JP2012143033A

JP2012143033A - 電力制御システム

Info

Publication number: JP2012143033A
Application number: JP2010292249A
Authority: JP
Inventors: Shinya Kawamoto; 真也川本; Yasuhiro Ogura; 靖弘小倉; Tamotsu Endo; 保遠藤
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2010-12-28
Filing date: 2010-12-28
Publication date: 2012-07-26
Anticipated expiration: 2030-12-28
Also published as: JP5649440B2; CN102545304A; US20120161701A1

Abstract

【課題】契約電力を小さくできる電力制御システムを提供する。
【解決手段】家電力制御装置１、車電力制御装置２、これら間を結ぶ電力ケーブル３を備え、家電力制御装置は、制御信号を生成する制御信号生成部１１と、充電量指示の制御信号に応じて開閉し、配電系統からの交流電力を通過／阻止するスイッチ１２と、スイッチからの交流電力を電力ケーブルに送るか電力ケーブルからの直流電力を出力するかを充放電指示の制御信号に応じて切り替える家側切替器１３と、放電量指示の制御信号に応じて家側切替器からの直流電力を交流電力に変換して配電系統に送る交直変換装置を備え、車電力制御装置は、直流電力を蓄電する車載電池２１と、車載電池からの直流電力を電力ケーブルに送るか電力ケーブルからの交流電力を出力するかを充放電指示の制御信号に応じて切り替える車側切替器２２と、車側切替器からの交流電力で車載電池を充電する充電器２３を備える。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、家庭における電力を管理する電力制御システムに関する。

電気自動車に搭載された蓄電池（以下、「車載電池」という）のエネルギーを宅内で利用することをＶ２Ｈ（Vehicle to Home）といい、電気自動車が移動手段として使われない時に、大容量の車載電池は電力貯蔵設備として利用される。これを宅内連系での利用という。
家庭内の省エネ技術として代表的なものにＨＥＭＳ（Home Energy Management System）が知られている。これは宅内の家電機器や給湯機器をネットワークでつないで自動制御するシステムであり、エネルギー利用状況を見えるようにすることでユーザに省エネを促し、また、機器のエネルギー使用量を制限することができる。このＨＥＭＳとＶ２Ｈを組み合わせ、家庭内の蓄電設備として電気自動車を利用するための技術開発が、現在進められている。

また、電気自動車を電力系統に連系し、車と系統との間で電力融通を行うことをＶ２Ｇ（Vehicle to Grid）といい、これも、電気自動車が移動手段として使われない時に、大容量の車載電池が電力貯蔵設備として利用される。これを系統連系での利用という。出力が不安定な風力発電や太陽光発電などの再生可能エネルギーを電力系統に連系する有効な手段の１つとしてスマートグリッドが知られている。これは、情報通信技術を使用して既存の電力系統と蓄電池、分散型電源などを融合させ、双方向で電力融通できるようにする技術である。

ところで、現在の電気自動車は、電力系統（配電系統）から車載電池への充電のみが可能であり、逆方向、つまり車載電池から配電系統への放電はできない。車載電池から配電系統への放電を行うためには、車載電池の直流電力を配電系統の交流電力に変換するための交直変換装置（ＰＣＳ：Power Conditioning System）を車側または家側に備える必要がある。また、配電系統から車載電池へ充電する場合に充電量をコントロールできない。さらに、配電系統から車載電池へ充電する場合に、家側と車側とを充電用のケーブルで接続する必要があるが、現行のケーブルでは制御信号のやりとりができない。

特開平５−２０７６６８号公報

上述したように、従来の電力制御システムでは、配電系統から車載電池への充電のみが可能であり、逆方向、つまり、車載電池に蓄えられた電気エネルギーを家庭に戻すことができない。仮に、車載電池に蓄えられた電気エネルギーを家庭に戻すことができれば、家庭における電力負荷が大きくなったときに配電系統からの電力負荷のピークを低減できるが、現状では、家庭における電力負荷が大きくなっても配電系統からの電力負荷のピークを低減できず、契約電力が大きくなってしまう。

