JP2014108673A - 電気推進船制御システムおよび電気推進船 - Google Patents

Abstract

【課題】船舶に搭載した大容量の蓄電池に対して短時間で充電することを可能とする電気推進船制御システムおよび電気推進船制御システムを搭載した電気推進船を提供する。
【解決手段】電気推進船制御システム１は、電気推進船のスクリュー３８を駆動する推進用電動機３６へ給電する。陸上電源から受電するための受電座３１Ｌ，３１Ｒと、陸上電源用の受電座３１Ｌ，３１Ｒを介して供給される交流の電圧を変圧する変圧器１１と、変圧器１１にて変圧された交流を直流に変換後、所定電圧の直流に変圧するチョッパ回路であるＤＣ／ＤＣコンバータ１３と、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３からの変圧された所定電圧の直流を充電されると共に推進用電動機３６へ電力を供給するリチウムイオン電池３２，３３とを備えている。短時間で大容量のリチウムイオン電池に充電でき、長時間の連続航行を達成することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気推進船のスクリューを駆動するための推進用電動機へ給電する電気推進船制御システムおよび該電気推進船制御システムを搭載した電気推進船に関する。

近年、船舶が航行中に発生する排気ガスや二酸化炭素などの温室効果ガスを削減するために、船舶用の電気推進システムが開発されている。例えば、特許文献１では、発電装置と、この発電装置により充電される蓄電池からなるハイブリッド電源を船舶に搭載し、前記ハイブリッド電源における蓄電池から推進用電動機へ電力を供給することによって船舶を推進する技術が開示されている。また、推進用電動機において発生した回生電力を前記蓄電池へ充電することも開示されている。

特開２０１１−２３５８４０号公報

特許文献１の技術は、ハイブリッド電源を搭載し、航行中に推進用電動機において発生した回生電力を前記蓄電池へ充電してエネルギーの有効活用を図っているが、基本的には発電機の出力電力によって航行するものである。

したがって、発電機並びにその駆動のための燃料を船舶に搭載する必要があり、積載重量が嵩む。その分、燃料消費量の増加につながるため、省エネルギーの観点から改善の余地がある。その一方、船舶に搭載した蓄電池の電力のみで長時間航行するには、大容量の蓄電池を搭載する必要があると共に、大容量の蓄電池に対して短時間で充電することが求められる。しかし、これらを解決する具体的手段について、特許文献１には開示がない。

本発明は上記に鑑みなされたものであり、大容量の蓄電池に対して短時間で充電することを可能とし、さらに、推進用電動機で発生した回生電力も有効利用できる電気推進船制御システムおよび該電気推進船制御システムを搭載した電気推進船を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明の電気推進船制御システムは、電気推進船を推進するスクリューを駆動する推進用電動機へ給電するための電気推進船制御システムであって、陸上の商用電源から受電するための陸上電源用の受電座と、前記陸上電源用の受電座を介して供給される交流の電圧を変圧する変圧器と、前記変圧器にて変圧された交流を直流に変換後、所定電圧の直流に変圧するＤＣ／ＤＣコンバータと、前記ＤＣ／ＤＣコンバータにて変圧された所定電圧の直流が充電されるリチウムイオン電池と、前記ＤＣ／ＤＣコンバータと前記推進用電動機との間に設けられ、前記推進用電動機へ電力を供給するため、前記リチウムイオン電池に蓄電された直流を交流に変換するインバータとを備えたことを特徴とする。

前記ＤＣ／ＤＣコンバータと前記リチウムイオン電池との間に、抵抗を有する第一回路と抵抗を有していない第二回路とを並列に備え、前記ＤＣ／ＤＣコンバータと前記リチウムイオン電池との間で流れる電流を流す際に、初期は前記第一回路を通電して流し、その後、前記第二回路を通電した後に前記第一回路を遮断するように制御される構成であることが好ましい。さらに、前記推進用電動機にて発生する回生電力が、前記インバータを介して前記リチウムイオン電池へ充電される構成であることが好ましい。

