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住宅からEVに高い電力量で急速充電も可能に!
本格化するデンソーのスマートグリッド開発と要素技術
7月に電気自動車(EV)と住宅の間で電力をやり取りするシステムを開発したと発表したデンソー。住宅に設置した蓄電池からEVに高い電力量で急速充電できるのが特徴だ。技術的な課題を乗り越えたプロジェクトの現状と、その要素技術をレポートする。
(取材・文/広重隆樹 総研スタッフ/宮みゆき 撮影/早川俊昭)作成日:12.10.03
クルマと家庭の電気を相互につなぐV2Hの技術

 デンソーは2012年10月より、次の事業化のステップに向けて、マイクログリッド事業開発室を設置し、開発体制を強化した。スマートグリッド(マイクログリッド)は住宅やビル、工場、店舗などの建物単位で、小規模・分散型の電力や熱を発生させ、蓄え、さらに融通し合って、エネルギーをより効率的に利用するシステムだ。東日本大震災の原発事故や、その後の電力逼迫をきっかけに、改めて分散型エネルギーの高効率利用への関心が高まっており、その意味でも注目される技術だ。

 スマートグリッドに早くから注目しているデンソーは、エコキュート、蓄電池、燃料電池、IT、そしてそこにクルマを組み込み、システム化することで、住宅・商用施設などコミュニティの省エネを追求しようとしている。つまりHEMS(ホーム・エネルギー・マネジメント・システム)やBEMS(ビル・エネルギー・マネジメント・システム)と、PHV(プラグイン・ハイブリッド車)/EV(電気自動車)の連携。ひと言でいえば「V2H」(ビークル・トゥ・ホーム)の技術である。

【マイクログリッド】地域内ユーザーの電力、熱をマネジメント

 PHV・EVでは、住宅で発生し蓄えられた電気を、充電スタンドを介してクルマの電池に供給する。その逆の流れとして、PHV・EVのバッテリーで余った電気を住宅に供給することも可能だ。ただ、理論を現実化するためにはいくつもの障壁がある。住宅からクルマへ、クルマから住宅へという双方向の電力供給をいかに効率的に行うかという点で、技術のブレークスルーが求められているのだ。デンソーは2012年7月に、HEMSと連携したEV用相互電力供給システムの開発を発表した。このシステムは、EVと住宅の間で直流(DC)による急速充電を可能にする。

エネルギーストレージシステムで需要調整し、CO2を最小化

 これまでの急速充電器は一度に大きな電力を必要とするため、電力契約の引き上げなどが必要となり、それが一般家庭への普及の一つの足かせになっていた。デンソーが今回開発したシステムは、HEMS用定置蓄電池(パワー・コンディショナー+電池)に少しずつ貯めた電力を一度にEVに送ることができるため、家庭でも電力契約を引き上げることなく充電スタンドが取り付けられる。15分で約20km走行可能な電力を充電することができるという。

 また、このシステムでは、車両に蓄えた電力を住宅に供給することもできる。災害時などには車両の蓄電池を非常用電源として利用し、手動切り替えで車両から充電装置と定置蓄電池を介して家庭内のコンセントへ電力を供給することができる。

エネルギーの供給と消費をいかにマネジメントするか

 こうしたV2Hにおける相互電力供給の流れは、できるなら自動的にコントロールしたい。HEMSやV2Hが電力消費やCO2排出量を抑える重要な技術とはいえ、いつもそれを意識して、無理して取り組もうとしても長続きはしない。システム化を通していかに楽に継続できるようにするかは、使う側の心理を考えたときに欠かせないポイントだ。

 例えば、「2030年原発ゼロ」という政策を踏まえ、今後増えると予想される自然エネルギーの家庭での利用だが、自然に頼るため従来の系統電力に比べると不安定さが否めない。そのため、電力の供給・消費予測に基づいて、エネルギーストレージシステムで需給を調整することが欠かせないのだ。

 毎朝の通勤にPHV・EVを利用する家庭なら、それまでにクルマに充電ができていないと会社に遅刻してしまう。電力の一部を蓄電池にため込み、決まった時間に充電するシステムが必要だ。そこで余った電気はエコキュートなどでお湯に変えるという方法もある。雨天などで太陽光発電が機能しない場合は、メインは系統電力に頼らざるをえないが、そこでも賢いマネジメントが必要だ。さらに夏場のカーエアコン、冬場の暖房機器使用など季節的な電力使用量の変動も予測しながら、よりスマートなエネルギーマネジメントを進めることが望まれる。

