JP6009161B2 - 電力制御システム - Google Patents

Description

この発明は、家庭などにおける蓄電装置に適用できる電力制御システムに関する。

最近では、化石燃料に対する依存からの脱却を目指して再生可能エネルギーの利用に関する研究・開発が盛んになされている。再生可能エネルギーを利用した発電としては、太陽光発電、風力発電、燃料電池、バイオマス発電、波力発電等が開発されている。再生可能エネルギーを利用した場合、発電量が自然条件によって変動し、かつ消費電力量との過不足が生じる問題がある。

この問題を解決するために、蓄電池を各家庭に導入し、太陽光発電等の出力を蓄電装置（以下、ストレージと適宜称する）に一旦蓄積し、ストレージの出力を消費に合わせ使用することが考えられ、既に実用化されつつある。すなわち、家庭または家庭周辺の分散環境にリチウムイオン電池その他のストレージを設置し、ＨＥＭＳ(Home Energy Management System)によって家庭内の消費電力に対する制御がなされる。具体的には、家庭内の消費電力ピークのフラット化、電力が安価な時間帯に蓄電し、高価な時間帯に放電・消費する時間シフト、太陽電池等の発電装置で発電した余剰電力の蓄電、電力品質の安定化などがなされる。

しかしながら、費用が高いこと、形状や重量が大きいこと、保守や安全性管理の手法が確立していないことが、導入に対する妨げとなっている。ストレージの規格化により多くのアプリケーションでの共通利用を進め、かつネットワークで充電制御およびライフサイクルを管理し、リサイクルを進めることができれば、資源を有効活用およびコストの削減につながることが期待される。

したがって、この発明の目的は、単一または複数のアプリケーションに対して利用することができるバッテリ等のエネルギーデバイスによって、家庭用ストレージを構成して、バッテリおよび家庭用ストレージの導入コストを大幅に下げるようにした電力制御システムを提供することにある。

上述した課題を解決するために、この発明は、
可搬型であり、車両用の電源および家庭用の電源として使用可能なエネルギーデバイスと、
充電装置を有するストレージシステムマネージャと、
異なる種類のエネルギーデバイスを着脱可能であり、装着構造が他の機器の接続部の装着構造と共通化された接続部を複数、有し、エネルギーデバイスとストレージシステムマネージャとの間のインターフェースとしてのデバイスマネージャと、
電力網および家庭の交流電源ラインに接続された電力調整装置と
を備え、
電力調整装置を介してストレージシステムマネージャに対して電力が供給可能とされており、
ストレージシステムマネージャが有する充電装置は、デバイスマネージャの接続部に装着されたエネルギーデバイスに対して、電力調整装置を介して供給される電力を使用して充電処理を実行し、
デバイスマネージャは、接続部に装着されたエネルギーデバイスの状態を管理し、
エネルギーデバイスとストレージシステムマネージャとの間の第１の認証と、ストレージシステムマネージャとエネルギーデバイスに関する情報を管理するサーバとの間の第２の認証とが実行され、
第１の認証は、接続部に接続される異なる種類のエネルギーデバイスに関して共通化された認証プロトコルに基づいて実行される
電力制御システムである。

エネルギーデバイスは、ＩＤを有しており、ストレージシステムマネージャがＩＤを使用して相互認証を行う。
デバイスマネージャは、インフォメーションバスを介して、ストレージシステムマネージャと、ストレージの情報の受信または送信を行う。
さらに、デバイスマネージャまたはストレージシステムマネージャは、家庭の電力を制御するホームコントローラと、ストレージの情報の受信または送信を行う。
ストレージシステムマネージャとホームコントローラとが相互認証を行う。
デバイスマネージャまたはストレージシステムマネージャは、ネットワーク上のサーバに対してストレージの情報の受信または送信を行う。
デバイスマネージャまたはストレージシステムマネージャは、電力調整装置に対してストレージの情報の受信または送信を行う。
デバイスマネージャ、ストレージシステムマネージャまたはホームコントローラは、ネットワーク上のサーバからストレージ制御情報を取得する。
デバイスマネージャ、ストレージシステムマネージャまたはホームコントローラは、ストレージ制御情報によりエネルギーデバイスを制御する。

デバイスマネージャまたはストレージシステムマネージャは、ネットワーク、ホームコントローラまたは電力調整装置と、ストレージの情報の受信または送信を行う。
ホームコントローラ、ストレージシステムマネージャまたはデバイスマネージャは、電力装置への電力供給を制御するためのストレージの情報により電力調整装置を制御する。
ホームコントローラ、デバイスマネージャ、または電力調整装置は、電力消費量を監視し、電力消費量に関する情報を取得する。
ホームコントローラ、ストレージシステムマネージャ、デバイスマネージャまたは電力調整装置は、電力消費量に関する情報により電力装置の電力の供給または電力貯蔵手段への電力の供給を制御する。
ホームコントローラ、ストレージシステムマネージャ、デバイスマネージャ若しくは電力調整装置は、電力消費量が小さいときに電力装置若しくは電力貯蔵手段への電力供給を増加させるか若しくは開始するかを制御し、および／または電力消費量が大きいときに電力装置若しくは電力貯蔵手段からの電力供給を増加させるか若しくは開始するかを制御する。
ホームコントローラ、ストレージシステムマネージャ、デバイスマネージャ若しくは電力調整装置は、電力消費量に応じて電力供給網からの電力供給量を最適制御する。
ホームコントローラ、ストレージシステムマネージャ、デバイスマネージャ若しくは電力調整装置は、電力消費量が大きいときに電力供給網からの電力供給を減少させるか若しくは停止するかを制御し、および／または電力消費量が小さいときに電力供給網への電力供給を増加させるか若しくは開始するかを制御する。
ホームコントローラ、ストレージシステムマネージャ、デバイスマネージャまたは電力調整装置は、ネットワーク上のサーバから供給される情報により電力装置への電力供給を制御する。
ホームコントローラ、ストレージシステムマネージャ、デバイスマネージャ若しくは電力調整装置は、検出した情報により電力装置若しくは電力貯蔵手段への電力供給、および／または電力装置若しくは電力貯蔵手段からの電力供給を制御する。
ホームコントローラ、ストレージシステムマネージャ、デバイスマネージャ若しくは電力調整装置は、検出した情報により電力供給網への電力供給、および／または電力供給網からの電力供給を制御する。
ホームコントローラ、ストレージシステムマネージャ、デバイスマネージャ若しくは電力調整装置は、検出した情報または供給される情報により電力消費量を予測する。
ホームコントローラ、ストレージシステムマネージャ、デバイスマネージャ若しくは電力調整装置は、予測された電力消費量により電力装置への電力供給を制御する。
エネルギーデバイス、デバイスマネージャ、ストレージシステムマネージャ、ホームコントローラ、電力調整装置、ネットワーク、のうち少なくとも２つの間で相互認証を行う。