また、本発明の電気推進船は、上記の電気推進船制御システムが搭載されていることを特徴とする。

本発明によれば、電気推進船制御システムが、陸上の商用電源（陸上電源）からの交流の電圧を、変圧器にて変圧した後直流に変換し、さらにＤＣ／ＤＣコンバータによって所定電圧の直流に変圧する構成を有している。変圧された所定電圧の直流によって充電する構成であるため、大容量の蓄電が可能なリチウムイオン電池への短時間での充電が可能である。このため、陸上電源を利用して、船舶停泊中に短時間で大容量のリチウムイオン電池に充電でき、長時間の連続航行を達成することができる。

また、ＤＣ／ＤＣコンバータによって変圧された所定電圧の直流をリチウムイオン電池に流す際、並びに、リチウムイオン電池に蓄電した直流をＤＣ／ＤＣコンバータ側に流す際はいずれも、初期は、抵抗を有する第一回路に流し、その後、抵抗を有していない第二回路に流す構成とすることが好ましい。これにより、通電初期においては抵抗で電流制御がなされるため、所定電圧の直流が一気に流れることによるＤＣ／ＤＣコンバータ等への損傷を防止できる。

また、本発明では、推進用電動機にて発生する回生電力を、リチウムイオン電池へ充電する構成としたため、エネルギーの利用効率に優れ、省エネルギー効果が高く、航行中に発生する温室効果ガス等の削減にも寄与する。

図１は、本発明の一の実施形態に係る電気推進船制御システムの構成図である。 図２は、図１の電気推進船における内部構成を概略的に示した側面図である。 図３は、図１の電気推進船における内部構成を概略的に示した平面図である。

以下、図面に示した実施形態に基づき本発明をさらに詳細に説明する。図１は、本発明の１の実施形態に係る電気推進船制御システム１の構成図であり、図２および図３に示した電気推進船２０に搭載される。

ここで、理解の容易化のため、まず、本発明の１の実施形態に係る電気推進船２０の概略構成について説明する。図２および図３に示したように、本実施形態の電気推進船２０は、船体２１がアルミニウム製で、例えば全長１０〜２０ｍ、幅３〜５ｍ、定員数十名程度のものである。もちろん、これより大型、小型のいずれでも本発明は適用可能である。また、電気推進船２０の前進方向の前部に、操縦席２３と客席２８を配置した旅客室２２が設けられ、前進方向の後部に、電気推進船２０を推進するための各種機器を配置した動力室３０が設けられている。

電気推進船２０を推進するスクリュー３８は、船尾の幅方向中央付近の船底から水中へ延びるスクリューシャフト３７によって回転する。スクリューシャフト３７は、動力室３０内に配置した推進用電動機３６によって回転駆動される。推進用電動機３６としては、例えば１０〜数十ｋｗで１０００〜数千ｒｐｍのＡＣモータが用いられ、例えば数ノット以上の速力で航行可能に設定される。推進用電動機３６として、ＤＣモータを用いると、減速手段としてのギヤによって回転制御する必要があるが、ＡＣモータは電気制御可能であるため、構造を簡易化でき、軽量化に適している。

動力室３０の前方側には、推進用電動機３６の駆動を制御する推進用電動機制御盤１０および船内給電用配電盤３４が配置され、推進用電動機３６へ電力を供給するリチウムイオン電池３２，３３が、動力室３０のほぼ中央に並列に配置されている。本実施形態では、各リチウムイオン電池３２，３３が電池集合パックで構成されており、それぞれが数十ｋｗの大容量の電力を蓄電可能となっている。なお、動力室の後方側には、複数個の小容量のバッテリー３５が配置されているが、これらは、船内の照明、操縦用の電子機器、電熱機器、その他の機器の一般用電源として用いられる。

電気推進船２０には、陸上の商用電源（陸上電源）の交流を受電するための受電座３１Ｒ，３１Ｌが設けられており（図１参照）、これらの受電座３１Ｒ，３１Ｌを介して、陸上電源、例えばＡＣ２２０Ｖ、５０Ａの電力が上記リチウムイオン電池３２，３３に供給される。

