JP2006256608A - ハイブリッドシステム - Google Patents

Abstract

【課題】ハイブリッドシステムにおいて、発電機器としても機能し、電動機器としても機能するモータジェネレータを備える構成とし、発電を行う動作形態、エンジンアシストを行う動作形態を自動的に切換可能とする。
【解決手段】エンジン２の起動時には、モータジェネレータ４０を電動機器として作動させ、エンジンの回転数、及び、電動機器として作動するモータジェネレータの回転数がそれぞれ所定の回転数に達した場合、並びに、エンジンの起動から完了までの間に、エンジン回転数の時間変化率が所定値を超えた場合には、エンジンの起動を完了し、かつ、エンジンの起動完了後所定時間経過前に、操作具の中立位置からの操作速度が所定速度を超えた場合には、モータジェネレータを電動機器として作動させ、該操作速度が所定速度を超えずに前記所定期間を経過した場合には、モータジェネレータを発電機器として作動させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ハイブリッドシステムに関し、特に、発電機器としても機能し、電動機器としても機能するモータジェネレータを備えたハイブリッドシステムに関する。なお、本発明における「ハイブリッド」とは、エンジンから少なくとも機械的駆動力と電力を取り出すという意味である。

従来、ハイブリッドシステムとして、例えば、電気自動車や船舶等用いられているものがあり、発電機器と電動機器とを別々に備えた構成のものと、発電機器としても機能し、電動機器としても機能するモータジェネレータを備えた構成のものとが知られている（例えば、特許文献１参照。）。このうち、発電機器と電動機器とを別々に備えた構成のハイブリッドシステムにおいては、発電機器と電動機器とを同時に作動させることができたため、発電機器により発電を行いながら、電動機器によりエンジンの駆動力をアシストする加速アシストによる航走を行うことを可能としていた。そして、発電機器により発電した電力をインバータに接続される電気負荷に供給可能としていた。
特開平１１−１８９０６７号公報

しかし、前述の場合において、インバータに接続される電気負荷への電力の供給は、この電気負荷の需要電力分の電力を、発電機器により発電しなければならなかった。発電機器はエンジンにより駆動される構成となっていたため、エンジンの駆動力の一部が発電機器の作動に用いられ、残りのエンジンの駆動力を動力伝達装置およびプロペラの駆動に用いていた。つまり、エンジンの駆動力の全てを、動力伝達装置およびプロペラの駆動に用いることができなかった。この結果、電気負荷への電力供給と加速アシストを同時に行う場合には、船体の加速時における加速性を損なうこととなっていた。

そこで、本発明では、ハイブリッドシステムを、発電機器としても機能し、電動機器としても機能するモータジェネレータを備える構成とし、電気負荷への電力供給と加速アシストによる航走を同時に行う場合であっても、加速性を損なうことのない航走を実現することを課題とする。

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。

請求項１においては、エンジン（２）、動力伝達装置（３）、モータジェネレータ（４０）、バッテリ（１４）、およびインバータ部（４１）からなるハイブリッドシステムにおいて、エンジン（２）のクランク軸にモータジェネレータ（４０）の駆動軸が連結され、該モータジェネレータ（４０）は、エンジン（２）と動力伝達装置（３）の間に介装され、該モータジェネレータ（４０）は発電機器または電動機器として機能し、インバータ部（４１）のＶＶＶＦインバータコンバータ（４２）と接続され、前記インバータ部（４１）は、ＶＶＶＦインバータコンバータ（４２）と単相ＣＶＣＦインバータ（４３）と昇降圧チョッパ（４４）から構成され、該ＶＶＶＦインバータコンバータ（４２）と単相ＣＶＣＦインバータ（４３）と昇降圧チョッパ（４４）の三者は相互に接続され、また、昇降圧チョッパ（４４）はバッテリ（１４）と接続され、前記モータジェネレータ（４０）が発電機器として機能する場合には、モータジェネレータにより発電された交流電力が、ＶＶＶＦインバータコンバータ（４２）に出力されてインバータ部（４１）により直流電力に変換されて、バッテリ（１４）に充電され、モータジェネレータ（４０）が電動機器として機能する場合には、バッテリ（１４）の放電された直流電力をインバータ部（４１）において交流電力に変換して供給すべく構成し、エンジン（２）の回転数の時間変化率を演算するエンジン回転数変化率演算手段と、移動体の進行方向を切り換える操作具の操作速度を演算する操作速度演算手段とを備え、エンジン（２）の起動時には、モータジェネレータ（４０）を電動機器として作動させ、エンジン（２）の回転数、及び、電動機器として作動するモータジェネレータ（４０）の回転数がそれぞれ所定の回転数に達した場合、並びに、エンジン（２）の起動から完了までの間に、エンジン回転数の時間変化率が所定値を超えた場合には、エンジンの起動を完了し、かつ、エンジン（２）の起動完了後所定時間経過前に、操作具の中立位置からの操作速度が所定速度を超えた場合には、モータジェネレータ（４０）を電動機器として作動させ、該操作速度が所定速度を超えずに前記所定期間を経過した場合には、モータジェネレータ（４０）を発電機器として作動させるものである。

請求項２においては、請求項１記載のハイブリッドシステムにおいて、該モータジェネレータ（４０）を発電機器として機能して発電した電力を、インバータ部（４１）の単相ＣＶＣＦインバータ（４３）を介して、電気製品等に電力を供給する電気負荷に供給すべく構成すると共に、手動により、該モータジェネレータ（４０）から電気負荷への電力供給を行わない動作形態に、切換可能としたものである。