この発明は、ストレージに使用するバッテリ等のエネルギーデバイスの入出力、充電インターフェース、認証方式を規格化（共通化）し、ネットワーク経由でデバイス管理を行うことで、安全にエネルギーデバイスを使用できると共に、エネルギーデバイスを多くのアプリケーションで利用可能とする。このようにすることによって、エネルギーデバイスのコストを低下させ、バッテリ駆動のアプリケーションの新たな拡大につながるほか、ユーザにとってエネルギーデバイス管理の利便性が向上する。

さらに、この発明は、このような規格化デバイスを家庭用ストレージとして活用する。これにより、大きな初期投資を要さず、消費者の志向にあわせ柔軟にストレージの容量や構成を拡充できるほか、各種アプリケーション用バッテリの有効利用、さらに省資源、省スペースも促進される。

この発明による電力制御システムの概略の構成を示すブロック図である。 この発明によるスマートストレージのソフトウェアアーキテクチャの一例の概略を示す略線図である。 この発明によるエネルギーマネージメントおよびエネルギーストレージマネージメントのために使用する情報の説明に使用する略線図である。 この発明によるエネルギーマネージメントおよびエネルギーストレージマネージメントの配置の概略の説明に使用する略線図である。 この発明によるエネルギーマネージメントおよびエネルギーストレージマネージメントの配置の概略の説明に使用する略線図である。 この発明によるストレージによりなされる電力のピークシフトの説明に使用する略線図である。 この発明による電力制御システムの説明に使用する略線図である。 この発明によるスマートストレージの一例を示すブロック図である。 この発明によるスマートストレージの使用例の説明に使用する略線図である。 この発明の一実施の形態におけるホームエネルギーネットワークシステムの全体の構成を示すブロック図である。 この発明の一実施の形態のバッテリ充電時における認証動作のプロトコルの説明に使用する略線図である。 この発明の一実施の形態のバッテリ放電時における認証動作のプロトコルの説明に使用する略線図である。

以下、この発明について説明する。なお、以下の説明における実施の形態は、この発明の好適な具体例であり、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、この発明の範囲は、以下の説明において、特にこの発明を限定する旨の記載がない限り、これらの実施の形態に限定されないものとする。

「電力制御システムの概略」
図１に示すように、この発明による電力制御システムは、家庭において、電力、セキュリティ、快適さに関するユーザサービスを提供し、共同プラットフォーム上で動作し、センサ、この発明による電力装置（スマートストレージと称する）、家庭および社会間の接続に特徴を有する。スマートストレージによって、後述するような電力蓄積の解決がなされる。さらに、家庭に対して、太陽光発電、燃料電池、風力発電等のクリーンエネルギー生成の出力が供給される。

この発明による電力制御システムは、エネルギーデバイスと、デバイスマネージャおよびストレージシステムマネージャとを有する電力装置と、ホームコントローラと、電力調整装置（パワーコンディショナとも称される）とを備える。さらに、ネットワークを備える。ネットワークは、電力会社、エネルギーサービス事業者、通信サービス事業者、ストレージの納入業者、携帯情報端末、モバイルコンピューターおよびこれらの組み合わせである。

「スマートストレージのソフトウェアアーキテクチャ」
スマートストレージのソフトウェアアーキテクチャの一例の概略を図２に示す。エネルギーデバイスとしてのバッテリに最も近い制御を行うソフトウェアがデバイスマネージャである。デバイスマネージャは、デバイスの状態、安全性、信頼性のモニタリングをデバイス毎に行う。

デバイスマネージャと関連するのがストレージシステムマネージャである。ストレージシステムマネージャは、システム動作、負荷の割り当ての最適化、システムの状態、安全性、信頼性をモニタリングする。

ストレージシステムマネージャは、ＡＰＩ(Application Programming Interface )を経由してホームエネルギーマネージャと関連する。さらに、ストレージシステムマネージャは、ネットワークを介してネットワーク上のサーバとの間で情報の授受を行う。ホームエネルギーマネージャがネットワークを介してネットワーク上のサーバとの間で情報の授受を行う。

ホームエネルギーマネージャは、ストレージのモニタリングとストレージの動作の制御とを行う。この場合、ネットワーク上のサーバからデバイスの製造情報、メンテナンス情報、トラブル情報についての授受を行う。

ネットワークを通じてエネルギーサービスプロバイダまたはストレージサービスプロバイダによって、ストレージシステムマネージャのストレージのモニタリングと動作の制御がなされる。

エネルギーマネージメントおよびエネルギーストレージマネージメントのために、図３に示すような情報が使用される。エネルギーおよびエネルギーストレージの管理のためにセンサの情報が使用される。ユーザの振る舞いを検出し、追跡し、予測するために、家庭内のセンサの情報が使用される。具体的には、動きセンサ、ドア／窓／鍵に関するセンサ、ノイズセンサ、スイッチのオン／オフ、電子機器、および家庭電化器具の動作のモニタリング等の情報が使用される。さらに、個人のスケジュールに関する情報、ユーザの個人情報およびこれらの組み合わせからなる情報が使用される。

家庭の環境およびユーザの快適さを検出し、追跡し、予測するために、家庭内のセンサの情報が使用される。具体的には、温度および湿度センサ、振動センサ、空気モニタリングセンサ、明るさセンサ等の情報が使用される。

