電気鉄道における電気二重層キャパシタの
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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 PowerPoint PPT Presentation


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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

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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

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Presentation Transcript


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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


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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


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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


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期待できる主な効果(1)車 輌

Engine

Lithium-ion battery

CKD6E5000 (China)


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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


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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


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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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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

どんな蓄電素子が適しているか(3)


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応用の実例


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応用の実例ドイツ

Hybrid LRV with ‘ MITRAC Energy Saver’ in Mannheim.


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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

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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

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応用の実例

日本

Hybrid commuter EMU ‘313 series’ with EDLC in JR Central Japan.

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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

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応用の実例

中国

EDLC

北京地下鉄5号線 EDLC装置の諸元

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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


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応用の課題(1)EDLC自身         

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

負極

正極

-

活性炭

-

e-

-

-

-

CNF

Pores

-

-

-

High electric conductivity

+

-

-

Activated Carbon

-

-

Nano-sized LTO

-

LTO/CNF composite

High ionic accessibility

(ca. 5-20 nm)

-

-

-

-

Li4Ti5O12 + 3Li+ + 3e⇔ Li7Ti5O12

-

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

 (NIPPONCHEMI-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)


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応用の課題 (1)EDLC自身

瞬時に出せる電力が大きい

出力密度/kW・kg-1

エネルギー密度/Wh・kg-1

たくさんためられる

100

90

80

リチウムバッテリー

ニッケル水素バッテリー

70

HEVエネルギー

回生用途

60

ナノハイブリッドキャパシタ

50

コピー機 ・

プリンター用途

建設機械、鉄道用途

鉛バッテリー

40

30

20

従来活性炭キャパシタ

10

12

8

10

2

4

6

0

20


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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


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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

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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


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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


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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


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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

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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)

Topology will bechanged with time.

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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

Substation B

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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)

Train A

Train C


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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)

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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

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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)

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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

360s

450s

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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)

(1)SOC value:0.25~0.9

(2)Current limiter:0.6・Imax

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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)

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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)

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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


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  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: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

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  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

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  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

The Platform of EDLC

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The Platform of train simulator


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  充放電制御の実験室検証         

実験結果例

275V

300V

310V

5A

Traincurrent

2.1A

EDLC current

2A

1.1A

Line current

Powering: voltage action value is is 275V

Braking: voltage action value is 310V


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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


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Thank you!

Late time question welcome to: [email protected] or [email protected]

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