本発明は、以上のように構成したので、以下に示すような効果を奏する。
請求項１の如く、エンジン（２）、動力伝達装置（３）、モータジェネレータ（４０）、バッテリ（１４）、およびインバータ部（４１）からなるハイブリッドシステムにおいて、エンジン（２）のクランク軸にモータジェネレータ（４０）の駆動軸が連結され、該モータジェネレータ（４０）は、エンジン（２）と動力伝達装置（３）の間に介装され、該モータジェネレータ（４０）は発電機器または電動機器として機能し、インバータ部（４１）のＶＶＶＦインバータコンバータ（４２）と接続され、前記インバータ部（４１）は、ＶＶＶＦインバータコンバータ（４２）と単相ＣＶＣＦインバータ（４３）と昇降圧チョッパ（４４）から構成され、該ＶＶＶＦインバータコンバータ（４２）と単相ＣＶＣＦインバータ（４３）と昇降圧チョッパ（４４）の三者は相互に接続され、また、昇降圧チョッパ（４４）はバッテリ（１４）と接続され、前記モータジェネレータ（４０）が発電機器として機能する場合には、モータジェネレータにより発電された交流電力が、ＶＶＶＦインバータコンバータ（４２）に出力されてインバータ部（４１）により直流電力に変換されて、バッテリ（１４）に充電され、モータジェネレータ（４０）が電動機器として機能する場合には、バッテリ（１４）の放電された直流電力をインバータ部（４１）において交流電力に変換して供給すべく構成し、エンジン（２）の回転数の時間変化率を演算するエンジン回転数変化率演算手段と、移動体の進行方向を切り換える操作具の操作速度を演算する操作速度演算手段とを備え、エンジン（２）の起動時には、モータジェネレータ（４０）を電動機器として作動させ、エンジン（２）の回転数、及び、電動機器として作動するモータジェネレータ（４０）の回転数がそれぞれ所定の回転数に達した場合、並びに、エンジン（２）の起動から完了までの間に、エンジン回転数の時間変化率が所定値を超えた場合には、エンジンの起動を完了し、かつ、エンジン（２）の起動完了後所定時間経過前に、操作具の中立位置からの操作速度が所定速度を超えた場合には、モータジェネレータ（４０）を電動機器として作動させ、該操作速度が所定速度を超えずに前記所定期間を経過した場合には、モータジェネレータ（４０）を発電機器として作動させるので、発電機器としても機能し、電動機器としても機能するモータジェネレータを備える構成とすることにより、エンジンを起動する動作形態、モータジェネレータによる発電を行う動作形態、モータジェネレータによるエンジンアシストを行う動作形態等を自動的に切り換えることができるようになったのである。

請求項２に示す如く、請求項１記載のハイブリッドシステムにおいて、該モータジェネレータ（４０）を発電機器として機能して発電した電力を、インバータ部（４１）の単相ＣＶＣＦインバータ（４３）を介して、電気製品等に電力を供給する電気負荷に供給すべく構成すると共に、手動により、該モータジェネレータ（４０）から電気負荷への電力供給を行わない動作形態に、切換可能としたので、モータジェネレータでのエンジンアシストによる航走、またはモータジェネレータを実質的に停止させてエンジン単独による航走を行うことができる。

次に、発明の実施の形態を添付の図面を用いて説明する。
図１は「エンジン、モータジェネレータ、インバータ、および動力伝達装置」よりなるハイブリッドシステムを示す図、図２はハイブリッドシステムの動作モードの一例を示す図、図３はハイブリッドシステムのスタータ機能を示す図、図４はハイブリッドシステムのモータジェネレータによる動力アシスト機能を示す図、図５はハイブリッドシステムの電力供給（発電あり）機能を示す図、図６はハイブリッドシステムの電力供給（発電なし）機能を示す図、図７はハイブリッドシステムの出力特性を示す図である。

本発明のハイブリッドシステムについて説明する。
ハイブリッドシステムは、図１に示すような構成である。本システムでは、水中推進用に備えられるプロペラ４の駆動をエンジン２と電動機器（モータ）として機能するモータジェネレータ４０との両方により可能としている。なお、以下では、ハイブリッドシステムを船舶について適用した実施例について説明しているが、その他の移動体（例えば、自動車等）に適用することも可能である。図１において、システム１は、エンジン２および動力伝達装置３を有しており、該動力伝達装置３としてはセイルドライブが用いられ、その後下部にはプロペラ４が接続されている。これにより、システム１は船舶の推進システムとして利用することができる。

エンジン２からの駆動力（トルク）は動力伝達装置３によりプロペラ４に伝達され、その結果プロペラ４が回転駆動される。動力伝達装置３内にはクラッチが備えられており、該クラッチによりエンジン２からの駆動力の断接と動力伝達の回転方向（プロペラ４の回転方向）の切り換えを行うようにしている。なお、本実施例においては、システム１は動力伝達装置３がエンジン２の下方へ大きく延出し、該動力伝達装置３に直接プロペラ４が取り付けられたセイルドライブに構成されているが、動力伝達装置３の後端部に、プロペラ４のプロペラ軸が装着されるマリンギアに構成することもできる。

エンジン２のクランク軸にモータジェネレータ４０の駆動軸が連結されており、該モータジェネレータ４０は、エンジン２と動力伝達装置（セイルドライブ）３との間に介装されている。モータジェネレータ４０は発電機器またはモータとして機能し、インバータ部４１のＶＶＶＦインバータコンバータ（可変電圧可変周波数インバータコンバータ）４２と接続されている。モータジェネレータ４０が発電機器として機能する場合には、エンジン２の駆動により該モータジェネレータ４０で発電された電力がＶＶＶＦインバータコンバータ４２に出力される。モータジェネレータ４０がモータとして機能する場合には、バッテリ１４の放電電力がＶＶＶＦインバータコンバータ４２を介してモータジェネレータ４０に供給される。

