JP5987241B2 - 充電制御システム - Google Patents

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Description

本発明は、蓄電池への充電を行う充電制御システム、充電制御装置および充電制御方法に関し、特に、自動車に搭載された蓄電池への充電を行う充電制御システム、充電制御装置および充電制御方法に関する。
近年、環境問題への対応や、石油の生産の減少を防ぐための化石エネルギーの制約を目的として、自動車の動力源が見直されている。例えば、石油を使わずにＣＯ２を排出しない電気自動車（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ、以下、ＥＶと称する）や、電気モーターと内燃機関とを組み合わせ、ＣＯ２の排出量を大幅に削減するプラグインハイブリッド自動車（Ｐｌｕｇ−ｉｎ Ｈｙｂｒｉｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ、以下、ＰＨＥＶと称する）が普及してきている。
将来、数十万台から数百万台のＥＶやＰＨＥＶが普及すると予想されている。その場合、ＥＶの動力源である蓄電池への充電電力量は巨大な電力需要を生じさせ、これまで用いられてきた電力系統の需給バランス安定制御に影響を与えることが考えられる。
一方、同じく環境問題の解決、すなわち低酸素社会の実現のためには、太陽光発電や風力発電等の再生可能電源の大量導入が不可欠となる。しかしながら、時間変動の大きな再生可能電源の電力供給も、電力系統の需給バランス安定制御に与える影響が大きい。
図１は、１日の電源電力と需要電力との関係の一例を示す図である。
図１に示すように、０時から２４時までの電源電力と需要電力との関係は、時刻とともに変化する。
ベース電源電力は、出力の可変が難しい（電力変動に対する調整力が小さい）が、安く電気を生成できる電源電力であり、ＥＶやＰＨＥＶなどの普及等により電力の需要が高まると増加する電源種である。
需要電力は、一般家庭や企業等の需要家で消費される電力であり、季節や、平日か休日かなどの条件によって変動する。需要は人間の活動にかかわるため、２４時間の周期性があり、昼間は需要が高く、夜間は需要が落ちる傾向がある。夜間の需要電力の少ない時間に、需要電力がベース電源電力の出力を下回る分が夜間余剰の電力となる。この夜間余剰電力を無駄にしないために、様々な方法が考えられている。例えば、夜間に揚水発電を動かして水をくみ上げて位置エネルギーとして貯蔵する方法や、夜間電力料金を引き下げてヒートポンプといった機器で熱として需要家に蓄積してもらい、その熱（例えば、お湯）を昼間に消費してもらう方法、専用の蓄電池を用意して余り分を充電し、充電した電力を足りない時に放電するといった需要を時間シフトする方法等がとられている。
また、図１に示すように、昼間においては、太陽光による発電電力が大きくなり、ベース電源の発電電力と太陽光電源の発電電力との和が、需要電力を上回る。つまり、上回った電力は、夜間余剰電力と同様に余ることとなる。この余剰電力についても、夜間余剰電力と同様に、需要をうまく時間シフトすることにより、発電した電力を捨てることなく有効に利用することができる。
なお、一般的に、太陽光電源による発電がない場合、需要電力がベース電源の発電電力を上回る時間帯では、出力の可変が容易な火力発電等を用いて需要を埋めている。
また、余剰の電力をためる方法としては、先に述べた揚水発電など機械的なエネルギーに変換して蓄える方法のほか、蓄電池に蓄える方法がある。例えば、ＮＡＳといった大規模な蓄電池が実用化されており、その活用により技術的には可能となっているが、設備投資が高額となってしまう。
一方、多数台のＥＶやＰＨＥＶが普及した場合に考えられる問題について、以下に説明する。
図２は、通勤目的として使用する５０台のＥＶの充電を３日間シミュレーションした場合の充電速度のシミュレーション結果を示す図である。このシミュレーションは、各ＥＶはトリップ終了後、すぐにプラグインして充電を開始するという条件で行った。
図２に示すように、通勤でトリップする時間帯が５０台で互いにほぼ一致するため、移動停止とともに始まる充電開始の時間帯も互いにほぼ一致する。そのため、充電速度も集中した時間帯に局所的集まってしまう。需給のバランスの観点では、急峻で変動幅の大きな需要に備えた発電設備は一般に高価である。また、会社の駐車場のように、局所的に通勤のＥＶが集合するところでは、充電電力に耐えうる配電設備を用意する必要がある。
また、昨今、スマートグリッドという概念が提唱され、需要家需要機器、需要家電源と電力系統とが協調運用することにより需給バランスの安定化をはかろうという動きがある（例えば、特許文献１参照。）。
また、普及が予想されるＥＶ電池を、電力系統の安定運用に活用する技術検討がなされている（例えば、非特許文献１，２参照。）。
非特許文献１，２では、ＥＶに搭載された蓄電池を、電力系統から充電させるだけでなく、電力系統へ放電させて再生可能電源の出力変動を抑制する方法が提案されている。この方法は、数Ｈｚといった短周期の需給バランス変動を吸収することができる究極的な方法ではある。しかしながら、専用の充放電の機能を各ＥＶに備えなければならないといったコスト面の課題や、火力発電所との協調動作においては擾乱をあたえることなくＥＶを電力系統から切り離す手段を講じなければならないという課題がある。また、ＥＶに搭載された蓄電池の使用の主目的が、ＥＶを移動させる（走らせる）ことであることを考えれば、別の目的となる電力系統への放電は、充電池の寿命を使ってしまうため、ＥＶのオーナーにとってのデメリットとなってしまう。
ここで、ＥＶやＰＨＥＶの移動に必要な充電のみの事象を考えた場合の系統へ影響の観点、および余剰電力に対応させた需要の時間シフト用蓄電池利用の観点においても、多数台のＥＶやＰＨＥＶへの充電スケジュールを管理することが必須となると考えられる。
