JP2020114063A - 電力管理装置 - Google Patents

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環 小澤
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正晶 清原
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Toshiyuki Nagase
敏之 長瀬
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Hajime Kushima
肇 久嶋
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Yuki Shimizu
雄紀 清水
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昭夫 魚谷
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Abstract

【課題】電力需要の平準化(ダックカーブ現象の解消)に適切に貢献可能な電力管理装置を提供する。【解決手段】HEMS(電力管理装置)は、車両の蓄電装置から受電可能に構成された第1入出力部(第1受電部)と、車両には搭載されない予備蓄電装置から受電可能に構成された第2入出力部(第2受電部)と、車両の蓄電装置から第1入出力部が受ける電力、および予備蓄電装置から第2入出力部が受ける電力の少なくとも一方を系統電力網に供給するための処理を実行するように構成された制御装置とを備える。制御装置は、予め定められた放電時間帯(電力需要が高い時間帯)において、放電ノルマ電力を車両から受けることができない場合には、放電ノルマ電力を予備蓄電装置から系統電力網へ放電(供給)する。【選択図】図3

Description

本開示は、系統電力網に電力を供給する電力管理装置に関する。
近年、ハイブリッド車両や電気自動車等の比較的大容量の蓄電装置を搭載する電動車両について、系統電力網から電力の供給を受けて電動車両の蓄電装置を充電したり、スマートグリッドなどに見られるように、電動車両を電力供給源として考え、電動車両から系統電力網を経由して他の供給先に電力を供給したりする技術が公知である。また、電動車両がたとえばハイブリッド車両である場合には、走行中にエンジンにより発電した電力を用いて蓄電装置を充電することが可能となる。
このような電動車両に関して、たとえば、特開2001−314004号公報(特許文献1)には、たとえば、ナビゲーション装置の走行経路情報と交通センタから入手した交通情報とを加味することにより作成される、予想走行経路上の車速パターンを用いて充放電スケジュールを設定し、設定された充放電スケジュールに従ってバッテリの充電率を制御することによって、燃料消費量の少ない走行を実現するハイブリッド車両が開示される。
特開2001−314004号公報
近年、太陽光エネルギを利用して発電する太陽光発電システムから系統電力網に電力を供給することによって日中の電力供給不足の解消が図られている。しかしながら、太陽光発電システムの普及が進むほど日中の需要電力が低下するのに対して、電動車両の普及が進むほど夜間に充電が行なわれる車両が増加し需要電力が上昇する。その結果、1日において需要電力が日中と夜間とで急峻に変動する、いわゆる、需要電力のダックカーブ現象の顕在化が問題となっている。そのため、需要電力の変動の改善が求められている。
上述の公報に開示されている技術は、電動車両の単独での燃費向上を図るものに過ぎず、電動車両の普及が進むことによる需要電力のダックカーブ現象の顕在化を解消する技術について何ら示されてない。
本開示は、上述の課題を解決するためになされたものであって、その目的は、電力需要の平準化(ダックカーブ現象の解消)に適切に貢献可能な電力管理装置を提供することである。
本開示による電力管理装置は、電動車両から受ける電力を系統電力網に供給可能な電力設備であって、電動車両に搭載される第1蓄電装置から受電可能に構成された第1受電部と、電動車両に搭載されない予備用の第2蓄電装置から受電可能に構成された第2受電部と、電動車両の第1蓄電装置から第1受電部が受ける電力、および第2蓄電装置から第2受電部が受ける電力の少なくとも一方を系統電力網に供給するように構成された電力管理装置とを備える。電力管理装置は、予め定められた放電時間帯において、予め定められた割り当て分の電力を電動車両から受けることができるか否かを判定する。電力管理装置は、割り当て分の電力を電動車両から受けることができる場合には割り当て分の電力を電動車両の第1蓄電装置から系統電力網へ供給する。電力管理装置は、割り当て分の電力を電動車両から受けることができない場合には割り当て分の電力を第2蓄電装置から系統電力網へ供給する。
