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
ダウンロード

応用の課題 (3)