インバータ部４１は、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２と単相ＣＶＣＦインバータ（単相定電圧定周波数インバータ）４３と昇降圧チョッパ４４から構成され、該ＶＶＶＦインバータコンバータ４２と単相ＣＶＣＦインバータ４３と昇降圧チョッパ４４の三者は相互に接続されている。単相ＣＶＣＦインバータ４３は切換機器１９を介して出力ソケット２０と接続され、また、昇降圧チョッパ４４はバッテリ１４と接続されている。また、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２、単相ＣＶＣＦインバータ４３、および昇降圧チョッパ４４は、それぞれシステムコントローラ７と接続されている。

モータジェネレータ４０は、発電機器としても機能し（図２のＭ４からＭ７、および図５の電力供給機能の場合）、モータとしても機能する（図２のＭ１からＭ３、図３のスタータ機能、および図４のアシスト機能の場合）。モータジェネレータ４０が発電機器として機能する場合には、エンジン２の駆動力の一部または全部がモータジェネレータ４０の作動に用いられ、このエンジン２からの駆動力によりモータジェネレータ４０が作動して、発電が行われる。エンジン２の駆動によりモータジェネレータ４０で発電された電力は、交流電力としてＶＶＶＦインバータコンバータ４２に出力される。ＶＶＶＦインバータコンバータ４２は、コンバータとして機能してモータジェネレータ４０から入力された交流電力を整流・平滑化して、直流電力に変換する。ＶＶＶＦインバータコンバータ４２により変換された直流電力は、昇降圧チョッパ４４を介してバッテリ１４に入力され、これによりバッテリ１４を充電する。このとき、昇降圧チョッパ４４は、降圧チョッパとして機能してＶＶＶＦインバータコンバータ４２から入力される直流電力を、所定の電圧に降圧してバッテリ１４を充電する。

また、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２により変換された直流電力は、インバータとしての単相ＣＶＣＦインバータ４３に入力される。単相ＣＶＣＦインバータ４３は、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２から入力された直流電力を所定の電圧および周波数の交流電力に変換する。単相ＣＶＣＦインバータ４３により変換された交流電力は、該単相ＣＶＣＦインバータ４３に切換機器１９および出力ソケット２０を介して接続される電気負荷（ＡＣ出力）に供給される。このように、単相ＣＶＣＦインバータ４３は、該単相ＣＶＣＦインバータ４３に接続される電気負荷に電力を供給する場合に作動して、モータジェネレータ４０の発電電力を船内供給可能とし、商用電源（外部電源）から電力を供給できない場合であっても、船室内に備えられた電化製品等に対して電力を安定して供給することを可能としている。また、このとき、切換機器１９にて商用電源と単相ＣＶＣＦインバータ４３により変換された交流電力とを切換可能としている。なお、切換機器１９を切換スイッチで構成して手動により切り換えを行ってもよく、また、電磁接触器で構成してインバータ出力と商用電源との切り換えを自動で行ってもよい。電磁接触器で構成する場合には、該電磁接触器にシステムコントローラ７からオン・オフ信号が入力されるように、システムコントローラ７と接続しておく。

モータジェネレータ４０がモータとして機能する場合には、バッテリ１４から放電された電力がモータジェネレータ４０に供給され、これにより、該モータジェネレータ４０が作動する。バッテリ１４から放電された直流電力は昇降圧チョッパ４４を介してＶＶＶＦインバータコンバータ４２に入力される。このとき、昇降圧チョッパ４４は昇圧チョッパとして機能して、バッテリ１４の放電電圧を所定の電圧に昇圧して、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２に出力する。ＶＶＶＦインバータコンバータ４２はインバータとして機能して、入力された直流電力を所定の電圧および周波数の交流電力に変換し、この変換された交流電力をモータジェネレータ４０に供給する。また、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２は、システムコントローラ７からの指令に従ってモータとして作動するモータジェネレータ４０の回転数およびトルクを制御する。モータジェネレータ４０の駆動軸は、エンジン２のクランク軸および動力伝達装置３の入力軸と連結されており、モータジェネレータ４０がモータとして作動することにより、該モータジェネレータ４０の駆動力がエンジン２または動力伝達装置３に伝達されて、後述する本システムにおけるスタータ機能またはアシスト機能が発揮される。なお、以上に述べたようにＶＶＶＦインバータコンバータ４２は、モータジェネレータ４０が発電機器として作動する場合には該モータジェネレータ４０により発電された交流電力を直流電力に変換するコンバータとして機能し、モータジェネレータ４０がモータとして作動する場合にはバッテリ１４から放電された直流電力を交流電力に変換するインバータとして機能する双方向電力変換装置となっている。

船体の前後進の切り換えやエンジン２の駆動力の調節は、船舶の操作部８に配設されるモード切換スイッチ（図示略）や操作レバー９等の操作具を操作することによって行われる。また、操作部８には、後述する発電を行わず航走のみを行う動作モードに切り換えるためのスイッチ（図示略）が配設されており、該スイッチはシステムコントローラ７と接続されている。また、操作レバー９の近傍には、該操作レバー９の操作位置を検出する位置センサ（図示略）が付設されており、該位置センサはシステムコントローラ７と接続されている。

