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
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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. 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 - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
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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
3
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
– ……
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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
5Engine CKD6E5000 (China) Lithium-ion battery
I
V1700V 1830V0 Pantograph voltage
Not be absorbed
Regeneratived current
期待できる主な効果(1)
車 輌
6
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
Substation
Powering Braking
+
-
DC1500VRegenerated energy
DC1830VΔ V=line resistance(Ω /km)*distance(km)*regenerated current(A)
DC1700V
7
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
8
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
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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
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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
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応用の実例
Installationyear
Line/Vehicle
EDLC parameters
InstallationCell
capacity [F]Total
capacity [F]Voltage
[V]Energy[kWh]
Weight(kg)/Size(mm)
2003LRV of Mannheim,
GermanyOn-board 1800 45 200~400 0.85 477/1900×950×455
2007Line 5 of Beijing Subway , China
Wayside 2600 69.64 ~515.2 2.57/860×2800×2600
2007 Seibu Railway, Japan
Wayside —— 20.25 512~1280 —— ——
2008313 series, JR Central, Japan
On-board 800 1.4 700~1425 0.28 430/900×900×730
2008Portugal MTS company 750V
LRVOn-board —— —— —— —— ——
2009Line T3 of Paris,
FranceOn-board —— —— —— 1.6 ——
2013Shenyang.LRV,
ChinaOn-board —— —— —— —— ——
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応用の実例
ドイツ
Hybrid LRV with ‘ MITRAC Energy Saver’ in Mannheim.
Cell capacity ( F ) 1800
Cell voltage ( V ) 2.5Number of component in series/parallel
160s 4p
Total capacity ( F ) 45Range 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%
13
応用の実例 フランス
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Hybrid LRV with EDLC ‘Citadis’ on Line T3 in Paris
network.
BB63000 LocomotiveBB63000 Locomotive
Source: Jean-Paul Moskowitz Jean-Luc Cohuau ‘ALSTOM and RATP experience of supercapacitors in tramway operation’ Vehicle Power and Propulsion Conference (VPPC), 2010
1414
Hybrid LRV with EDLCs ‘Combino’ in Portugal.
応用の実例 Portugal
Source: Alfred Energy Storage for Railway Systems, EnergyRecovery and Vehicle Autonomy in Europe’ International Power Electronics Conference,2010
1515
応用の実例 日本
Hybrid commuter EMU ‘313 series’ with EDLC in JR
Central Japan.
Cell capacity ( F ) 800Cell voltage ( V ) 2.5Number of component in series/parallel
570s
Total capacity ( F ) 1.4Range of voltage( V ) 700-1425
Energy capacity ( Wh ) 280
Maximum power ( kW ) 200
Weight ( kg ) 430Dimension ( mm ) L 900 W900 H 730
1616
北京地下鉄 5 号線4つの変電所にEDLC 蓄能装置を設置
応用の実例
中国
16
17
Item Unit Block Module
Composition 7 cellsin series
6 unitsin parallel
32 blocksin 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 17
応用の実例
中国
EDLC
18
• 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
応用の課題(1)