エネルギーの消費および生成を検出し、追跡し、予測するために、電力メータ、熱センサ等の情報が使用される。

上述した家庭内のセンサに加えてエネルギーおよびエネルギーストレージの管理のために外部の情報が使用される。

再生可能なエネルギーによる発電（太陽光、風力等）を検出し、追跡し、予測するために、メッシュ（例えば５０ｍ・５０ｍ）の気候および地方の気象情報が使用される。

人々の振る舞いを検出し、追跡し、予測するために、ニュース、メディア（ＴＶ、ラジオ、インターネット等）、交通、リスク／安全性の情報（災害、事故、病気等）、タウンおよびイベントの情報、いたるところにあるセンサの情報、およびソーシャルネットワーク情報が使用される。すなわち、センサは、室内または戸外における、温度、湿度、明るさ、人の活動状況またはこれらの組み合わせを監視する。

上述した検出、追跡、予測のための家庭内の情報および外部の情報を使用して、エネルギーストレージの自動動作および構成、並びに、エネルギーストレージの構成、モデル、容量の推奨が変更される。

エネルギーマネージメントおよびエネルギーストレージマネージメントの配置の概略は、図４および図５に示すものとなる。家庭内部には、ホームネットワークハブ、センサ、スマートストレージ、スマートストレージのコントローラ、センサを有する電子機器、太陽光発電（例えばＢＩＰＶ(Building Integrated Photovoltaic Module)）が設置されている。スマートメータを通じてグリッドと接続されている。さらに、インターネットを介して外部の情報を家庭内に取り込むことが可能とされている。

家庭内のスマートストレージ（例えばリチウムイオン電池および電気二重層をエネルギーデバイスとして使用している）を使用することによって電力のピークシフトが可能となる。図６は、ピークシフトの概略を示す。従来では、破線で示すような電力消費がなされていた場合、スマートストレージに蓄積されている電力を使用することによって、実線で示すように、消費電力のピークを抑えることができる。しかも、スマートストレージに蓄積される電力が再生可能なエネルギーを使用して発電されたものとすることによって、家庭における二酸化炭素の排出量を抑えることが可能となる。

従来の家庭用蓄電池は、専ら家庭内の電力消費を補助するために使用されており、大型で、コストが高いものであった。この発明によるスマートストレージでは、家庭用蓄電池に使用されるバッテリと、他の用途例えば電気自転車の動力として使用されるバッテリとを兼用することを可能として従来の問題点を解決するものである。

図７に示すように、バッテリは、ストレージシステムマネージャとの間で通信を行う。ストレージシステムマネージャがバッテリを充電し、バッテリを家庭用蓄電池として機能させる。ストレージシステムマネージャは、ネットワーク例えばインターネットを介してバッテリ管理サーバと接続されている。

バッテリは、セキュアなバッテリ識別子（バッテリＩＤ）によって一意に識別可能とされている。バッテリ管理サーバは、バッテリＩＤによって各バッテリを管理している。すなわち、バッテリＩＤによって特定されるバッテリを使用するために必要な情報（例えば充電のために必要な情報、リコール情報等）のデータベースがバッテリ管理サーバに構築されている。

ストレージシステムマネージャは、バッテリＩＤと対応するストレージ情報をバッテリ管理サーバから受け取ることによって、バッテリの安全且つ適正に充電することができる。さらに、バッテリの使用結果の情報（充電回数、トラブル等）の情報がストレージシステムマネージャからバッテリ管理サーバに対して送信され、バッテリ管理サーバのデータベース上のストレージ情報が最新のものに更新される。

一方、バッテリは、取り外し可能な構成とされ、取り外して他の用途に使用される。すなわち、電気装置例えば電気自転車の動力源として使用される。電気自動車に限らず、電動オートバイ、電動自転車、蓄電池式家電製品、蓄電池式業務機器、蓄電池式電算機、蓄電池式ポータブル機器、各種蓄電池装置およびこれらの組合せに対して使用される。このように、バッテリが家庭用蓄電池以外の電源としても利用可能とされ、複数種類のバッテリに対する制御および充電装置を共通としているので、安全性を損なうことなく、家庭用蓄電池をローコストに構成することが可能となる。さらに、バッテリが家庭における再生可能なエネルギーを使用した電力によって充電されるようにすれば、二酸化炭素の排出量を低減することができる。

図８は、この発明によるスマートストレージ２００のより具体的な構成を示す。図８では、一例として４個のバッテリ１０７ａ，１０７ｂ，１０７ｃ，１０７ｄがデバイスマネージャ２０１ａ，２０１ｂ，２０１ｃ，２０１ｄによってそれぞれ制御される。なお、バッテリの個数は、一例であって、Ｎ個まで接続可能とされている。特に、バッテリおよびデバイスマネージャのそれぞれを区別する必要がない場合には、それぞれに対して参照符号として「１０７」および「２０１」を使用する。

デバイスマネージャ２０１は、物理的接続部として複数のソケットを備えている。ソケットに対して、バッテリ１０７がそれぞれ挿入される。バッテリ１０７は、異なる種類のものを使用できる。例えばリチウムイオン電池、キャパシタ、燃料電池、マイクロコジェネレータ等を使用できる。バッテリの種類が相違しても、バッテリ１０７は、全て規格化されたソケットに対して挿入できる。

ソケットは、バッテリ１０７を物理的に保持すると共に、バッテリ１０７とデバイスマネージャ２０１との間のインターフェースを確保する。インターフェースは、少なくとも正負の電源端子と、バッテリＩＤを出力するための端子とが必要とされる。さらに、バッテリ１０７内の温度検出出力を取り出すための端子が設けられても良い。さらに、バッテリ１０７にマイクロコンピュータを内蔵する場合には、このマイクロコンピュータとデバイスマネージャ２０１内のマイクロコンピュータとの間の通信を行う通信端子が設けられる。

デバイスマネージャ２０１は、エネルギーデバイス（バッテリ１０７）の状態を管理し、安全性および信頼性をモニタリングする。デバイスマネージャ２０１は、ストレージシステムマネージャ２０２と接続されている。ストレージシステムマネージャ２０２内の共通の情報バスを通じて信号が授受される。

ストレージシステムマネージャ２０２に対して、電力調整装置２０３を介して交流電源が供給される。電力調整装置２０３は、電力網および家庭の交流電源ラインと接続されている。家庭内の太陽光発電等の再生可能なエネルギーを使用して生成されたエネルギーが電力調整装置２０３に供給される。ストレージシステムマネージャ２０２に対しては、直流電源も供給される。デバイスマネージャ２０１またはストレージシステムマネージャ２０２は、ネットワーク、ホームコントローラ２０４または電力調整装置２０３にストレージの情報を供給する。