モード切換スイッチはシステムコントローラ７と接続されており、該モード切換スイッチを操作すると、モード切換スイッチの切換位置に対応したモード信号がシステムコントローラ７に入力され、該システムコントローラ７により本システムの航走モード（駆動形態）が切り換えられて、各航走モードに対応した制御が行われるようにしている。具体的には、図２に示すように、モード切換スイッチの操作による「航走モード」の切り換えにより、プロペラ４をエンジン２により駆動しつつ、モータとして機能するモータジェネレータ４０により駆動をアシストするモードと、プロペラ４をエンジン２のみにより駆動し、モータジェネレータ４０を発電機器として機能させるモードと、エンジン２を停止してプロペラ４を駆動せずに、単相ＣＶＣＦインバータ４３に接続される電気負荷にバッテリ１４から電力供給を行うモードと、の３種類のパターンにより行うことを可能としている。

操作レバー９を操作すると、該操作レバー９の操作位置が位置センサにより検出され、操作位置に応じた信号がシステムコントローラ７に入力され、該システムコントローラ７は入力された信号に基づいてシフトアクチュエータ２１およびレギュレータアクチュエータ２２を作動させる。シフトアクチュエータ２１は動力伝達装置３のクラッチに接続されており、該シフトアクチュエータ２１の作動によりクラッチを作動させるように制御している。こうして、前述したように、クラッチを作動させることにより、エンジン２の駆動力が断接され、あるいは正転・逆転を切り換えられて、プロペラ４へ伝達される。なお、シフトアクチュエータ２１には、該シフトアクチュエータ２１の作動位置を検出するポテンショ（図示せず）が付設されている。ポテンショは、システムコントローラ７と接続されており、該ポテンショにより検出されたシフトアクチュエータ２１の作動位置がシステムコントローラ７に入力される。レギュレータアクチュエータ２２はエンジン２のレギュレータに接続されており、該レギュレータアクチュエータ２２の作動により、エンジン２における燃料噴射量を調節して、エンジン２の駆動力（回転数）を調節可能としている。レギュレータアクチュエータ２２は、エンジン２の回転数調節手段として機能する。なお、レギュレータアクチュエータ２２には、該レギュレータアクチュエータ２２の作動位置を検出するポテンショ（図示せず）が付設されている。ポテンショは、システムコントローラ７と接続されており、該ポテンショにより検出されたレギュレータアクチュエータ２２の作動位置がシステムコントローラ７に入力される。このように、操作レバー９を操作して、その操作位置を調節することにより、船体の前進・中立・後進を切り換えるとともに、エンジン２の駆動力（回転数）の調節を行っている。

以上のように構成される本システムにおいて、メインコントローラとしてのシステムコントローラ７は次のように機能して、本システムの制御を行う。前述したように、システムコントローラ７は操作部８の操作レバー９に付設される位置センサおよびモード切換スイッチと接続されている。また、システムコントローラ７はシフトアクチュエータ２１およびレギュレータアクチュエータ２２、並びに該シフトアクチュエータ２１およびレギュレータアクチュエータ２２にそれぞれ付設されるポテンショと接続されている。

また、システムコントローラ７はエンジン２と接続されており、該エンジン２からシステムコントローラ７にエンジン回転数が入力される。エンジン２の回転数は、エンジン２に付設される回転数センサ３５により検出される。

また、システムコントローラ７はモータジェネレータ４０と接続されており、該モータジェネレータ４０からシステムコントローラ７にモータジェネレータ４０の温度が入力される。モータジェネレータ４０の温度は、サーミスタ等の温度センサ（図示せず）により検出される。

また、システムコントローラ７はＶＶＶＦインバータコンバータ４２と接続されており、該システムコントローラ７はＶＶＶＦインバータコンバータ４２に対し、モータとしてのモータジェネレータ４０の起動（回転数）指示、およびアシスト（トルク）指令を出力し、モータジェネレータ４０（モータとして作動する場合）を制御する。一方、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２はシステムコントローラ７へモータとしてのモータジェネレータ４０の回転数、トルク、アラーム、直流電圧を送る。モータジェネレータ４０の直流電圧は、該モータジェネレータ４０をモータとして作動させるときに、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２から供給される直流電圧であり、モータジェネレータ４０の回転数は、該モータジェネレータ４０をモータとして作動させるときの回転数である。アラームは、モータジェネレータ４０またはＶＶＶＦインバータコンバータ４２の異常の発生を知らせる信号である。

また、システムコントローラ７は、単相ＣＶＣＦインバータ４３と接続されており、該システムコントローラ７は単相ＣＶＣＦインバータ４３に対し、運転・停止指示を出力し、該単相ＣＶＣＦインバータ４３に接続される電気負荷に電力供給を行うようにする。一方、単相ＣＶＣＦインバータ４３はシステムコントローラ７へ交流電圧、交流電流、交流電力、アラームを送る。このとき、システムコントローラ７へ入力される交流電圧および交流電流は、単相ＣＶＣＦインバータ４３に接続される電気負荷に供給される電圧および電流である。

また、システムコントローラ７は、昇降圧チョッパ４４と接続されており、該システムコントローラ７は昇降圧チョッパ４４に対し、運転・停止指示、充電電流指示、充電指示を出力し、該昇降圧チョッパ４４に接続されるバッテリ１４を制御する。一方、昇降圧チョッパ４４はシステムコントローラ７へバッテリ１４の電圧、充放電電流、アラームを送る。バッテリ１４の電圧および充放電電流を検出することによりバッテリ１４の状態を知ることができる。

また、システムコントローラ７は、リレー２６を介してバッテリ４５と接続されており、後述する本システムのスタータ機能における場合に、リレー２６をオンすることにより、エンジン２を始動する。

また、システムコントローラ７は表示モニタ２３と接続されており、該表示モニタ２３はシステムコントローラ７に入力される種々の検出値等を表示して、操船者が本システムの状態を把握できるようにしている。

以上のように構成されるハイブリッドシステムは、例えば、図２に示すような動作モード（動作形態）を備えており、また、図３に示すスタータ機能、図４に示すアシスト機能、図５に示す電力供給（発電あり）機能、図６に示す電力供給（発電なし）機能を有している。