一方、ＥＶに搭載された蓄電池は、ＥＶの移動のための手段であるという性格上、定置用の蓄電池や夜間需要の時間シフトの代表的なヒートポンプなどとは、常に電力系統に接続されていないことや、ＥＶのオーナーの行動に依存して、いつ電力系統に接続されるかわからないことなどの点で異なる。そのため、定置を前提とする計画法やスケジューリング手法の適用は困難である。
このようなことから、多数台のＥＶを連係して充電するシステムにおいては、刻々と状況が変化することを考慮して、リアルタイムに１つ１つのＥＶに搭載された蓄電池の充電を制御することが必要となる。このとき、ＥＶのオーナーの負荷・リスク（出発時の充電不足や、ＥＶ内蓄電池の劣化加速）軽減や、最適スケジューリングのための計算処理負荷の低減なども含めて総合的に検討した、実践的なシステムに関するものは、これまでほとんど提案されていない。
特表２０１０−５１２７２７号公報
上述した技術においては、（１）事前に予測される余剰電力を加味した発電・需要計画に対してリアルタイムな調整力（需要変化）要求に対応し、かつ（２）全ＥＶの出発時に所望（満）充電の必達することを条件に、（３）限られた計算資源、通信システムの能力において実現可能であり、かつ、ＥＶの台数の増減に対するスケーラビリティの確保した多数台充電スケジューリング制御システムや手法が無いという問題点がある。
本発明の目的は、上述した課題を解決する充電制御システム、充電制御装置および充電制御方法を提供することである。
本発明の充電制御システムは、
電力を配電する配電装置と、該配電装置から配電される電力を用いて自動車に搭載された蓄電池を充電するために該蓄電池と接続される複数のインタフェース装置と、前記インタフェース装置における充電を制御する充電制御装置とから構成された充電制御システムにおいて、
前記充電制御装置は、前記複数のインタフェース装置それぞれにおける、該インタフェース装置と前記蓄電池とが接続される時刻である配電系統接続時刻と切断される時刻である配電系統切断時刻とに基づいて、前記インタフェース装置による前記蓄電池への充電を制御することを特徴とする。
また、本発明の充電制御装置は、
配電される電力を用いて自動車に搭載された蓄電池を充電するために該蓄電池と接続される複数のインタフェース装置における充電を制御する充電制御装置であって、
前記複数のインタフェース装置それぞれにおける、該インタフェース装置と前記蓄電池とが接続される時刻である配電系統接続時刻と切断される時刻である配電系統切断時刻とに基づいて、前記インタフェース装置による前記蓄電池への充電を制御する制御部を有する。
また、本発明の充電制御方法は、
配電される電力を用いて自動車に搭載された蓄電池を充電するために該蓄電池と接続される複数のインタフェース装置における充電を制御する充電制御方法であって、
前記複数のインタフェース装置を用いて、前記蓄電池を充電する処理と、
前記複数のインタフェース装置それぞれにおける、該インタフェース装置と前記蓄電池とが接続される時刻である配電系統接続時刻と切断される時刻である配電系統切断時刻とに基づいて、前記インタフェース装置による前記蓄電池への充電を制御する処理とを行う。
以上説明したように、本発明においては、オーナーの自由度を奪うことなく、電力系統の調整力を高めることができる。
１日の電源電力と需要電力との関係の一例を示す図である。 通勤目的として使用する５０台のＥＶの充電を３日間シミュレーションした場合の充電速度のシミュレーション結果を示す図である。 本発明の充電制御システムの実施の一形態を示す図である。 図３に示した充電制御装置の内部構造の一例を示す図である。 図３に示したインタフェース装置の内部構造の一例を示す図である。 図１を用いて説明した余剰電力の時間的変化の一例を示す図である。 時間に対して単調増加の需要要求の一例を示す図である。 時間に対して一定の需要要求の一例を示す図である。 ６台のＥＶの配電系統接続パターンの一例を示す図である。 単調増加の要求需要の曲線に沿うようにリアルタイムで実行する充電スケジューリングの方法を示す図である。 低めの要求需要目標を設定した場合のシミュレーション結果を示す図である。 高めの要求需要目標を設定した場合のシミュレーション結果を示す図である。 本スケジューリングシステムで適用される「先読み目標修正法」の第１の実施例を説明するための図である。 要求需要目標を３日間、一定値６０ｋＷとした場合の結果を示す図である。 ２日目の正午を中心に３時間２００ｋＷで充電を集中させる充電スケジューリングを行った結果を示す図である。 本スケジューリングシステムで適用される「先読み目標修正法」の第２の実施例の原理を説明するための図である。 不足の充電電力量ΔＷ分を、目標修正期間Δｔ内に割り振る方法の一例を説明するための図である。 事前に設定した総充電の需要目標曲線を示す図である。 上述した条件で「先読み目標修正法」の第２の実施例を実施しないで敷詰めのスケジューリングを実行した３日間の総充電電力の時間的変化の結果を示すグラフである。 上述した条件で「先読み目標修正法」の第２の実施例を実施して敷詰めのスケジューリングを実行した３日間の総充電電力の時間的変化の結果を示すグラフである。
以下に、本形態の実施の形態について図面を参照して説明する。
図３は、本発明の充電制御システムの実施の一形態を示す図である。
本形態は図３に示すように、上位電力系統指令装置１００と、配電装置２００と、充電制御装置３００と、インタフェース装置４００−１〜４００−ｍ（ｍは、２以上の整数）と、ＥＶ５００−１〜５００−ｎ（ｎは、２以上の整数）と、無線システム基地局６００と、配電系統７００と、通信ネットワーク８００とから構成されている。
上位電力系統指令装置１００は、需給計画や充電スケジューリングを行う。また、上位電力系統指令装置１００は、上述した計画やスケジューリングの制御にかかわる信号を、通信ネットワーク８００を介してインタフェース装置４００−１〜４００−ｍへ送信する。また、上位電力系統指令装置１００は、電力供給会社に設置されていても良い。
配電装置２００は、電力を配電する。具体的には、配電装置２００は、配電系統７００を介して、インタフェース装置４００−１〜４００−ｍへ電力を供給する。