上記の電力管理装置は、予め定められた放電時間帯(たとえば電力需要が高い時間帯)において、予め定められた割り当て分の電力を電動車両から受けることができない場合には、割り当て分の電力を予備用の第2蓄電装置から系統電力網へ供給する。そのため、割り当て分の電力(放電ノルマ電力)を電動車両から受けることができない場合であっても、割り当て分の電力を系統電力網へ供給することができる。その結果、電力需要の平準化(ダックカーブ現象の解消)に適切に貢献することができる。
本開示によれば、電力需要の平準化(ダックカーブ現象の解消)に適切に貢献可能な電力管理装置を提供することができる。
HEMS(Home Energy Management System)およびHEMSに接続可能な車両の構成の一例を概略的に示す図である。 需要電力の変化の一例を示す図である。 HEMSの制御装置が実行する処理手順の一例を示すフローチャートである。
以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。
図1は、本実施の形態に係るHEMS(電力管理装置)53およびHEMS53に接続可能な車両1の構成の一例を概略的に示す図である。車両1は、HEMS53との間で電力の授受が可能な電動車両(電気自動車、プラグインハイブリッド自動車など)である。本実施の形態においては、車両1は、たとえば、プラグインハイブリッド自動車の構成を一例として説明する。
車両1は、蓄電装置20と、システムメインリレー(SMR:System Main Relay)21と、パワーコントロールユニット(PCU:Power Control Unit)22と、第1モータジェネレータ(以下「第1MG」とも記載する)61と、第2モータジェネレータ(以下「第2MG」とも記載する)62と、エンジン63と、動力分割装置64と、動力伝達ギヤ65と、駆動輪66と、HMI(Human Machine Interface)装置70と、無線通信装置80と、制御装置100とを含む。
蓄電装置20は、再充電可能な直流電源であり、たとえば、リチウムイオン電池またはニッケル水素電池などの二次電池を含んで構成される。蓄電装置20として電気二重層キャパシタ等のキャパシタも採用可能である。蓄電装置20は、車両1の走行駆動力を生成するための電力をPCU22へ供給する。また、蓄電装置20は、第1MG61とエンジン63とを用いた発電動作によって発電された電力により充電されたり、第2MG62の回生制動により発電された電力により充電されたり、第1MG61または第2MG62の駆動動作により放電されたり、車両外部から供給される電力により充電されたり、車両外部への電力の供給により放電されたりする。
SMR21は、蓄電装置20とPCU22との間に電気的に接続されている。SMR21の閉成/開放は、制御装置100からの指令に従って制御される。
PCU22は、制御装置100からの指令に従って、蓄電装置20と第1MG61との間で電力変換を行なったり、蓄電装置20と第2MG62との間で電力変換を行なったりする。PCU22は、蓄電装置20から電力を受けて第1MG61または第2MG62を駆動するインバータと、インバータに供給される直流電圧のレベルを調整するコンバータ(いずれも図示せず)等とを含んで構成される。
第1MG61および第2MG62の各々は、三相交流回転電機であって、たとえば、永久磁石が埋設されたロータを備える永久磁石型同期電動機である。第1MG61および第2MG62は、いずれも電動機(モータ)としての機能と発電機(ジェネレータ)としての機能とを有する。第1MG61および第2MG62は、PCU22を介して蓄電装置20と接続される。
第1MG61は、たとえば、エンジン63の始動時においては、PCU22に含まれるインバータによって駆動され、エンジン63の出力軸を回転させる。また、第1MG61は、発電時においては、エンジン63の動力を受けて発電する。第1MG61によって発電された電力は、PCU22を介して蓄電装置20に蓄えられる。