V2H(ビークル・トゥ・ホーム)〜DCでの充放電〜
社本 道雄氏
技術開発センター
マイクログリッド事業開発室 課長
社本 道雄氏

「電力配分の最適化には、家とクルマで使用するエネルギーの供給と消費を、いかに精度よく予測できるかという技術が重要になります。HEMSには、その日のクルマの走行予定と家庭内の電力使用量を予測する技術が求められています。これができて初めて、クルマの電池とHEMS用定置蓄電池への充電や、これらからの放電を最適に制御することができるようになります」
 と、マイクログリッド事業開発室・課長の社本道雄氏は、今回の開発の意義を語る。

 HEMSと連携したEV用相互電力供給システムの実験が、2010年4月から豊田市で進む「低炭素社会システム実証プロジェクト」の一環として来年度から始まる見込みだ。これに先立って、PHVを使ったV2Hの実証実験も始まる。EVではDC電流をクルマの外で変換するが、PHVは一般家庭で使われるAC(交流)電流をそのまま使うという点が違う。こちらは、充電・放電対応のPHVを使って2012年末前後に実験が始まる。

技術開発センター マイクログリッド事業開発室 課長
社本 道雄氏
1992年デンソー入社。情報通信に関する研究、開発業務に従事。PHS基地局、携帯電話、車載データ通信モジュール、ETC車載器など無線通信機器のハード・ソフトウェアの開発を担当。2011年より現職にて、エネルギーマネジメントシステムの開発を主導。情報通信技術を使い、宅内エネルギーを制御するHEMSやセンターサービスの先行開発に従事。
社本 道雄氏
社内のエコハウスに通いながら、ユーザーの使いやすさを追求
中井 有紀氏
技術開発センター
マイクログリッド事業開発室 担当係長
中井 有紀氏

 HEMSやV2Hを構成する技術は多岐に及ぶ。その一つに家庭の中で使われる電力や熱などエネルギー情報を見やすく可視化する技術がある。簡単に言えば、電力使用量を管理するスマートメーターやHEMSモニターの技術だ。

 もともとカーナビ関連のソフトウェア技術者で、2012年1月にマイクログリッド事業開発室に異動してきた中井有紀氏。現在は、今後HEMS実証実験に導入される予定の充電スタンドやHEMSモニターを開発している。7月のEV用相互電力供給システムのプレス発表では社内各部署との調整など、その準備に大きく携わってきた。

 V2Hシステムの充電スタンドは電力だけでなく、クルマと家庭でさまざまな情報をやりとりする。その情報は家庭内に設置されたHEMSモニターにも表示される。カーナビと充電スタンド・HEMSモニターは似ているところがある。カーナビはクルマの走行安全系の情報を、HEMSはもっぱら電力情報を扱うという違いはあるが、通信技術でコンテンツをやりとりし、それを制御するという意味では同じなのだ。

「確かにその意味ではカーナビ開発の経験は活きていると思います。ただ、カーナビは基本的に車の中だけで完結する装置ですが、充電スタンドやHEMSモニターは、外ではさまざまなカーメーカーの車種、内ではさまざまな家電とつながらなければなりません。それだけに複雑な技術であり、それらとの情報通信を確実にする必要があります。さらに、家庭で使う機器ですから、絶対に感電・火災を起こさないよう安全性にもこれまで以上に気を使わなければなりません。情報技術畑だったので電気回路をいじることはこれまでなかったのですが、これからはそうも言っていられません」(中井氏)

 中井氏は通常、デンソー刈谷本社敷地内に設置された「デンソーエコライフハウス」で実験を行っている。デンソーが持つ冷熱関連の住宅設備機器を集結し、環境・エネルギー分野の先端的な研究開発を行う実験棟。HEMSのテストもここで行われている。見た目には普通の2階建ての戸建て住宅で、リビングルームにはテレビやクーラーなど身近な家電が設置されている。違いといえば、車庫につながる充電スタンドやキッチンの隣に設置されたエコキュートシステムだ。
「充電スタンドで実際に充電しながら、クルマと家の間の通信状況を知るために、オシロスコープで波形を見たりします。冬場は遠赤ヒーターを多数置いて、電力負荷をかけて試験をしたりもしました」

