電気鉄道における電気二重層キャパシタの 応用の現状と課題 北京交通大学電気工学科 楊 中平 [email protected] 2012. 3. 1 蓄電技術と電気鉄道 • 近年にみられる急速な蓄電技術の進歩 • 蓄電素子 – 二次電池、燃料電池、キャパシタ、フライホーイル、 SMESなど • 電気鉄道はさらなる省エネ、環境に優しい乗り物 となることが可能 2 電気鉄道における応用実例 – 1988, フライホーイル, Keihin Electric Express Railway, 日本 – 2000,フライホーイル, ハイブリッド DMU ‘LIREX’, ドイツ – 2002,フライホーイル トラム‘PPM’, Seven Valley Railway, イギリス – 2003, リチウム イオン電池, 架線レスバッテリトラム, 日本 – 2005, ニッケル水素電池, LRV, フランス – 2006,リチウム イオン電池+ 燃料電池, ハイブリッド EMU, JR東日本 – 2007, 電気二重層キャパシタ，西武鉄道, 日本 – 2007,電気二重層キャパシタ, 北京地下鉄５号線, 中国 – …… 3 期待できる主な効果（１） 車 輌 • 電力回生ブレーキエネルギーの蓄積と再利用 – 回生失効の抑制 – 省エネルギー • 加速性能も向上 • 停電時も走行可能 • ハイブリッド車輌も可能 4 期待できる主な効果（１） 車 輌 I Not be absorbed Regeneratived current 0 Pantograph voltage 1700V Engine V 1830V CKD6E5000 (China) Lithium-ion battery 5 期待できる主な効果（2） 電力供給システム • 架線電圧変動抑制 • ピックパワーカット ΔV=line resistance（Ω/km）*distance（km）*regenerated current(A) DC1830V DC1700V Regenerated energy DC1500V ＋ Substation Powering Braking － 6 期待できる主な効果（3） 環境・運行 • 部分電化による路面電車の景観維持 • 架線の全面的または部分的省略 • 電化と非電化区間の直通運転 7 どんな蓄電素子が適しているか（１） エネルギー密度とパワー密度 電池： エネルギー密度は高いが、パワー密度が不十分 EDLC： パワー密度は高いが、エネルギー密度まだ低い Source : Maxwell Technologies SA 8 どんな蓄電素子が適しているか（2） 効率と寿命 電池： 寿命は充放電サイクルに依存する EDLC： 寿命長い、充放電速い Source : www.electricitystorage.org 9 どんな蓄電素子が適しているか（3） • 各種の蓄電素子とも実用例がある • 現時点で、この種のものがベストだという結 論がない • 本講演では、EDLCの応用に限って議論する 10 応用の実例 EDLC parameters Installation year Line/Vehicle 2003 LRV of Mannheim, Germany On-board 1800 2007 Line 5 of Beijing Subway , China Wayside 2007 Seibu Railway, Japan 2008 Voltage [V] Energy [kWh] Weight(kg)/Size (mm) 45 200~400 0.85 477/1900×950×455 2600 69.64 ~515.2 2.57 Wayside —— 20.25 512~1280 —— —— 313 series, JR Central, Japan On-board 800 1.4 700~1425 0.28 430/900×900×730 2008 Portugal MTS company 750V LRV On-board —— —— —— —— —— 2009 Line T3 of Paris, France On-board —— —— —— 1.6 —— 2013 Shenyang.LRV, China On-board —— —— —— —— —— Installation Cell Total capacity [F] capacity [F] /860×2800×2600 11 応用の実例 ドイツ Hybrid LRV with ‘ MITRAC Energy Saver’ in Mannheim. Cell capacity （F） 1800 Cell voltage （V） Number of component in series/parallel Total capacity（F） 2.5 Range of voltage（V） 200-400 Energy capacity（Wh） 850 Maximum power（kW） 300 Weight（kg） 477 Dimension（mm） L1900 W 950 H 455 Energy saving Up to 30% 160s 4p 45 12 応用の実例 フランス Hybrid LRV with EDLC ‘Citadis’ on Line T3 in Paris network. Source: Jean-Paul Moskowitz Jean-Luc Cohuau ‘ALSTOM and RATP experience of supercapacitors in tramway operation’ Vehicle Power and Propulsion Conference (VPPC), 2010 BB63000 Locomotive 13 応用の実例 Portugal Hybrid LRV with EDLCs ‘Combino’ in Portugal. Source: Alfred Energy Storage for