第2MG62は、たとえば、車両1の走行時においては、PCU22に含まれるインバータによって駆動される。第2MG62の動力は、動力伝達ギヤ65を介して駆動輪66に伝達される。また、第2MG62は、たとえば、車両1の制動時においては、駆動輪66により第2MG62が駆動され、第2MG62が発電機として動作して、回生制動を行なう。第2MG62によって発電された電力は、PCU22を介して蓄電装置20に蓄えられる。
エンジン63は、ガソリンエンジンやディーゼルエンジンなどの燃料(ガソリンや軽油)を燃焼させて動力を出力する公知の内燃機関であって、スロットル開度(吸気量)や燃料供給量、点火時期などの運転状態を制御装置100によって電気的に制御できるように構成されている。制御装置100は、エンジン63が車両1の状態に基づいて設定される目標回転数および目標トルクで動作するように、エンジン63の燃料噴射量、点火時期および吸入空気量等を制御する。エンジン63の動力は、動力分割装置64よって駆動輪66に伝達される経路と第1MG61へ伝達される経路とに分割される。動力分割装置64は、たとえば、遊星歯車機構によって構成される。
車両1は、外部充電または外部給電を行なうための構成として、充放電リレー26と、電力変換装置27と、インレット28とをさらに備える。インレット28には、コネクタ32が連結される。コネクタ32は、ケーブル31を介して住宅5のHEMS53に連結される。図1においては、コネクタ32がインレット28に取り付けられた状態が示されるが、コネクタ32は、インレット28から脱着可能に構成され、外部充電または外部給電が行なわれる場合にインレット28にコネクタ32が取り付けられ、車両1が運転される場合にインレット28からコネクタ32が取り外される。
蓄電装置20の外部充電時には、HEMS53側からケーブル31、コネクタ32およびインレット28を介して電力が供給され、HEMS53から供給される電力が電力変換装置27において蓄電装置20の充電が可能な電力に変換され、変換された電力が蓄電装置20に供給される。一方、蓄電装置20の外部給電時には、蓄電装置20の電力が電力変換装置27においてHEMS53に給電可能な電力(たとえば交流電力)に変換され、変換された電力がインレット28、コネクタ32およびケーブル31を介してHEMS53に供給される。
充放電リレー26は、蓄電装置20と電力変換装置27との間に電気的に接続されている。充放電リレー26が閉成され、かつ、SMR21が閉成されると、インレット28と蓄電装置20との間で電力伝送が可能な状態となる。
電力変換装置27は、充放電リレー26とインレット28との間に電気的に接続されている。電力変換装置27は、制御装置100からの指令に従って、HEMS53から供給される電力を蓄電装置20の充電が可能な電力に変換したり、あるいは、蓄電装置20からの電力をHEMS53に給電可能な電力(たとえば交流電力)に変換したりする。
HMI装置70は、さまざまな情報をユーザに提供したり、ユーザの操作を受け付けたりする装置である。HMI装置70は、室内に設けられたタッチパネル付きディスプレイ、スピーカなどを含む。
無線通信装置80は、車両外部と各種情報等を通信するために構成される。無線通信装置80は、遠距離通信モジュール81と、近距離通信モジュール82とを含む。遠距離通信モジュール81は、たとえば、LTE(Long Term Evolution)通信モジュールを含む。遠距離通信モジュール81は、通信ネットワーク内の基地局(図示せず)との双方向のデータ通信が可能なように構成されている。近距離通信モジュール82は、車両1から近距離(たとえば、数メートルから数十メートル程度)にあるユーザの携帯端末(図示せず)や住宅5との双方向のデータ通信が可能なように構成されている。
制御装置100は、CPU(Central Processing Unit)101、メモリ(ROM(Read Only Memory)およびRAM(Random Access Memory)など)102、および、各種信号を入出力するための入出力ポート(図示せず)等を含んで構成されている。制御装置100は、車両1が所望の状態となるように車両1内の各機器(SMR21、PCU22、充放電リレー26、電力変換装置27およびエンジン63など)を制御する。制御装置100により実行される各種制御は、ソフトウェア処理、すなわち、メモリ102に格納されたプログラムがCPU101により読み出されることにより実行される。制御装置100による各種制御は、ソフトウェア処理に限られず、専用のハードウェア(電子回路)で処理してもよい。
