JP5596789B2 - 電池を動力源とする車両における貯蔵エネルギー管理の方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、少なくとも動力の一部を電池から得る車両における電気の貯蔵および利用に関する。

電気エネルギーの生産、貯蔵、および回収の分散方式は、公益企業による電力の分配をよりコスト効率のよいものにすることができることが長い間知られている。例えば、充電電池、揚水、圧縮ガスなどの形態でエネルギーを貯蔵する小規模または中規模の設備を電力配電網に接続して、停電中および高需要期間中に電力を配電網に補給するために使用することができる。逆に、これら分散した貯蔵設備は、過剰生産または低需要期間中に配電網からエネルギーを取り出して、このエネルギーを将来使用するために貯蔵することができる。経済的なインセンティブを貯蔵設備の所有者に提供することができる。このことは、電力に対する需要の変動が低減されることで、公益企業にとって好都合となり得る。したがって、このことは、公益企業が過剰生産能力への資本投資をすることなく、送電の義務を果たす手助けとなり得る。「負荷分散」という用語は、しばしば、この種の方式を指すために使用される。

小規模のエネルギー貯蔵設備の一例は、電気駆動車両における電池システムである。そうした電池システムには、配電網のみから充電する、もしくは（液体またはガス燃料を消費する）車内発電によって充電する、または前述の２つの方法のなんらかの組合せによって充電することができる。最近、最も注目を集めている電気駆動車両は、自動車（「電気自動車」）であるが、ここでは、対象となる他の電気駆動車両にはトラックが含まれ、ボートおよび列車も含まれ得る。

いわゆる「ビークルツーグリッド（Ｖ２Ｇ）」方式では、電気自動車（または他の電気駆動車両）内の電池は、折に触れ配電網に接続され、負荷分散に使用される。そうした方式は、少なくとも、Ｗ．Ｋｅｍｔｏｎ ａｎｄ Ｓ．Ｅ．Ｌｅｔｅｎｄｒｅによる論文、「Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅｓ ａｓ ａ Ｎｅｗ Ｐｏｗｅｒ Ｓｏｕｒｃｅ ｆｏｒ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｕｔｉｌｉｔｉｅｓ」、Ｔｒａｎｓｐｎ．Ｒｅｓ．−Ｄ、第２巻、第３号（１９９７）、１５７〜１７５頁が１９９７年に発行されて以来、議論されてきた。

Ｖ２Ｇの前提は、電気自動車内の電池が、車が使用されてない時は未使用資源であるということである。この未使用資源は、都市の人口の大部分に配備されると、相当の電力貯蔵能力を有する。それゆえ、電力公益企業は、例えば車の所有者が仕事中、買い物中、または在宅中に、配電網につながれた電気自動車の電池を充電または放電させることができる。充電および放電は、供給および需要の変動を低減するため時期を選んで行われ、１次生産能力がより有効に使用され、および全体の電気消費量が低減されるという有益な結果をもたらす可能性がある。

現在予見されているＶ２Ｇの１つの欠点は、消費者に限定的にしか受け入れられない可能性があるということである。すなわち、典型的な消費者は、電池をいつも満タン（すなわち満充電）状態に維持することが望ましいと考えるであろうが、公益会社は、供給と需要の変動に従って電池を交互に充電および放電することを望むであろう。このことは、消費者が、公益会社の使用によって自分の資産（すなわち電池）の恩恵をフルに受けられなくなると見なすという理由だけでなく、自動車の電池は全て有限の充電／放電サイクル数を有しているため、公益会社の使用によって電池の寿命が短縮されることになるという理由で問題を引き起こす。

Ｗ．Ｋｅｍｔｏｎ ａｎｄ Ｓ．Ｅ．Ｌｅｔｅｎｄｒｅ、「Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅｓ ａｓ ａ Ｎｅｗ Ｐｏｗｅｒ Ｓｏｕｒｃｅ ｆｏｒ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｕｔｉｌｉｔｉｅｓ」、Ｔｒａｎｓｐｎ．Ｒｅｓ．−Ｄ、第２巻、第３号（１９９７）、１５７〜１７５頁

