送るための計測、通信手段を設ける。

ＨＥＶによる需給調整システムを運用するに際しては、ＨＥＶ所有者（複数）を契約者Ａ、電力を利用する需要家を契約者Ｂ、サービス提供業者を契約者Ｃとすると、契約者Ｃは、契約者Ａ、契約者ＢとＨＥＶによる電力供給サービスに関する契約を締結する。契約者Ａは電力供給の条件、電力提供に対する補償金額等を、契約者Ｂは需給調整に関わる運用条件、電力料金および需給調整サービス料金を予め定めておく。

契約者Ｃの指令により、契約者ＡのＨＥＶから、契約者Ｂに電力が供給される。これに対し、契約者Ｂは契約者Ｃに、電力料金および需給調整サービス料金を支払う。契約者Ａの電力提供は、契約者Ｃの需給調整により始めて可能になったものであり、契約者Ｃから契約者Ａへは実績補償がなされる。

本発明のＨＥＶによる需給調整システムによれば、商業施設や工場において、分散型電源を独自に導入することなく、複数の電気自動車から交流電力収集することで、それぞれの負荷（需要）パターンを平準化でき、電力コストを低減できる。これにより、需要家が電力コスト低減のメリットを得るばかりでなく、電力コスト低減のメリットの一部は、ＨＥＶ所有者に還元される。また、環境負荷低減に望ましい、燃費性能の高い電気自動車の普及促進に効果が期待できる。

以下、本発明による複数の実施形態を説明する。

図１は、本発明の電力供給システムの１実施例による需給調整システムを示す構成図である。需要家である契約者Ｂの構内２において、商用系統１から受電した電力は構内変電所３で配電線４により、構内の負荷８に供給される。構内駐車場９に駐車している、ＨＥＶ（ハイブリッド型電気自動車）２０から供給される電力は、低圧配電線５、電圧変換装置２５、配電線４を経由して、負荷８に供給される。なお、構内駐車場９には、電力供給の対象となるＨＥＶ２０が予め決まっている。なお、電力供給を行わない駐車場所の自動車２１も駐車している。

複数の負荷８や受電電力に関する情報は通信線６を、ＨＥＶ２０に関する情報は通信線７を経由して、需給制御センタ１０にある監視制御装置に送られる。

図２は、ＨＥＶの一例（シリーズ型電気自動車の駆動部分）を示す模式図である。駆動部分は、エンジン３０、燃料タンク３３、発電機３１、２次電池３２、モータ３４などから構成される。発電機３１で発生した電気は整流器３６で直流にし、２次電池３２に蓄えられる。出力が必要になれば、２次電池３２の電気を、インバータ３７により交流に変換し、電動機３４に供給し、車輪３５の駆動力を得る。制御に必要な情報は、通信線４０により、コントローラ３８に集められる。

更に、需要家構内２の負荷８に電力を供給するため、接続部４１と低圧配電線５を連結するためのフレキシブル電力線４２が設けられている。また、ＨＥＶの状態情報を需給制御センタ１０に送り、同センタからの運転指令をコントローラ３８に伝えるための、送受信装置４３が設けられ、その間は無線によって通信が行なわれる。なお、通信に関しては、有線を用いる通信でも、電力線搬送を用いた通信でも良い。

需給制御センタ１０からの運転指令がコントローラ３８に送信される。ＨＥＶから低圧配電線５に送電される場合は、低圧配電線５の電気的特性（電圧の大きさ、位相など）に関する計測が行なわれ、コントローラ３８に伝達される。コントローラ３８では、インバータ３７で発生させる電力の出力を制御するための制御信号とともに、電圧の大きさと位相とを、低圧配電線５に合わせる（同期）ことにより、複数のＨＥＶから低圧配電線５への送電が可能になる。

契約者Ｃは、契約者ＡのＨＥＶ、契約者Ｂの負荷８から送られた需要と供給に関する情報から、電力供給を行うＨＥＶの選択とその出力を決定し、負荷８に供給される電力を計測し、その値に基づく実績補償金等を契約者Ａへ支払う。