図３には、エンジン２を始動（起動）するときの電気回路の作動および駆動力の伝達状態が示されている。エンジン２は、バッテリ１４からモータジェネレータ４０に電力を供給して、該モータジェネレータ４０をモータとして機能させることにより始動する。エンジン２を始動する際には、操船者の始動キーの操作により、リレー２６がオンされて、システムコントローラ７にエンジン始動の指令が入力される。システムコントローラ７は、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２にエンジン２の始動指示を送り、また、昇降圧チョッパ４４に運転指示を送る。これにより、バッテリ１４が放電状態となり、該バッテリ１４からの放電電力は、昇降圧チョッパ４４が昇圧チョッパとして機能し、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２がインバータとして機能することにより、所要の電圧および周波数に変換されて、交流電力としてモータジェネレータ４０に供給される。こうして、モータジェネレータ４０がモータとして作動する。前述したようにモータジェネレータ４０の駆動軸はエンジン２のクランク軸と連結されており、常時同期回転するため、モータジェネレータ４０をモータとして駆動することにより、停止状態のエンジン２を始動させる。

図４には、モータジェネレータ４０によりエンジンアシストを行うときの電気回路の作動および駆動力の伝達状態が示されている。「エンジンアシスト」とは、動力伝達装置３およびプロペラ４の駆動負荷の一部をモータとしてのモータジェネレータ４０により賄うことを意味し、エンジンアシストには、「定常アシスト」と「加速アシスト」がある。定常アシストと加速アシストとの違いは、本システムを搭載した船舶が定常（定速）航行状態であるか、加速航行状態であるかの違いである。エンジンアシストを行う際には、システムコントローラ７はＶＶＶＦインバータコンバータ４２にアシスト指令を出力し、また、昇降圧チョッパ４４に運転指示を出力する。これにより、バッテリ１４が放電状態となり、該バッテリ１４からの放電電力は、昇降圧チョッパ４４が昇圧チョッパとして機能し、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２がインバータとして機能することにより、所要の電圧および周波数に変換されて、交流電力としてモータジェネレータ４０に供給される。こうして、モータジェネレータ４０が作動する。エンジンアシストを行う場合には、エンジン２も駆動しており、モータジェネレータ４０およびエンジン２の駆動力の和が、動力伝達装置３およびプロペラ４の駆動力となる。これにより、モータジェネレータ４０によるエンジンアシストにより加速性および駆動性を向上できる。

図５には、モータジェネレータ４０により発電された電力により単相ＣＶＣＦインバータ４３を介して電力供給、またはバッテリ１４の充電を行うときの電気回路の作動および駆動力の伝達状態が示されている。このとき、エンジン２により動力伝達装置３およびプロペラ４並びにモータジェネレータ４０が駆動される。モータジェネレータ４０は発電機器として機能して、発電を行う。単相ＣＶＣＦインバータ４３を介して電気負荷に電力供給を行う場合には、システムコントローラ７は単相ＣＶＣＦインバータ４３に運転指示を送る。モータジェネレータ４０の発電電力は、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２により整流・平滑されて、一旦、直流に変換された後、単相ＣＶＣＦインバータ４３により所定の電圧および周波数に変換されて、交流電力として単相ＣＶＣＦインバータ４３に接続される電気負荷に供給される。

バッテリ１４の充電を行う場合には、システムコントローラ７はバッテリ１４に充電指示を出力する。モータジェネレータ４０の発電電力は、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２により整流・平滑されて、直流電力に変換された後、昇降圧チョッパ４４により降圧されて、バッテリ１４に充電される。また、モータジェネレータ４０による発電電力により、単相ＣＶＣＦインバータ４３を介しての電力供給とバッテリ１４の充電を並行して行うことも可能であり、これにより、航行および単相ＣＶＣＦインバータ４３の電気負荷への電力供給が並立できる。更にバッテリ１４の充電も可能となる。

図６には、バッテリ１４により昇降圧チョッパ４４および単相ＣＶＣＦインバータ４３を介して電力供給を行うときの電気回路の作動状態が示されている。このとき、エンジン２は停止している。バッテリ１４による電力供給を行う際には、システムコントローラ７は、昇降圧チョッパ４４および単相ＣＶＣＦインバータ４３に運転指示を出力する。これにより、バッテリ１４は放電状態となり、該バッテリ１４からの放電電力は、昇降圧チョッパ４４が昇圧チョッパとして機能することにより所定の電圧に昇圧され、単相ＣＶＣＦインバータ４３により所定の電圧および周波数に変換されて、交流電力として単相ＣＶＣＦインバータ４３に接続される電気負荷に供給される。これにより、モータジェネレータ４０で発電される電力が不足するときにその補償が可能となる。また、エンジン２の停止中でも単相ＣＶＣＦインバータ４３の電気負荷への電力供給が可能となる。

そして、図３乃至図６に示す本システムの機能は、図２に示す動作モードと次のように対応している。Ｍ１は、図３または図４で表される動作モードである。Ｍ２は、図４で表される動作モードである。Ｍ３は、図３と図６、または図４と図６で表される動作モードの組合せモードである。Ｍ４は、図２のエンジン２のみで動力伝達装置３およびプロペラ４を駆動する動作モードである。Ｍ５は、図５の内、単相ＣＶＣＦインバータ４３による電力供給が停止している動作モードである。Ｍ６は、図５で表される動作モードである。Ｍ７は、図５の内、バッテリ１４の充電が停止している動作モードである。Ｍ８は、図６で表される動作モードである。