Railway Systems, Energy Recovery and Vehicle Autonomy in Europe’ International Power Electronics Conference,2010 14 応用の実例 日本 Hybrid commuter EMU ‘313 series’ with EDLC in JR Central Japan. Cell capacity （F） 800 Cell voltage （V） Number of component in series/parallel Total capacity（F） 2.5 Range of voltage（V） 700-1425 Energy capacity（Wh） 280 Maximum power（kW） 200 Weight（kg） 430 Dimension（mm） L 900 W900 H 730 570s 1.4 15 応用の実例 中国 北京地下鉄5号線４つの変電所に EDLC蓄能装置を設置 16 応用の実例 中国 Item Unit Block Module Composition 7 cells in series 6 units in parallel 32 blocks in series Voltage [V] 17.5 17.5 560 Capacity [F] 371 2228 70 Energy capacity [kWh] 2.5 Maximum power [MW] 1 Total Dimensions [mm] [depth x width x height] D 860 W 2800 H 2660 北京地下鉄5号線 EDLC装置の諸元 EDLC 17 応用の課題（１） EDLC自身 • エネルギー密度のさらなる向上 – 10年ごとにエネルギー密度が2倍程度向上（？） • 安全性 – 耐熱温度高い – 電解液燃焼時に有毒ガス発生しないなど • 直列接続時の電圧平衡 • 内部抵抗削減 • コスト低減など 18 応用の課題（１） EDLC自身 負極 + eHigh electric conductivity Nano-sized LTO High ionic accessibility (ca. 5-20 nm) ‐ LTO/CNF composite CNF - + - + Li4Ti5O12 + - + - + - + - + + 3e⇔ Li7Ti5O12 正極 - + + 3Li+ - - 活性炭 - Activated Carbon ナノチタン酸リチウム (nano-LTO)/カーボンナノ ファイバ(CNF) 複合体 + - - Pores - - + （NIPPON CHEMI-CON社資料より） ・エネルギー密度：30Wh/L （従来活性炭の約3倍） ・出力密度：6kW/L （従来に匹敵） 19 応用の課題 （１） EDLC自身 100 たくさんためられる 80 70 60 鉛バッテリー エネルギー密度／Wh・kg-1 90 50 40 HEVエネルギー 回生用途 ナノハイブリッドキャパシタ 建設機械、鉄道用途 コピー機 ・ プリンター用途 30 従来活性炭 キャパシタ 20 10 0 2 8 4 6 瞬時に出せる電力が大きい 出力密度／kW・kg-1 10 12 20 応用の課題 （2） 設置方式 • 地上設置 – 自由度大きい、目的に応じて場所と容量の選択は重要 • 車載方式 – 重量やスペースに強い制約あり – いかに少ない容量で目的を達成するかが重要 • ユーザは、ライフサイクルコスト、省エネルギーなど の観点からの定量的な評価を強く期待している 21 応用の課題 （３） 容量設定と充放電制御 • 必要な容量に影響する要素 – 線路 – 車輌 – 変電所 – ダイヤ – EDLC特性 – 充放電制御手法 22 応用の課題 （３） 容量設定と充放電制御 • 容量設定と充放電制御 – 一定の容量に対する充放電制御手法の確立 – 充放電制御手法を容量設定に取り入れる • 線路条件などによって、SOC許容値を可変に • 最適な充放電制御手法が研究されている • 実用化に向けて、合理的な「準最適」な制御手 法の確立が重要 23 応用の課題 （３） 容量設定と充放電制御 • 車載方式容量設定 余剰回生ブレーキエネルギーを蓄積する場合の一提案 Start Step1: Multi-trains running simulation Step2: Analysis of train’s surplus regenerative power/energy Step3: Initial capacity configuration Step4: EDLC control strategy selection Modify Modify Step5: Analysis of control effect&Evaluation Surplus regenerative energy fully absorbed 1 No 2 No Yes End 24 応用の課題 （３） 容量設定と充放電制御 • 検討例： シミュレーションパラメータ Vehicle parameters 2M2T Catenary voltage 170.34t Substation internal Induction motor 220 kW × 4 per motor car 0.04 Ω/km line inductance 0.001H/km A 0km B 2.17km :substation 5.85km :Train(powering) sta t tra ion in bs ta tio n C su tra in su bs sta ti tra on in upline ta tio n R=20.286＋0.3822V+0.002058V2（N/ton） Running resistance D 7.25 km :Train(coasting) E 9.39 km ta tio n Resistance of