制御装置100は、無線通信装置80を介して様々な情報をHEMS53に送信したり、HEMS53からの情報を受信したりする。なお、ユーザが携帯する携帯端末が無線通信装置80を介して車両1と通信することも可能である。
制御装置100は、たとえば、車両1の運転中であるときに、あるいは、車両1の駐車中に車両1がHEMS53に接続されているときに、蓄電装置20のSOC(State Of Charge)を算出する。なお、SOCの算出方法としては、たとえば、電流値積算(クーロンカウント)による手法、または、開放電圧(OCV:Open Circuit Voltage)の推定による手法など、種々の公知の手法を採用できる。
住宅5には、HEMS53と、通信装置58と、電気機器56と、予備蓄電装置54とが設けられる。
HEMS53は、ケーブル31を介して車両1との間で電力を授受する第1入出力部(第1受電部)53aと、予備蓄電装置54との間で電力を授受する第2入出力部(第2受電部)53bと、系統電力網8との間で電力を授受する第3入出力部53cと、電気機器56に給電するための出力部53dと、制御装置53eとを含む。
通信装置58は、車両1の無線通信装置80と通信可能に構成される。HEMS53は、通信装置58を経由して車両1との間で情報を授受する。
予備蓄電装置54は、再充電可能な直流電源であり、たとえば、リチウムイオン電池またはニッケル水素電池などの二次電池を含んで構成される。予備蓄電装置54として電気二重層キャパシタ等のキャパシタも採用可能である。予備蓄電装置54は、系統電力網8から供給される電力を蓄電したり、蓄電している電力を系統電力網8へ放電したりする。
HEMS53は、たとえば、配電盤、電力変換装置および制御装置53e等を含んで構成される。HEMS53は、たとえば、系統電力網8から供給される電力を電気機器56に供給したり、予備蓄電装置54に供給したり、車両1に供給したり、車両1への電力の供給量を調整したりする。あるいは、HEMS53は、たとえば、車両1から供給される電力を電気機器56に供給したり、系統電力網8に供給したり、系統電力網8への電力の供給量を調整したりする。あるいは、HEMS53は、予備蓄電装置54から供給される電力を電気機器56に供給したり、系統電力網8に供給したり、系統電力網8への電力の供給量を調整したりする。
なお、住宅5には、図示しない太陽光発電システムが設けられ、HEMS53によって太陽光発電システムにおいて発電された電力が車両1、系統電力網8、および、電気機器56のうちの少なくともいずれかに供給されてもよい。
上述のように、HEMS53は、系統電力網8から電力の供給を受けて車両1の蓄電装置20および予備蓄電装置54の少なくとも一方に供給可能に構成される。また、HEMS53は、車両1の蓄電装置20から第1入出力部53aが受ける電力、および予備蓄電装置54から第2入出力部53bが受ける電力の少なくとも一方を系統電力網8に供給可能に構成される。
近年、太陽光エネルギを利用して発電する太陽光発電システムから系統電力網8に電力を供給することによって日中の電力供給不足の解消が図られている。しかしながら、太陽光発電システムの普及が進むほど日中の需要電力が低下するのに対して、車両1を一例とするような電動車両の普及が進むほど夜間に充電が行なわれる車両が増加し需要電力が上昇する。その結果、1日において需要電力が日中と夜間とで急峻に変動する、いわゆる、需要電力のダックカーブ現象の顕在化が問題となっている。
図2は、太陽光発電システムおよび外部充電が可能な電動車両の普及が進んだ地域における需要電力の変化の一例を示す図である。図2の縦軸は、需要電力を示す。図2の横軸は、時間を示す。需要電力は系統電力網8に対して要求される電力を示す。
図2に示すように、8時までの期間は、日の出前の期間を含み、そのような期間において太陽光発電を行なうことができないため需要電力はそれほど低くはならない。また、8時までの期間は、当該地域内の住宅の住人の多くが就寝中となる期間を含み、そのような期間において需要電力の変動は小さい。
一方、8時以降においては、日の出とともに太陽光発電が行なわれるため、当該地域内の住宅で消費される電力の一部が太陽光発電によって発電された電力により補われる。その結果、8時までの期間よりも需要電力が低下する。また、8時以降においては、太陽の高度が高くなるにつれて太陽光発電の発電電力が増加するため、需要電力がさらに減少していく。そして、太陽の高度が低くなるにつれて太陽光発電の発電電力が減少するため、需要電力が増加していく。18時以降においては、日の入りによって太陽光発電を行なうことができなくなることに加えて住宅に帰宅した住人が住宅内の電気機器を利用するとともに電動車両の充電を行なうことにより、需要電力が急激に増加する。その結果、1日において需要電力が日中と夜間とで急峻に変動する、いわゆる、需要電力のダックカーブ現象が発生することになる。そのため、需要電力の変動の改善が求められている。