以上のような構成のハイブリッドシステムは、次のような出力特性を有している。これについて、図７を用いて説明する。図７において、曲線Ａは、ＦＵＬＬ−Ｑ（フル・キュー）ラインであり、これは、発電を行っていない場合に、エンジン２が出力できる最大のトルク（駆動力）を表している。曲線Ｂは、舶用３乗負荷であり、これは、発電を行っていない場合に、通常航走時である定常状態での動力伝達装置３およびプロペラ４を駆動するための出力トルクを表している。曲線Ｃは、発電機器として作動するモータジェネレータ４０の発電出力（発電電力）である。曲線Ｄは、曲線ＡのＦＵＬＬ−Ｑラインから曲線Ｃの発電出力を差し引いたものである。曲線Ｅは、曲線Ｂの舶用３乗負荷と曲線Ｃの発電出力とを加えたものである。なお、図７においては、縦軸をブレーキ・ミーン・プレッシャー（Ｂｒａｋｅ Ｍｅａｎ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ：正味平均有効圧力）としており、この正味平均有効圧力に換算して、それぞれの曲線を表している。横軸はエンジン２の回転数である。

曲線Ｂと曲線Ｅでは、モータジェネレータ４０の発電出力（曲線Ｃ）に相当する電力の差がある。モータジェネレータ４０の発電出力は、単相ＣＶＣＦインバータ４３に接続される電気負荷に電力供給を行うのに必要な電力であるところ、曲線Ｃは、この電気負荷に対して、バッテリ１４からの放電電力を供給せず、モータジェネレータ４０による発電電力のみを供給する場合を表している。こうして、電気負荷にバッテリ１４からの放電電力を供給せず、モータジェネレータ４０による発電電力のみを供給する場合には、エンジンの出力トルクは、モータジェネレータ４０による発電出力の分だけトルクが増加した曲線Ｅのようになる。

同様に、曲線Ａと曲線Ｄとについても、モータジェネレータ４０の発電出力（曲線Ｃ）に相当する電力の差がある。電気負荷にバッテリ１４からの放電電力を供給せず、モータジェネレータ４０による発電電力のみを供給する場合には、エンジンの出力トルクは、モータジェネレータ４０による発電出力の分だけトルクが減少した曲線Ｄのようになる。加速航走時におけるエンジン２について言えば、電気負荷に電力を供給する場合であっても、加速性を高めるため、できる限り曲線ＡのＦＵＬＬ−Ｑラインに近い駆動状態で運転されることが望ましい。このため、できる限り曲線Ｄを曲線Ａに近づけるように、次のような制御を行う。
バッテリ１４を放電状態として、この放電電力を電気負荷に対して供給して、モータジェネレータ４０による発電電力を減少させる。これにより、モータジェネレータ４０を駆動するためのエンジン２の駆動力が減少する。よって、モータジェネレータ４０による発電電力が減少するにしたがって（バッテリ１４の放電電力が増加するにしたがって）、曲線Ｄは曲線Ａに近づく。このように、単相ＣＶＣＦインバータ４３に接続される電気負荷に対する電力供給を、発電機器として作動するモータジェネレータ４０とバッテリ１４とで、分担して行うことにより、エンジン２をより加速性の良好な状態で駆動できる。

次に、電気負荷への電力供給を行いつつ、加速アシストを行う場合の本システムの制御について説明する。この制御は、図２のＭ３における制御であり、この場合のＭ３は、図４と図６を組み合わせた動作モードである。つまり、単相ＣＶＣＦインバータ４３に接続される電気負荷に電力供給を行いつつ、モータジェネレータ４０をモータとして駆動させて加速アシストによる航走を行う動作モードである。なお、図４には、本システムのエンジンアシスト機能を示しているが、この制御の場合のエンジンアシストは、「加速アシスト」である。この加速アシストによる航走の場合には、通常アシストによる航走の場合に比べて、動力伝達装置３およびプロペラ４を駆動するための動力負荷は大きくなる。

前述したように、エンジン２が駆動し、該エンジン２の駆動力は、動力伝達装置３およびプロペラ４を駆動するために用いられる（図４）。また、バッテリ１４を駆動源としてモータジェネレータ４０がモータとして作動し、該モータジェネレータ４０の駆動力も、動力伝達装置３およびプロペラ４を駆動するために用いられる（図４）。つまり、エンジン２とモータジェネレータ４０の駆動力の和が、動力伝達装置３およびプロペラ４の駆動力となる。更に、バッテリ１４から単相ＣＶＣＦインバータ４３に接続される電気負荷に電力供給が行われている（図６）。このように、エンジンアシストによる航走を行いつつ、電気負荷に電力供給を行っている。

従来、モータと発電機器を別々に備える構成のハイブリッドシステムにおいては、モータと発電機器とを同時に作動させることができたため、発電しながら加速アシストを行うことが可能であった。そして、発電機器により発電した電力をインバータに接続される電気負荷に供給可能としていた。インバータに接続される電気負荷への電力供給は、この電気負荷の需要電力分の電力を、発電機器により発電しなければならなかった。発電機器はエンジンにより駆動される構成となっていたため、エンジンの駆動力の一部が発電機器の作動に用いられ、これにより、エンジンの駆動力の全てを、動力伝達装置およびプロペラの駆動に用いることができなかった。この結果、電気負荷への電力供給と加速アシストを同時に行う場合のエンジンの最大の駆動力は、例えば、図７に示す曲線Ｄのようになっていた。つまり、従来のシステムでは、図７に示す曲線ＡのＦＵＬＬ−Ｑラインより低い駆動力で加速アシストによる航走を行わなければならなかったため、加速性を損なうものとなっていた。