line bs 90km/h F su Top speed 0.0416 Ω resistance tra in 1C4M Traction motor 1500V ta tio n Motor control bs Weight 270s/360s/450s Headway su Type, configuration downline 11.68km :train(braking) 25 応用の課題 （３） 容量設定と充放電制御 • 検討例： 力行とブレーキ曲線 26 応用の課題 （３） 容量設定と充放電制御 • 検討例： シミュレータ構成図 TE=f(v) Current limiter V-t Curve Grades Input: Paranmeters TPS Speed limit Max depth of discharge ESS Pantograph current p-t Control algorithm Initial voltage Pantograph voltage a-t s-t Substation output power DCRLS Pc Output: Simulation Resulsts Surplus regenerated power/energy …… Substation location Characteristics of substations ESS: Engery Storage Simulatior TPS: Train Performance Simulatior DC-RLS: DC-railway loadflow Simulator 27 応用の課題 （３） 容量設定と充放電制御 • 検討例： DC-RLS（DC Railwway Loadflow Simulator) Upline + DC …… + DC …… Downline Sub Sub Topology will be changed with time. SubA TrainA Z1 TrainB SubB Z4 Z2 TrainC Z5 Z3 I3 Rs Rs UA + - UB + C - 28 応用の課題 （３） 容量設定と充放電制御 • 検討例： DC-RLS（DC Railwway Loadflow Simulator) Substation A Idin+Iuin Substation B Vuin Vout R I L Idin+Iuin Vout Iuout I S S Rs Rs + Cs + - Vs Sub _ Vs 29 応用の課題 （３） 容量設定と充放電制御 • 検討例： DC-RLS（DC Railwway Loadflow Simulator) Iin Vin Vout R L Train A Iout I V1 V2 Vmax Vfc 0 Rf Paux/Vfc Iinv Vfc Lf -Imax Vfc Cf Current limiter P/Vfc Iref Iin Train C Vout I 0 V1 V2 Vmax Vfc Rf Paux/Vfc Iinv Vfc Lf -Imax Vfc Cf Current limiter P/Vfc Iref 30 応用の課題 （３） 容量設定と充放電制御 • 検討例： 運転時隔360s時のシミュレーション結果（Step 1) 2000 catenary current[A] catenary voltage [V] expected regenerative current[A] catenary voltage [V],current[A] 1500 1000 500 0 -500 Surplus regenerative current -1000 -1500 800 900 1000 1100 time[sec] 1200 1300 1400 31 応用の課題 （３） 容量設定と充放電制御 • 検討例： 余剰回生ブレーキパワーとエネルギー分析（Step 2) 余剰回生ブレーキエネルギー 余剰回生ブレーキパワー 32 応用の課題 （３） 容量設定と充放電制御 • 検討例： 初期容量設定 （Step ３) Cell Module Capacity 3000F Rated voltage 2.7V 125V ESR 0.29mΩ 18mΩ Power density 63F 5900W/kg 1800W/kg Energy density 6Wh/kg 2.4Wh/kg Weight 0.51kg 60.5kg Energy storage 3.04Wh 143.4Wh Volume —— 619×425×265（mm3） 33 応用の課題 （３） 容量設定と充放電制御 • 検討例： 初期容量設定 （Step ３) Vmaxから停止までの回生エネルギーを蓄積 270s Module connection 12 in series × 4 in parallel×2 sets Module connection 7 in series × 4 in parallel×2 sets Voltage range 750~1500V Voltage range 500~875V Weight 5566kg Weight 847kg Volume 6.444m3 Volume 0.98m3 Energy storage 9kWh Energy storage 1.04kWh 360s 450s Module connection 8 in series × 2 in parallel×2 sets Module connection 12 in series × 2in parallel×2 sets Voltage range 500~1000V Voltage range 750~1500V Weight 1936kg Weight 2904kg Volume 2.24m3 Volume 3.36m3 Energy storage 2.6kWh Energy storage 4.3kWh 34 応用の課題 （３） 容量設定と充放電制御 • 検討例： 充放電制御手法設定 （Step ４) PL (kW) E1 ISC P2 E2 t(s) EDLC Current P1 charge 1300 1450 discharge 1700 1800 Pantograph voltage Vehicle current Id I l _ lim I l* Current reference Vt (1)SOC value：0.25~0.9 (2)Current limiter：0.6・Imax 35 応用の課題 （３） 容量設定と充放電制御 • 検討例： 効果分析（限流値60％の場合） （Step ５) 2000 catenary voltage [V],current[A] 1500 1000 500 0 -500 -1000 -1500 current-nosc[A] current-nosc[V] current-sc-control[A] current-sc-control[V] 800 900 1000 1100 time[sec] 1200 1300 1400 36 応用の課題 （３） 容量設定と充放電制御 • 検討例： 効果分析（限流値60％の場合） （Step ５) 1000 Psc Psc-Control Pscmax-Control 500 Pscmax 0 -500 -1000 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 time[sec] 5 EDLC energy[kWh] EDLC power[kW] 1500 4 Esc Esc-Control Escmax 3 Escmax-Control 2 1 0 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 time[sec] 37 応用の課題 （３） 容量設定と充放電制御 • 検討例： 容量設定結果 初期容量 最終容量 Module connection 8 in series × 2 in parallel×2 sets Module connection 9in series × 2 in parallel×2 sets Voltage range 500~1000V Voltage range 550~1100V Weight 1936kg Weight 2178kg Volume 2.24m3 Volume 2.52m3 Energy storage 2.6kWh Energy storage 2.9kWh 38 充放電制御の実験室検証 • 自動車を用いた実験 • ミニモデルを用いた実験 Source: D. Iannuzzi,and P. Tricoli‘ Metro Trains Equipped Onboard with Supercapacitors : a Control Technique for Energy Saving’ SPEEDAM 2010 Source：Eimei TAKAHARA, Jun YAMADA, ‘Application of Electric Double Layer Capacitors for Railway’, Rolling Stock & Technology, No.126, 2006 39 充放電制御の実験室検証 北京交通大学のミニモデル実験装置 Line Current L1 YD11 DC C1 300V AC210V B1 Rectifier Inverter Current IL I inv R1 L2 Chopper Current I ch T3 R2 M C2 M Traction inverter L3 Vehicle Substation T1 I sc Vch C3 T2 Lsc U sc DC r 150V-300V EDLC Bidirectional DC-DC Chopper EDLC Energy Storage System 40 充放電制御の実験室検証 北京交通大学のミニモデル実験装置 Experimental platform EDLC Parameter Rated voltage (V) 270 Rated current(A) 40 Capacitor (F) 6.6 Inner resistance (Ω) 0.2 Motor Parameter The Platform of EDLC Rated power（kW） 5.5 Rated voltage （V） 380 Rated current(A) 11 Rated speed (r/min) Rated torque ( N·m) 1460 35 DC/DC Parameter Rated power（kW） 15 Switching 1.5K frequency(Hz) The Platform of train simulator Filter inductor(mH) 41 0.5 充放電制御の実験室検証 実験結果例 300V 275V 5A 310V Train current 2.1A EDLC current 2A 1.1A Line current Powering: voltage action value is is 275V Braking: voltage action value is 310V 42 まとめ • 蓄電技術の電気鉄道への応用と研究は今後さらに 活発化 • EDLCの応用を広げるためには、エネルギー密度 向上、内部抵抗削減などの性能向上が必要 • EDLCの容量設定と充放電制御手法の確立が重要 • ユーザよりライフサイクルコストの定量的評価が強く 求められている 43 Thank you！ Late time question welcome to: [email protected] or [email protected] 44
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