もちろん、公益会社は、消費者に電気料金の値下げという形でインセンティブを提供することができ、または自動車内の電池の所有権を公益企業に移転することができる。このことは、消費者の抵抗感を多少抑えることができるが、満充電を維持することと充電を柔軟にできることとの間にある基本的な軋轢は未解決のままである。

１つの解決策は、電気自動車または他の電気駆動車両内に２次電池および充電システムを設けることである。２次電池は、例えば電気公益企業が所有し得る。電池は取り外し可能であり、１次車載電池システムとは無関係に充電および放電が可能である。この公益企業は、２次電池を使用して、前記した使用に関する制約なしにＶ２Ｇの機能性を実現することができる。例えば、２次電池をユーザが所有するのでなければ、ユーザがＶ２Ｇへの参画に抵抗する理由が少なくなる。

したがって、一実施形態では、電源アセンブリは、１次電池ユニットと、１次電池ユニットの全放電容量の２０％を超えない容量を有し、１次ユニットから取り外し可能な２次電池ユニットとを備える。さらに、電源アセンブリは、１次および２次電池ユニットの一方または他方から選択的に電力を取り出し、１次および２次電池ユニットを独立に充電するように構成されたスイッチング回路を有する。「独立に」とは、各電池ユニットを、実質的に他方の充電レートに影響を与えることなく充電することができるということ、および少なくとも１つの電池ユニットを、他の電池ユニットを充電することなく充電することができるということを意味する。

電源アセンブリはさらに、電池管理システム（ＢＭＳ）と、ＢＭＳから電池充電状態情報を受け取るように構成されたコントローラとを有する。コントローラは、例えば車両の運転手から入力されるローカル・コマンドに応答して電池の充電または放電を制御するように構成される。また、コントローラは、遠隔事業体が認証されたという条件のもとに遠隔制御を許可し、遠隔事業体からのコマンドに応答して少なくとも２次電池ユニットの充電または放電を制御するように構成される。

より具体的な実施形態では、コントローラはさらに、ローカルに、例えばコントローラまたは車両の他の場所に格納されたポリシーに従って、少なくとも２次電池ユニットの充電または放電を制御するように構成される。

いくつかの実施形態では、コントローラは、ローカルに格納されたポリシーが車両の運転手などのローカル・ユーザによって設定可能または選択可能となるように、ユーザによるプログラムが可能である。

いくつかの実施形態では、電源アセンブリはさらに、２次電池ユニットの充電状態を遠隔地に通信するように構成された通信ユニットを備える。

いくつかの実施形態では、通信ユニットはさらに、２次電池ユニットの位置を通信するように構成される。

いくつかの実施形態では、通信によってＢＭＳに対し電気料金のダイナミックな更新を提供できる。この情報は、ローカルの充電ポリシーを設定するために使用することができる。

電気自動車を配電網につなぐことができる仮想的な電力分配ネットワークの一部を示す図である。 電気自動車の部分的な概略斜視背面図であり、１次および２次電池ユニットを含む電池アセンブリの一例を示している。 本明細書で説明する原理による例示的な電池システムを示すブロック図である。 遠隔事業体が２次電池ユニットを放電できる方法を示す流れ図である。

図１は、電気自動車が負荷分散の目的で電気公益企業と接続された状態で配置され得る典型的な状況を示す。従業員の車１０は、職場の建物３０の駐車場２０に駐車されている。発電所４０は、伝送損失を最小限にするため比較的近くに位置していると有利である。

送電線５０は、電力を発電所からユーティリティ・ボックス（ｕｔｉｌｉｔｙ ｂｏｘ）６０に送電し、電力は、ユーティリティ・ボックス６０から配電線７０によって駐車場２０の駐車スペースのそれぞれに分配される。各駐車スペースにおいて、それぞれの車の電気貯蔵アセンブリは、配電線７０の１つと電気的な接触をしているコンセント（図示せず）につながれている。コンセントは、車の電池を充電および放電するための電気的な導通をもたらす。

また、例えば、電気公益企業が車の電池の充電状態を読み取ることができるように、車と公益企業との間に通信媒体を設けると都合がよい。様々な代替可能な通信媒体が知られている。これらには、電気的な導通をもたらす同一のコンセントにつなぐことによって車が接続し得る追加の通信ケーブルが含まれる。また、通信は、電力線搬送（ＰＬＣ）技法を使用して電力ケーブルを通して行うことができ、または無線で行うことができる。