ストレージシステムマネージャ２０２またはデバイスマネージャ２０１は、電力装置への電力供給を制御するためのストレージの情報により電力調整装置２０３を制御する。ホームコントローラ２０４、デバイスマネージャ２０１、または電力調整装置２０３は、電力消費量を監視し、電力消費量に関する情報を取得し、電力消費量に関する情報によりスマートストレージへの電力の供給を制御する。さらに、電力消費量を予測し、予測された電力消費量によりスマートストレージへの電力供給が制御される。

すなわち、電力消費量が小さいとき（または電力が安価な）場合に、スマートストレージへの電力供給を増加させるように制御し、および／または電力消費量が大きいとき（または電力が高価な）場合に、スマートストレージからの電力供給を増加させる。さらに、ホームコントローラ２０４、デバイスマネージャ２０１、または電力調整装置２０３は、電力消費量が大きいとき（または電力が高価な）場合に、電力供給網からの電力供給を減少させるか若しくは停止するように制御し、および／または電力消費量が小さいとき（または電力が安価な）場合に、電力供給網への電力供給を増加させるか若しくは開始するように制御する。

ストレージシステムマネージャ２０２は、ホームコントローラ２０４と接続される。ホームコントローラ２０４によって家庭内のエネルギーが管理される。例えば前述したピークシフトのためにバッテリ１０７のエネルギーが使用される。ホームコントローラ２０４およびストレージシステムマネージャ２０２がネットワークを介してサーバと接続される。ホームコントローラ２０４およびストレージシステムマネージャ２０２に対して家庭内のセンサの情報、家庭の外部のセンサの情報、および外部の情報が供給される。

上述したように、動きセンサ、ドア／窓／鍵に関するセンサ、ノイズセンサ、スイッチのオン／オフ、温度および湿度センサ、等の情報が使用される。外部の情報としては、気象情報、交通情報等が使用される。ホームコントローラ２０４がこれらの情報を使用して家庭内のエネルギーを管理する。

ストレージシステムマネージャ２０２がネットワーク（例えばインターネット）を介してバッテリ管理サーバ（図７参照）と接続されている。例えばバッテリ管理サーバからストレージシステムマネージャ２０２に対してシステムとデバイスの製品情報、メンテナンス情報、不具合情報等が送られる。これらの情報を使用してストレージシステムマネージャ２０２が各バッテリを安全に充電することができる。

このように、スマートストレージ２００は、安全性、信頼性を監視しながら負荷分散の最適化に寄与することができる。

図９に示すように、スマートストレージ２００のソケットから取り外されたバッテリ１０７は、別の用途に使用される。すなわち、バッテリ１０７は、可搬性を有するので、パーソナルコンピュータの電源、家庭電子機器の電源、電気自動車（電動自転車）の電源等に使用することができる。さらに、バッテリのソケットに対する装着に必要な構造が規格化されていることによって、他のスマートストレージのソケットに挿入することができる。形状等の物理的構成に加えて、インターフェース等の接続に必要な信号処理も統一化されている。

エネルギーデバイス（バッテリ１０７）をデバイスマネージャ２０１のソケットに装着すると、バッテリ１０７とストレージシステムマネージャ２０２間の相互認証が開始される。エネルギーデバイス２０１およびストレージシステムマネージャ２０２は、認証モジュールとして認証ＩＣ、またはマイクロコンピュータおよび認証ソフトウェアを組み合わせたものを備えている。相互認証方式は、ISO/IEC 9798 entity 認証ベースの既知の方式を用いることが可能である。相互認証のための通信データは、ストレージシステムマネージャ２０２のインフォメーションバスを介して授受される。

バッテリ１０７とストレージシステムマネージャ２０２間の相互認証が完了すると、ストレージシステムマネージャ２０２の制御の下で、バッテリ１０７の充電動作、放電動作、保護動作が可能となる。充放電開始コマンド、充放電終了コマンド、充電電圧情報、充電電流情報などはインフォメーションバスを介してやりとりされる。これらのコマンドおよび情報の盗聴を防止し、改ざんを防ぐためには、バッテリ１０７およびストレージシステムマネージャ２０２間でやりとりされるデータの暗号化とメッセージ認証コード（ＭＡＣ：Message Authentication Code）の利用が有効である。データの暗号化およびメッセージ認証コードを高速かつ低コスト・低消費電力で実現するには、ＡＥＳ(Advanced Encryption Standard)、ＣＬＥＦＩＡ（ソニー株式会社が開発した１２８ビットのブロック暗号）等の共通鍵ブロック暗号方式の利用が有効である。暗号化・復号のための鍵（暗号化鍵）およびＭＡＣ生成および検証鍵（ＭＡＣ鍵）は、バッテリ１０７とストレージシステムマネージャ２０２との間の相互認証時の鍵共有プロトコルにより予め共有される。

ストレージシステムマネージャ２０２とホームコントローラ２０４とが接続される時に相互認証が行われる。相互認証方式は、接続に用いる有線、無線、ＰＬＣの各通信方式の規格でサポートされていれば、その方式を利用することが可能である。若し、相互認証、および暗号化通信がサポートされていない場合は、バッテリ１０７およびストレージシステムマネージャ２０２間と同様に、接続後に相互認証を行い、鍵共有を行う。

ストレージシステムマネージャ２０２とホームコントローラ２０４との間で、相互認証が成立し、鍵の共有が完了すると、ストレージシステムマネージャ２０２とホームコントローラ２０４との間で、各バッテリの充電状況や、ストレージ制御情報等のやりとりが可能となる。これらの通信データの盗聴防止および改ざん検出のために、バッテリ１０７およびストレージシステムマネージャ２０２間と同様に、暗号化およびＭＡＣの利用が有効である。

ストレージシステムマネージャ２０２とホームコントローラ２０４とが常時接続され、同じ鍵が使い続けられるような場合は、安全性の点から、定期的に鍵共有プロトコルを実行し、暗号化鍵、ＭＡＣ鍵を更新することが望ましい。

ストレージシステムマネージャ２０２およびネットワーク上のサーバ間でも相互認証がなされる。さらに、ストレージシステムマネージャ２０２および電力調整装置２０３間でも相互認証がなされる。これらの相互認証は、ストレージシステムマネージャ２０２とホームコントローラ２０４との間の相互認証と同様になされる。

