M2 Survey 平成 31年 6月 3日

太陽光電力による電気自動車への充電

Survey on Charging Solar Power to EVsHori-Fujimoto Lab

Department of Advanced Energy M2 47-186082縄田　晴子

1 序論

近年，資源枯渇・地球温暖化問題への対策として再

生可能エネルギーが注目を浴びている．

再生可能エネルギーとは，太陽光や風力，水力，地

熱，バイオマスなど自然から作られているエネルギー

のことである．これらのエネルギーは，原子力や石

油・石炭などの化石燃料を資源とした限りあるエネ

ルギーに対し，枯渇せずに繰り返し永続的に利用可能

なことから再生可能エネルギーと呼ばれている [1]．

また，地球温暖化問題はいま地球規模で大きな課

題となっている．地球温暖化の主な原因として広く

知られているのが温室効果ガスであるが，その中で

も石油や石炭などの化石燃料の燃焼によって排出さ

れる二酸化炭素が地球温暖化に大きく影響を及ぼし

ていると言われている．石油・石炭などの化石燃料

による火力発電から，再生可能エネルギー発電に切

り替えていくことで地球温暖化に影響を及ぼす二酸

化炭素の削減に大きな効果が期待できる．

しかし，課題として，太陽光や風力といった一部の

再生可能エネルギーは発電量が季節や天候に左右さ

れるといったものがある．そのため，電力システム

全体の改革によって，より柔軟で効率的な調整力の

確保を進めていく必要がある．

そこで，今回は，再生可能エネルギーの利用技術の

中でも，太陽光電力による電気自動車への充電につ

いての論文 [2]を紹介する．この論文では，太陽光発

電の不足・過剰発生時に，電力をインポート・エクス

ポートするために，電気自動車充電ステーションの

蓄電池への代替接続が行われる．第二章では，太陽

光充電ステーションの設計，操作，制御について説明

する．第三章でシミュレーションを行い，最後に第

四章でまとめとする．

2 太陽光充電ステーションの設計，操作および制御

EV 用の電力が太陽光，風力などの再生可能エネ

ルギーから発電される場合，これらの電気自動車は

GHG排出量およびエネルギーコストの観点から非常

に有益である [3]．今回は，職場に太陽光充電ステー

ションが存在する場合を考える．職場では，充電さ

れるピークの時間は午前 10時から午後 5時までの日

中である．したがって，適切なバッテリストレージ

システムを備えた太陽光充電ステーションは，より

経済的になる [4]．まず以下のように仮定する．

1. 電気自動車は約 7時間駐車されている

2. 主な供給源として太陽光発電を備えた充電ス

テーションおよび追加のステーション蓄電池が

ある

3. すべての車両のバッテリーは 48V 20Ah（Hero

Electric Cruz）[5]

4. コンバータ効率 92％ [6]

5. 充電ステーションでは一度に 2 つの EV バッテ

リーを充電することができる

よって，太陽電池パネルは以下のように決定する．

EVに必要な最大電力= 48 × 20 × 2 = 1920Wh

必要な総入力電力= 1920Wh/0.92 × 0.92 = 2270Wh

世界平均水平日射量= 5.86 kWh / m2 / day[7]

システムの所要電力= 2.27kWh / 5.86 = 388W

そのため，定格 250W のソーラーパネルを並行して

使用する．

システムブロック図を図. 1に示す．このシステム

は，電気自動車に必要な電力需要を供給し，余剰・不

足電力がステーションのバッテリーにフィードバッ

クされる，またはステーションのバッテリーから引

き出されるようになっている．太陽光発電は，太陽

1

図 1 System Block diagram[2]

図 2 Methodology Flowchart[2]

光から最大電力を得られる場合が最も効率的となる．

したがって，本研究では，山登り法による最大電力点

追従に基づいて動作するブーストコンバータが選択

されている．太陽光発電は断続的であるため，太陽

光発電が負荷需要を超えると，余分なエネルギーが

コンバータを介してステーションのバッテリーに供

給される．負荷需要が太陽光発電を超える瞬間には，

電力需要の不足分がコンバータを介してステーショ

ンのバッテリーから供給される．方法論は，図. 2の

フローチャートとして表される．

システムは 7 時間で 2 台の電気自動車を充電する

ように設計されている．車両のＳＯＣからバッテリ

を充電するために必要とされる電力が計算され，７

時間でバッテリを充電するために必要とされる所望

の充電電流が推定される．閉ループバックコンバー

タは一日を通して一定の電流を供給する．蓄電池か

らのコンバータは，実際の EV 充電電流を目的の充

図 3 Solar power fed boost converter[2]