さらに図１を参照すると、電気自動車８０がその所有者の家１００の私道９０に駐車しているとき、電気自動車８０を電気公益企業に接続させることもできる。上記のように、送電線５０は、電力をユーティリティ・ボックス６０に送電し、ユーティリティ・ボックス６０には、例えばプラグおよびコンセントの構成を介して車が接続する。

例示した状況によれば、日中のピーク需要の時間中、駐車場２０の車が使用されていないときに車から電力を取り出すことができる。他方、夜間の低需要の時間中、同様に車８０が使用されていない間に車を再充電するために電力を送電することができる。

次に図２を参照すると、本発明の一実施形態により実現可能な電池アセンブリが示されている。この電池アセンブリは車１１０の後部コンパートメントに取り付けられている。図からわかるように、１次電池ユニット１２０は、車に恒久的に取り付けられている。「恒久的に」とは、１次電池ユニット１２０を容易には取り外しできないが、置換えおよび修理のために、相当の労力で、完全にまたは部分的に取り外しができるということを意味する。

また図からわかるように、２次電池ユニット１３０は、取り外し可能に車に取り付けられている。「取り外し可能に」とは、解除機構を作動させ、数１００ポンドの重量になり得る物体を取り扱うために必要な労力以外は、２次電池ユニットをわずかな労力で取り外すことが可能であることを意味する。２次電池ユニット１３０を保持および支持するために様々な構成が可能である。例えば、ユニット１３０は、棚またはスロットに取り付けることができる。ユニット１３０は、１つまたは複数の側で、１次電池ユニット１２０を構成するセル列と隣接することができる。取付けおよび取外しを容易にするために、１つまたは複数の締付け機構１４０を設けて、ユニット１３０を解除可能に所定の位置に保持することができる。また、取扱いを容易にするために、１つまたは複数のハンドル１５０を設けることができる。

本明細書で説明する目的で適切なものとなり得る様々な蓄電池技術が知られている。これらには、鉛酸電池、ニッケル水素電池、亜鉛臭素電池、およびリチウムイオン電池技術が含まれる。これらの様々な技術の中で、現在最も有望なものは、比較的長い寿命、比較的速い充電時間、および比較的軽い重量で比較的高いエネルギー密度を示すため、リチウムイオン電池技術となる可能性がある。例えば、Ｔｏｓｈｉｂａ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎは、満容量の８０％になるまでに１分の充電時間、９０ｃｃ未満の体積の筐体に６００ｍＡｈの容量、および１０００回の充放電サイクルよりも長い寿命を有するリチウムイオン電池を発表した。

車の所有者と公益会社との間で可能な一構成によれば、２次電池ユニットは公益会社の資産である。車が電気網につながれたとき、１次および２次電池ユニットの両方が充電される。しかし、車両のユーザは、１次ユニットを充電する電気に対してのみ課金される。２次電池を輸送するユーザへのさらなる代償として、１次ユニットを充電するための電気のコストを現在の市場レートよりも低くすることも可能である。

公益企業は、配電網における変動を抑制するために２次電池の充電を管理する。電力が豊富にあるとき、電力配電網に接続されている車両全ての２次電池が充電される。ピーク需要時に、電池は放電される。需要を満たすために、需要がある付近に位置する車の電池が放電されるとネットワークにおける伝送損失が最小となり、都合がよい。

２次電池ユニットの充電は、車両充電システムを用いて達成することができ、または２次電池ユニットを単純に交換、すなわち取り外して満充電の電池ユニットと取り替えすることができる。このことは、ユーザに副次的な恩恵をもたらす。２次電池を「充電ステーション」で交換することにより、急速再充電が可能となる。２次電池に対する充電／放電レートは、１次電池に対する夜間充電よりもはるかに大きくなる可能性があるため、電池を容易に置き換え得るということは、特に電池は車ほど長持ちしない可能性があるため、有用である。