次に、図３、４を用いて、契約者Ｃが所有する需給制御センタの働きについて説明する。図３は、需給制御センタに設置される需給調整機能のブロック図である。本機能は、演算処理装置２３２、ＨＥＶのコントローラ３８や各負荷の計測・御装置４０と、情報の授受を行う通信装置２３１、表示装置２３４、オペレータが条件設定等を行うための入力装置２３３で構成される。また、需要予測や電力供給のためのＨＥＶの選択や出力指令を算出するのに必要な情報を一定期間保存しておくための、一時保存用記憶装置２７１を有している。更に、受電データベース（DB）２７２、需要データベース２７３、気象情報データベース２７４、対象となるＨＥＶの状態データベース２７５、稼働しているＨＥＶの状態データベース２７７、電力供給実績（各ＨＥＶ毎の）データベース２７７を有している。これらによって、電力需給を補償するための情報に関するデータベースが構成される。

図４は、表示装置による監視制御画面の例である。表示装置２３４は、需要については負荷３５１毎に、現在の需要３５２、制御対象となる至近時刻における需要の予測値３５３を表示する。受電電力については、現在の受電電力３５４、制御対象となる至近の時刻における計画受電電力３５５、受電電力のトレンドグラフ３５６を表示する。受電電力は、上限値３５７と下限値３５８の間に維持される。

ＨＥＶからの電力供給に関しては、現在の電力供給量３５９、全てのＨＥＶからの供給可能量３６０、制御対象となる至近時刻における総供給指令値３６１が表示される。また、個々のＨＥＶの状態については、供給可能状態（駐車状態）か否かの表示３６２、供給可能量に対する放出量の割合３６３を表示している。また、メッセージ欄３６４には、機器異常情報、処理異常情報等が表示される。

供給可能量３６０は、その時点での２次電池残量から適性な２次電池残量（例えば、７０％）を差し引いた値である。制御対象となるＨＥＶが複数になる場合は２次電池残量が多い方から段階的に放電させ負荷に電力を供給する。これにより、電力供給が一部のＨＥＶに集中しないようにし、公平性を確保する。

図５は、需給制御センタにおける処理フローである。このフローは、ＨＥＶに対する制御周期、１周期分について示している。実運転に際してはこの処理が繰り返される。

次の制御時刻において、電力の供給が可能なＨＥＶを把握する（１１０１）。電力供給が可能なＨＥＶの識別番号、出力制約、２次電池残量制約、電力供給の形態（２次電池からの供給のみか）、電池残量および燃料の計測値などの情報を集める。次に、制御時（Ｘ分後）の需要を予測し（１１０２）、受電電力計画値を考慮し、ＨＥＶで供給すべき電力、電力量を算出する（１１０３）。本時間ステップで電力供給に使用するＨＥＶの選択とＨＥＶへの出力指令値を決定する（１１０４）。この指令値は、出力制約、２次電池残量制約のもとで、例えば、エネルギー利用効率が最大となる組み合わせが選ばれる（最適化計算）。

該当したＨＥＶへは、出力パターン指令を送る（１１０５）。該当ＨＥＶから負荷に供給される電力供給量をそれぞれ計測し（１１０６）、ＨＥＶ毎に電力供給量をデータベースに記録する（１１０７）。該当ＨＥＶの電池残量が所定の値に達した場合（１１０８）は、そのＨＥＶを電力供給が可能なＨＥＶから除く（１１０９）。

２次電池残量推定は次の方法で行なう。図６は代表的なバッテリーの充放電特性（残存容量と開放電圧）を示し、５０が鉛バッテリー、５１がニッケル・水素バッテリーの例である。バッテリー運転中の電流・電圧から等価回路をリアルタイムで演算し、推定した開放電圧から残存容量を推定する。ＨＥＶの２次電池残量は高すぎると効率が悪い。充電量が放電され、残存容量が適切に調整されると、その後のＨＥＶ移動時に効率的な動作が可能となる。この適切な残存容量は予め設定され、供給可能量３６０はその時点での２次電池残量と適切な２次電池残量の差となる。

以上は、ＨＥＶに対する制御周期、１周期分のフローであるが、図７に全体の制御フローを示す。電力供給の対象となるＨＥＶは、予め登録されている。単位期間、例えば、１ヶ月の処理を開始する（１２０１）。まず、１日の処理を開始する（１２０２）。図５に示す時間ステップの処理（１２０３）を繰り返し、１日が終了すれば（１２０４）、実績を記録する。単位期間が終了するまで（１２０５）、１日の処理を繰り返す。単位期間が終了すれば、各ＨＥＶからサイトの負荷に供給された電力量を算出（１２０６）し、各ＨＥＶ所有者への実績補償代金の算出を行なう（１２０７）。