「この発明の一実施の形態の全体の構成」
以上、概略的にこの発明について説明した。次にこの発明の一実施の形態について説明する。この発明の一実施の形態におけるホームエネルギーネットワークシステムの全体の構成を図１０に示す。図８を参照して説明したように、スマートストレージ２００は、装着および離脱が自在のバッテリ１０７とデバイスマネージャ２０１とストレージシステムマネージャ２０２とを含んでいる。ストレージシステムマネージャ２０２は、ネットワーク上のバッテリ管理サーバ１０８との間で通信を行うように構成されている。

家庭内には、エネルギー生成装置１０１が備えられている。エネルギー生成装置１０１は、再生可能エネルギー生産システム（例えば太陽光発電）等である。さらに、家庭内には、家庭器具・ホームアプライアンス１０２、エネルギー・環境に関するセンサ１０３が含まれる。家庭に対しては、電力網１０４を通じて電力が供給される。

ユーザに対して情報を提示する表示装置１１０が備えられている。表示装置１１０には、例えばストレージシステムマネージャ２０２がバッテリ１０７の充電および放電を制御する時に検出した警告等の各種情報が表示される。

ホームコントローラ２０４と関連して排出量計算機１１１が設けられている。ホームコントローラ２０４により検出された現在の家庭内の総消費電力が表示装置１１０に表示される。図１０においてブロックとして表されている構成要素の形態は、ソフトウェア、またはハードウェア上で動作するソフトウェアおよびチップセットでもよい。ハードウェアの例は、パーソナルコンピュータ、ホームアプライアンス、ゲーム機、セットトップボックス、専用エネルギーコントローラ、ストレージシステムマネージャ２０２である。

さらに、ホームコントローラ２０４に対して、エネルギーおよび排出量トレードマーケット１１２、並びにエネルギーおよび排出量証明１１３が関係付けられている。

ストレージシステムマネージャ２０２は、以下の全て、あるいは一部の機能をもつコンポーネントから構成される。

直流・交流変換装置、パワーコンディショナ、充電器、エネルギーストレージおよび生成装置、ワイヤレス充電、直流電源入出力、交流電源入出力、ネットワーク接続機能、エネルギープロトコル処理装置

さらに、この発明の一実施の形態についてより詳細に説明する。

「バッテリおよびスマートストレージ」
バッテリ１０７は、図８におけるバッテリ１０７ａ，１０７ｂ，１０７ｃ，１０７ｄに相当するもので、規格化されたもので、以下の機能を備えている。

バッテリＩＤを有し、バッテリＩＤを使用した統一の認証方法によって認証される。バッテリＩＤは、バッテリを一意に識別するための情報で、複数ビットのデジタルデータが使用される。より具体的には、シリアル番号を使用できる。さらに、メーカー、種類等の複数の属性を使用した階層構造のデジタルデータを使用できる。

バッテリ１０７は、バッテリ管理サーバ１０８とネットワークを介して接続され、ネットワーク経由でバッテリ管理サーバ１０８によって管理される。

バッテリ１０７は、ストレージシステムマネージャ２０２との接続と、他のアプリケーション機器（電動自転車等）との接続とに関して統一規格が規定されている。上述したように、ストレージシステムマネージャ２０２の備えるソケットに対してバッテリ１０７が挿入される。ストレージシステムマネージャ２０２にバッテリ１０７が挿入されることによって、スマートストレージ２００が構成される。

ホーム内またはモバイル用途でバッテリ１０７として利用するバッテリとして、一次電池、二次電池、キャパシタ、太陽電池、燃料電池等各種のエネルギーデバイスが存在する。これらのエネルギーデバイスが共通の標準化されたデバイスマネージャ２０１をインターフェースとしてストレージシステムマネージャ２０２に対して接続できる。ここで、デバイスマネージャ２０１は、取り外し可能なソケットとなっている。さらに、バッテリ１０７とストレージシステムマネージャ２０２との間の認証プロトコルや充電等制御プロトコルは、全てのエネルギーデバイスに関して共通化されている。

「バッテリＩＤおよび統一認証方法」
バッテリＩＤはバッテリを管理するための識別子で、バッテリを一意に特定するための固定長データである。ここで、「バッテリ」は、バッテリセル（発電部）と、バッテリセルおよびバッテリセルの保護回路を外装ケースで一体化したバッテリパックとの両方を指す用語として使用している。バッテリＩＤは、バッテリ１０７の管理および認証に必須となる。

ここでいう「認証」は、バッテリ１０７および充電装置（ストレージシステムマネージャ２０２内に含まれる）間の認証、バッテリ１０７およびアプリケーション間の認証、ストレージシステムマネージャ２０２およびバッテリ管理サーバ１０８間の認証を含む。バッテリＩＤや充電インターフェースが統一規格とされ、この認証モジュールがバッテリ１０７および各機器に実装されて認証が行われる。この認証によって、バッテリ１０７や各機器が正規品か否かのチェックや正常動作のチェックなどを一元的に制御することが可能となり、非正規接続による発火事故等を防ぐことが可能となる。

バッテリＩＤおよび認証モジュールの実現形態としては、バッテリ内のマイクロコンピュータ上にソフトウェア実装する方法、認証チップとしてバッテリ内に搭載する方法などがある。認証のための通信方式としては、ＵＡＲＴ(Universal Asynchronous Receiver-Tranceiver:非同期シリアル通信用送受信回路）等の通信インターフェースを使う方法、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ、ＺｉｇＢｅｅ、Ｗｉ−Ｆｉ等の無線通信規格によるセンサーネットワークを利用する方法がある。Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ方式は、マルチメディア通信に適用され、一対多接続の通信を行うことができる。ＺｉｇＢｅｅは、ＩＥＥＥ(Institute of Electrical and Electronics Engineers) ８０２．１５．４の物理層を使用するものである。ＩＥＥＥ８０２．１５．４は、ＰＡＮ(Personal Area Network) またはＷ(Wireless)ＰＡＮと呼ばれる短距離無線ネットワーク規格の名称である。