充電制御装置３００は、インタフェース装置４００−１〜４００−ｍと接続されたＥＶ５００−１〜５００−ｎ（図３においては、ＥＶ５００−１〜５００−３）に搭載された蓄電池への充電を制御する。なお、以下の説明において、「ＥＶ５００−１〜５００−ｎの充電」との記載は、「ＥＶ５００−１〜５００−ｎに搭載された蓄電池の充電」を意味する。「ＥＶ５００−１〜５００−ｎへの接続」等の記載についても、同様である。
図４は、図３に示した充電制御装置３００の内部構造の一例を示す図である。
図３に示した充電制御装置３００には図４に示すように、制御部３１０と、記憶部３２０と、入力部３３０と、出力部３４０とが設けられている。
制御部３１０は、インタフェース装置４００−１〜４００−ｍに接続されている（プラグインされている）ＥＶ５００−１〜５００−ｎへの充電を制御する。具体的には、制御部３１０は、配電装置２００から配電系統７００を介してインタフェース装置４００−１〜４００−ｍへ供給される電力を、インタフェース装置４００−１〜４００−ｍと接続されたＥＶ５００−１〜５００−ｎを充電する際、ＥＶ５００−１〜５００−ｎから所定の情報を取得し、当該情報に基づいて、充電のスケジューリングを行い、このスケジュールにしたがって充電を行う。どのようにスケジューリングを行うかについては、後述する。
また、制御部３１０には図４に示すように、ＣＰＵ３１１と、メモリインタフェース部３１２と、Ｉ／Ｏインタフェース部３１３と、通信制御部３１４とが設けられている。また、これらは、ＣＰＵバスを用いて接続されている。
ＣＰＵ３１１は、上述したスケジューリングを行う。
メモリインタフェース部３１２は、記憶部３２０との間のインタフェース機能を有する。
Ｉ／Ｏインタフェース部３１３は、入力部３３０および出力部３４０との間のインタフェース機能を有する。
通信制御部３１４は、通信ネットワーク８００を介してインタフェース装置４００−１〜４００−ｍとの間で通信を行う。このとき、インタフェース装置４００−１〜４００−ｍにＥＶ５００−１〜５００−ｎが接続されている場合、通信制御部３１４は、通信ネットワーク８００およびインタフェース装置４００−１〜４００−ｍを介して、ＥＶ５００−１〜５００−ｎとの間で通信を行う。
また、記憶部３２０は、主記憶装置と、記録媒体と、データ蓄積装置とから構成される。
主記憶装置は、ＣＰＵ３１１の処理で必要な情報を一時的に保持する。また、記録媒体は、ＣＰＵ３１１に本発明の処理を実行させるためのプログラムが記録されている。また、データ蓄積装置は、ＥＶ５００−１〜５００−ｎの情報を蓄積したり、そのデータをもとに作成された事前の計画スケジューリング用のＥＶ５００−１〜５００−ｎの走行パターンデータ等の情報を蓄積したりする。
入力部３３０は、制御部３１０に対してコマンドや情報等を入力する。
出力部３４０は、制御部３１０の処理結果を出力する。
インタフェース装置４００−１〜４００−ｍは、配電装置２００から配電される電力を用いて、インタフェース装置４００−１〜４００−ｍと接続されたＥＶ５００−１〜５００−ｎを充電する。
図５は、図３に示したインタフェース装置４００−１の内部構造の一例を示す図である。なお、図３に示したインタフェース装置４００−２〜４００−ｍの内部構造についても同様である。また、現在、インタフェース装置４００−１には、ＥＶ５００−１が接続されている。
図３に示したインタフェース装置４００−１には図５に示すように、スイッチ４０１と、開閉制御部４０２とが設けられている。
スイッチ４０１は、一方が、配電系統７００と接続されており、他方が、ＥＶ５００−１と接続されており、開閉制御部４０２から出力されてくる開閉制御信号に基づいて、接続／切断を行うスイッチである。また、スイッチ４０１は、ＥＶ５００−１の蓄電池インタフェースが直流である場合には、単純な開閉ではなく、充電電流が可変で制御可能なＤＣ電源であっても良い。この場合は、開閉ではなく可変可能な範囲の電流値や電圧値が制御量となる。
開閉制御部４０２は、通信ネットワーク８００およびＥＶ５００−１と接続されている。また、開閉制御部４０２は、ＥＶ５００−１が接続された際、ＥＶ５００−１から所定の情報を取得し、取得した情報を、通信ネットワーク８００を介して充電制御装置３００へ送信する。ここで、所定の情報とは、ＥＶ５００−１に搭載された蓄電池の蓄電量（Ｓｔａｔｅ ｏｆ ｃｈａｒｇｅ：ＳＯＣ）や蓄電池の出力電圧、蓄電池の温度などの情報である。また、ＥＶ５００−１のオーナーが、ＥＶ５００−１がインタフェース装置４００−１と接続される時刻である配電系統接続時刻と切断される時刻である配電系統切断時刻とを設定した場合、この配電系統接続時刻および配電系統切断時刻も、所定の情報に含まれる。また、開閉制御部４０２は、充電制御装置３００から通信ネットワーク８００を介して送信されてきた充電スケジューリングのための制御信号に基づいて、開閉制御信号をスイッチ４０１へ出力することで、スイッチ４０１の開閉を行う。
ＥＶ５００−１〜５００−ｎは、蓄電池が搭載された電気自動車である。ＥＶ５００−１〜５００−ｎは、インタフェース装置４００−１〜４００−ｍへ接続することにより、充電が行われる。
無線システム基地局６００は、通信ネットワーク８００と接続されており、インタフェース装置４００−１〜４００−ｍと接続されていない、移動中のＥＶ（図３においては、ＥＶ５００−４，５００−ｎ）との間で無線通信を行う。この無線通信で、無線システム基地局６００は、上述した所定の情報をＥＶ（図３においては、ＥＶ５００−４，５００−ｎ）から取得し、充電制御装置３００へ送信する。
配電系統７００は、配電装置２００と、インタフェース装置４００−１〜４００−ｍとを接続し、配電装置２００からの電力をインタフェース装置４００−１〜４００−ｍへ供給する。
