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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

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 zhpyang@bjtu.edu.cn 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

  1. 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 zhpyang@bjtu.edu.cn 2012. 3. 1

  2. 　　　　　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 • ……

  4. 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

  5. 期待できる主な効果（１）車　輌 Engine Lithium-ion battery CKD6E5000 (China)

  6. 期待できる主な効果（2）　電力供給システム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

  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

  9. どんな蓄電素子が適しているか（2）効率と寿命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

  10. 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）

  11. 応用の実例

  12. 応用の実例ドイツ Hybrid LRV with ‘ MITRAC Energy Saver’ in Mannheim.

  13. 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

  14. 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

  15. 応用の実例 日本 Hybrid commuter EMU ‘313 series’ with EDLC in JR Central Japan. 15

  16. 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 16

  17. 応用の実例 中国 EDLC 北京地下鉄5号線　EDLC装置の諸元 17

  18. 応用の課題（１）EDLC自身　　　　　　　　　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

  19. 応用の課題（１）EDLC自身　　　　　　　　　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）

  20. 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

  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

  22. 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

  23. 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

  24. 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

  25. 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

  26. 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

  27. 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 27

  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) Topology will bechanged with time. 28

  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) Substation A Substation B 29

  30. 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

  31. 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) 31

  32. 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

  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) 33

  34. 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 34

  35. 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 35

  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) 36

  37. 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) 37

  38. 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

  39. 　　充放電制御の実験室検証　　　　　　　　　　　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 39

  40. 　　充放電制御の実験室検証　　　　　　　　　　　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 40

  41. 　　充放電制御の実験室検証　　　　　　　　　　　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 41 The Platform of train simulator

  42. 　　充放電制御の実験室検証　　　　　　　　　　　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

  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

  44. Thank you！ Late time question welcome to: zhpyang@bjtu.edu.cn or yshouzhuo@yahoo.co.jp 44

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