畜エネルギー
畜エネルギー
ホームエネルギーマネジメントシステム
ホームエネルギーマネジメントシステム
エネルギーモニタ(使用/発電量)
エネルギーモニタ(使用/発電量)
エネルギーモニタ(充電/放電量)
エネルギーモニタ(充電/放電量)
家庭用充電スタンド
家庭用充電スタンド
デンソーエコライフハウス
デンソーエコライフハウス

 中にはこのハウスに泊まり込みで、一般家庭の電力使用状況を再現し、定常的な試験を繰り返す技術者もいるという。
「豊田市の実証実験が本格化すれば、今後はモニター等のUI設計にも関わっていくことになると思います。HEMSモニターの使い勝手について、ユーザーさんの生の声を聞くのが楽しみです」

技術開発センター マイクログリッド事業開発室 担当係長
中井 有紀氏
学生時代は人工知能を研究。2002年デンソー入社。カーナビの事業部で通信技術のほか、ドライバソフト、ファイルシステムの開発などを経験。2012年1月より現部署。充電スタンドやHEMSモニターのソフトウェア開発を担当。
中井 有紀氏
アルゴリズムの鬼が挑むエネルギー制御の新しいあり方
伊藤 章氏
技術開発センター
マイクログリッド事業開発室 担当係長
伊藤 章氏
金森 淳一郎氏
技術開発センター
マイクログリッド事業開発室 室長
金森 淳一郎氏

 HEMSの要素技術を突き詰めると、数学的なアルゴリズムにまで行き着く。電力需給を正確に予測したり、制御するための数学的モデルづくりが欠かせないのだ。

「系統電力だけでなく、不安定な自然エネルギーをも含めた、家庭内の電力マネジメントを制御する技術は、論文レベルでの発表はあるものの、実用化は世界のどの企業も成功していません。従来の固定概念にとらわれる必要がない、システム開発の要件定義から実装の上流から下流まで関わることができる、さらにその成果を未来の低炭素エネルギー社会の実現に活用できる、さらにその成果を学会で発表することもできる──これは研究者としては願ってもない環境です」
 と言うのは、伊藤章氏だ。以前はエンジンECU開発部署におり、ここでも新しいECU制御手法のためのアルゴリズムを書いていた。ただ、ガソリンエンジンは歴史が古く、エンジンECUだけでも分厚い蓄積がある世界だ。すでに手法として確立されたエンジン制御の領域で、新しいアルゴリズムを書いても、それが即採用とはならないもどかしさがあったという。

 ところが、HEMSやV2Hにおけるエネルギー制御は未知の領域。クルマも一つの電池であるという考え方自体が新しい。全体の電力需給システムの中で、クルマという電池がつながったり、離脱したりと、使われ方自体が従来の家庭の電気とは異なる。供給面はもちろん消費面の予測も複雑になる。だからこそ、これまでのエネルギー制御をより高度に行うために、新しいアルゴリズムが必要だ。「やってみないか」とマイクログリッド事業開発室の金森淳一郎室長に問われて、即、異動を決断した。

 エンジン制御からエネルギー制御へ。大きな飛躍ではあったが、もちろん以前の経験が活かされている部分もある。
「エンジン制御では、フェールセーフ挙動ということも研究していました。ドライバーが危険を感じたときブレーキを踏む。そのときのエンジン制御はどうあるべきかということです。これはHEMSの電力マネジメントシステムでも同じ。ユーザーがどういうときにクーラーのスイッチを入れるかというような、消費者心理にも踏み込んで、需給予測のアルゴリズムを設計する必要があるからです」

 伊藤氏のアルゴリズムは、現在、社内の売店の電力管理に実験的に使われている。自分でデータを取りながら検証するという地味な作業だけでなく、社内の技術者や蓄電池などデバイスメーカーと話をする機会も多い。大学との共同研究も進めている。今後は、豊田市、北九州市でのHEMS実証実験に導入される予定だ。

「私自身、物理現象を制御するアルゴリズムに興味がありながら、同時に製品やシステムに実装することにも意義を感じるタイプ。そういう人がいれば、一緒に仕事をしたいですね。そのモチベーションを、全く新しい製品で実現できるまたとないチャンスですからね」
と、伊藤氏はこれからの人材ニーズについても語っている。