表 1 Solar Power Generation At Different Irradiances[2]

電電流と等しくするために電流を供給するように設

計されている．

3 シミュレーション結果

以下の条件下で MATLAB/Simulink でシミュレー

ションを行った．

Case.1太陽光発電が負荷需要を上回っている場合

Case.2太陽光発電がちょうど負荷需要を満たしてい

るとき

Case.3太陽光発電が負荷需要を下回っている場合

上記の 3 つのケースを明確に区別するために，シ

ミュレーションでは 1つの 250Wソーラーパネルの

みを使用している．ソーラーパネルはブーストコン

バーターを通して供給される． 回路図を図. 3 に示

す．異なる放射照度における太陽光発電を，以下の

表 1に示す．

EV 充電用回路を図. 4 に示す．車両は 7 時間充電

ステーションにあり，各バッテリー容量は 48V 20Ah

である．コントローラは，７時間で車両を充電する

ためにその初期充電状態に基づいて車両バッテリが

充電されるべき必要な電流を計算し，PIDコントロー

2

図 4 EV Battery charging circuit[2]

表 2 EV ChargerSimulation Results At 1000W/m2 Irradiance[2]

図 5 Station Storage Battery circuit[2]

ラーによって実際の充電電流と必要な充電電流との

差を無くす．降圧コンバータの IGBT のゲート信号

のデューティ比はこの誤差電流に依存する．シミュ

レーション結果を表 2に示す．

蓄電池は充電ステーションに備え付けられている．

その回路図を図. 5 に示す．ブーストコンバータは，

負荷需要が太陽光発電を超えると動作し，バックコ

ンバータは，太陽光発電が負荷需要に比べて過剰に

なったときに動作する．車両の電力需要は，最初の

SOCと，車両が充電ステーションに存在している時

間によって計算される．コントローラは，需給電力

差に基づいて電力ステーションのバッテリーを充電/

放電するために昇降圧コンバータを起動する．３つ

の場合の結果を表 3，表 4および表 5に示す．以上

表 3 Case 1 : Solar Power Generation ¿ Ev LoadDemand[2]

表 4 Case 2 : Solar Power Generation = Ev LoadDemand[2]

表 5 Case 3 : Solar Power Generation ¡ Ev LoadDemand[2]

より，太陽光発電の不足・過剰発生時に電力をイン

ポート・エクスポートするために，ステーションの

蓄電池への代替接続が使用されるシステムの性能を，

MATLAB / Simulinkで検証することができた．

4 天候数値化簡易手法による太陽光発電の発電量の解析

天候と太陽光による発電量の相関を過去のデータ

から把握することにより PV 発電量を定量的に予測

することを検討した論文 [8]があったため，簡単に紹

介する．この予測は気象庁の天候情報のみを利用し

た簡単な方法である．

1.「快晴」:快晴の日

2.「晴」:晴の日

3.「晴一時曇,晴後一時曇」:晴が主であるが一時的

に曇となる日

4.「晴⇔曇」:晴後曇,曇後晴,晴後薄曇,晴時々曇,曇

3

図 6 Weather quantification factor v.s. Powergeneration[8]