電気公益企業は、２次電池の充電を追跡、および独自に管理できる場合、さらなる恩恵を得る。現在のＶ２Ｇの実現方法では、ユーザおよび公益企業は、電池充電の制御に対して競合する。すなわち、ユーザは、いつも最長の走行距離を得るために満充電を望むが、公益企業は、配電網の変動を最小限に抑えるのに都合がよいときに、電池を一部放電することによって配電網の変動を最小限に抑えることを望む。電池アセンブリを、ユーザが所有する１次電池ユニットと、公益企業が所有するかまたは少なくとも制御する２次電池ユニットとに分割することによって、ユーザと公益企業間の軋轢は少なくとも一部は解消される。

２次電池ユニットに、その現在の充電状態、および事によるとその位置さえも公益会社に通信する能力が付与される場合、さらに大きな恩恵を実現することができる。公益会社は、通信情報から２次電池ユニットを充電または放電するための時間と場所の計画を立てて、負荷分散を最適化することができる。

上記したような仕組みに協力するユーザに対するインセンティブには、電力料金の値下げ、および少なくとも緊急事態において、再充電と再充電の間の車の走行距離を伸ばすために２次電池を利用可能にすること（ｋｗｈ当たりの電気のコストは高くなる可能性があるが）が含まれる。

公益会社と車との間で通信が可能な場合、ユーザは、絶えず２次電池ユニットを使用する（時間的に変化する可能性がある）コストに関して最新情報を得ることができる。このことは、２次電池ユニットを経済的に効率的に使用することを促すことでユーザの手助けとなり、公益会社に価格設定におけるより大きな柔軟性を与えることで公益会社の手助けにもなる。また、２次電池ユニット内の貯蔵エネルギーのユーザによる消費に関して、使用場所までの送電コストは、公益会社ではなく、ユーザが負担するという点に留意されたい。このことは、公益会社にとってさらなる恩恵となる。

図３に、上記の原理による、通信および制御のためのモジュールを含む電池アセンブリの一例を示す。本例は、限定するわけではなく、単に以下に説明する諸々の結果を達成するために有用な多くの可能な構成の中の１つを例示するに過ぎないことが意図されている。具体的には、データ、通信情報、および他の形態の情報の処理を含む機能は、ハードウェア、ソフトウェア、およびファームウェアの任意の組合せに実装されたプログラムの制御の下に実行され得るということ、またそれと同等に、汎用コンピュータ、専用ディジタル・プロセッサ、または専用回路によっても実行され得るということに留意されたい。あらゆるそうした実現方法は全て、説明する機能を遂行するために等価なものと見なされるべきである。

図からわかるように、１次電池ユニット２１０および２次電池ユニット２２０が設けられている。これら電池ユニットは、スイッチ２３０を介して充電／放電ポート２４０に接続され、充電／放電ポート２４０は、例えば上記のプラグとコンセントの組合せを介して公益会社の電力分配ネットワークに接続され得る。

スイッチ２３０は、制御されて、充電または放電するために電池ユニット２１０、２２０の一方または他方、もしくは両方を選択できるように構成される。上記のように、２次ユニットの全放電容量は、１次ユニットの全放電容量の２０％を超えないことが都合がよい。その理由は、２次の容量が実質的に２０％よりも大きい場合、車のユーザは自分の車両の動力資源に対して十分な制御ができなくなるため、経済的な効率の悪さに直面するからである。

上記のように、スイッチ２３０は、１次および２次電池ユニットの一方または他方から選択的に電力を取り出し、１次および２次電池ユニットを独立に充電するように構成されると都合がよい。具体的には、スイッチ２３０が、１次電池ユニットのみを充電するか、２次電池ユニットのみを充電するか、もしくは両方の電池ユニットを同時に充電するかの選択を可能にすることが有用となり得る。

また、図には、電池管理システム（ＢＭＳ）２５０が示されている。ＢＭＳシステムは、電池の充電状態ならびに電池の電圧および電流の監視、電池年齢表示の計算、電池の均衡化、ならびに充電中の過電流、過電圧、および放電中の不足電圧からの保護などの様々な機能ために、当技術分野で長い間使用されてきた。図からわかるように、ＢＭＳ２５０は、電池状態情報をコントローラ２６０に転送し、また外部向けの通信モジュール３１０にも転送する。