電気推進船２０に搭載される本実施形態の電気推進船制御システム１は、図１に示したように、上記した２個のリチウムイオン電池３２，３３と受電座３１Ｒ，３１Ｌを備えると共に、推進用電動機制御盤１０に、受電座３１Ｒ，３１Ｌを介してリチウムイオン電池３２，３３に充電する制御回路が設けられている。より詳細には、変圧器１１、ＡＣ／ＤＣコンバータ１２、チョッパ回路であるＤＣ／ＤＣコンバータ１３を備えている。なお、受電座３１Ｒ，３１ＬからＡＣ／ＤＣコンバータ１２までの間には、過電流保護のための配線用遮断器（ＭＣＣＢ１，ＭＣＣＢ２）、電流の流れを制御する電磁接触器（ＭＣ２）が設けられている。

変圧器１１は、陸上電源用の受電座３１Ｒ，３１Ｌを介して供給される交流の電圧を変圧する。例えば、受電座３１Ｒ，３１Ｌにて受電したＡＣ２２０Ｖが、変圧器１１によってＡＣ４８０Ｖまで昇圧される。ＡＣ／ＤＣコンバータ１２は、変圧器１１にて昇圧された交流を直流に変換する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１３は、ＡＣ／ＤＣコンバータ１２にて変換された直流を充電に適した直流電圧に変圧する。この所定電圧は、各リチウムイオン電池３２，３３の電圧によって最適な条件で充電するための電圧をいう。本実施形態では、ＡＣ／ＤＣコンバータ１２にて変換された直流電圧を、指令通りの電流値で充電出来る様に変圧して各リチウムイオン電池３２，３３へ充電する。

本実施形態によれば、上記の構成により、陸上電源からの交流の電圧（ＡＣ２２０Ｖ）を、所定電圧の直流（例えばＤＣ５００Ｖ）に変換／変圧することができる。このため、リチウムイオン電池３２，３３が大容量であっても、短時間で急速充電することができる。２個のリチウムイオン電池３２，３３を組み合わせることにより、上記のように例えば数十ｋｗという大容量の電力を蓄電でき、長時間の連続運転が可能となる。

ここで、図１の推進用電動機制御盤１０では、上記の構成に加えて、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３と各リチウムイオン電池３２，３３との間に、それぞれ、抵抗を有する第一回路（１４ａ又は１４ｂ）と、抵抗を有していない第二回路（１５ａ又は１５ｂ）とを並列に接続している。なお、第一回路（１４ａ又は１４ｂ）と第二回路（１５ａ又は１５ｂ）との並列回路には、過電流保護のための配線用遮断器（ＭＣＣＢ３，ＭＣＣＢ４）と、電流の流れを制御する電磁接触器（ＭＣ３，ＭＣ４，ＭＣ５，ＭＣ６）が配置されている。

具体的には、充電時にＤＣ／ＤＣコンバータ１３と第一のリチウムイオン電池３２との間においては、前記第一回路１４ａは、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３からの変圧された所定電圧の直流を流す際、その初期に通電され、抵抗Ｒ１と電磁接触器ＭＣ５を直列に接続した回路を備えている。第二回路１５ａは、前記第一回路１４ａを電磁接触器ＭＣ５によって通電した後（通常、数秒後）、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３からの変圧された所定電圧の直流が流れるように電磁接触器ＭＣ３を備えている。但し、抵抗は備えていない。そして、第一回路１４ａと第二回路１５ａを並列に接続し、配線用遮断器ＭＣＣＢ３を介して第一のリチウムイオン電池３２へ接続している。

したがって、最初に第一回路１４ａの電磁接触器ＭＣ５をＯＮにすることで、最初にＤＣ／ＤＣコンバータ内のコンデンサに流れる大電流は、第一回路１４ａの抵抗Ｒ１にて抑えられる。その後第二回路１５ａの電磁接触器ＭＣ３をＯＮにした後、第一回路１４ａの電磁接触器ＭＣ５をＯＦＦにすることで、第二回路１５ａのみに切り替わる。

