1. 서언

(1) 충전 인프라 정비의 현황과 과제

2010년 6월에 각의 결정된 에너지 기본계획에서는 2020년까지 승용차의 신차판매에 차지하는 차세대 자동차의 비율을 최대 50%로 높이기 위한 목표를 세우고 있으며, 그것을 위해 인프라 정비로서 2020년까지 급속충전기를 5,000기, 보통충전기를 200만기 설치하는 것을 목표로 하고 있다. 현재, 국가 및 지방자치체의 모델사업 및 보조금 정책을 받아 충전인프라의 정비는 서서히 추진되고 있다.  

일본 전국에서 급속충전장치 배치수는 2011년 1월 20일 현재 516개소이다. 전기자동차 도입시기에 맞춰 선도적인 충전인프라 정비는 순조롭게 추진되고 있다고 생각된다. 앞으로의 과제로서는 일반 고객을 위한 전기자동차 판매가 본격적으로 개시되는 가운데 전기자동차의 보급 및 충전인프라 정비가 자립적으로 성장하여 전기자동차의 본격적인 보급에 연결되는 체제가 필요하게 되었다.

앞으로의 전기자동차 도입을 촉진하는 적정한 급속충전 스테이션 설치규모, 설치 위치 등을 고려할 때,

- 유저의 편리성 시점: 전지의 완전소모를 일으키지 않고, 가능한 한 장거리 주행을 가능케 하는 급속충전 스테이션 설치규모, 설치위치

- 충전인프라 사업의 관점: 고객의 충전수요에 맞는 급속충전 스테이션 설치위치, 규모 및 급속충전 장치 대수의 두 가지 조건을 동시에 고려하는 것이 필요하게 되었다.

위의 두 가지 관점에서 급속충전 스테이션 설치규모의 효과를 평가하는 도구로서 “충전인프라 검토용 차세대 자동차 교통시뮬레이터”를 개발하였다. 본 교통시뮬레이터의 특징은 다음과 같다.

- 실제의 지도자료에 기초하여 도로망을 이용한 전기자동차의 교통시뮬레이션

- 충전 스테이션 위치는 입력 파라미터로서 설정

- 전기자동차의 탑재 전지 용량, 주행연비뿐만 아니라 공조 등 주행 이외의 에너지 소비도 고려가능

- 도로망에 관해서도 정체 시의 주행속도를 설정 가능

- 전기자동차 운용 중의 보통 충전 효과도 고려 가능

(2) 본 연구의 목적

본 연구에서는 충전인프라 검토용 차세대 자동차 교통시뮬레이터를 기본으로 급속충전 스테이션의 적정 배치기능의 개발을 수행한다. 구체적으로는 2010년에 개발한 “충전인프라 검토용 차세대 자동차 교통시뮬레이터”에 의한 전기자동차의 전지 완전소모 발생 위치를 예측하고, 그 위치정보를 충전수요로서 고려함으로써 충전수요가 큰 영역에 급속충전 스테이션을 우선적으로 배치하는 급속충전 스테이션 적정배치 기능을 개발한다. 본 보고서에서는 급속충전 스테이션의 적정배치 기능의 기본 알고리즘, 이 기능을 교통시뮬레이터에 장착, 알고리즘의 적용결과와 과제의 정리하였다.

2. 최적배치문제의 현황과 과제

전기자동차의 충전인프라 설치에 관해서는 보로노이(Voronoi)도를 이용한 균등배치로 ① 전기자동차의 사용자가 이용하는 시설에 근접 할 것, ② 역 등 공공교통 거점에 가까울 것, ③ 주요 도로에 가까울 것, ④ 진입구를 2방향 이상 확보할 수 있다는 것에 대해 중요도를 고려한 최적 설치장소를 제안하는 방법이 제안되고 있다. 또한, 포스트 최적화 문제와 이용자 분포를 주유소의 설치 분포 및 전기자동차의 주행분포로 생각하여 평균거리를 최소화하도록 충전스테이션의 위치를 결정하는 것이 제안되었다. 이러한 기본적인 사고방식은 이용자의 편리성 등 중요한 점을 고려하여 충전스테이션까지의 평균거리를 최소화하는 것이 기본이 된다. 한편, 급속충전 스테이션의 설치위치 최적화에 관해서는 2개의 시점이 중요하다. 첫 번째는 사용자의 편리성의 시점이며, 이것은 전지 완전소모를 발생시키지 않고 필요한 거리의 주행을 가능케 하는 급속충전 스테이션 설치규모, 설치위치, 다른 말로 하면, 전지 완전소모의 발생확률이 최소가 되도록 급속충전 스테이션 망을 구축한다. 두 번째는 충전 인프라 사업의 관점에서 어느 정도의 고객수가 모일 것인가에 대한 충전 스테이션 설치위치라는 관점이다.