さらに図３を参照すると、コントローラ２６０は、以下で説明する様々な入力に応答して、電池ユニットを充電および放電するためのスイッチ２３０を制御する。また、コントローラ２６０は、情報をユーザに表示するために制御パネル２７０に転送する。表示される情報には、電池ユニットに貯蔵されたエネルギーを使用するための現在の価格設定情報、ならびに電池ユニットの状態情報が含まれ得る。

電池ユニットを電力配電網に放電するためには、一般に、電池からの直流電流を電力配電網によって使用可能な交流電流に変換するインバータを用いる必要があることに留意されたい。本明細書で示す例では、インバータ（図示せず）の制御は、コントローラ２６０によってなされる。

制御パネル２７０は、ユーザに電池システムの現在の状態に関する情報を提供し、また会計情報、例えば特定の時間帯に消費された電気エネルギーのコスト、２次電池ユニットの使用に対する価格設定、次回の再充電のコストなどを提供することができる。もちろん、当業者には、制御パネルが、ユーザに役立つようにさらに多くのタイプの情報を提供し得ることが理解されるであろう。

また制御パネル２７０は、ユーザに電池ユニットの利用に対してローカル制御を行使するための様々な方法を提供する。例えば、ユーザは、２次電池ユニットの利用を開始することを選ぶことができる。

また、公益会社に関しどのような仕組みが作られたかに応じて、ユーザは、価格設定および電気の使用パターンに関連する様々なポリシーの中から選択することができる。例えば、ユーザにかかるコストは、ユーザが割引期間のみ再充電することに同意しているのか、または割増期間の再充電をも要望しているのかに依存する可能性がある。同様に、ユーザにかかるいくつかのコストは、ユーザがどの程度２次電池ユニットのエネルギーの貯蔵に対して制御をしたいのか、またはユーザがどの程度１次電池ユニットのエネルギー貯蔵に対する制御を公益会社に譲渡する意志があるのかに依存する可能性がある。

制御パネル２７０を使用することによって、ユーザは、様々なポリシーの中から選択して、現在どれが有効であるかを表示させることができる。選択されたポリシーに関する情報および他のユーザ設定情報は、メモリ２８０に格納することができる。

通信入力モジュール２９０は、公益会社からの情報を受け取るように構成される。上記したように、様々なよく知られている有線または無線通信技術のうちのいずれも、モジュール２９０と公益会社間の接続性を実現するために使用することができる。モジュール２９０は、価格設定情報などのユーザにとって有用な情報を受け取り、この情報を表示するために制御パネル２７０に転送することができる。また、モジュール２９０は、公益会社から制御情報を受け取り、この情報をコントローラ２６０に転送して、実行することができる。制御情報には、例えば１次または２次電池ユニットを充電、または２次電池ユニットを放電（公益ネットワークの負荷分散のために）するための命令（同意されたポリシーに従った）を含み得る。

セキュリティのために、認証された事業体以外を排除する認証モジュール３００を備えて、上記したような制御を行使することが望ましい。したがって、モジュール３００は、通信モジュール２９０を介して遠隔事業体と通信し、様々なよく知られた認証プロトコルのうちのいずれかを実行する。そうしたプロトコルは、パスワードをチェックする程度に簡単なもの、または疑似乱数発生または他の暗号技法にもとづくプロトコルのように複雑なものとすることができる。実際には、認証手続きを、一部は、携帯電話または他の無線デバイスによって実行することができ、次いでこの携帯電話または他の無線デバイスが、許可または拒絶メッセージをモジュール３００に通信する。

本例では制御を行使する遠隔事業体は公益会社であるが、様々な他の遠隔事業体のいずれをも、同じ様にして認証し得るという点に留意されたい。例えば、自分の車が大会社の敷地に駐車している従業員は、高需要の日中に会社の空調システムへの電力供給を支援するために、会社が従業員の２次電池ユニットを利用することに同意し得る。

図からわかるように、通信出力モジュール３１０は、電池の状態情報を公益会社に送信するように構成されている。また、上記のように、２次電池ユニットの位置を追跡可能であるということは、公益会社にとって有用となり得る。この目的のために、例えばＧＰＳ受信機となり得る位置センサ３２０は、位置情報を通信モジュール３１０に通信する。

