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道路交通とエネルギーの統合管理を目指す 高速道路向けEMS
特 集 SPECIAL REPORTS 特 集 道路交通とエネルギーの統合管理を目指す 高速道路向けEMS Energy Management System for Expressways Aiming at Integration of Traffic and Energy Management 中村 順一 愛須 英之 鈴木 裕之 ■ NAKAMURA Junichi ■ AISU Hideyuki ■ SUZUKI Hiroyuki 高速道路を電気自動車（EV）で安心して走行するには，充電設備の拡充が必須である。EVの普及拡大と，サービスエリア／ パーキングエリア（SA/PA）での省エネや，再生可能エネルギーの活用，電力消費のピークシフトなどを考慮すると，EVの走行 行動も考慮に入れたエネルギー管理が必要になる。 このような包括的なエネルギー管理を行うために，東芝は，利用可能な情報を用いてEVの走行行動と再生可能エネルギー を含めたSA/PAの電力需給を予測する機能と，これらを有機的に結び付け，充電に最適なSA/PAをEVに推奨する機能を 持つ高速道路向けEMS（Energy Management System）の実現に向けた研究開発を進めている。 In order to realize comfortable expressway travel for electric vehicle (EV) drivers, infrastructure that provides a sufficient number of EV charging stations is required along expressways. It is necessary to establish comprehensive energy management taking into consideration energy conserva- tion at service areas and parking areas (SAs/PAs), the utilization of renewable energy, and the shift of peak electricity demand to prevent power grid failure, as well as the dissemination of EVs. Toshiba has been engaged in research and development aimed at realizing an energy management system (EMS) for expressways that has two functional modules: a functional module that predicts the driving behavior of running EVs using obtainable information and the electric power supply and demand situation of SAs/PAs including renewable energy, and a functional module that recommends the optimal SA/PA for charging of EVs. 1 まえがき ITS センター EMS センター 電力会社 EVの普及に伴い，市街地での充電設備は，徐々に増える方 向である。同様に，高速道路でも電欠を心配することなくEV で走行するには，SA/PAの充電設備の拡充が必要である。 EV を含めた にはある程度の時間を要する。また充電場所や充電タイミン は，電力供給が間に合わない場所に EVが集中して混雑し， 再生可能エネルギー発電などで電力供給が過多の場所で閑 SA/PA EV を含めた 電力管理，及び 停電時の独立 電力管理 しかし，これまでのガソリン車の給油と異なり，EVの充電 グが集中すると，混雑を助長する。一方，電力需給の観点で 全 SA と全 PA の電力管理 車両管理 再生可能 エネルギー PV EMS 及び SA/PA の電力設備 最適充電の SA/PA 案内 EV ITS スポット 充電器 定置型 蓄電池 SA/PA EV 散となる場合も想定される。これでは電力を全体として効率よ く使用していることにはならない。したがって，効率の良い運 SA/PA 風力発電 PV ：太陽光発電 用を行うには，各 SA/PAの再生可能エネルギーなどを含めた 図1．高速道路向け EMS の全体概要 ̶ 高速道路向けEMS は，ITSセ ンターとEMSセンターの二つのサブシステムから成る。 電力需給の状況に応じて，EVを適切なSA/PAに誘導して電 Overview of EMS for expressways 力利用の分散化を図る，電力設備側と連携した総合的な電力 の計画管理が必要である。またドライバーの視点からは，混 制御を想定した検証用シミュレータを構築した。ここでは，そ 雑の少ない充電設備を利用できることから，必要なときに充 のシミュレータで検証できる計画機能について述べる。 