図８に、本実施例における情報システムの構成を示す。契約者Ａ、契約者Ｂ、契約者Ｃ間の情報（例えば、運用条件、料金清算に関するもの）の授受は、構内ＬＡＮ４０１を介して、契約者Ａの処理装置４０３、４０５、契約者Ｂのコンピュータ４０７、契約者Ｃのコンピュータ４０８の間で行なわれる。計測値やＨＥＶに対する制御値は、専用通信回線４０２を介して、計測・制御装置４０４，４０６と制御装置４０９の間で行なわれる。なお、必要な通信の速度と通信量によっては、専用通信回線４０２を構内ＬＡＮ４０１で代用することも可能である。

次に、各契約者間のサービス提供と料金決済、実績補償の方法について説明する。ＨＥＶによる需給調整システムを運用するに際しては、分散型電源による需給調整システムを管理するサービス提供業者と、ＨＥＶ所有者（複数）、および、電力を利用する商業施設、工場などの電力利用事業者とで契約を締結し、契約に従って運用する。この場合、ＨＥＶ所有者（複数）を契約者Ａ、電力を利用する需要家を契約者Ｂ、サービス提供業者を契約者Ｃとすると、契約者Ｃは、契約者Ａ、契約者ＢとＨＥＶによる電力供給サービスに関する契約を締結する。契約者Ａは電力供給の条件、電力提供に対する補償金額等を、契約者Ｂは需給調整に関わる運用条件、電力料金および需給調整サービス料金を予め定めておく。

なお、このサービス実施する際、契約者Ｃは、契約者Ａ、契約者Ｂから情報を集めるための情報収集装置、通信装置、制御装置、さらに、需給調整センタにおける情報処理装置などを、サービス事業者自身の資産を用いるか、第３者の資産をリースなどすることにより運用するかを選択できる。また、情報収集装置、通信装置、制御装置などの一部が、契約者Ｂの資産であり、それをリースすることにより運用することも可能である。

ＨＥＶによる需給調整サービスにより、需給調整システムを具体的に運用するに際しては、契約者ＡのＨＥＶにおいて、その状態を計測し、契約者Ｃが所有する需給制御センタにその情報を送る。契約者Ｂの各設備においては、定期的に電力需要の情報を需給制御センタに送る。需給制御センタでは、各設備から集まって情報に基づき、至近の需要を予測するとともに、電力供給を行なうＨＥＶの選択とその出力を決定し、ＨＥＶに指令値として送る。指令を受けたＨＥＶでは、指令値に沿って電力供給を行う。

図９は本サービスの流れを示している。契約者Ｃは、契約者ＡとＨＥＶを利用した電力供給に関わる契約（８０２）を、契約者Ｂとは、構内負荷への電力供給と需給調整に関わる契約（８０１）を結ぶ。

上記契約に基づき、契約者Ｃは、契約者Ａが所有するＨＥＶに適切な運転指令を出す（８０３）。これにより、契約者Ｂの負荷に電力が供給される（８０４）。契約者Ｃの需給調整により、購入電力パターンが調整され（８０５）、電力購入の費用が低減される。ＨＥＶの２次電池残量は適切に調整されるので、その後のＨＥＶ移動時に効率的な動作が可能となる（８０６）。これらのサービスに対し、契約者Ｂは契約者Ｃに電力料金を支払う。契約者Ｃは契約者Ａに対し、ＨＥＶからの電力供給に対し、実績に基づき、実績補償代金を支払う。

以上説明したように、本実施形態によれば、契約者Ａは、実績補償の形で経済的メリットを受けるばかりでなく、２次電池の残量を適切に調整でき、次の移動時に効率的な運転が可能となる。契約者Ｂは、独自に分散型電源を持つことなく、負荷の多い時間帯にＨＥＶから供給を受けることで、購入電力パターンが平準化し、電力コストを低く抑えることができる。契約者Ｃは、需給調整を行なうことにより、サービス料等で、継続的な収入が得られる。社会全体でみれば、高い燃費性能の電気自動車の導入が促進され、結果として、環境負荷低減が実現されるというメリットがある。