본 연구에서는 충전수요에 적합한 방법으로 급속충전 스테이션의 설치위치를 정하고, 정한 위치에 대하여 1일당 어느 정도 충전을 위한 전기자동차가 이용하는지 등도 고려할 수 있는 급속충전 스테이션 위치설치 최적화 알고리즘의 개발을 목표로 한다. 우선, 개발을 위한 제1단계로서 충전 인프라의 수요, 즉, 전기자동차의 전지 완전소모 발생확률이 높은 영역에 충전 스테이션을 배치하여 전지 완전소모의 발생을 최소화하는 것을 목적으로 한 충전 스테이션 적정배치 위치 알고리즘을 개발한다.

3. 교통시뮬레이션에 의한 충전 ST 적정배치 알고리즘

(1) 알고리즘의 개요

급속충전 스테이션 적정배치에 관한 주요 알고리즘 개요와 시스템 구성을 보면, 본 알고리즘은 다층 레이어 구조로 되어 있으며, 전기자동차 전지 완전소모 발생위치(충전수요)를 해석하는 전기자동차 레이어와 급속충전 스테이션의 적정 배치를 해석하는 충전 스테이션 레이어 등 2가지 레이어로부터 해석시스템을 구성하였다. 해석은 우선 ① 전기자동차 레이어에 충전인프라를 임의의 위치에 설정한 전기자동차에 의한 교통시뮬레이터를 실행한다. 그 결과, ② 전기자동차의 전지 완전소모 발생위치기 예측되어 충전수요의 위치와 그 대수가 분명해 진다. 다음으로 ③ 전기자동차 레이어에서 밝혀진 전지 완전소모 발생위치(충전수요)를 충전 스테이션 레이어에 사상(写像)한다. 그리고 ④ 그 충전수요에 기초한 급속충전 스테이션의 위치를 “자율적으로” 정한다. 다음에 ⑥ 얻어진 급속충전 스테이션의 위치를 전기자동차 레이어에 사상하고, ⑦ 다시 전기자동차의 교통 시뮬레이션을 실시함으로써 충전 수요를 갱신한다.

(2) 급속충전 스테이션 행동 모델

본 보고서에서는 급속충전 스테이션의 움직임을 전기장 중의 전하입자의 행동과 같은 행동 모델을 적용하였다. 구체적으로는 급속충전 스테이션을 정전하, 전지 완전소모 된 전기자동차는 인력이 작용하여 전지 완전소모 된 전기자동차의 대수가 많은 영역에 급속충전 스테이션이 모이는 효과로서 생각한다. 단, 전지 완전소모 된 전기자동차는 고정하고 급속충전 스테이션만이 자유롭게 움직이게 한다.

(3) 급속충전 스테이션 적정배치 확인의 필요성

급속충전 스테이션 행동 알고리즘은 교통 시뮬레이터가 도로 위를 움직인다고 설정하고 있다. 때문에, 도로형태가 어느 조건인 경우, 행동 알고리즘이 적절하게 동작하지 않는 경우가 존재한다.

(4) 교통 시뮬레이터에의 적용과 해석 단계

알고리즘을 2010년도에 개발한 충전인프라 검토용 차세대 자동차 교통시뮬레이터에 적용하였다. ① 전기자동차 레이어에 임의의 급속충전 스테이션에서의 전지 완전소모 발생위치(충전소요)를 예측한다. 다음에 ② 급속충전 스테이션 레이어에 급속충전 스테이션, 전지 완전소모 발생위치를 사상한다. ③ 전지 완전소모 위치를 고려하지 않고, 충전 최적 배치 알고리즘을 실행한다. ④ 전지 완전소모 발생위치를 고려하여 최적 배치 알고리즘을 실행한다. 마지막으로 ⑤ 급속충전 스테이션을 전기자동차 레이어에 사상하여 새로운 배치에 대한 전지 완전소모 발생위치를 예측한다.