時々晴,晴時々薄曇,曇一時晴,晴後雨,雨後晴,晴

時々雨など天候が変化する日

5.「薄曇」:薄曇の日

6.「曇」:曇の日

7.「曇⇔雨」:曇後雨,雨後曇,曇時々雨,雨時々曇,曇

一時雨,雨一時曇などの日

8.「雨 (雪)」:雨,大雨,雪,大雪,みぞれの日

このように天気を 8 つに分類して，その日に対応す

る実際の発電量の 4 年間平均値を月別に算出してい

る．基準値として,最大発電量である 7月の快晴日の

値を最大値 10.0として正規化している．10.0は，東

京都市大学世田谷キャンパスの 20kW の PV 設備の

7月の快晴日の交流発電量の最大値である 96kWhに

相当する．例えば ，7 月の薄曇の日の天候数値化係

数は 8.42であり,発電量は快晴日の 84.2％であるこ

とを示している．4 年間の全データについて天候を

数値化し，20kWの PVシステムの実発電量と天候数

値化係数との相関をプロットしたのが図. 6 である．

図. 6 から，天候と発電量の相関係数は R=0.92 であ

り，相関が高いことがわかる．実績値と計算値を比

較すると差があるところもあるが，簡易的な手法で

あるにも関わらず月毎の増減傾向など全体的によい

一致が見られることがわかる．この方法で，2015年

の発電量を計算したのが図. 7である．実績値と計算

値を比較すると差があるところもあるが，簡易的な

手法であるにも関わらず月毎の増減傾向など全体的

によい一致が見られることがわかる．

図 7 Monthly power generation (2015) [8]

5 まとめ

本稿では，最初に，再生可能エネルギーを利用す

る意義について述べた．次に，太陽光や風力といっ

た一部の再生可能エネルギーは発電量が季節や天候

に左右されるという課題を挙げた．そこで，今回は，

再生可能エネルギーの利用技術の中でも，太陽光電

力による電気自動車への充電についての論文を紹介

した．ただし，今回紹介した論文では，太陽光による

電力を直接充電するだけの場合との比較が無かった

ため，従来のシステムと比較してどこの部分が改善

されているのかがわかりにくかった．また，シミュ

レーションの際の SOCをどのような根拠で決めたの

かも書かれていなかった．さらに，シュミレーショ

ンのみで実験が無かったため，実際にこのシステムが

有用であるかどうかの検証が不十分であると感じた．

また，太陽光発電による電力と充電ステーションの

バッテリーのＳＯＣの両方が不十分である場合を考

慮した場合も課題となると考えられる．また，最後

に少し紹介した簡易的な太陽光発電量の予測につい

ては，精緻かつ複雑な方法を適用したとしても,日射

量を経時的に精度高く定量化するのは未だ困難であ

るため，このような大まかであるが簡単な方法で予

測するのも，現段階では有効であると感じた．

参考文献

[1] “再 生 可 能 エ ネ ル ギ ー と は”, 経

済 産 業 省 資 源 エ ネ ル ギ ー 庁,

4

https://www.enecho.meti.go.jp/category/saving

and new/saiene/renewable/outline/index.html

（最終閲覧日 2019/5/26）

[2] K. Sankaraditya Vikas, B. Raviteja Reddy, S. G.

Abijith, M. R. Sindhu, “Controller for Charg-

ing Electric Vehicles at Workplaces using So-

lar Energy”, IEEE International Conference on

Communication and Signal Processing, April 4-

6, 2019, India

[3] Stephen Lee, Srinivasan Iyengar, David Irwin,

Prashant Shenoy, “Shared Solar-powered EV

Charging Stations: Feasibility and Benefits”, Pro-

ceedings of Seventh International Green and Sus-

tainable Computing Conference(IGSC), 2016.

[4] G.R. Chandra Mouli, P. Bauer, M. Zeman, “Sys-

tem design for a solar powered electric vehicle

charging station for workplaces”, Applied En-

ergy, vol. 168, pp. 434-443, 2016.

[5] “Battery Details”, [online] Available:

http://heroelectric.in/cruz-offer.

[6] “Standardization of protocol for charging Infras-

tructure - Ministry of Heavy Industries & Public

Enterprises department of Heavy Industry”.

[7] “Source of Solar Irradiance

value”, [online] Available:

http://www.synergyenviron.com/tools/solar-

irradiance/india/tamil-nadu/coimbatore.

[8] Saburo Sasaki, Sora Fukunaga, Yutaka Ota,

“Evaluation of kWh Value of Photovoltaic Gener-

ation by Application of Simplified Method using

Numerical Factor of Weather”, Journal of Japan

Society of Energy and Resources, Vol. 38, No. 5

5