本発明の課題は、契約電力を小さくできる電力制御システムを提供することにある。

実施形態に係る電力制御システムによれば、家側の電力を制御する家電力制御装置と、車側の電力を制御する車電力制御装置と、家電力制御装置と車電力制御装置との間で電力を送受する電力ケーブルを備え、家電力制御装置は、制御信号を生成する制御信号生成部と、制御信号生成部から送られてくる充電量を指示する制御信号に応じて開閉することにより配電系統からの交流電力の通過または阻止を制御するスイッチと、スイッチからの交流電力を電力ケーブルを介して家から車に送るか、該電力ケーブルを介して車からの直流電力を配電系統側に出力するかを、制御信号生成部から送られてくる充放電を指示する制御信号に応じて切り替える家側切替器と、制御信号生成部から送られてくる放電量を指示する制御信号に応じて家側切替器から出力される直流電力を交流電力に変換して配電系統に送り出す交直変換装置を備え、車電力制御装置は、直流電力を蓄電する車載電池と、車載電池からの直流電力を電力ケーブルに送るか、該電力ケーブルからの交流電力を出力するかを制御信号生成部から送られてくる充放電を指示する制御信号に応じて切り替える車側切替器と、車側切替器から出力される交流電力に基づき車載電池を充電する充電器を備えることを特徴とする。

本発明の第１の実施形態に係る電力制御システムの構成を示すブロック図である。本発明の第２の実施形態に係る電力制御システムの構成を示すブロック図である。本発明の第３の実施形態に係る電力制御システムの構成を示すブロック図である。本発明の第４の実施形態に係る電力制御システムの構成を示すブロック図である。本発明の第５の実施形態に係る電力制御システムの構成を示すブロック図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る電力制御システムの構成を示すブロック図である。この電力制御システムは、家電力制御装置１、車電力制御装置２、電力ケーブル３および通信ケーブル４を備えている。なお、電力ケーブル３および通信ケーブル４は、家電力制御装置１および車電力制御装置２にそれぞれ設けられたコネクタに嵌合されるが、図１ではコネクタの描画を省略している。

まず、家電力制御装置１について説明する。家電力制御装置１は、制御信号生成部１１、スイッチ１２、家側切替器１３および交直変換装置（以下、「ＰＣＳ」という）１４を備えている。

制御信号生成部１１は、充放電（充電（＋）または放電（−））を指示する制御信号を生成して家側切替器１３に送るとともに、充電量（０〜１００％）を指示する制御信号を生成してスイッチ１２に送り、更に、放電量（−１００〜０％）を指示する制御信号を生成してＰＣＳ１４に送る。なお、制御信号生成部１１は、家内で交流電力が不足する場合に、充放電を指示する制御信号によって放電を指示するように構成できる。

スイッチ１２は、例えば半導体スイッチまたは電磁リレーなどから成るオン／オフスイッチから構成されており、制御信号生成部１１から送られてくる充電量を指示する制御信号に応じて開閉し、配電系統から入力される交流電力の通過または阻止を制御する。スイッチ１２を通過した交流電力は、家側切替器１３に送られる。スイッチ１２のオンデューティによって、０〜１００％の充電量が指示される。

家側切替器１３は、例えば電磁リレーまたは半導体スイッチなどからなる３端子スイッチから構成されており、スイッチ１２からの交流電力を電力ケーブル３に送るか、電力ケーブル３からの直流電力をＰＣＳ１４に送るかを、制御信号生成部１１から送られてくる充放電を指示する制御信号に応じて切り替える。
具体的には、充放電を指示する制御信号によって充電が指示された場合には、共通端子Ｃは端子Ａに接続され、スイッチ１２からの交流電力を電力ケーブル３に送る。一方、放電が指示された場合は、共通端子Ｃは端子Ｂに接続され、電力ケーブル３からの直流電力をＰＣＳ１４に送る。

ＰＣＳ１４は、家側切替器１３から出力される直流電力を交流電力に変換し、制御信号生成部１１から送られてくる放電量を指示する制御信号に応じた−１００〜０％の放電量で配電系統に送り出す。ＰＣＳ１４としては、家庭用ＰＶ（Photovoltaic）向けＰＣＳを用いることができる。

次に、車電力制御装置２について説明する。車電力制御装置２は、車載電池２１、車側切替器２２および充電器２３を備えている。

車載電池２１は、蓄電池から構成されており、直流電力を蓄える。この車載電池２１に蓄えられた直流電力は、例えば電気自動車の動力源としてモータ（図示しない）に供給される他に、車側切替器２２から家電力制御装置１を介して配電系統に送られ、家庭内の電気エネルギーとして使用される。