通信ネットワーク８００は、上位電力系統指令装置１００と、充電制御装置３００と、インタフェース装置４００−１〜４００−ｍと、無線システム基地局６００とを接続し、これらの装置の間で、データや制御信号をやり取りするための通信経路である。なお、通信ネットワーク８００は、無線を用いて構成されているものであっても良いし、有線を用いて構成されているものであっても良い。なお、通信ネットワーク８００は、充電スケジューリングの時間単位の長さに応じた通信速度、応答遅れで動作する通信回線であれば良く、必ずしも超高速である必要は無く、その性能は、スケジューリングシステム側の必要な要件とのバランスで決まる。
次に、充電制御装置３００で実行される処理について説明する。
図６Ａは、図１を用いて説明した余剰電力の時間的変化の一例を示す図である。
図６Ａに示すような余剰電力（需要要求）を有効に利用するように調整する。このケースにおいては、この需要要求の曲線に厳密にぴったり合わせる必要はなく、調整力が十分で急激な出力変動が要求されないように充電をあてがえば良い。
なお、ＥＶの可能な充電電力の時間シフト総量が、太陽光により発電した電力よりも大きくなるとは言えない。そのため、このような大規模な事象に対応する場合、通常、ＥＶの充電時間シフトのみではなく、その他の対応策が総合して実施される。
以下の説明には、需要要求が図６Ａに示したような曲線では説明が複雑になってしまうため、単調増加の需要要求や一定（フラット）の需要要求を目標とする場合を例に挙げて説明する。
図６Ｂは、時間に対して単調増加の需要要求の一例を示す図である。
図６Ｃは、時間に対して一定の需要要求の一例を示す図である。
まず、前提として上述したように、
（１）ＥＶが止まっている間、ＥＶは常に配電系統７００（インタフェース装置４００−１〜４００−ｍ）と接続されており、その間のどこの時間においても充電が可能になっていること
（２）少なくともリアルタイムでは、ＥＶが停止して配電系統７００と接続された時刻（配電系統接続時刻）、次に出発する時刻（配電系統切断時刻）およびＥＶの蓄電池の充電量（ＳＯＣ）の情報を充電制御装置３００がインタフェース装置４００−１〜４００−ｍおよび通信ネットワーク８００を介してＥＶから取得できること
（３）充電の制御は充電時間のみで行い、充電時間に対応する充電量はＥＶごとにＳＯＣの関数で対応付けできること
を条件とする。さらに、本システムの充電スケジューリングが実施された後には、
（４）要求のあった需要の曲線をトレースすること
（５）おのおののＥＶの出発予定時刻においては、定められたＳＯＣまで充電が完了していること
が必要要件となる。
なお、上述した条件の（２）の配電系統接続時刻および配電系統切断時刻は、ＥＶごとに過去に蓄積したデータに基づいて、統計的に推測（算出）することでも良いし、ＥＶが停止したときに、当該ＥＶのオーナーに設定してもらうことも実現可能である。以下の説明では、ＥＶのオーナーによって設定されたものを例に挙げる。
また、上述した条件の（３）の制御は、説明の簡略化のため、充電速度（充電電力）はすべてのＥＶについて蓄電池のＳＯＣに依存することなく、一定とする。例えば、１８ｋＷｈの蓄電池を０ｋＷｈから満充電する場合、充電速度を３ｋＷと設定したとすると、充電時間は６時間となる。この６時間の充電時間をどこの時間帯に割り当てるかを定めるのが、本充電制御システムにおける充電スケジューリングの主題となる。
図７は、６台のＥＶ１〜６の配電系統接続パターンの一例を示す図である。
図７に示すように、ＥＶ１〜６について、配電系統接続の時刻（図中、黒塗りつぶし四角で示したもの）および配電系統接続解除（配電系統切断）の時刻（図中、黒塗りつぶし丸で示したもの）は、それぞれ独自のものとなっている。この配電系統接続パターンは、走行パターンであるとも言える。
このような走行データは、本システムでは記憶部３２０内の蓄積装置に蓄えることができる。例えば、平日の平均的なＥＶの走行パターンが統計的に整理できれば、その平均的走行パターンを用いて、事前に充電スケジューリング計画を立てることに利用できる。ここでは説明の便宜上、このような走行パターンあるという前提で説明する。
図８は、単調増加の要求需要の曲線に沿うようにリアルタイムで実行する充電スケジューリングの方法を示す図である。
図８に示すように、この方法は、目標需要量を単位時間と単位充電速度（１台のＥＶの充電速度）とで格子状に分割して、各時刻（ステップ）において目標需要量の充電量まで積上げる敷詰め型のアルゴリズム（積みあがったＥＶのみ充電する）を用いる。
具体的には、この方法は、各ＥＶに充電の優先順位をつけて、優先順位の高いものから順に、あらかじめ設定された目標需要量を超えないように充電を敷詰め積上げ、目標の需要を超えたＥＶから後のＥＶについては次の時刻に充電を持ち越すというという方法である（敷詰めと呼ぶ事にする）。この優先順位は、例えば、現在時刻において、配電系統７００と接続されているＥＶすべてについて、ＳＯＣが小さいほど、または現在時刻から配電系統切断時刻までの時間（接続残り時間）が短いほど、優先順位を高くするものや、ＳＯＣの逆数と接続残り時間の逆数との積を優先度指標にして優先順位をつけるものが考えられる。
例えば、図７の時刻ｔ１を現在時刻としてＥＶ１〜６について充電スケジュールする場合を例に挙げて説明する。
ｔ１において配電系統７００と接続されているＥＶは、ＥＶ１、ＥＶ２、ＥＶ５およびＥＶ６である。ここで、ＳＯＣが互いに同じであるとすると、接続残り時間の短い順に優先順位が定まる。つまり、優先順位の高い方から、ＥＶ６、ＥＶ２、ＥＶ１、ＥＶ５という順に優先順位づけされる。
図８に示した時刻ｔ１の目標需要量にスケジューリングする場合、時刻ｔ１でＥＶ６、ＥＶ２、ＥＶ１と積上げると目標需要量に達する。そのため、充電を実施するＥＶは、これらの３台となり、残りのＥＶ５は次の時刻に繰越される。
次の時刻ｔ２では、ＥＶ３があらたに接続され、ＥＶ６は接続解除（切断）される。ＥＶ５は、あらたに接続されたＥＶ３よりも優先度が低いため、再び繰越されＥＶ２、ＥＶ１、ＥＶ３の充電が時刻ｔ２で実行される。
このように、接続されるＥＶの出入りが頻繁に発生しても、現在時刻に優先順位を定めて、現在時刻の充電のみをスケジューリングすれば良い。そのため、この方法は、計算量の観点、スケーラビリティの観点で有効な方法であることがわかる。