また、通信出力モジュール３１０は、例えばユーザが現在選択しているポリシーを転送することによって、ユーザから公益会社への通信を容易にすることができる。この目的のために、制御パネル２７０からモジュール３１０への直接的または間接的な接続がある（表現を簡単にするため図からは省略されている）。

公益会社（または他の遠隔事業体）が２次電池ユニットの電荷の利用を望む場合、次に参照する図４に示した例示的な手続きに従って利用することができる。ステップ４００で、遠隔事業体は、電気駆動車両が電力配電網への電池の放電が可能な場所にあることを検出する。ステップ４１０で、遠隔事業体は、コントローラ２６０などのローカル・コントローラと連絡を取り放電開始のリクエストをする。ステップ４２０で、コントローラはメモリ２８０にアクセスして、現在有効なポリシーをチェックする。リクエストが現在のポリシーと一致している場合、遠隔事業体はリクエストが承認されたというメッセージを受け取る。次いでステップ４３０で、遠隔事業体は、スイッチ２３０を２次電池ユニットに関してのみ電力配電網への放電ができる状態に設定する。

Claims (8)

1. １次電池ユニットと、
   前記１次電池ユニットの全放電容量の２０％を超えない容量を有し、前記１次電池ユニットから取り外し可能な２次電池ユニットと、
   前記１次電池ユニットおよび前記２次電池ユニットを独立に充電することができ、所与の時間において前記１次電池ユニットおよび前記２次電池ユニットの一方または他方を選択的に放電することができるように構成されたスイッチング回路と、
   電池管理システムと、
   前記電池管理システムから電池充電状態情報を受け取るように構成され、ならびに前記１次電池ユニットおよび前記２次電池ユニットの充電および放電を制御するように構成されたコントローラであって、
   前記１次電池ユニットおよび前記２次電池ユニットを充電するためのユーザからのローカル・コマンドおよび遠隔事業体からのリモート・コマンドに応答するように構成され、
   前記１次電池ユニットを放電するためのローカル・コマンドに応答するように構成され、
   前記２次電池ユニットを放電するために、前記遠隔事業体の認証と前記２次電池ユニットを放電するための前記コントローラによるローカル許可に従って、前記遠隔事業体からのリモート・コマンドに応答するように構成されたコントローラと
   を備える装置。
2. ポリシー情報のためのローカル・メモリをさらに備え、前記コントローラが、前記ローカル・メモリに格納されたポリシーに従って、少なくとも前記２次電池ユニットの前記充電または前記放電を制御するように構成された、請求項１に記載の装置。
3. 前記ローカル・メモリに格納されたポリシー情報をユーザが設定するための制御パネルをさらに備える、請求項２に記載の装置。
4. 前記２次電池ユニットの充電状態を遠隔地に通信するように構成された通信ユニットをさらに備える、請求項１に記載の装置。
5. 前記２次電池ユニットの位置を前記遠隔地に通信する前記通信ユニットと協働する位置センサをさらに備える、請求項４に記載の装置。
6. 動力エネルギーが前記１次電池ユニットおよび前記２次電池ユニットによって供給される電気駆動車両を備える、請求項１に記載の装置。
7. 前記１次電池ユニットおよび前記２次電池ユニットが電気駆動車両に動力エネルギーを供給するように構成された、請求項１に記載の装置。
8. １次電池ユニットおよび２次電池ユニットを有する電気駆動車両が、少なくとも前記２次電池ユニットを電力配電網に放電することが可能な場所に位置していることを検出するステップであって、前記１次電池ユニットおよび前記２次電池ユニットは、前記電気駆動車両に動力エネルギーを供給するように構成されている、ステップと、
   前記２次電池ユニットの充電状態を検出するステップと、
   認証情報および十分な充電が検出されたことを条件とした電池の放電を開始するリクエストを含む１つまたは複数のメッセージを前記車両上のローカル・コントローラに送信するステップと、
   前記ローカル・コントローラからの１つまたは複数の応答メッセージを受信するステップと、
   認証が成功していること、および電池の放電を開始する許可がおりていること示す応答メッセージを条件として、前記車両を前記２次電池ユニットのみが放電可能となるスイッチング状態に入るようにするステップと、
   前記２次電池ユニットの前記電力配電網への放電を開始するステップと
   を含む方法。

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