電することが可能になり，電欠への不安も解消できると考えら れる。 高速道路向けEMS は，高速道路全体の SA/PAの電力需 給とEVの充電需要を一つの電力システムと捉え，全体として 2 高速道路向け EMS の概要 2.1 システム全体構成 効率化を図るものである。東芝は，このシステムは非常に規 EVの行動とSA/PAの電力需給を包括的に管理運営する 模が大きいため，エネルギー管理と，交通状況及び EV 誘導 ために，高速道路向けEMS は，概念的に大きく二つのサブシ 東芝レビュー Vol.67 No.12（2012） 11 EMS センター ITS スポットを通じて，ブロードキャスト的に EVのドライ ITS センター バーに情報提供ができる状態 SA/PA ごとの EV 受入れ可能情報 電力需給の管理 EV の行動予測 ⑶ 第 3 段階 個別 EVの正確なSoC 情報が取得でき， 渋滞状況 充電設備 常に情報交換し最適化 SA/PA ごとの EV 配車予測 全 SA と全 PA の電力需給 データベース ITS スポットやスマートフォンなどを通じて，個別のEVの 最適な SA/PA の計算 ドライバーに情報提供ができる状態 SoC 情報の標準化動向や法整備などを考えると，第 3 段階 車両走行 データベース 満空情報 が本格的に実施できるまでには，少し時間が掛かると考えら れる。そこで今回は，第 2 段階のマクロ的なEV情報把握を 高速道路への EV 入出情報 各 SA/PA SA/PA の EMS 照明など の負荷 誘導 SA/PA 間の ITS スポット 電力接続 充電設備への 入出場 電子看板 カメラ ETC 定置型 蓄電池 前提条件として，検証用システムを構築した。第 3 段階の SoC 情報が得られるようになると，このシステムの計画精度を更に EV，道路 再生可能 エネルギー 商用電源 渋滞 情報 EV 充電設備 上げることができる。 2.3 サブシステムの概要 2.3.1 ITSセンター ITSセンターの構成を図 3に示す。 ⑴ EVからのデータ収集と行動予測 ETC（自動料金 収受システム）やITS スポットからの交通情報と，EMSセ 図 2．高速道路向け EMS のブロック図 ̶ 機能ブロックのITSセンター とEMSセンターは，常に情報を交換し，最適化を図る。 Block diagram of EMS for expressways ンターからの充電実績情報からEVの行動情報を収集し， EVの行動予測を行う。その際，これら交通情報及び充 電情報と，外部からの気象情報など多種多様なデータを 基に，EVのSoC 情報や，充電設備の混雑情報，電力供 ステムから構成される（図1）。一つは，ITS（Intelligent Trans- 給量の情報などを抽出し，以降の機能に活用する。 port Systems：高度道路交通システム）スポット⑴などを用いて ⑵ EV 車両の充電需要の予測 ⑴で得られた EVの行 EVを含めた車両の行動把握及び管理を行うITSセンターであ 動予測に基づいて，ある区間ごとに EVの存在予測を行 り，もう一つは，SA/PAの充電設備を中心とした高速道路の い，EVが SA/PAに到着した際の必要充電量を推定し， 電力設備群を管理するEMSセンターである。 SA/PAにおける今後の充電需要を予測する。 高速道路向けEMS の機能ブロック図を図 2に示す。 ITSセンターは，EVの行動予測や，EV以外の車両も含めた 交通状況などを管理し，EVに対して推奨するSA/PAの情報 ⑶ EV用電力供給量の把握 EMSセンターから，SA/ PAへの電力供給量の計画値を入手する。 ⑷ EV 車両への通知情報の決定 ⑵で推定した充電需 を提供して EVを誘導する機能を持つ。EMSセンターは，再 生可能エネルギーを含めた利用可能な電力量と予測される充 ＥＭＳセンター 電需要を考慮して，道路の電力設備群を総合的に運用するた めの計画を作成し管理する機能を持つ。 これら二つのセンターは，時々刻々と変わるEVの行動（走 行挙動）と電力需給を管理し，各SA/PAの充電設備で受入れ 可能なEV台数，及び充電が予想されるEV台数の情報を常に やり取りしながら，高速道路全体として最適化を図っていく。 2.2 システムの前提条件 ITS センター 履歴データ の分析機能 CS の混雑情報 気象 ニュース 外部 Web 外部 データ ⑴ 第 1 段階（現在の状況） SoC（State of Charge：電 ⑵ 第 2 段階 個別の SoC 情報は把握できないが，高速 道路上のEV走行情報や料金所の通過情報などを使って ⑶ EV 電力 供給量 の把握 ⑹ SA/PA ごとの EV 配車予測の 通知 利用可能な 充電器台数 EV への 推奨 ⑷ EV 車両 履歴データ ⑵ EV 充電 ⑸ データ への通知 前処理部 車両 需要の予測 CS 通知 情報の決定 EV への 状態 推奨 データ ⑴ データ 収集 ID ETC ゲート ID，充電車 の SoC CS 池残量）情報を個別取得せず，何の管理もされていない 状態，すなわち効率的な電力管理はできない状態 充電実績 予測電力 情報 の需要量 交通情報 履歴 EV 情報 データ 充電情報 が利用可能なEV情報の精度という観点からは，現在も含め て以下の三つの段階があると考えられる。 