上述した方法を図６Ｃに示したフラットな需要要求曲線に対して、乱数で生成したＥＶの走行パターンを使って行った敷詰めのリアルタイムスケジューリングのシミュレーション結果について説明する。ここで、走行データは通勤用、娯楽用、業務用と利用用途で３つのグループに分けて、走行パターンの特徴を変え、実際に現在のＥＶの走行パターンに近くなるように各グループの平均走行時間、平均停車時間を選び、個々のＥＶのばらつきは乱数で与えて生成した。また、このシミュレーションにおいては、各ＥＶが配電系統７００から接続解除する時点で満充電を成立させることを要件としている。そのため、先に示した敷詰めのスケジューリング後、満充電を満たせないすべてのＥＶについては、目標に関係なく、より優先させて充電させるようにスケジューリング手順を組んでいる。従って、出発時には、すべてのＥＶが満充電になっている。
図９Ａは、低めの要求需要目標を設定した場合のシミュレーション結果を示す図である。
図９Ａに示すように、急峻に増減して角状に目標を飛び出した充電が行われてしまうことがわかる。この時刻に角状になったのは、通勤用のＥＶ群が集中充電をしてしまったためである。つまり、この時刻の前の時間で処理されるべきであったが、希望充電量に対して要求需要目標の電力量が少なかったためである。
図９Ｂは、高めの要求需要目標を設定した場合のシミュレーション結果を示す図である。
この場合、目標を埋めるだけの充電のできるＥＶが足りないため、充電速度が急激に０まで落ちてしまう結果が得られた。これは、時間シフト可能な充電と要求需要とのバランスが大幅に崩れてしまうためによって生じている。これでは、元々の目標である需要を時間シフトできないことも生じうる上、急激な需要変動という調整力を超えた不具合を生じてしまうおそれがある。ＥＶの充電可能な電力量は、走行距離および充電時間シフト可能範囲を規定する停車時間は制御できないパラメータであるがために生ずる。このように、ＥＶに対する充電の充電時間シフトの自由度には不自由さがあるため、不自由さを加味したうまいスケジューリング法が必要となる。
上述した敷詰めのスケジューリング手法の簡便性を維持した上で、かつ元々の目標である需要の時間シフトと急激な需要変動を抑えるために、先の時刻の要求需要曲線をある程度増減させて、近接する時間の需給のバランスをうまくとる「先読み目標修正法」を用いることで、解決することができる。要求需要曲線が急激に変化するようなことがないように注意を払えば、多少の需要曲線の増減は、元々の目的である調整力の高い電力系統の状態を維持するという目的には問題がない。
図１０は、本スケジューリングシステムで適用される「先読み目標修正法」の第１の実施例を説明するための図である。
ここでは、初期値としての要求需要目標（要求需要目標の総充電速度）は、フラットと定めている。まず、敷詰めが実施される現在時刻ｔ１に対して、あるΔｔ時間先の時刻で充電する可能性のあるＥＶの数を推定する。本システムでは、時刻ｔ１で配電系統７００と接続された各ＥＶ（図１０ではＥＶ１およびＥＶ２）について、配電系統接続解除（配電系統切断）を満充電の終了時刻とする充電スケジュールを立てたと仮定した時に、Δt秒先の時刻に充電しているＥＶの台数をカウントして、それらの合計の充電速度を求めてこの時点での推定総充電速度とする。
ここで、その時点でのｔ＝ｔ１＋Δｔの要求需要目標を閾値として、推定した総充電速度が当該閾値を超える場合には、ｔ＝ｔ１＋Δｔの時刻の推定総充電量（時間刻み幅当りの電力量）をｔ１からｔ１＋Δｔの間の需要要求目標値にならして積上げて修正する。なお、閾値の設定の仕方としては、Δtの時間内の変更前の要求需要目標の平均値を用いるものであっても良い。要求需要目標の積上げによる変更（修正）には、乱数を使って偏りがないようにする。この結果、元の要求需要目標値が、ｔ１からｔ１＋Δｔの区間、少し高くなる。修正後の需要要求目標に対してｔ＝ｔ１の敷詰めによるスケジューリングを行い、リアルタイムでＥＶの充電を実行する。
以上の処理を、各時間ステップ順次繰り返す。これにより、将来起こりうる需要を、前の時刻にならして時間的にシフトしたと考えてよい。このような処理を行うことにより、当然、要求需要目標の超過は起こりにくくなる。
なお、図１０に示したＥＶ３のように、停車時間（接続時間：配電系統接続時刻から配電系統切断時刻までの時間）がΔｔよりも短い場合、ＥＶ３は推定総充電速度のカウントにもれるためエラーとなる。従って、Δｔの設定方法としては、例えば、Δｔを制御対象の全ＥＶの平均の停車時間よりも短い時間に設定することが好ましい。そうすることで、カウントにもれるＥＶが少なくなり、都合が良い。
また、複数のΔｔを設定しても良い。例えば、２種類のΔｔを設定すれば、２種類のΔｔの「先読み目標修正」法を時間で交互に組み合わせて実行したり、同時刻に続けて実行したりすることで精度が上がる。
本システムでは、制御対象となるＥＶの過去の走行パターンを記録しているため、走行パターンで分類して停車時間の平均値データなど得ることができる。このデータに基づいて、影響の大きな走行パターングループを複数種類選び、その走行パターンの平均停車時間をΔｔとして、上述した複数種類の「先読み目標修正」法を実行しても良い。
以下に、上述したシミュレーションと同様に、５００台のＥＶの走行データをコンピュータ上で作成して「先読み目標修正」の手順を用いてスケジューリングした結果について説明する。ここで、先読みのΔｔを６時間とした。
図１１Ａは、要求需要目標を３日間、一定値６０ｋＷとした場合の結果を示す図である。
図１１Ａに示した結果では、図９Ａに示した結果に対して、要求需要目標を急峻にオーバーする充電はうまく取り除けていることがわかる。要求需要目標の修正により、若干のでこぼこが生じてしまうが、急峻な出力変化はない。そのため、需要の時間シフトにより達成される調整力の獲得に適用は可能である。なお、図１１Ａに示した結果では、１日目の始まりの時間帯の要求需要目標の修正量が、他の時間帯のものと比較して高くなっている。これは、ここからスケジューリングを開始したことによるエッジの効果によるものであり、スケジューリングの開始時のみ気をつければ良い。エッジの影響は、先を読む時間幅Δｔを短い時間に設定すると小さくなる。そのため、例えば、スケジューリング開始時にはΔｔを短い時間に設定しておき、その後、Δｔを徐々に長くしていくという方法で解決することができる。