車側切替器２２は、例えば電磁リレーまたは半導体スイッチなどからなる３端子スイッチから構成されており、車載電池２１からの直流電力を電力ケーブル３に送るか、電力ケーブル３からの交流電力を充電器２３に供給するかを、家電力制御装置１の制御信号生成部１１から送られてくる充放電を指示する制御信号に応じて切り替える。
具体的には、充放電を指示する制御信号によって充電が指示された場合には、共通端子Ｃは端子Ａに接続され、電力ケーブル３からの交流電力を充電器２３に供給する。一方、放電が指示された場合は、共通端子Ｃは端子Ｂに接続され、車載電池２１からの直流電力を電力ケーブル３に送る。

充電器２３は、車側切替器２２からの交流電力を直流電力に変換し、車載電池２１に送る。これにより、車載電池２１が充電される。

以上説明したように、第１の実施形態によれば、家電力制御装置１と車電力制御装置２と間の電力ケーブル３を充電時と放電時とで切り替えて使用するので、車電力制御装置２からの直流電力を家電力制御装置１に戻すための独立した電力ケーブルは不要である。その結果、車体外周りの改造は不要である。

また、直流電力から交流電力への変換を家側の家電力制御装置１で行うので、車体外周りの改造は不要である。また、直流電力から交流電力への変換を家側の家電力制御装置１に含まれる家庭用ＰＶなみのＰＣＳで行うので、ＰＣＳの系統連係機能を利用できる。

また、交流電源のオン／オフの制御のみで０〜＋１００％を制御するので、電気自動車の主要回路の変更が不要である。

（第２の実施形態）
第２の実施形態は、第１の実施形態に係る電力制御システムの家電力制御装置１と車電力制御装置２との間の信号の送受を、通信ケーブル４を用いて行う代わりに、無線で行うようにしたものである。図２は、第２の実施形態に係る電力制御システムの構成を示すブロック図である。

この電力制御システムは、第１の実施形態に係る電力制御システムから通信ケーブル４が除去されるとともに、家電力制御装置１に家側通信部１５が追加され、車電力制御装置２に車側通信部２４が追加されて構成されている。

家電力制御装置１の家側通信部１５は、制御信号生成部１１から送られてくる充放電を指示する制御信号を無線、例えば電波または光などで送信する。

車電力制御装置２の車側通信部２４は、家側通信部１５から無線で送信されてくる信号を受信し、充放電を指示する制御信号として車側切替器２２に送る。

車側切替器２２は、車載電池２１からの直流電力を電力ケーブル３に送るか、電力ケーブル３からの交流電力を充電器２３に送るかを、家電力制御装置１の制御信号生成部１１から家側通信部１５および車側通信部２４を介して送られてくる充放電を指示する制御信号に応じて切り替える。

第２の実施形態によれば、家側と車側との間で行われる充放電を指示する制御信号の送受を無線で行うので、取り合いケーブルが不要となり、車体外周りの改造が不要となる。

なお、電力制御システムにおいて、車側切替器２２は、車載電池２１からの直流電力を電力ケーブル３に送るか、電力ケーブル３からの交流電力を出力するかを、ＰＬＣ（Power Line Communication）により送られてくる充放電を指示する制御信号、具体的には、家電力制御装置１の制御信号生成部１１から電力ケーブル３で送受される電力（交流電力または直流電力）に重畳して送られてくる充放電を指示する制御信号に応じて切り替えるように変形できる。この第２の実施形態の変形例によれば、第２の実施形態と同様の効果が得られる。

（第３の実施形態）
第３の実施形態は、第１の実施形態に係る電力制御システムの家電力制御装置１を、既設のＰＶの機能を利用して構成したものである。図３は、第３の実施形態に係る電力制御システムの構成を示すブロック図である。この電力制御システムは、第１の実施形態に係る家電力制御装置１からＰＣＳ１４が除去されるとともに、ＤＣ−ＤＣ変換器１６、ＰＶ装置および太陽光発電用の交直変換装置（以下、「ＰＶ−ＰＣＳ」という）１８が追加されて構成されている。

ＤＣ−ＤＣ変換器１６は、制御信号生成部１１から送られてくる放電量を指示する制御信号に応じて、家側切替器１３から出力される直流電力の電圧を太陽光発電による電圧に応じた電圧に変換し、ＰＶ−ＰＣＳ１８に送る。この際、放電量を指示する制御信号としては、オンデューティを可変にする信号を用いることができる。