EV の SoC 情報 電力供給量の情報 高速道路向けEMS は，広範囲にわたって，段階的にシステ ムが拡大していくと考えられる。しかし，インフラシステム側 計画電力 の供給量 ID：識別番号 CS：充電設備 交通情報センター CS 充電量 など CS ID ETC ゲート EV への指示 ITS スポット，電子看板 図 3．ITSセンターの構成 ̶ 入手可能な情報から，EVの行動予測と充 電需要予測を行う。 Architecture of Intelligent Transport Systems (ITS) center EV台数などのマクロ的な把握はでき，また，電子看板や 12 東芝レビュー Vol.67 No.12（2012） 要と，⑶で取得した電力供給量，及び SA/PAにおける 特 集 管理情報の相互交換 充電設備の満空・混雑情報を基に，走行地域ごとに EV EMS センター の充電に最適なSA/PAを決定する。 ITS センター モジュール モジュール LAN ⑸ EVへのデータ通知 ⑷で決定した SA/PAでの充 電関連情報や走行地域ごとに EVへの推奨情報を，ITS スポットや電子看板など，ITSセンターが利用可能な情報 制御計画 指示 充電 センサ ドライバー 予約情報 検出情報 への指示 センサ検出情報 提供手段を用いて通知する。 ドライバー行動の意思決定モデル ⑹ SA/PAごとのEV 配 車予測の 通知 ⑸ で 行った データ通知による効果を考慮して，⑵で予測した充電需 要予測結果を補正し，SA/PAごとのEV 配車予測情報を EMSセンターに通知する。 交通状況及び EV通行量は絶えず変化しているため，⑴∼ SA/PA 内モデル 配電設備 充電設備 定置型蓄電池 PV 設備 送配電モデル 電力系統 SA/PA 間融通 道路上の車両 走行モデル （ EV の電力消費 を含む） 電力シミュレータ ドライバーの 運転モデル 交通シミュレータ ⑹を間断なく行わなければならない。すなわち，変化していく 統合シミュレータ 交通状況やEV情報を逐次取り込みながら，EMSセンターと 図 4．検証用シミュレータのブロック図 ̶ 実システムを模擬した統合シ ミュレータによる検証を行う。 密接に情報をやり取りし，常に最新の情報提供と充電に最適 なSA/PAへの誘導を行う。また，⑷においては，電力需給も Block diagram of simulator 踏まえた充電に最適なSA/PAをどう決定するかが 課題で ある。 混雑緩和と電力供給改善の二つの指標の両立は，EMSセ ンターとの密接な連携によって実現される。 2.3.2 EMSセンター EMSセンターは，以下に述べ る機能を備えている。 ⑴ SA/PAの需給設備の監視 SA/PAの各種充電設 ターを模擬する各モジュール，EVの走行行動を模擬する交通 シミュレータ，及び電力設備の挙動を模擬する電力シミュレー タから構成される（図 4） 。 検証用シミュレータの概要を以下に述べる。 ⑴ 交通シミュレータ 車両が道路を走行する場面を模 擬するだけでなく，EV走行時の電力消費のシミュレー 備や，大容量定置型蓄電池 ⑶，太陽光発電（PV）設備， ション機能を持っている。このシミュレータの内部では， ガスタービン発電など，道路付属の電力設備の需給情報 EVが想定された経路と交通状況の下で，どのように走行 を収集する。 して電力を消費していくか，また充電する際の SoC はどれ ⑵ 電力設備の運用計画と制御 収集した情報を基に 電力設備の供給電力量と充電設備を含めた電力需要を くらいかを模擬する。そしてそれらのセンサ検出情報を， ITSセンターモジュールに通知する。 予測し，リアルタイムに運用計画を作成し指示を行う。ま ⑵ 電力シミュレータ 充電設備や，定置型蓄電池，PV た，道路設備側のPV 設備の運用や SA/PA 間で電力融 設備などをはじめとする道路付属の電力設備の稼働状況 通を行う場合には，その計画及び制御も行う。 を模擬する。道路設備側でのPV 設備や，複数 SA/PA ⑶ 電力需給予測 季節や，長期的な気象予報などを基 に，PV 設備の発電量や SA/PAの電力需要予測を行う。 また，精度が高い定置型蓄電池の利用計画を作成するた め，EV 群への情報提供による充電電力需要の変動を予 間での電力融通など，様々な電力設備の運用形態が想定 されるため，電力送配電設備の一部も簡易的に模擬でき る拡張性の高い構造とした。 ⑶ ドライバーの行動意思決定モデル 検証シナリオの 測して受入れ可能情報を生成し，ITSセンターに情報提 拡 充のため，各 種サービスを受けるEVドライバーの， 供する。 SA/PAへの入出場，充放電の開始と中止，充放電の予 ⑷ 災害時の縮退運転と防災拠点化 災害時のSA/PAの 防災拠点としての活用を想定し，SA/PAは商用電源なしでも 約や，取消，変更といった行動を総合的に模 擬するモ ジュールを独立して用意した。 電力を確保できるように，優先度をつけて電力制御を行う。 ITSセンターの場合と同様に，⑴∼⑶は間断なく稼働させ， 計画と再計画を繰り返しながら常に最適値へ近づける。 