次に、極端な一例として、インパルス状に充電を集中させることが可能かを見極めるため、２日目の正午を中心に３時間２００ｋＷで充電を集中させる充電スケジューリングを試した。
図１１Ｂは、２日目の正午を中心に３時間２００ｋＷで充電を集中させる充電スケジューリングを行った結果を示す図である。なお、２日目の正午中心以外の時間領域では、５０ｋＷを要求需要目標としている。
図１１Ｂに示すように、全領域で要求需要目標とのずれも大きくなく、特殊な目標需要要求へ対応できていることがわかる。
次に、本スケジューリングシステムで適用される「先読み目標修正法」の第２の実施例について説明する。
図１２は、本スケジューリングシステムで適用される「先読み目標修正法」の第２の実施例の原理を説明するための図である。
図１２には、現在時刻からΔｔの時間が経過するまでの先読み目標修正期間に停車するＥＶについて停車時間帯（走行パターン）がプロットされている。
図１２において、停車時間帯に示された長方形の枠は、一定充電電力を高さとした各ＥＶが停車した時点での必要充電量を示している。この枠を、走行パターンに対して配電系統から切断される時刻が最終時刻となるように、仮に配置する。この時、ＥＶの停車開始時間と現在時刻との関係、および目標修正時間内に仮の充電スケジュールが含まれるかどうかに基づいて、充電電力を図１２に示すように、ｗ１，ｗ２，ｗ３，ｗ４と分類することができる。
ｗ１は、現在時刻に接続されているＥＶで、目標修正期間内に充電する必要のある充電電力量を示す。また、ｗ２は現在時刻に接続されているＥＶで、目標修正期間の後で充電してもかまわない充電電力量（目標修正期間内で充電することも可能）を示す。一方、ｗ３，ｗ４は現在時刻に接続されていないが、目標修正期間内に停車するＥＶのｗ１，ｗ２それぞれに対応する充電電力量を示す。
ＷＴを目標修正期間内における目標の総電力量と定義すると、
Ｗ１＋Ｗ３≦ＷＴ≦Ｗ１＋Ｗ２＋Ｗ３＋Ｗ４ （式１）
という関係にあれば、元の目標を修正する必要がないと判断することができる。ここで、Ｗ１は、全ＥＶについてｗ１とカウントされる量を合計したものであり、その他Ｗ２〜Ｗ４についても同様に定義する。
ここで、Ｗ３，Ｗ４は現在時刻においては知りえていないため、何等かの方法で予測する必要がある。充電システムの構成として、管理下にあるＥＶの過去の走行パターンが把握できていれば、統計的な手法等を用いて予測することが可能となる。
予測してＷ３，Ｗ４が得られたとして、
Ｗ１＋Ｗ３≧ＷＴ
であれば、
ΔＷ＝Ｗ１＋Ｗ３−ＷＴ
と与えられる不足の充電電力量ΔＷ分を、目標修正期間Δｔ内に割り振る。
図１３は、不足の充電電力量ΔＷ分を、目標修正期間Δｔ内に割り振る方法の一例を説明するための図である。
図１３に示すように、割り振る１つの方法としては、ΔＷを目標修正期間Δtで割って得られるΔＰ＝ΔＷ／Δｔ分を、Δｔ間の目標値に加算して新しい目標とするという考え方があるが、時間に重みを付けて分配しても良い。
一方、
ＷＴ≧Ｗ１＋Ｗ２＋Ｗ３＋Ｗ４
であれば、
ΔＷ＝ＷＴ−（Ｗ１＋Ｗ２＋Ｗ３＋Ｗ４）
と与えられる、余剰の充電電力量ΔＷ分を、目標修正期間Δｔ内に割り振る。割り振る１つの方法として、ΔＷを目標修正期間Δｔで割って得られるΔＰ分を、Δｔ間の目標値に減算して新しい目標とすることが良いと思われるが、時間に重みを付けて分配しても良い。これにより、（式１）を満たす修正ができる。
以上の手順により目標修正が機能することを、シミュレーション結果を用いて説明する。
図１４は、事前に設定した総充電の需要目標曲線を示す図である。
図１４に示すように、太陽光を用いて発電する太陽光発電の出力を想定して、昼間に充電を集中させる。これにより、等価的な需要をフラットにして、需給調整用の発電機の変動制御の負荷を軽くする。
シミュレーションにあたり、以下の条件を設定した。
Ｗ３，Ｗ４は、特性がそれぞれ似ているＷ１，Ｗ２にそれぞれ比例するものと仮定して、Ｗ３＝αＷ１，Ｗ３＝βＷ２（αおよびβは、比例定数）と示し、αおよびβにそれぞれ適当な固定値を設定した。この固定値は、ＥＶや自動車の統計データを集めれば、そのデータから得られる。ここでは、計算に用いたαは０．７であり、またβは１である。また、ＥＶ車の走行パターンデータは、通勤用、娯楽用および業務用の３種類に分けて乱数から生成した。それらの割合は、通勤用：娯楽用：業務用=２：７：１とした。また、Δｔは５時間と設定した。また、ＥＶ車の合計台数は、５００台とした。
図１５は、上述した条件で「先読み目標修正法」の第２の実施例を実施しないで敷詰めのスケジューリングを実行した３日間の総充電電力の時間的変化の結果を示すグラフである。
図１５に示すように、２日目および３日目で充電するＥＶが足りなくなったため、急激に充電電力が低下するという現象が起こってしまっている。本来、需給調整用発電機の変動を緩和するために実施したにもかかわらず悪影響となるため、これを避ける必要がある。
図１６は、上述した条件で「先読み目標修正法」の第２の実施例を実施して敷詰めのスケジューリングを実行した３日間の総充電電力の時間的変化の結果を示すグラフである。
図１６に示すように、３日間ともピークの値は事前の目標より若干下がったが、急激な減少は避けることができている。そのため、発電機の出力調整処理に大きな負担をかけることなく需給のバランスを保ち、かつＥＶユーザの満充電の要求を満たすことができるようになる。
以上、本発明のＥＶに対するリアルタイムな充電スケジューリングを実行する充電制御システムの説明をおこなった。多数台のＥＶの充電をリアルタイムで制御するには、個々のＥＶを完全に自由に調整できないことや、突然管理下から離れるＥＶも存在すること等を考慮しなければならない。制御対象となるＥＶの台数が多ければ、制御できないＥＶが多少存在しても、大きな系統の調整能力への影響を無視することができる。また、リアルタイムな充電スケジューリングに入る前に、事前にスケジューリングを実行して、ある程度の確度の修正した要求需要目標を決める手段と組み合わせることも有効である。本システムでは、ＥＶの走行データを蓄積しているため、過去の情報（統計情報）を用いて、例えば、翌日の走行パターンを予測することができる。その情報をもとに充電計画を作ることは、事前であるがゆえに十分な時間があり、最適化問題となり、一般的に知られた解法を用いて解ける。