「バッテリ管理サーバ」
バッテリ管理サーバ１０８は、以下の機能を有する。

１．認証情報ならびに電池の状態センサを備え、ネットワーク通信機能を備えたストレージシステムマネージャ２０２を介して、管理対象のバッテリ１０７（バッテリＩＤが付与されているバッテリ）に関する情報を収集する。すなわち、バッテリ１０７の基本情報（メーカー、型番、製造日等）、ステータス（端子電圧、内部抵抗、温度、放電電流量、充放電サイクル回数等）、使用履歴等を収集する機能を有する。

２．バッテリ１０７の出力、エネルギー密度、充電・放電性能等の製品情報を保持し、ストレージシステムマネージャ２０２内の充電装置が各バッテリの状態や使用条件に適した充電管理を行うため情報、指示を与える機能を有する。

３．充電時やアプリケーション利用時のバッテリ１０７の異常動作（正常動作時データからの逸脱）を検知し、ストレージシステムマネージャ２０２に警告を発する機能を有する。

４．ユーザやバッテリーメーカー等からの異常・事故情報、リコール情報を受けてバッテリ利用ユーザおよびストレージ２０２に通知を行う機能を有する。

５．ネットワーク上もしくは家庭機器、携帯用機器等のアプリケーションと連携して、経済性や環境負荷、利便性に優れたバッテリの使用を可能にする機能を有する。

「統一規格によるモジュール接続性」
アプリケーションによってバッテリに求められる出力・容量はさまざまである。これらに対応できるよう、バッテリの形状・入出力端子（ソケット）等を統一規格とすることで、相互に接続して各アプリケーションに最適なバッテリーモジュールを構成することができる。さらに構成されたバッテリーモジュールのアプリケーションとの適合性（出力、容量等）や充電電流・電圧の制御は、ストレージシステムマネージャ２０２を介してバッテリ管理サーバ１０８に問い合わせて検証を行うことができる。これにより、バッテリの複数のアプリケーションによって安全且つ適切に利用することが可能となる。

「認証動作の一例」
認証動作について図１１を参照して説明する。バッテリ１０７のそれぞれには、製造時にバッテリＩＤが書き込まれている。バッテリＩＤは、認証モジュールがソフトウェア実装の場合は、バッテリ内マイコンメモリの保護領域に記憶され、ハードウェア実装の場合は、認証チップ内の不揮発性メモリに書き込まれる。バッテリＩＤは、バッテリを一意に特定するためのデータ（メーカー、型番、製造日、製造場所、ライン番号、シリアル番号、バージョン情報等）を含む。また充電装置（ストレージシステムマネージャ２０２）にもＩＤ（デバイス固有のデバイスＩＤ）が付与されている。

図１１に示す認証プロトコルを実行した後、認証が成立すると、充電装置によって、バッテリ１０７の充電が開始される。図１１では、バッテリ１０７およびストレージシステムマネージャ２０２の間でなされる認証と、ストレージシステムマネージャ２０２およびバッテリ管理サーバ１０８の間でなされる認証が示されている。

これらの二つの認証動作は、並行して行われるので、処理に要する時間を短縮化できる。しかも、ストレージシステムマネージャ２０２とバッテリ１０７との間の認証が成立すれば、ストレージシステムマネージャ２０２がバッテリ１０７の充電を開始することが可能とされている。したがって、ネットワーク接続がなされていない環境下でも、バッテリ１０７の充電が可能である。

図１１においては、バッテリ１０７を表すために「Ｂ」の文字が使用され、ストレージシステムマネージャ（充電装置）２０２を表すために「Ａ」の文字が使用され、バッテリ管理サーバ１０８を表すために「Ｓ」の文字が使用される。プロトコルに関する以下の説明においては、このように略記された参照符号を使用する。

図１１に示される認証プロトコル中のトークンは、下記に示す通りである。
Token ＡＢ＝Ｅ（ＫAB，ＲA ｜ＲB ｜ＩＤB ）
Token ＢＡ＝Ｅ（ＫAB，ＲB ｜ＲA ）
Token ＳＡ＝Ｅ（ＫSA，ＲS ｜ＲA '｜ＩＤA ）
Token ＡＳ＝Ｅ（ＫSA，ＲA '｜ＲS ）
但し、上式において、
ＫAB：ストレージシステムマネージャＡとバッテリＢとの間で予め共有された鍵
ＫSA：バッテリ管理サーバＳとストレージシステムマネージャＡとの間で予め共有された鍵

前もって鍵を共有するための通信を行うようにしても良い。
ＲA ＲA '：ストレージシステムマネージャＡにおいて生成された乱数
ＲB ：バッテリＢにおいて生成された乱数
ＲS ：バッテリ管理サーバＳにおいて生成された乱数
乱数は、乱数発生器、バッテリの残容量情報、センサの情報等を使用して生成される。
ＩＤA：ストレージシステムマネージャＡのＩＤ（デバイスＩＤと適宜称する）
ＩＤB ：バッテリＢのＩＤ（バッテリＩＤと適宜称する）
Ｅ（Ｋ，Ｄ）：データＤを鍵Ｋによって暗号化したデータ
Ｄ１｜Ｄ２：データＤ１とＤ２とを連結したデータ

認証プロトコルは以下のように実行される。

ステップＳ１：バッテリＢが乱数ＲB を生成し、バッテリＩＤ（ＩＤB ）と連結してストレージシステムマネージャＡに送る。

ステップＳ２：ストレージシステムマネージャＡは、ステップＳ１の後に、乱数ＲA 'を生成し、デバイスＩＤ（ＩＤA ）と連結してバッテリ管理サーバＳに送る。

ステップＳ３：バッテリ管理サーバＳがデータを受け取った後に乱数ＲS を生成し、Token ＳＡをストレージシステムマネージャＡに送る。

ステップＳ４：バッテリＢから送られたデータを受け取ってからストレージシステムマネージャＡは、別の乱数ＲA を生成し、Token ＡＢをバッテリＢに対して送る。

ステップＳ５：ストレージシステムマネージャＡは、ステップＳ３で送られたToken ＳＡを復号し、復号したデータから取り出した乱数ＲA 'がステップＳ２で送った乱数と一致しているかどうかを判定すると共に、デバイスＩＤ（ＩＤA ）が正しいか否かを確認する。

ステップＳ６：ステップＳ４で送られたToken ＡＢを受け取ったバッテリＢは、Token ＡＢを復号し、復号したデータから取り出した乱数ＲB がステップＳ１で送った乱数と一致しているかどうかを判定すると共に、バッテリＩＤ（ＩＤB ）が正しいか否かを確認する。

