成果報告書詳細
管理番号20090000000058
タイトル平成19年度-平成20年度成果報告書 エネルギー使用合理化技術戦略的開発 エネルギー有効利用基盤技術先導研究開発 「2次電池駆動式車両導入による私鉄省エネルギー技術の研究開発」
公開日2009/7/30
報告書年度2007 - 2008
委託先名大研化学工業株式会社 国立大学法人福井大学
プロジェクト番号P03033
部署名省エネルギー技術開発部 研究開発グループ
和文要約本研究開発の目的は、鉄道車両の走行における駆動装置として、リチウムイオン2次電池を使用し、走行時のエネルギーを効率的に低減する技術開発および省エネルギー効果の検証するものである。リチウムイオン2次電池には、低コストで安全なマンガン系リチウムイオン電池を使用し、電池容量90kWhによる直流抵抗制御型鉄道車両の走行試験、急速充電装置および電池システム及びBMS技術の研究開発、並びに、電池構成材料の技術開発を実施し、2次電池駆動式鉄道車両の基本仕様を確立して、省エネルギー効果を検討した。 国立大学法人福井大学では、エアロゾルプロセスによりマンガン系正極材料を改良し、電池寿命及び高温時のマンガンイオンの溶出改善を図った。コインセルでの充放電特性評価を実施し、電池容量120mAh/g、1C・3000サイクル後の容量維持率90%、80℃で1C・1000サイクル後容量維持率80%を成果として得た。また、シートセル間の電圧を制御するBMS技術、並びに、大電流放電に耐えるアルミ端子の接続技術を開発し、90kWhモジュール電池に対応したBMSの設計と評価を行った。さらに、シートセルを3s10p接続した1.6kWhのサブモジュール電池を54ユニット試作し、90kWh電池を得た。 次に、90kWh電池をえちぜん鉄道DC600V車両(6000型)へ搭載し、モーターへの接続及び架線と電池との切り替えを確認した後、勝山線にて走行試験を行った。その結果、1充電で、力行-惰行-停止を繰り返しながら40kmの連続走行と最高速度は70km/hrを実現した。夜間走行試験から、走行中のモジュール電池の各電池間の電圧、電流及び積算電力のデータを取得し、架線走行のデータと比較した結果、約10%の燃費向上があることを成果として得た。また、路面軌道のみでの電池走行を想定した電停での急速充放電を模擬的に行った結果、高頻度運行を行わない状況では電池の使用は効果的であることが明らかとなった。 大研化学工業株式会社では、大型エアロゾル装置により正極材料の大量製造技術を確立し、モジュール電池に必要な正極材料の量産化を行った。モジュール電池に必要な製造量を確保し、正極塗工に適した粒子サイズでシートセルを試作した。シートセルの電池容量及びサイクル寿命を評価した結果、シートセルでは10Cまで充放電することが確認され、ハイレート充放電が可能であることが見出された。また、600V架線から1C以上で受電する充電装置を開発し、75kWhを1Cで充電できることを確認すると共に、電池の温度は20℃以下に収まっているおり、安全であることを成果として得た。 また、20年度のVVVFインバータ車での走行試験へ向けた予備実験として、福井鉄道福武線にて1.8km区間を15kWh 電池で走行試験を実施し、その時、回生エネルギーがリチウムイオン2次電池へ5Cで充電され、回生効率は22%であることを確認した。さらに、45kWh電池による走行試験を行い、34kmの往復走行を実運行モードで実現し、回生エネルギーを充電しながら走行することで、架線走行に比べ29%向上していることを成果として得た。
英文要約TiTle : Strategic Development of Technology for Efficinet Energy Utilization. Fundamental Technology Development for Energy Conservation. Reserach and Development of Energy Saving Technology of Railway for Private Railroad by the Introduction Driven by Secondary Battery (FY2007-FY2008) Final Report
The aim of this research is development of the technology which decreases the energy of the railway system which is driven with the lithium ion battery efficiently and examination of the energy-saving effect. In this research, the examination of running performance on the railway was done using a tramcar with lithium ion battery and then the energy-saving effect was investigated compared with the contactwire type tramcar. In University of Fukui, R&D of the following was carried out. The development of tramcar, the battery system and cathode materials for lithium ion battery were also done. Using DC 600 type tramcars, the basic specification of battery type of tramcar was established. One lithium ion battery module which consisted of 18 or 54 lithium ion battery submodules was constructed and then voltage of each submodule was controlled by BMS. The running test was carried out at Echizen railroad. It was confirmed that 60kWh lithium ion battery module led to the running of 25km and then module was safe, even if 500A current flows in the acceleration and the temperature of module reached up to about 40 C. It was found that the mileage of lithium ion battery type tramcar was improved about 10%. The tramcar could also run for 40km when 90kWh lithium ion battery module used. The mileage obtained from the running test by 90kWh lithium ion battery module improved 18% than that obtained from 60kWh lithium ion battery module. The electrochemical properties of LMO cathode were investigated using coin cell. The discharge capacity of LMO cathode was about 120mAh/g at 1C and offered stable cycle life. About 80% of its discharge capacity was kept after 3000th cycle at 1C. The cycle life was also stable at 80 C. The capacity and cycle performance of lithium ion battery submodule which passed for three years was examined. After three years, the capacity of it decreased to about 70% of initial capacity, but exhibited good cycle stability. In Daiken Chemical Co., Ltd., R&D of the following was carried out. The quick battery charger apparatus which received electric power from 600V overhead contact wire was developed. It was confirmed that 75kWh lithium ion battery was charged up to SOC of 100% at 1C. After charging, the temperature of lithium ion battery module was less than 20 C. The running test was carried out using VVVF inverter type tramcar to investigate charge performance due to regenerative energy. The tramcar was run for 1.8km at max 60km/h in Fukui railroad. Lithium ion battery module was quickly charged at more than 5C by regenerative braking system. It was estimated that the regenerative ratio was 22%. Lithium ion battery module with 45kWh was applied to the running of VVVF inverter type tramcar. The mass production of LMO cathode was carried out by large spray pyrolysis and the electrochemical properties was tested using sheet cell. The sheet cell was discharged up to the rate of 10C.
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