EDLC 自身
19
( NIPPON CHEMI-CON 社資料より)
+
+
-
-
-
-
-
-
-
-
-
Act
ivat
ed C
arb
on
LT
O/C
NF
com
po
site
+
+
+
+
+
+
+
+
+‐
負極 正極
-
--
-
-
-
-
-
活性炭
-
Pores
e-
CNF
Nano-sized LTO
High electric conductivity
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
High ionic accessibility(ca. 5-20 nm)
Li4Ti5O12 + 3Li+ + 3e⇔ Li7Ti5O12
・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)
・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)
応用の課題(1)
EDLC 自身
2020
エネ
ルギ
ー密
度/
Wh
・kg
-1
たく
さん
ため
られ
る
瞬時に出せる電力が大きい出力密度/ kW ・kg-1
40
20
60
80
100
2 4 6 10
鉛バ
ッテ
リー
ニッ
ケル
水素
バッ
テ
リー
リチ
ウム
バッ
テリ
ー
90
70
30
50
10
0 8 12
従来活性炭従来活性炭キャパシタキャパシタ
建設機械、鉄道用途
HEV エネルギー回生用途
コピー機 ・ プリンター用
途
ナノハイブリッドキャパシタナノハイブリッドキャパシタ
応用の課題 (1)
EDLC 自身
21
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
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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
2323
• 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
応用の課題 (3) 容量設定と充放電制御
24
• 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
Step5: Analysis of control effect&Evaluation
Surplus regenerativeenergy fully absorbed
End
Yes
1 No 2 No
Modify
Modify
応用の課題 (3) 容量設定と充放電制御
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• 検討例: シミュレーションパラメータ
Vehicle parameters
Type, configuration 2M2T
Weight 170.34t
Motor control 1C4M
Traction motor Induction motor 220 kW × 4 per motor car
Top speed 90km/h
Running resistance R=20.286 + 0.3822V+0.002058V2 ( N/to
n)
0km 2.17km 5.85km 7.25 km 9.39 km 11.68kmA B C D E F
upline
downline
:substation :Train(powering) :Train(coasting) :train(braking)
Headway 270s/360s/450s
Catenary voltage 1500V
Substation internal
resistance 0.0416 Ω
Resistance of line 0.04 Ω/km
line inductance 0.001H/km
応用の課題 (3) 容量設定と充放電制御
26
• 検討例: 力行とブレーキ曲線
応用の課題 (3) 容量設定と充放電制御
2727
• 検討例: シミュレータ構成図
TPS
DC-RLS
s-t
a-t
p-t
Curve
Grades
Speed limit
V-tPantograph voltage
Pantograph current
TE=f(v)Current limiter
Substation location
Characteristics of substations
……
TPS: Train Performance Simulatior DC-RLS: DC-railway loadflow Simulator
Input:
Paranmeters
Output: Simulation
Resulsts
Substation output power
Surplus regenerated power/energy ESS
Initial voltage
Max depth of discharge
Pc
ESS: Engery Storage Simulatior
Controlalgorithm
応用の課題 (3) 容量設定と充放電制御
2828
Topology will be changed with time.
• 検討例: DC-RLS ( DC Railwway Loadflow Simulator)
応用の課題 (3) 容量設定と充放電制御
+ DC
+ DC
Upline
Downline
Sub
……
……Sub
Z1
Z2 Z3
Z4 Z5
Rs Rs
UA UB
I3
+
-
+
-
SubA SubBTrainA TrainB TrainC
C
2929
Substation A Substation B
• 検討例: DC-RLS ( DC Railwway Loadflow Simulator)
応用の課題 (3) 容量設定と充放電制御
R L
S
Rs
I
Idin+Iuin VoutVuin
Iuout
SubVs
+
-
S
Rs
I
Idin+Iuin Vout
Vs
Cs
+
_
R L
Rf
I
Iin Vout Vin
Iout
Lf
CfCurrent limiter
Iinv Vfc
P/VfcVfc
VfcVmaxV2V1
-Imax
Iref
0
Paux/Vfc
Rf
I
Iin Vout
Lf
CfCurrent limiter
Iinv Vfc
P/VfcVfc
VfcVmaxV2V1
-Imax
Iref
0
Paux/Vfc
30
• 検討例: DC-RLS ( DC Railwway Loadflow Simulator)
Train A
Train C
応用の課題 (3) 容量設定と充放電制御
3131
• 検討例: 運転時隔 360s 時のシミュレーション結果( Step 1)
800 900 1000 1100 1200 1300 1400-1500
-1000
-500
0
500
1000
1500
2000
time[sec]
cate
nary
vol
tage
[V],c
urre
nt[A
]
catenary current[A]catenary voltage [V]expected regenerativecurrent[A]
Surplus regenerativecurrent
応用の課題 (3) 容量設定と充放電制御
3232
余剰回生ブレーキパワー
余剰回生ブレーキエネルギー
• 検討例: 余剰回生ブレーキパワーとエネルギー分析( Step 2)