ステップＳ７：ステップＳ６の判定および確認の結果がＯＫの場合には、バッテリＢがToken ＢＡをストレージシステムマネージャＡに送る。若し、ＯＫでない場合には、ＮＧの情報をストレージシステムマネージャＡに送る。

ステップＳ８：ストレージシステムマネージャＡは、Token ＢＡを受け取って、Token ＢＡを復号し、復号したデータから取り出した乱数ＲB がステップＳ１で送られたものと一致しているか否かを判定すると共に、乱数ＲA がステップＳ４で送った乱数と一致しているか否かを判定する。判定結果が共に一致の場合には、ストレージシステムマネージャＡとバッテリＢとの相互認証が完了する。そうでない場合には、相互認証が成立していないと決定される。

ステップＳ９：ステップＳ５の判定および確認の結果がＯＫの場合には、ストレージシステムマネージャＡがToken ＡＳをバッテリ管理サーバＳに送る。若し、ＯＫでない場合には、ＮＧとする。

ステップＳ１０：バッテリ管理サーバＳがToken ＡＳを受け取り、Token ＳＡを復号し、復号したデータから取り出した乱数ＲA 'がステップＳ２で送られた乱数と一致しているかどうかを判定する。一致すると判定されると、バッテリ管理サーバＳとストレージシステムマネージャＡとの相互認証が完了する。

ステップＳ１１：バッテリ管理サーバＳは、ステップＳ１０の認証が成立すると、バッテリＩＤ（ＩＤB ）に関してデータベースを検索する。当該バッテリに関して事故情報、リコール情報が無いことを確認する。事故情報およびリコール情報が無いことを確認すると、ＯＫの情報とバッテリＢを充電するのに必要な充電制御情報ｉｎｆｏをストレージシステムマネージャＡに送る。ステップＳ１０における相互認証が成立しない場合には、成立しないことを示すＮＧが送られる。

ステップＳ１２：ストレージシステムマネージャＡは、ステップＳ１１において、ＯＫの情報をバッテリ管理サーバＳから受け取ると、受け取った充電制御情報を使用してバッテリＢに対する充電を開始する。

バッテリ管理サーバＳは、充電中、バッテリＢおよびストレージシステムマネージャＡの動作を監視し、正常動作時のデータからの逸脱が検知された場合、ストレージシステムマネージャＡに警告を発する。充電が完了すると、ストレージシステムマネージャＡの表示装置に充電完了のメッセージが表示される。さらに、充電が完了すると、バッテリ管理サーバＳ上において、当該バッテリＢのステータスの更新が行われる。そして、バッテリ管理サーバＳとストレージシステムマネージャＡとの間のセッションが切断される。

若し、バッテリ管理サーバＳからストレージシステムマネージャＡがＮＧを受け取ると、認証が失敗したものと決定され、ストレージシステムマネージャＡの表示装置に認証が失敗したことを表すメッセージが表示される。この場合では、ストレージシステムマネージャＡによって、バッテリＢの充電動作が開始されない。

上述した認証プロトコルの順序は、一例であって、バッテリ管理サーバＳとストレージシステムマネージャＡとの間の相互認証と、ストレージシステムマネージャＡとバッテリＢとの間の相互認証とは、独立に、並行して実行することができる。そのことによって、認証時間を短縮できる。

また、あらかじめバッテリ管理サーバＳとストレージシステムマネージャＡ間で相互認証が行われネットワークが接続されている場合は、ストレージシステムマネージャＡとバッテリＢ間のみ相互認証を行い、認証完了をバッテリ管理サーバＳに通知してステップＳ１１にてバッテリＢの異常・事故情報、リコール情報や充電制御情報を得て充電を開始する。

さらに、ネットワークと未接続の環境（オフライン環境）においては、ユーザはバッテリ管理サーバＳに問い合わせを行わないモードを選択することができる。すなわち、ストレージシステムマネージャＡとバッテリＢとの間の相互認証のための処理（ステップＳ１，Ｓ４，Ｓ６，Ｓ７，Ｓ８）が完了すれば充電が開始される。オフライン環境では、充電制御情報をバッテリ管理サーバから受け取ることができないので、バッテリＢに同梱されている記録媒体に充電制御情報を記録しておくことが望ましい。

なお、ネットワーク未接続（オフライン）モードでは、バッテリ管理サーバＳからバッテリＢの異常・事故情報、リコール情報や充電制御情報を得ることができない。ストレージシステムマネージャＡではホームネットワーク内で利用中のバッテリＢの最新情報を常に保持しておくようにし、ネットワーク未接続（オフライン）モードではユーザの指定により、この情報を使えるようにしておく。

また、ネットワーク未接続（オフライン）モードでは、バッテリＢのステータスをバッテリ管理サーバＳにアップロードすることができない。よってストレージシステムマネージャＡがバッテリＢのステータスを保持しておき、次回バッテリ管理サーバＳ接続時に送信し、バッテリ管理サーバＳ側はその情報に基づきバッテリ情報を更新する。

また、このリプレイ攻撃（再送攻撃）などによる認証プロトコルの偽造やなりすましを防ぐためには、それぞれのエンティティで生成される乱数ＲS, ＲA, ＲB のランダム性が重要である。バッテリ管理サーバＳやストレージシステムマネージャＡにおいて乱数生成モジュールを搭載することは可能と考えられるが、個々のバッテリに乱数生成モジュールを搭載することはリソースおよびコストの観点からも現実的ではない。バッテリでは、ばらつきの大きい電流値の下位ビットデータを時刻情報やバッテリＩＤ等と組み合わせて生成することが考えられる。

「バッテリ利用(放電)時の認証」
上述した認証処理は、バッテリを充電する場合の処理である。バッテリをアプリケーションに装着して使用する場合、バッテリとアプリケーションとの間の相互認証が行われる。バッテリ利用時の相互認証も上述したストレージシステムマネージャとバッテリとの間の相互認証と同様のプロトコルによって行われる。

バッテリ１０７はアプリケーション１０９に装着されると、図１２に示す認証プロトコルを実行した後、放電が開始され、アプリケーション１０９が利用可能となる。ここでは、アプリケーション１０９にもＩＤが付与されているものとする。また、バッテリＢとバッテリ管理サーバＳおよびシステムマネージャＡとは、あらかじめ図１１に示したようなプロトコルによって相互認証が完了し、ネットワーク接続されているものとする。