これに対して、本システムでは、モータか発電機器の何れか一方としてしか機能しないモータジェネレータ４０を備える構成としている。加速アシストによる航走を行う場合には、モータジェネレータ４０はモータとして機能するため、エンジン２の駆動力の全てを、動力伝達装置３およびプロペラ４を駆動するために用いることができる。この場合、モータとして機能するモータジェネレータ４０、および単相ＣＶＣＦインバータ４３に接続される電気負荷には、バッテリ１４から電力が供給される。この結果、電気負荷への電力供給と加速アシストを同時に行う場合であっても、発電出力に相当する分を差し引かれることがないため、エンジン２の最大の駆動力は、図７の曲線Ａのようになる。このように、船体の加速航走時に、電気負荷への電力供給はバッテリ１４にて行い、エンジン２の駆動力の全てを、動力伝達装置３およびプロペラ４を駆動するために利用することにより、加速性を損なうことない航走を行うことを可能としている。

次に、本システムにおいて、電気負荷を投入または増加した場合の制御について説明する。
図１に示すように、電気負荷は切換機器１９および出力ソケット２０を介して単相ＣＶＣＦインバータ４３に接続されている。この電気負荷に対しては、発電機器として作動するモータジェネレータ４０からの電力供給と、バッテリ１４から電力供給とを切換可能にしている。電気負荷が新たに投入、または増加した場合には、エンジン２の回転数が減少し、これにより、モータジェネレータ４０による発電電力が減少し、電気負荷の需要電力に対して不足電力が生ずることとなる。エンジン２の回転数が減少すると、この回転変動により、操船者に違和感を与えるという不具合が、従来のシステムでは発生していた。そこで、本システムでは、この不足電力を補い、必要な電力を確保するために、次のような制御を行う。

電気負荷の投入または増加があった際には、バッテリ１４から電力を供給し、時間の経過とともに徐々にモータジェネレータ４０による発電に切り換えて、この発電電力を供給するように制御する。バッテリ１４から放電された直流電力は、昇降圧チョッパ４４により所定の電圧に昇圧され、単相ＣＶＣＦインバータ４３により所定の電圧および周波数に変換されて、交流電力として電気負荷に供給される。また、モータジェネレータ４０の発電電力は、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２により整流・平滑されて、一旦、直流に変換された後、単相ＣＶＣＦインバータ４３により所定の電圧および周波数に変換されて、交流電力として単相ＣＶＣＦインバータ４３に接続される電気負荷に供給される。このように、電気負荷の投入または増加の際には、バッテリ１４から電気負荷に電力を供給し、時間の経過とともに、バッテリ１４からの供給電力を減少させ、発電機器として作動するモータジェネレータ４０からの供給電力を増加させて、電気負荷が投入または増加された場合に、エンジン２の回転数が電気負荷の増加分に見合う分まで増加するまでの間、その不足電力を速やかに補償することができる。また、これにより、エンジン２回転数の急激な減少や、これに伴う大きな回転変動を防止することができ、操船者への違和感を低減できる。

次に、本システムにおいて、動作モードの切換制御について説明する。
まず、エンジン２の始動（起動）時には、図３に示すように、モータジェネレータ４０がモータとして機能してエンジン２が起動する。これは、図２では、Ｍ１に対応する動作モードである。そして、エンジン２とモータとしてのモータジェネレータ４０の回転数が、それぞれ予め設定された回転数（例えば、エンジン２については７００ｒｐｍ、モータジェネレータ４０については３００ｒｐｍ）に達したとき、エンジン２の起動を完了する。エンジン２の起動開始から起動完了までの間は、モータジェネレータ４０が回生状態とならないように制御する。つまり、エンジン２起動時にモータとして作動するモータジェネレータ４０が、エンジン２により回されることにより回生状態にならないように制御する。この制御は、エンジン２の回転数の変化率（傾き）を検出することにより行う。エンジン２の回転数は回転数センサ３５により検出され、このとき検出されたエンジン２の回転数はシステムコントローラ７に入力される。システムコントローラ７は、エンジン回転数変化率演算手段として機能し、入力されたエンジン２の回転数に基づいてエンジン２の回転数の時間変化率を演算する。演算されたエンジン２の回転数の時間変化率が、予めシステムコントローラ７に設定されている所定値を超えた場合には、モータジェネレータ４０への指令（起動指示）を停止して、ただちにエンジン２の起動完了とする。モータジェネレータ４０への指令は、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２を介してシステムコントローラ７が行う。

次に、エンジン２の起動完了後には、所定時間（例えば、１分）経過後、図５に示すような発電を行うモードに自動的に切り換えるように制御する。つまり、エンジン２の起動時にはモータとして作動していたモータジェネレータ４０を、発電機器として機能するように切り換える。この発電を行うモードは、図２では、Ｍ５乃至Ｍ７に対応する動作モードである。但し、この場合において、前記所定時間経過前に、操作レバー９による加速アシストへの切換操作があった場合には、モータジェネレータ４０をそのままモータとして作動させて、加速アシストによる航走を行うように制御する。これは、図２では、Ｍ２に対応する動作モードである。この場合、加速アシストへの切換操作があったか否かは、次のように判定する。操作レバー９を操作すると、該操作レバー９の中立位置からの操作位置が位置センサにより検出され、該位置センサにより検出された操作位置がシステムコントローラ７に入力される。システムコントローラ７は、操作レバー９の操作速度演算手段として機能し、操作レバー９の時間変化率、つまり、操作レバー９の操作速度を演算する。そいて、操作レバー９の操作速度が、予め設定された所定速度を超えたとき、加速アシストへの切換操作があったものと判定する。このように、本システムでは、発電機器としても機能し、モータとしても機能するモータジェネレータ４０を備える構成とすることにより、エンジン２を起動する動作モード（Ｍ１）、モータジェネレータ４０による発電を行う動作モード（Ｍ５〜Ｍ７）、モータジェネレータ４０による加速アシスト（Ｍ２）を行う動作モードを自動的に切り換えることができる。