ＤＣ−ＤＣ変換器１６の出力端には、ＰＶ装置１７が接続されており、太陽光発電により発生された直流電力が供給される。なお、簡易的な構成として、ＤＣ−ＤＣ変換器１６の代わりに、アノードが家側切替器１３に接続されたダイオードを用いるように構成することもできる。

ＰＶ−ＰＣＳ１８は、ＤＣ−ＤＣ変換器１６からの直流電力およびＰＶ装置１７からの直流電力を交流電力に変換して配電系統に送り出す。

以上説明したように、第３の実施形態によれば、放電量を−１００％〜０％にする制御をＤＣ−ＤＣ変換器１６で行うので、ＰＶのＰＣＳを共用することができる。その結果、ＰＣＳの改造が不要となる。

（第４の実施形態）
第４の実施形態は、第１の実施形態に係る電力制御システムにおける充電量の制御を車電力制御装置２で行うようにしたものである。図４は、第４の実施形態に係る電力制御システムの構成を示すブロック図である。
この電力制御システムは、第１の実施形態に係る電力制御システムの家電力制御装置１からスイッチ１２が除去されるとともに、制御信号生成部１１で生成された充電量を指示する制御信号が通信ケーブル４を介して車電力制御装置２に送られるように構成されている。車電力制御装置２には、充電コントローラ２５が追加されて構成されている。

充電コントローラ２５は、制御信号生成部１１から通信ケーブル４を介して送られてくる充電量を指示する制御信号と車載電池２１から送られてくる電池残量を示す信号とに基づき充電量を指示する充電量制御信号を生成し、充電器２３に送る。これにより、充電器２３は、充電コントローラ２５からの充電量制御信号に応じた充電量で車載電池２１を充電する。

第４の実施形態によれば、家電力制御装置１からの指示に応じて、車電力制御装置２の充電器２３を制御することにより、充電量を０〜１００％にする制御を行うので、家側にスイッチを設ける必要がない。

（第５の実施形態）
第５の実施形態は、第１の実施形態に係る電力制御システムの家電力制御装置１における制御信号生成部１１の動作をスマートメータ５で制御するようにしたものである。図５は、第５の実施形態に係る電力制御システムの構成を示すブロック図である。

スマートメータ５は、センタ（例えば、電力会社）との間で通信を行うための通信機能を有する電力計である。スマートメータ５は、電力会社から通信による指示を受けて制御信号生成部１１に対し、その動作を指示する指令を送る。この指令には、充放電を指示する制御信号、充電量を指示する制御信号および放電量を指示する制御信号を生成すべき旨の指示が含まれる。

制御信号生成部１１は、スマートメータ５からの指令に応じて充放電を指示する制御信号を生成して家側切替器１３および車電力制御装置２に送り、充電量を指示する制御信号を生成してスイッチ１２に送り、および／または、放電量を指示する制御信号を生成してＰＣＳ１４に送る。

第５の実施形態によれば、スマートメータ５を用いて充放電の指示、充電量の指示および放電量の指示を行うので、操作が簡単になる。

なお、第５の実施形態は、第１の実施形態に係る電力制御システムの家電力制御装置１における制御信号生成部１１の動作をスマートメータ５で制御するようにしたものであるが、第４の実施形態に係る電力制御システムの家電力制御装置１における制御信号生成部１１の動作をスマートメータ５で制御するように構成することもできる。
以上のように、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１‥家電力制御装置、２‥車電力制御装置、３‥電力ケーブル、４‥通信ケーブル、５‥スマートメータ、１１‥制御信号生成部、１２‥スイッチ、１３‥家側切替器、１４‥交直変換装置（ＰＣＳ）、１５‥家側通信部、１６‥ＤＣ−ＤＣ変換器、１７‥ＰＶ装置、１８‥太陽光発電用交直変換装置（ＰＶ−ＰＣＳ）、２１‥車載電池、２２‥車側切替器、２３‥充電器、２４‥車側通信部、２５‥充電コントローラ。