技術開発センター マイクログリッド事業開発室 担当係長
伊藤 章氏
学生時代から機械制御システムを研究。1998年デンソー入社。エンジンECUのソフトウェア開発担当者として、エンジン制御の新規アルゴリズムなどを研究。2010年から現部署。車載蓄電池を活用した家庭内エネルギー管理システムにおけるアルゴリズム開発のほか、パワーコンディショナーのインターフェイス開発なども担当。
伊藤 章氏
技術開発センター マイクログリッド事業開発室 室長
金森 淳一郎氏
大阪大学大学院工学研究科電磁エネルギー工学専攻修了(工学修士)、神戸大学大学院経営学研究科現代経営学専攻修了(MBA)。専門はパワーエレクトロニクス技術で、産業用ロボット、携帯基地局冷却システム、給湯機インバータ開発など、自動車関連以外の事業経験も豊富。前部署の熱機器エレクトロニクス開発部室長時代には、ハイブリッド車用の電動コンプレッサ開発を指揮。
金森 淳一郎氏
充電と同時にコンテンツをやりとり。PLC充電スタンドに賭ける夢
安部 泰司氏
技術開発センター
マイクログリッド事業開発室
安部 泰司氏

 PHV/EVへの充電に関する技術では、「電力線通信(PLC:Power Line Communication)」が注目されている。PLCは電力線を通信回線としても利用する技術で、2000年前後には家庭用のブロードバンド通信利用が注目されたが、電力線からの漏洩電磁波レベルが大きいとことから実用化は進んでいない。ただ、有線LANや無線LANと同様に構内通信網を構成する技術としては一般化している。

 これを、電気自動車と電力網を接続する技術として利用する研究が進んでいるのだ。例えばトヨタ自動車は今年8月、米国でPHVへの充電に関する実証実験を始めると発表した。ここでは米国自動車技術会(SAE)が策定している電力網接続のための規格を採用し、プリウスPHVと電力網の間を双方向で通信させることで、プリウスPHVに最適な充電が行えるような管理やモニタリングのノウハウを得る予定だという。

 デンソーでもPLCの研究は進んでおり、それを担うエンジニアの一人が、安部泰司氏だ。描く夢は大きい。
「スマートフォンやPCで情報を取りながらドライブするユーザーは多いと思いますが、スタンドで充電すると同時にPLCでユーザーに有用なクーポンや観光情報がダウンロードできるようにすれば、ユーザーは必ず充電スタンドに立ち寄るようになりますし、その店舗の販促や地域の産業振興にも役立つはずです」

 もともと車内通信技術としてのPLCを研究していたので、HEMSやBEMSへのPLC活用にも興味をもった。1年半前にマイクログリッド事業開発室に異動してからは、ドラフトベースの通信仕様にのっとったシステムや機器の開発に取り組んでいる。実際に充電スタンドのアナログ回路設計を行うこともある。
「アナログでは配線を一つ間違ってもノイズが乗りますから、カンとコツの世界。トライ&エラーを通してノウハウを蓄積しなければなりません」

 PLCが扱う電流はAC、DCの両方があるが、通信プロトコル策定はACのほうが進んでいる。このドラフトをベースに一刻も早く実用化技術を完成させるのがデンソーの狙い。今年度中に豊田市で始まるPHVを使ったV2Hの実証実験でも、AC用充電スタンドの試作機を開発し、PLCを使った通信実験を行う予定だ。
「これが成功すれば、これからの充電スタンドはPLC接続が標準になる可能性があります」
と、語る安部氏。「その1号機を自分が設計したのは自分だよ」──安部氏が後輩たちに自慢できる日がやってくるかもしれない。

 HEMS、V2Hをめぐるいくつかの要素技術の例を紹介してきた。まとめれば、電力と通信にかかわる技術だが、これ以外にもデンソーでは、大電力を扱うパワーエレクトロニクス技術、デジタル/アナログの電源開発技術、パワーコンディショナーを形づくるDC─AC変換技術など、さまざまな経験者を求めている。これまでの自動車業界には少なかった人材ばかりだ。

 クルマが電力システムとつながることで、より効率的に動き出すスマートグリッドの世界。プロトコルも確定していないような、誰も実現していない次世代の技術だが、社会的ニーズは急速に高まっている。クルマとエネルギーの未来を自らの手で作り出すチャンスが広がってきた。

技術開発センター マイクログリッド事業開発室
安部 泰司氏
学生時代は超伝導材料を研究。2007年デンソー入社。デンソーとトヨタ自動車出資の日本自動車部品総合研究所で、PFC回路やPLC(電力線通信)の研究を行う。2011年春より現部署。PHV・EVの充電システムにおけるPLCの活用を研究。
安部 泰司氏
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