図１０は、本発明の他の実施例を示す需給調整システムの構成図である。構成は、図１の実施例と殆ど同じであるが、商業施設１２の場合であり、空調、照明、動力等の負荷１３に電力を供給する。この場合、駐車場に停車するＨＥＶは、対象となるＨＥＶが予め決まっている図１の場合と異なり、不特定の来訪者が電力の提供者となる。

これに伴い、需給制御センタにおける全体の処理が実施例１の場合（図７）と異なる。図１１に実施例２による全体の処理フローを示す。ＨＥＶが駐車場に入る（１３０１）と時刻の記録を行い、電力提供の意思があるかどうかを電子的手段により確認する（１３０２）。電力提供の意思がある場合、そのＨＥＶは電力提供可能なＨＥＶとなり、定時刻（例えば、１時間毎）の処理を開始する（１３０３）。定時刻の処理が終るまで（１３０５）、図５の時間ステップの処理を繰り返す（１３０４）。また、これを、ＨＥＶが駐車場を出るための処理（清算）まで続ける。ＨＥＶが駐車場を出る場合（１３０６）は、そのＨＥＶからサイトに供給された電力量を算出し（１３０７）、ＨＥＶ所有者への実績補償代金の計算を行なう（１３０８）、また、駐車時間から駐車料金を計算する（１３０９）。以上から、実績補償代金等の清算を行なう（１３１０）。一方、電力提供の意思表示をしない場合、ＨＥＶが駐車場を出るための処理に入ると駐車料金を計算し（１３１２）、駐車料金の清算を行なう（１３１３）。

図１２は、各契約者間のサービス提供と料金決済、実績補償の方法を示す。図９とほとんど同じであるが、ＨＥＶ所有者が不特定多数であるため、契約者Ｃから契約者Ａへの駐車場利用規則の提示（９０２）および契約者Ａから契約者Ｃに対する電力提供の意思表示（９０３）で、契約者Ａと契約者Ｃの契約に代えている。

本発明は、移動可能な分散電源に限らず、待機状態にある複数の機器の状態を監視し、外部の状況に合わせ、機器を選択的に稼動させられるため、長時間待機状態にある機器を有効に活用するその他の用途にも適用できる。

本発明の１実施例を示す需給調整システムの構成図。ハイブリッド型電気自動車の一例を示す模式図。需給制御センタに設置される需給調整機能のブロック図。需給調整機能における表示装置の監視画面図。需給制御センタにおける処理フロー図。２次電池残量の計測方法を示す説明図。需給制御センタにおける全体処理フロー図。需給調整システムにおける情報システムの構成図。各契約者間のサービス提供と課金、実績補償を示す流れ図。本発明の他の実施例を示す需給調整システムの構成図。他の実施例による需給制御センタでの全体処理フロー図。他の実施例による契約者間のサービス提供と課金、実績補償を示す流れ図。

符号の説明

１…商用系統、３…構内変電所、５…低圧配電線、６…通信線、７…通信線、８…負荷、９…構内駐車場、１０…需給制御センタ、２０…ハイブリッド型電気自動車、２５…電圧変換装置、３０…エンジン、３１…発電機、３２…２次電池、３４…電動機、３５…車輪、３６…整流器、３７…インバータ、３８…コントローラ、４０…通信線、４２…フレキシブル電力線、４３…送受信装置。

Claims

駐車中に、配電線と接続されて電力供給が可能になるハイブリッド型電気自動車の２次電池と、前記配電線を通じて負荷に電力を供給するハイブリッド型電気自動車の選択と出力指令値を設定する制御手段を備えるハイブリッド型電気自動車の電力供給システムにおいて、
前記制御手段は、前記２次電池の駐車中における現時点の２次電池残存容量と予め定めた適正な効率の所定２次電池残存容量を比較し、前記現時点の２次電池残存容量が前記所定２次電池残存容量を上回っている場合に、その差分量を供給可能量とする供給制御手段を備え、
前記供給制御手段は２次電池が複数の場合に、現時点の２次電池残存容量が多い方の２次電池を選択して段階的に負荷に電力を供給することにより、高すぎる２次電池残存容量を駐車中に負荷に電力供給して放電させ、適切な２次電池残存容量とすることを特徴とするハイブリッド型電気自動車の電力供給システム。
請求項１において、前記供給制御手段は各ハイブリッド型電気自動車の駐車時間中における供給実績を求めることを特徴とするハイブリッド型電気自動車の電力供給システム。