以上説明したように、本発明の充電制御システムを用いることにより、ＥＶのオーナーの自由度を奪うことなく、電力系統の調整力を高くすることができる。また、本充電制御システムを大規模な駐車場に適用すれば、充電出力を分散させるようにスケジューリングすることにより、充電施設に必要な設備の電気容量を最小限に抑えることができる。また、電力会社から与えられた前日、もしくはリアルタイムの電力料金提示に対して、デマンドレスポンスが可能となり、安い料金の電力で充電することが可能となる。このように、目標需要の形（波形）に価値の出る事項に対して、本充電制御システムを適用することが可能である。
なお、ここまでＥＶを対象として述べてきたが、基本的に蓄電池を動力源とし、プラグインして配電系統から電力を充電する必要のある自動車（例えば、ＰＨＥＶ）であっても良いし、ＥＶとＰＨＥＶとが混合して制御されても同じことを実現することができる。
また、充電制御装置３００は、複数のインタフェース装置４００−１〜４００−ｍにおける配電系統接続時刻から配電系統切断時刻までの平均時間よりも短い時間に充電を行っていると推定されるインタフェース装置の数に基づいて、目標需要量を修正する。
上述した充電制御装置３００に設けられた各構成要素が行う処理は、目的に応じてそれぞれ作製された論理回路で行うようにしても良い。また、処理内容を手順として記述したコンピュータプログラム（以下、プログラムと称する）を充電制御装置３００にて読取可能な記録媒体に記録し、この記録媒体に記録されたプログラムを充電制御装置３００に読み込ませ、実行するものであっても良い。充電制御装置３００にて読取可能な記録媒体とは、フロッピー（登録商標）ディスク、光磁気ディスク、ＤＶＤ、ＣＤなどの移設可能な記録媒体の他、充電制御装置３００に内蔵された記憶部３２０、ＲＯＭ、ＲＡＭ等のメモリやＨＤＤ等を指す。この記録媒体に記録されたプログラムは、充電制御装置３００に設けられた制御部３１０にて読み込まれ、制御部３１０の制御にしたがって、上述したものと同様の処理が行われる。ここで、制御部３１０は、プログラムが記録された記録媒体から読み込まれたプログラムを実行するコンピュータとして動作するものである。
以上、実施の形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施の形態に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
この出願は、２０１１年３月４日に出願された日本出願特願２０１１−０４７７６１および２０１１年８月１０日に出願された日本出願特願２０１１−１７４８９２を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

Claims (11)

  1. 電力を配電する配電装置と、該配電装置から配電される電力を用いて自動車に搭載された蓄電池を充電するために該蓄電池と接続される複数のインタフェース装置と、前記インタフェース装置における充電を制御する充電制御装置とから構成された充電制御システムにおいて、
    前記充電制御装置は、前記複数のインタフェース装置それぞれにおける、該インタフェース装置と前記蓄電池とが接続される時刻である配電系統接続時刻と切断される時刻である配電系統切断時刻とに基づいて、前記インタフェース装置による前記蓄電池への充電を制御し、あらかじめ設定された目標需要量を超えないように、前記複数のインタフェース装置の優先順位に従って前記充電を制御し、所定の時間後に充電を行っていると推定される前記インタフェース装置の数に基づいて、前記目標需要量を修正することを特徴とする充電制御システム。
  2. 電力を配電する配電装置と、該配電装置から配電される電力を用いて自動車に搭載された蓄電池を充電するために該蓄電池と接続される複数のインタフェース装置と、前記インタフェース装置における充電を制御する充電制御装置とから構成された充電制御システムにおいて、
    前記充電制御装置は、前記複数のインタフェース装置それぞれにおける、該インタフェース装置と前記蓄電池とが接続される時刻である配電系統接続時刻と切断される時刻である配電系統切断時刻とに基づいて、前記インタフェース装置による前記蓄電池への充電を制御し、あらかじめ設定された目標需要量を超えないように、前記複数のインタフェース装置の優先順位に従って前記充電を制御し、現在充電を行っている前記インタフェース装置にて充電する必要がある充電電力量と、所定の時間経過後に充電を行っていると推定される前記インタフェース装置にて充電する必要がある充電電力量とを加算した充電電力量に基づいて、前記充電電力量の過不足量を計算し、該計算された過不足量に基づいて、前記目標需要量を修正することを特徴とする充電制御システム。
  3. 電力を配電する配電装置と、該配電装置から配電される電力を用いて自動車に搭載された蓄電池を充電するために該蓄電池と接続される複数のインタフェース装置と、前記インタフェース装置における充電を制御する充電制御装置とから構成された充電制御システムにおいて、
    前記充電制御装置は、前記複数のインタフェース装置それぞれにおける、該インタフェース装置と前記蓄電池とが接続される時刻である配電系統接続時刻と切断される時刻である配電系統切断時刻とに基づいて、前記インタフェース装置による前記蓄電池への充電を制御し、前記自動車にあらかじめ設定された前記配電系統接続時刻と前記配電系統切断時刻とを、前記インタフェース装置と前記蓄電池とが接続された際に該自動車から前記インタフェース装置を介して取得し、該取得した前記配電系統接続時刻と前記配電系統切断時刻とに基づいて、前記充電を制御することを特徴とする充電制御システム。