図１２に示される認証プロトコル中のトークンは、下記に示す通りである。
Token ＢＣ＝Ｅ（ＫBC，ＲB ｜ＲC ｜ＩＤC ）
TokenＣＢ＝Ｅ（ＫBC，ＲC ｜ＲB ）
但し、上式において、
ＫBC：バッテリＢとアプリケーションＣとの間で予め共有された鍵
前もって鍵を共有するための通信を行うようにしても良い。

ＲB ：バッテリＢにおいて生成された乱数
ＲC ：アプリケーションＣにおいて生成された乱数
乱数は、乱数発生器、バッテリの残容量情報、センサの情報等を使用して生成される。
ＩＤC ：アプリケーションＣのＩＤ（アプリケーションＩＤと適宜称する）
Ｅ（Ｋ，Ｄ）：データＤを鍵Ｋによって暗号化したデータ
Ｄ１｜Ｄ２：データＤ１とＤ２とを連結したデータ

認証プロトコルは以下のように実行される。

ステップＳ２１：アプリケーションＣが乱数ＲC を生成し、アプリケーションＩＤ（ＩＤC ）と連結してバッテリＢに送る。

ステップＳ２２：バッテリＢは、ステップＳ２１の後に、乱数ＲB を生成し、Token ＢＣを生成し、Token ＢＣをアプリケーションＣに送る。

ステップＳ２３：アプリケーションＣは、ステップＳ２２で送られたToken ＢＣを受け取り、Token ＢＣを復号し、復号したデータから取り出した乱数ＲC がステップＳ２１で送った乱数と一致しているかどうかを判定すると共に、アプリケーションＩＤ（ＩＤC ）が正しいか否かを確認する。

ステップＳ２４：アプリケーションＣは、ステップＳ２３の判定および確認の結果がＯＫの場合には、Token ＣＢをバッテリＢに送る。若し、ＯＫでない場合には、ＮＧの情報をバッテリＢに送る。

ステップＳ２５：バッテリＢは、ステップＳ２４で送られたToken ＣＢを受け取り、Token ＣＢを復号し、復号したデータから取り出した乱数ＲC がステップＳ２１で送った乱数と一致しているかどうかを判定すると共に、乱数ＲB がステップＳ２２で送った乱数と一致しているかどうかを判定する。判定結果が共に一致の場合には、バッテリＢとアプリケーションＣとの相互認証が完了する。そうでない場合には、相互認証が成立していないと決定され、処理が終了する。

ステップＳ２６：ステップＳ２５の判定の結果がＯＫの場合には、バッテリＢがバッテリＩＤ（ＩＤB ）およびアプリケーションＩＤ（ＩＤC ）を送る。

ステップＳ２７：バッテリ管理サーバＳは、ＩＤB およびＩＤC をキーとしてデータベースを検索する。当該バッテリに関して事故情報、リコール情報が無いことを確認する。さらに、アプリケーションＣでの当該バッテリの利用適正をチェックする。問題が無いことを確認すると、ＯＫの情報とアプリケーションＣでの利用に必要な放電制御情報ｉｎｆｏをストレージシステムマネージャＡに送る。問題があると判定されると、ＮＧが送られる。

ステップＳ２８：ストレージシステムマネージャＡは、受け取った情報を保持し，バッテリＢに対して必要な情報を送る。

ステップＳ２９：バッテリＢは、ステップＳ２８において、ＯＫの情報を受け取り次第、受け取った放電制御情報にしたがって放電を開始する。このように、アプリケーションＣの利用が可能となる。

ストレージシステムマネージャ２０２は、バッテリ１０７およびアプリケーション１０９の動作を監視し、正常動作時データからの逸脱が検知された場合、表示装置１１０に警告を表示する。また、バッテリ利用情報をバッテリ管理サーバ１０８に定期的にアップロードする。アプリケーション１０９がモバイルアプリケーションの場合、外出先から外部ネットワークを介してバッテリ管理サーバ１０８またはストレージシステムマネージャ２０２に対して情報を送り、上述した制御に準じた監視制御を行う。

１００・・・ホームエネルギーコアシステム
１０１・・・ホームエネルギーネットワークコアシステム
１０７・・・バッテリ
２０１・・・デバイスマネージャ
２０２・・・ストレージシステムマネージャ
２０３・・・電力調整装置
２０４・・・ホームコントローラ

Claims (4)

1. 可搬型であり、車両用の電源および家庭用の電源として使用可能なエネルギーデバイスと、
   充電装置を有するストレージシステムマネージャと、
   異なる種類の前記エネルギーデバイスを着脱可能であり、装着構造が他の機器の接続部の装着構造と共通化された接続部を複数、有し、前記エネルギーデバイスと前記ストレージシステムマネージャとの間のインターフェースとしてのデバイスマネージャと、
   電力網および家庭の交流電源ラインに接続された電力調整装置と
   を備え、
   前記電力調整装置を介して前記ストレージシステムマネージャに対して電力が供給可能とされており、
   前記ストレージシステムマネージャが有する前記充電装置は、前記デバイスマネージャの接続部に装着されたエネルギーデバイスに対して、前記電力調整装置を介して供給される電力を使用して充電処理を実行し、
   前記デバイスマネージャは、前記接続部に装着された前記エネルギーデバイスの状態を管理し、
   前記エネルギーデバイスと前記ストレージシステムマネージャとの間の第１の認証と、前記ストレージシステムマネージャと前記エネルギーデバイスに関する情報を管理するサーバとの間の第２の認証とが実行され、
   前記第１の認証は、前記接続部に接続される異なる種類の前記エネルギーデバイスに関して共通化された認証プロトコルに基づいて実行される
   電力制御システム。
2. 前記ストレージシステムマネージャと家庭内のエネルギーを管理するホームコントローラとが接続された請求項１に記載の電力制御システム。
3. 前記ストレージシステムマネージャが、前記サーバにネットワークを介して接続されており、前記充電装置は、前記サーバから得られる充電制御情報に基づいて充電処理を実行する請求項１または２に記載の電力制御システム。
4. 前記第１の認証と前記第２の認証とが並行して実行される請求項１乃至３のいずれかに記載の電力制御システム。

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