(그림) 급속충전 스테이션 적정 배치 탐색 기능을 가진 교통시뮬레이터의 해석 단계

4. 해석결과

(1) 충전 스테이션 적정배치 알고리즘의 제안과 교통 시뮬레이터에의 적용

전력중앙연구소에서 개발한 충전인프라 검토용 차세대 자동차 교통시뮬레이터가 가진 다층 레이어 기능을 이용하여 전기자동차 레이어에서 교통시뮬레이션에 의한 전기자동차 전지 완전소모 발생위치(충전수요)를 예측하고, 충전스테이션 레이어에서 충전수요가 높은 영역에 급속충전 스테이션이 자율적으로 이동하도록 충전 스테이션 적정배치 알고리즘을 제안하였으며, 교통시뮬레이터에 적용하였다. 알고리즘에서는 급속충전 스테이션을 이동 가능한 정전하, 전지 완전소모 전기자동차를 고정된 부전하로 상정하여, 전하입자가 형성하는 전기장을 급속충전 스테이션이 서로 반발하여 전지 완전소모 된 전기자동차에 접근하듯이 도로 위를 이동한다. 모델구역에 대한 알고리즘을 적용한 결과, 전지 완전소모 발생 비율을 작게 하도록 급속충전 스테이션의 배치가 갱신되는 것을 확인하였다.

(2) 충전 시테이션 적정 배치 알고리즘의 적정성 확인

알고리즘에 의한 해석 결과, 급속충전 스테이션 설치 수가 많을수록, 전지 완전소모 발생 비율이 적을수록, 전지 완전 소모 발생 비율이 낮은 영역으로 빠르게 수렴된다는 것을 확인하였다. 또한, 급속충전 스테이션 초기치로서의 설정위치를 변화시킨 경우에도 거의 동일한 배치가 되는 해석결과가 된다는 것을 확인하였다. 그리고, 보다 복잡한 도로형태에 적용하여도 알고리즘이 기능한다는 것을 확인하였다.  

(그림) 급속충전 스테이션 적정배치 탐색 알고리즘의 급속충전 스테이션의 초기 설치위치의 의존성

5. 앞으로의 과제

본 보고서에서 제안한 알고리즘에서는 충전 스테이션이 미정비된 영역에 대하여 충전 스테이션을 어떻게 배치할까에 관한 검토를 기능으로 하고 있다. 따라서, 기존에 충전 스테이션의 정비는 개시된 영역에 적용하기 위해서 기존 충전 스테이션을 적정 위치 알고리즘의 적용에서 제외하여 설치 위치의 변경을 수행하지 않는 기능확장이 필요하다.

또한, 이번 해석 모델에서는 금속충전 스테이션 별로 몇 대의 급속충전 장치를 설치하면 되는가 등의 검토는 실시되지 않았다. 이것은 시간대별 급속충전 스테이션 가동률과 충전시간으로부터 충전을 하기 위한 충전대기를 발생시키지 않는 관점에서 검토를 실시할 필요가 있다. 이번 개발의 기초가 된 “충전인프라 검토용 차세대 자동차 교통 시뮬레이터”는 시간대별 충전스테이션의 충전대수를 해석하는 기능을 가지고 있기 때문에 본 기능과 연대시켜 충전 스테이션별로 필요한 급속충전장치의 설치대수 예측 기능의 확장도 앞으로의 과제라고 생각된다.

최후에 충전스테이션 적정배치 위치 알고리즘에서는 충전스테이션의 적정위치는 검토할 수 있지만, 설치하는 급속충전 스테이션 수 및 1개소당 급속충전장치 수에 관해서는 입력 파라미터로서 취급하고 있으며, 급속충전 스테이션 설치 수의 최적화까지 수행하는 것은 불가능하다. 급속충전 스테이션의 설치 수에 관해서는 전기자동차 사용자의 편리성의 관점에서 설치 수가 많을수록 전지 완전소모 비율도 적게 되기 때문에, 이 조건만으로는 허용된 전지 완전소모 발생비율을 설정하거나, 인프라 사업의 관점에서 최저한의 급속충전 스테이션 별 가동률 및 충전 대수를 설정하여 급속충전 스테이션의 설치 수에 대한 제약조건을 해결할 대안이 필요할 것이다.

1. 서언

2. 최적배치문제의 현황과 과제

3. 교통시뮬레이션에 의한 충전 ST 적정배치 알고리즘

4. 해석결과

5. 앞으로의 과제

6. 마무리