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

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

9

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

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

11

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 —— —— —— —— ——

12

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

13

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

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

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　　　　　　　　　

25

• 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

4444

Thank you ！

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