Claims

家側の電力を制御する家電力制御装置と、
車側の電力を制御する車電力制御装置と、
前記家電力制御装置と前記車電力制御装置との間で電力を送受する電力ケーブルとを備えた電力制御システムであって、
前記家電力制御装置は、
制御信号を生成する制御信号生成部と、
前記制御信号生成部から送られてくる充電量を指示する制御信号に応じて開閉することにより配電系統からの交流電力の通過または阻止を制御するスイッチと、
前記スイッチからの交流電力を前記電力ケーブルを介して家から車に送るか、該電力ケーブルを介して車からの直流電力を配電系統側に出力するかを、前記制御信号生成部から送られてくる充放電を指示する制御信号に応じて切り替える家側切替器と、
前記制御信号生成部から送られてくる放電量を指示する制御信号に応じて前記家側切替器から出力される直流電力を交流電力に変換して配電系統に送り出す交直変換装置とを備え、
前記車電力制御装置は、
直流電力を蓄電する車載電池と、
前記車載電池からの直流電力を前記電力ケーブルに送るか、該電力ケーブルからの交流電力を出力するかを前記制御信号生成部から送られてくる充放電を指示する制御信号に応じて切り替える車側切替器と、
前記車側切替器から出力される交流電力に基づき前記車載電池を充電する充電器とを備えることを特徴とする電力制御システム。
前記家電力制御装置と前記車電力制御装置との間で情報を送受する通信ケーブルを備え、
前記車側切替器は、前記車載電池からの直流電力を前記電力ケーブルに送るか、該電力ケーブルからの交流電力を出力するかを、前記制御信号生成部から前記通信ケーブルを介して送られてくる充放電を指示する制御信号に応じて切り替えることを特徴とする請求項１記載の電力制御システム。
前記家電力制御装置は、前記制御信号生成部から送られてくる充放電を指示する制御信号を無線で送信する家側通信部を備え、
前記車電力制御装置は、前記家側通信部から無線で送られてくる充放電を指示する制御信号を受信する車側通信部を備え、
前記車側切替器は、前記車載電池からの直流電力を前記電力ケーブルに送るか、該電力ケーブルからの交流電力を出力するかを、前記制御信号生成部から前記家側通信部および前記車側通信部を介して送られてくる充放電を指示する制御信号に応じて切り替えることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の電力制御システム。
前記車側切替器は、前記車載電池からの直流電力を前記電力ケーブルに送るか、該電力ケーブルからの交流電力を出力するかを、前記制御信号生成部から前記電力ケーブルで送受される交流電力または直流電力に重畳して送られてくる充放電を指示する制御信号に応じて切り替えることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の電力制御システム。
前記家電力制御装置は、前記制御信号生成部から送られてくる放電量を指示する制御信号に応じて前記家側切替器から出力される直流電力の電圧を太陽光発電による電圧に応じた電圧に変換するＤＣ−ＤＣ変換器を備え、
前記交直変換装置は、前記ＤＣ−ＤＣ変換器から出力される直流電力を交流電力に変換して配電系統に送り出すことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の電力制御システム。
家側の電力を制御する家電力制御装置と、
車側の電力を制御する車電力制御装置と、
前記家電力制御装置と前記車電力制御装置との間で電力を送受する電力ケーブル
とを備えた電力制御システムであって、
前記家電力制御装置は、
制御信号を生成する制御信号生成部と、
配電系統からの交流電力を前記電力ケーブルに送るか、該電力ケーブルからの直流電力を出力するかを、前記制御信号生成部から送られてくる充放電を指示する制御信号に応じて切り替える家側切替器と、
前記制御信号生成部から送られてくる放電量を指示する制御信号に応じて前記家側切替器から出力される直流電力を交流電力に変換して配電系統に送り出す交直変換装置とを備え、
前記車電力制御装置は、
直流電力を蓄電する車載電池と、
前記車載電池からの直流電力を前記電力ケーブルに送るか、該電力ケーブルからの交流電力を出力するかを前記制御信号生成部から送られてくる充放電を指示する制御信号に応じて切り替える車側切替器と、
前記制御信号生成部から送られてくる充電量を指示する制御信号および前記車載電池から送られてくる電池残量を示す信号に応じて充電量を指示する充電量制御信号を生成する充電コントローラと、
前記車側切替器から出力される交流電力に基づき、前記充電コントローラからの充電制御信号に応じた充電量で前記車載電池を充電する充電器と、
を備えることを特徴とする電力制御システム。
通信により受け取った指示に応じた指令を出力するスマートメータを備え、
前記制御信号生成部は、前記スマートメータからの指令に応じて制御信号を生成することを特徴とする請求項１または請求項６記載の電力制御システム。