上述のような需要電力のダックカーブ現象を解消することを目的として、本実施の形態によるHEMS53においては、系統電力網8に対する需要電力が低い時間帯が「蓄電時間帯」に設定され、系統電力網8に対する需要電力が高い時間帯が「放電時間帯」に設定される。なお、図2には、8時から18時までの時間帯が「蓄電時間帯」に設定され、18時から23時までの時間帯が「放電時間帯」に設定される例が示されている。
蓄電時間帯において、HEMS53は、系統電力網8から電力供給を受けて蓄電するように予め割り当てられた電力量の電力((以下「蓄電ノルマ電力」ともいう)を、系統電力網8から受けて、車両1の蓄電装置20に蓄えるように構成される。これにより、蓄電時間帯における需要電力が増加するようになる。一方、放電時間帯において、HEMS53は、系統電力網8に放電するように予め割り当てられた電力量の電力(以下「放電ノルマ電力」ともいう)を、車両1の蓄電装置20から系統電力網8に供給する。これにより、放電時間帯における需要電力が低下するようになる。その結果、電力需要の平準化(電力需要のダックカーブ現象の解消)が図られる。
しかしながら、放電時間帯において車両1がHEMS53に接続されていない場合には、HEMS53は、放電ノルマ電力を、車両1の蓄電装置20から系統電力網8に供給することができない。この点に鑑み、本実施の形態によるHEMS53には、予備蓄電装置54が設けられる。そして、本実施の形態によるHEMS53は、放電時間帯において、放電ノルマ電力を車両1の蓄電装置20から放電できない場合(たとえば、車両1がHEMS53に接続されていない場合、あるいは車両1がHEMS53に接続されているが車両1の蓄電装置20が枯渇状態である場合など)には、放電ノルマ電力を予備蓄電装置54から系統電力網8に供給する。これにより、放電ノルマ電力を車両1の蓄電装置20から放電できない場合であっても、HEMS53に課せられた放電ノルマを達成できる。その結果、電力需要の平準化(電力需要のダックカーブ現象の解消)に適切に貢献することができる。その結果、電力需要の平準化(電力需要のダックカーブ現象の解消)に適切に貢献することができる。
図3は、HEMS53の制御装置53eが放電ノルマ電力を系統電力網8に供給する際に実行する処理手順の一例を示すフローチャートである。このフローチャートに示される処理は、予め定められた条件が成立する毎(たとえば所定の処理周期毎)に繰り返し実行される。
制御装置53eは、車両1がHEMS53に接続されているか否かを判定する(ステップS10)。制御装置53eは、たとえば、車両1のインレット28とコネクタ32との接続を検出するセンサ(図示せず)から所定の接続信号を受信した場合に、車両1がHEMS53に接続されていると判定する。車両1がHEMS53に接続されていない場合(ステップS10においてNO)、制御装置53eは、以降の処理をスキップしてリターンへと処理を移す。
車両1がHEMS53に接続されている場合(ステップS10においてYES)、制御装置53eは、現在の時刻が放電時間帯(上述の図2参照)に含まれるか否かを判定する(ステップS12)。現在の時刻が放電時間帯に含まれない場合(ステップS12においてNO)、制御装置53eは、以降の処理をスキップしてリターンへと処理を移す。
現在の時刻が放電時間帯に含まれる場合(ステップS12においてYES)、制御装置53eは、今回の放電時間帯において、放電ノルマ電力を系統電力網8へ放電済みであるか否かを判定する(ステップS14)。放電ノルマ電力を放電済みである場合(ステップS14においてYES)、制御装置53eは、以降の処理をスキップしてリターンへと処理を移す。
放電ノルマ電力の放電が未だ済んでいない場合(ステップS14においてNO)、制御装置53eは、放電ノルマ電力を車両1から放電可能であるか否かを判定する(ステップS16)。たとえば、制御装置53eは、車両1との通信を行なって車両1の蓄電装置20の放電可能電力量(たとえば現在のSOCと下限SOCとの差分に相当する電力量)を車両1から取得し、車両1の蓄電装置20の放電可能電力量が放電ノルマ電力よりも大きい場合に、放電ノルマ電力を車両1から放電可能であると判定する。