  4. 請求項１または請求項２に記載の充電制御システムにおいて、
    前記充電制御装置は、現在の時刻から前記配電系統切断時刻までの時間が短い蓄電池と接続されているインタフェース装置による充電を優先することを特徴とする充電制御システム。
  5. 請求項１または請求項２に記載の充電制御システムにおいて、
    前記充電制御装置は、蓄電量が少ない蓄電池と接続されているインタフェース装置による充電を優先することを特徴とする充電制御システム。
  6. 配電される電力を用いて自動車に搭載された蓄電池を充電するために該蓄電池と接続される複数のインタフェース装置における充電を制御する充電制御装置であって、
    前記複数のインタフェース装置それぞれにおける、該インタフェース装置と前記蓄電池とが接続される時刻である配電系統接続時刻と切断される時刻である配電系統切断時刻とに基づいて、前記インタフェース装置による前記蓄電池への充電を制御する制御部を有し、
    前記制御部は、あらかじめ設定された目標需要量を超えないように、前記複数のインタフェース装置の優先順位に従って前記充電を制御し、所定の時間後に充電を行っていると推定される前記インタフェース装置の数に基づいて、前記目標需要量を修正する充電制御装置。
  7. 配電される電力を用いて自動車に搭載された蓄電池を充電するために該蓄電池と接続される複数のインタフェース装置における充電を制御する充電制御装置であって、
    前記複数のインタフェース装置それぞれにおける、該インタフェース装置と前記蓄電池とが接続される時刻である配電系統接続時刻と切断される時刻である配電系統切断時刻とに基づいて、前記インタフェース装置による前記蓄電池への充電を制御する制御部を有し、
    前記制御部は、あらかじめ設定された目標需要量を超えないように、前記複数のインタフェース装置の優先順位に従って前記充電を制御し、現在充電を行っている前記インタフェース装置にて充電する必要がある充電電力量と、所定の時間経過後に充電を行っていると推定される前記インタフェース装置にて充電する必要がある充電電力量とを加算した充電電力量に基づいて、前記充電電力量の過不足量を計算し、該計算された過不足量に基づいて、前記目標需要量を修正する充電制御装置。
  8. 配電される電力を用いて自動車に搭載された蓄電池を充電するために該蓄電池と接続される複数のインタフェース装置における充電を制御する充電制御装置であって、
    前記複数のインタフェース装置それぞれにおける、該インタフェース装置と前記蓄電池とが接続される時刻である配電系統接続時刻と切断される時刻である配電系統切断時刻とに基づいて、前記インタフェース装置による前記蓄電池への充電を制御する制御部を有し、
    前記制御部は、前記自動車にあらかじめ設定された前記配電系統接続時刻と前記配電系統切断時刻とを、前記インタフェース装置と前記蓄電池とが接続された際に該自動車から前記インタフェース装置を介して取得し、該取得した前記配電系統接続時刻と前記配電系統切断時刻とに基づいて、前記充電を制御する充電制御装置。
  9. 配電される電力を用いて自動車に搭載された蓄電池を充電するために該蓄電池と接続される複数のインタフェース装置における充電を制御する充電制御方法であって、
    前記複数のインタフェース装置を用いて、前記蓄電池を充電する処理と、
    前記複数のインタフェース装置それぞれにおける、該インタフェース装置と前記蓄電池とが接続される時刻である配電系統接続時刻と切断される時刻である配電系統切断時刻とに基づいて、前記インタフェース装置による前記蓄電池への充電を制御する処理と、
    あらかじめ設定された目標需要量を超えないように、前記複数のインタフェース装置の優先順位に従って前記充電を制御する処理と、
    所定の時間後に充電を行っていると推定される前記インタフェース装置の数に基づいて、前記目標需要量を修正する処理とを行う充電制御方法。
  10. 配電される電力を用いて自動車に搭載された蓄電池を充電するために該蓄電池と接続される複数のインタフェース装置における充電を制御する充電制御方法であって、
    前記複数のインタフェース装置を用いて、前記蓄電池を充電する処理と、
    前記複数のインタフェース装置それぞれにおける、該インタフェース装置と前記蓄電池とが接続される時刻である配電系統接続時刻と切断される時刻である配電系統切断時刻とに基づいて、前記インタフェース装置による前記蓄電池への充電を制御する処理と、
    あらかじめ設定された目標需要量を超えないように、前記複数のインタフェース装置の優先順位に従って前記充電を制御する処理と、
    現在充電を行っている前記インタフェース装置にて充電する必要がある充電電力量と、所定の時間経過後に充電を行っていると推定される前記インタフェース装置にて充電する必要がある充電電力量とを加算した充電電力量に基づいて、前記充電電力量の過不足量を計算し、該計算された過不足量に基づいて、前記目標需要量を修正する処理とを行う充電制御方法。
  11. 配電される電力を用いて自動車に搭載された蓄電池を充電するために該蓄電池と接続される複数のインタフェース装置における充電を制御する充電制御方法であって、
    前記複数のインタフェース装置を用いて、前記蓄電池を充電する処理と、
    前記複数のインタフェース装置それぞれにおける、該インタフェース装置と前記蓄電池とが接続される時刻である配電系統接続時刻と切断される時刻である配電系統切断時刻とに基づいて、前記インタフェース装置による前記蓄電池への充電を制御する処理と、
    前記自動車にあらかじめ設定された前記配電系統接続時刻と前記配電系統切断時刻とを、前記インタフェース装置と前記蓄電池とが接続された際に該自動車から前記インタフェース装置を介して取得し、該取得した前記配電系統接続時刻と前記配電系統切断時刻とに基づいて、前記充電を制御する処理とを行う充電制御方法。
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