4 今後取り組む技術的ポイント 4.1 履歴データを用いた推定アルゴリズム 3 高速道路向け EMS 検証用シミュレータ 開発した検証用シミュレータは，ITSセンターとEMSセン 道路交通とエネルギーの統合管理を目指す高速道路向け EMS 燃費（電費）特性の異なる新しいEV 車種の登場や，道路舗 装の変更，新しい経路の発生など，今までに定義していない 状況が発生することが考えられるため，随時，各種履歴デー 13 タからルールの発見や推定をしたり，利用可能な入力データか に大規模なEV 群を含め高速に計画を作成するスケーラビリ ら有効な情報を得たりするための仕組みを盛り込む。 ティを実現する。また，EVとの通信タイミングや取得情報が 4.2 不確実で大規模なシステムを対象とした計画作成 技術 制限されるなかで，ドライバーの行動や，再生可能エネルギー 現在，図 5に示す大規模ビルの充電設備などを対象として， ジューリング技術も実現していく。 発電設備の発電量などの不確定さにも対応できる強固なスケ EV 群，電力設備，及び定置型蓄電池を全て連携して高速に充 放電計画を作成する方法や，充電が必要と予想されるEVを考 慮し公平な充電電力の配分を実現する技術⑶を検討している。 5 あとがき 2012 年 7月に閣議決定された「日本再生戦略」では，省電 高速道路向けEMS では，これらの技術をベースとして，更 力化がますます重要な施策となってきている。一方で，EV 充 電設備の強化や，次世代自動車の普及拡大，電力システムの リアルタイム充放電スケジューラ 見直しなどが計画されており，今後，省電力，新しい電力シス 階層型スケジューラの動作 テム，及び EVの三つは，ますます密接な関係を持つと予想さ 山崩し法などの手法を組み合わせて，電池容量内で受取り 電力と提供電力のバランスを取るように電力需給を計画する れる。特に高速道路では，移動する電力負荷ともいえるEVの CEMS （上位 EMS） 1 分単位の 電力受取り計画 1 時間単位の 電力供給計画 行動は，SA/PAにおける電力バランスに大きく影響を与える と考えられ，効率的な制御が必要になる。 BEMS （中位 EMS） 今後，開発した高速道路向けEMS 検証用シミュレータを用 電池容量内で需給を調整 電力要求予約 1 分単位の 電力供給計画 EV 充電管理 EMS （下位 EMS） いて様々な検証を行い，実システムへの展開を図っていく。 謝 辞 CEMS この原稿の執筆にあたり，多くのご支援をいただいた（財）道 路新産業開発機構の関係各位に感謝の意を表します。 BEMS BEMS 文 献 ⑴ 柴田康弘 他．ITS スポットサービスの実用化．東芝レビュー．66，2，2011， p.25 − 28． 定置型蓄電池 定置型蓄電池 バッテリー EMS ビル駐車場 ⑵ 遠藤 保 他．EVユーザーと電力需要家双方にメリットを生み出す蓄電型 充電システム．東芝レビュー．66，2，2011，p.21− 24． ⑶ Paul, T. K. et al. "Management of Quick Charging of Electric Vehicles Using Power from Grid and Storage Batteries". 2012 IEEE International Electric Vehicle Conference (IEVC). Greenville, SC, USA, 201203, IEEE. 2012, p.1− 8. コミュニティ 駐車場 公平充電電力配分（Fair Use Policy 方式） 中村 順一 NAKAMURA Junichi 系統電力 待機 EV EV4 EV1 EV 各時刻に予測される EV 台数 EV 充電中 EV EV3 EV EV EV3 EV 要求電力 EV EV EV EV EV EV EV EV EV2 EV EV EV EV EV EV EV EV EV EV EV EV1 EV EV EV EV EV EV EV EV EV EV 現時点 EV4 EV2 時刻 EV1 EV2 EV3 EV4 提供可能 平均電力 配分後の EV 供給電力 CEMS：Community Energy Management System BEMS：Building Energy Management System 図 5．EV 管理用 EMS 向け充放電計画技術 ̶ BEMSとEV 充電の連 携技術であり，高速道路向けEMS のベース技術の一つとなる。 Charge and discharge scheduling technology for EMS for EVs 14 社会インフラシステム社 ソリューション・自動化機器事業部 社会ソリューション技術部参事。ETCシステム及び ITSシス テムの開発に従事。電気学会会員。 Automation Products & Facility Solution Div. 愛須 英之 AISU Hideyuki 研究開発センター システム技術ラボラトリー主任研究員。最適化 技術や人工知能技術のスマートコミュニティへの応用研究に従事。 電気学会，計測自動制御学会，日本知能情報ファジィ学会会員。 System Engineering Lab. 鈴木 裕之 SUZUKI Hiroyuki 東芝ソリューション （株）IT 技術研究所 研究開発部 アドバ ンストソリューションズリサーチラボラトリー研究主務。 スマートコミュニティ ソリューションの研究・開発に従事。 Toshiba Solutions Corp. 東芝レビュー Vol.67 No.12（2012）