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 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 　　　　　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 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 ……

電力回生ブレーキエネルギーの蓄積と再利用 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

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

　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

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

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

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

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

応用の実例 Installation year Line/Vehicle EDLC parameters Cell capacity [F] Total capacity [F] Voltage [V] Energy [kWh] Weight(kg)/Size (mm) 2003 LRV of Mannheim, Germany On-board 1800 45 200~400 0.85 477/1900×950×455 2007 Line 5 of Beijing Subway , China Wayside 2600 69.64 ~515.2 2.57 /860×2800×2600 Seibu　Railway, Japan —— 20.25 512~1280 2008 313 series, JR　Central, Japan 800 1.4 700~1425 0.28 430/900×900×730 Portugal MTS company 750V LRV 2009 Line T3 of Paris, France 1.6 2013 Shenyang.LRV, China 2008.11,西门子的‘Sitras HES’在Portuguese阿莫尼750V的LRV上的Combino电车应用； 09年底，RATP和阿尔斯通的有轨电车在巴黎三号线投入客运，超级电容roof-mounted； 沈阳将于2013年6月运营有轨电车，其接触网的局部不设触网路段采用超级电容供电。 11

応用の実例 ドイツ Hybrid LRV with ‘ MITRAC Energy Saver’ in Mannheim. 応用の実例 　　　ドイツ Hybrid LRV with ‘ MITRAC Energy Saver’ in Mannheim. Cell capacity （F） 1800 Cell voltage （V） 2.5 Number of component in series/parallel 160s 4p Total capacity（F） 45 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%

Hybrid LRV with EDLC ‘Citadis’ on Line T3 in Paris network. 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

Hybrid LRV with EDLCs ‘Combino’ in Portugal. 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

Hybrid commuter EMU ‘313 series’ with EDLC in JR Central Japan. 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） 2.5 Number of component in series/parallel 570s Total capacity（F） 1.4 Range of voltage（V） 700-1425 Energy capacity（Wh） 280 Maximum power（kW） 200 Weight（kg） 430 Dimension（mm） L 900 W900 H 730 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 16

[depth x width x height] 応用の実例 中国 Item Unit Block Module Composition 7 cells in series 6 units in parallel 32 blocks Voltage [V] 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 EDLC 北京地下鉄5号線　EDLC装置の諸元 17

エネルギー密度のさらなる向上 安全性 直列接続時の電圧平衡 内部抵抗削減 コスト低減など 10年ごとにエネルギー密度が2倍程度向上（？） 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

‐ 応用の課題（１） EDLC自身 ・出力密度：6kW/L （従来に匹敵） - 活性炭 e- （NIPPON CHEMI-CON社資料より） + - Activated Carbon LTO/CNF composite ‐ 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 　（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）

応用の課題 （１） EDLC自身 ナノハイブリッドキャパシタ 100 90 80 70 エネルギー密度／Wh・kg-1 たくさんためられる ニッケル水素バッテリー リチウムバッテリー 70 エネルギー密度／Wh・kg-1 たくさんためられる 60 HEVエネルギー 回生用途 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 瞬時に出せる電力が大きい 出力密度／kW・kg-1 20 従来活性炭キャパシタ 10 2 4 6 8 10 12 20

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 　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

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

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　　　　　　　　　 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

Substation internal resistance 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 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/ton） 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　　　　　　　　　 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　　　　　　　　　 検討例：　シミュレータ構成図 27

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　　　　　　　　　 検討例：　DC-RLS（DC Railwway Loadflow Simulator) Topology will be changed with time. 28

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　　　　　　　　　 検討例：　DC-RLS（DC Railwway Loadflow Simulator) Substation A Substation B 29

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　　　　　　　　　 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　　　　　　　　　 検討例：　運転時隔360s時のシミュレーション結果（Step 1)　 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 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 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 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） 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) 270s 360s 450s 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 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 360s 450s 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 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) (1)SOC value：0.25~0.9 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

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

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

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 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 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

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 39 　　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 40

Switching frequency(Hz) 　　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 EDLC Parameter Rated voltage (V) 270 Rated current(A) 40 Capacitor (F) 6.6 Inner resistance (Ω) 0.2 Motor Parameter Rated power（kW） 5.5 Rated voltage （V） 380 11 Rated speed (r/min) 1460 Rated torque ( N·m) 35 DC/DC Parameter 15 Switching frequency(Hz) 1.5K Filter inductor(mH) 0.5 Experimental platform The Platform of EDLC 41 The Platform of train simulator 41

充放電制御の実験室検証 実験結果例 275V 300V 310V 5A Train current 2.1A EDLC current 2A 　　充放電制御の実験室検証　　　　　　　　　 実験結果例 275V 300V 310V 5A Train current 2.1A EDLC current 2A 1.1A Line current Powering: voltage action value is is 275V Braking: voltage action value is 310V

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

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