放電ノルマ電力を車両1から放電可能である場合(ステップS16においてYES)、制御装置53eは、放電ノルマ電力を車両1から系統電力網8に放電(供給)する(ステップS18)。一方、放電ノルマ電力を車両1から放電可能でない場合(ステップS16においてNO)、制御装置53eは、放電ノルマ電力を予備蓄電装置54から系統電力網8に放電(供給)する(ステップS20)。
以上のように、本実施の形態によるHEMS53は、車両1の蓄電装置20から受電可能に構成された第1入出力部(第1受電部)53aと、車両1には搭載されない予備蓄電装置54から受電可能に構成された第2入出力部(第2受電部)53bと、車両1の蓄電装置20から第1入出力部53aが受ける電力、および予備蓄電装置54から第2入出力部53bが受ける電力の少なくとも一方を系統電力網8に供給するための処理を実行するように構成された制御装置53eとを備える。
制御装置53eは、予め定められた放電時間帯(電力需要が高い時間帯)において、放電ノルマ電力を車両1から受けることができない場合には、放電ノルマ電力を予備蓄電装置54から系統電力網8へ放電(供給)する。これにより、放電ノルマ電力を車両1の蓄電装置20から放電できない場合であっても、HEMS53に課せられた放電ノルマを達成できる。その結果、電力需要の平準化(電力需要のダックカーブ現象の解消)に適切に貢献することができる。
<変形例>
上述の実施の形態において、蓄電時間帯に車両1がHEMS53に接続されていない場合には、HEMS53は、蓄電ノルマ電力を系統電力網8から受けて車両1の蓄電装置20に蓄えることはできない。
この点に鑑み、HEMS53が、蓄電時間帯において、蓄電ノルマ電力を車両1の蓄電装置20に蓄電できない場合(たとえば、車両1がHEMS53に接続されていない場合、あるいは、車両1がHEMS53に接続されているが車両1の蓄電装置20が満充電状態に近い状態である場合など)には、蓄電ノルマ電力を系統電力網8から受けて予備蓄電装置54に蓄えるようにしてもよい。これにより、蓄電ノルマ電力を車両1の蓄電装置20に蓄電できない場合であっても、HEMS53に課せられた蓄電ノルマを達成できる。その結果、電力需要の平準化(電力需要のダックカーブ現象の解消)に適切に貢献することができる。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本開示の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
1 車両、5 住宅、8 系統電力網、20 蓄電装置、22 PCU、26 充放電リレー、27 電力変換装置、28 インレット、31 ケーブル、32 コネクタ、53 HEMS、53a 第1入出力部、53b 第2入出力部、53c 第3入出力部、53d 出力部、53e,100 制御装置、54 予備蓄電装置、56 電気機器、58 通信装置、61 第1MG、62 第2MG、63 エンジン、64 動力分割装置、65 動力伝達ギヤ、66 駆動輪、70 HMI装置、80 無線通信装置、81 遠距離通信モジュール、82 近距離通信モジュール、101 CPU、102 メモリ。

Claims (1)

  1. 電動車両から受ける電力を系統電力網に供給可能な電力管理装置であって、
    前記電動車両に搭載される第1蓄電装置から受電可能に構成された第1受電部と、
    前記電動車両に搭載されない予備用の第2蓄電装置から受電可能に構成された第2受電部と、
    前記電動車両の前記第1蓄電装置から前記第1受電部が受ける電力、および前記第2蓄電装置から前記第2受電部が受ける電力の少なくとも一方を前記系統電力網に供給するための処理を実行するように構成された制御装置とを備え、
    前記制御装置は、
    予め定められた放電時間帯において、予め定められた割り当て分の電力を前記電動車両から受けることができるか否かを判定し、
    前記割り当て分の電力を前記電動車両から受けることができる場合には前記割り当て分の電力を前記電動車両の前記第1蓄電装置から前記系統電力網へ供給し、
    前記割り当て分の電力を前記電動車両から受けることができない場合には前記割り当て分の電力を前記第2蓄電装置から前記系統電力網へ供給する、電力管理装置。
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