応用の課題 (3) 容量設定と充放電制御
3333
• 検討例: 初期容量設定 ( Step 3 )
Cell Module
Capacity 3000F 63F
Rated voltage 2.7V 125V
ESR 0.29mΩ 18mΩ
Power density 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)
応用の課題 (3) 容量設定と充放電制御
3434
Vmax から停止までの回生エネルギーを蓄積Vmax から停止までの回生エネルギーを蓄積
• 検討例: 初期容量設定 ( Step 3 )
270s270s
360s360s 450s450s
Module connection
12 in series × 4 in parallel×2 sets
Voltage range 750~1500V
Weight 5566kg
Volume 6.444m3
Energy storage 9kWh
Module connection
7 in series × 4 in parallel×2 sets
Voltage range 500~875V
Weight 847kg
Volume 0.98m3
Energy storage 1.04kWh
Module connection
8 in series × 2 in parallel×2 sets
Voltage range 500~1000V
Weight 1936kg
Volume 2.24m3
Energy storage 2.6kWh
Module connection
12 in series × 2in parallel×2 sets
Voltage range 750~1500V
Weight 2904kg
Volume 3.36m3
Energy storage 4.3kWh
応用の課題 (3) 容量設定と充放電制御
3535
• 検討例: 充放電制御手法設定 ( Step 4 )
(1)SOC value : 0.25~0.9 (2)Current limiter : 0.6 ・Imax
ED
LC
Cur
rent
18001700
ISC
discharge
charge
Pantographvoltage
1300 1450
lim_lI
Vehicle current
*lI
Vt
Current reference
Id
応用の課題 (3) 容量設定と充放電制御
3636
• 検討例: 効果分析(限流値 60%の場合) ( Step 5 )
800 900 1000 1100 1200 1300 1400-1500
-1000
-500
0
500
1000
1500
2000
time[sec]
cate
nary
vol
tage
[V],c
urre
nt[A
]
current-nosc[A]current-nosc[V]current-sc-control[A]current-sc-control[V]
応用の課題 (3) 容量設定と充放電制御
3737
• 検討例: 効果分析(限流値 60%の場合) ( Step 5 )
800 900 1000 1100 1200 1300 1400-1000
-500
0
500
1000
1500
time[sec]
ED
LC p
ower
[kW
]
800 900 1000 1100 1200 1300 14000
1
2
3
4
5
time[sec]
ED
LC e
nerg
y[kW
h]
EscEsc-Control
PscPsc-Control
Pscmax
Pscmax-Control
Escmax-Control
Escmax
応用の課題 (3) 容量設定と充放電制御
38
初期容量 最終容量
• 検討例: 容量設定結果
Module connection
8 in series × 2 in parallel×2 sets
Voltage range 500~1000V
Weight 1936kg
Volume 2.24m3
Energy storage 2.6kWh
Module connection
9in series × 2 in parallel×2 sets
Voltage range 550~1100V
Weight 2178kg
Volume 2.52m3
Energy storage 2.9kWh
応用の課題 (3) 容量設定と充放電制御
3939
• 自動車を用いた実験• ミニモデルを用いた実験
Source : Eimei TAKAHARA, Jun YAMADA, ‘Application of Electric Double Layer Capacitors for Railway’, Rolling Stock & Technology, No.126, 2006
Source: D. Iannuzzi,and P. Tricoli‘ Metro Trains Equipped Onboard with Supercapacitors : a Control Technique for Energy Saving’ SPEEDAM 2010
充放電制御の実験室検証
4040
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北京交通大学のミニモデル実験装置
Rectifier Traction inverter
EDLC Energy Storage System
EDLC
scI
scU
Substation Vehicle
scL
1R
3L
AC210V
DC300V
DC150V-300V
1L
1C 2C
3C1T
2T
YD11
2R
3T
r
B1
Bidirectional DC-DC Chopper
Line CurrentLI
Inverter CurrentinvI
Chopper Current
chI
chV
2L
M M
4141
北京交通大学のミニモデル実験装置北京交通大学のミニモデル実験装置
充放電制御の実験室検証
EDLC Parameter
Rated voltage (V) 270
Rated current(A) 40
Capacitor (F) 6.6
Inner resistance (Ω) 0.2
Motor Parameter
Rated power ( k
W)5.5
Rated voltage
( V)380
Rated current(A) 11
Rated speed (r/min) 1460
Rated torque ( N·m) 35
DC/DC Parameter
Rated power ( k
W)15
Switching frequency
(Hz)1.5K
Filter inductor(mH) 0.5
Experimental platform Experimental platform
The Platform of EDLC
The Platform of train simulator
42
充放電制御の実験室検証
実験結果例実験結果例
300V275V
310V
Train current
5A
2.1A
Line current
EDLC current
1.1A2A
Powering: voltage action value is is 275VBraking: voltage action value is 310V
43
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