また、本システムにおいて、航走のみを行う動作モード（図２のＭ１またはＭ４）に、他の動作モードから切り換えることができる。この切り換えは、操作部８に設けたスイッチ（図示略）を操作することにより手動で行う。この場合には、モータジェネレータ４０で発電を行うことによる電気負荷へ電力供給を行わない。つまり、モータジェネレータ４０をモータとして作動させた状態（Ｍ１）、または実質的に停止させた状態（Ｍ４）で航走を行う。Ｍ１は、モータジェネレータ４０をモータとして機能させて、エンジン２とモータジェネレータ４０の駆動力により動力伝達装置３およびプロペラ４を駆動する定常アシストによる航走を行う動作モードである。また、Ｍ４は、エンジン２のみで動力伝達装置３およびプロペラ４を駆動するのみであり、モータジェネレータ４０はエンジン２と同期回転するが実質停止している動作モードである。モータジェネレータ４０が実質停止しているとは、単相ＣＶＣＦインバータ４３および昇降圧チョッパ４４が停止状態にあるため、単相ＣＶＣＦインバータ４３に接続される電気負荷への電力供給およびバッテリ１４の充電が行われておらず、モータジェネレータ４０が実質的に発電機器として機能していないことを意味する。このように、本システムでは、モータジェネレータ４０による発電を行わない動作モードに切り換えて、通常アシストによる航走またはエンジン単独による航走を行うことができる。本システムでは、発電機器としても機能し、モータとしても機能するモータジェネレータ４０を備え、図２に示すような種々の動作モードを自動的に、または、操船者の手動操作で切換可能としている。また、発電機器とモータとを別々に備えた構成のハイブリッドシステムと比べて、リレー等の部品や配線を削減できることにより、本システムの生産性（特に組立性）および信頼性の向上を図ることができる。また、本システムを搭載した船舶の空間利用性を向上できる。

本発明のハイブリッドシステムを示す図。 ハイブリッドシステムの動作モードの一例を示す図。 ハイブリッドシステムのスタータ機能を示す図。 ハイブリッドシステムのモータジェネレータによる動力アシスト機能を示す図。 ハイブリッドシステムの電力供給（発電あり）機能を示す図。 ハイブリッドシステムの電力供給（発電なし）機能を示す図。 ハイブリッドシステムの出力特性を示す図。

符号の説明

１ システム
２ エンジン
３ 動力伝達装置
４ プロペラ
１４ バッテリ
４０ モータジェネレータ
４２ ＶＶＶＦインバータコンバータ
４３ 単相ＣＶＣＦインバータ
４４ 昇降圧チョッパ

Claims (2)

1. エンジン（２）、動力伝達装置（３）、モータジェネレータ（４０）、バッテリ（１４）、およびインバータ部（４１）からなるハイブリッドシステムにおいて、エンジン（２）のクランク軸にモータジェネレータ（４０）の駆動軸が連結され、該モータジェネレータ（４０）は、エンジン（２）と動力伝達装置（３）の間に介装され、該モータジェネレータ（４０）は発電機器または電動機器として機能し、インバータ部（４１）のＶＶＶＦインバータコンバータ（４２）と接続され、前記インバータ部（４１）は、ＶＶＶＦインバータコンバータ（４２）と単相ＣＶＣＦインバータ（４３）と昇降圧チョッパ（４４）から構成され、該ＶＶＶＦインバータコンバータ（４２）と単相ＣＶＣＦインバータ（４３）と昇降圧チョッパ（４４）の三者は相互に接続され、また、昇降圧チョッパ（４４）はバッテリ（１４）と接続され、前記モータジェネレータ（４０）が発電機器として機能する場合には、モータジェネレータにより発電された交流電力が、ＶＶＶＦインバータコンバータ（４２）に出力されてインバータ部（４１）により直流電力に変換されて、バッテリ（１４）に充電され、モータジェネレータ（４０）が電動機器として機能する場合には、バッテリ（１４）の放電された直流電力をインバータ部（４１）において交流電力に変換して供給すべく構成し、エンジン（２）の回転数の時間変化率を演算するエンジン回転数変化率演算手段と、移動体の進行方向を切り換える操作具の操作速度を演算する操作速度演算手段とを備え、エンジン（２）の起動時には、モータジェネレータ（４０）を電動機器として作動させ、エンジン（２）の回転数、及び、電動機器として作動するモータジェネレータ（４０）の回転数がそれぞれ所定の回転数に達した場合、並びに、エンジン（２）の起動から完了までの間に、エンジン回転数の時間変化率が所定値を超えた場合には、エンジンの起動を完了し、かつ、エンジン（２）の起動完了後所定時間経過前に、操作具の中立位置からの操作速度が所定速度を超えた場合には、モータジェネレータ（４０）を電動機器として作動させ、該操作速度が所定速度を超えずに前記所定期間を経過した場合には、モータジェネレータ（４０）を発電機器として作動させることを特徴とするハイブリッドシステム。
2. 請求項１記載のハイブリッドシステムにおいて、該モータジェネレータ（４０）を発電機器として機能して発電した電力を、インバータ部（４１）の単相ＣＶＣＦインバータ（４３）を介して、電気製品等に電力を供給する電気負荷に供給すべく構成すると共に、手動により、該モータジェネレータ（４０）から電気負荷への電力供給を行わない動作形態に、切換可能としたことを特徴とするハイブリッドシステム。
   

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