その結果、最初は前記の大電流が第一回路１４ａの抵抗Ｒ１で制御されるため、リチウムイオン電池３２からＤＣ／ＤＣコンバータ１３内のコンデンサに大電流を流すことなくコンデンサを充電させる。その後、第二回路１５ａを経て抵抗による電流制御がなされることなくＤＣ／ＤＣコンバータ１３からリチウムイオン電池３２へ流れて充電する。これにより、通電初期に大電流がＤＣ／ＤＣコンバータ１３に流れることが抑制され、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３等の損傷を防止できる。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１３と第二のリチウムイオン電池３３との間の作用も、上記と同様である。

第一のリチウムイオン電池３２および第二のリチウムイオン電池３３に蓄電された電力は、交流モータ（ＡＣモータ）からなる推進用電動機３６へ供給される。そのため、上記したＤＣ／ＤＣコンバータ１３と推進用電動機３６であるＡＣモータとの間に、インバータ１６が配置されている。なお、インバータ１６と推進用電動機３６との間は、充電時の安全対策のための配線用遮断器ＭＣＣＢ５を配置している。

電気推進船２０が航行する際、各リチウムイオン電池３２，３３の電力は、最初に、第一回路１４ａ，１４ｂの電磁接触器ＭＣ５，ＭＣ６をＯＮにし、第二回路１５ａ，１５ｂの電磁接触器ＭＣ３，ＭＣ４をＯＦＦにすることで、第一回路１４ａ，１４ｂの抵抗Ｒ１，Ｒ２を経てＤＣ／ＤＣコンバータ１３へ流れる。その後（通常、数秒後）、第二回路１５ａ，１５ｂの電磁接触器ＭＣ３，ＭＣ４をＯＮにして、その後第一回路１４ａ，１４ｂの電磁接触器ＭＣ５，ＭＣ６をＯＦＦにすることで、各リチウムイオン電池３２，３３の電力が抵抗を備えていない第二回路１５ａ，１５ｂを経てＤＣ／ＤＣコンバータ１３へ流れるように切り替わる。これにより、上記と同様に、通電初期から大電流が一気に供給されることが抑制され、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３等に損傷を来すことが防止される。

各リチウムイオン電池３２，３３の電力は、並列回路にてＤＣ／ＤＣコンバータ１３へ供給される。ＤＣ／ＤＣコンバータ１３では、例えば各リチウムイオン電池３２，３３から供給されるＤＣ５００Ｖが、一定電圧の直流、例えばＤＣ７００Ｖに変換される。さらに、インバータ１６によって直流から交流に変換されてから、推進用電動機であるＡＣモータから構成される推進用電動機３６に供給される。それにより推進用電動機３６が回転し、スクリューシャフト３７を介してスクリュー３８が回転し、電気推進船２０が推進する。

ところで、電気推進船２０が前進している航行状態では、推進用電動機３６において回生電力は発生しないが、その航行中に速力を落とすためにブレーキをかけると、推進用電動機３６にて回生電力が発生する。本実施形態では、この回生電力をそのまま熱エネルギーに変換して廃棄せずに、リチウムイオン電池に充電する構成としている。具体的には、回生電力の電流がインバータ１６内の直流回路に流れ、その後、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３に供給され、第一のリチウムイオン電池３２又は第二のリチウムイオン電池３３へ流れて充電に利用される。

以上のように、本実施形態によれば、推進用電動機３６であるＡＣモータにて発生した回生電力が、推進用電動機制御盤１０の回路を介して第一のリチウムイオン電池３２又は第二のリチウムイオン電池３３へ充電されるので、エネルギーの利用効率の点で優れており、省エネルギー効果が高い。

なお、図１に示した符号１８は、ＢＭＣ（Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）であり、各リチウムイオン電池３２，３３における温度、電圧、残量等を管理する。符号１７は、シーケンサであり、配線用遮断器（ＭＣＣＢ１，ＭＣＣＢ２，ＭＣＣＢ３，ＭＣＣＢ４，ＭＣＣＢ５）、電磁接触器（ＭＣ２，ＭＣ３，ＭＣ４，ＭＣ５，ＭＣ６）などの各種制御機器の作動を制御する。

１ 電気推進船制御システム
１０ 推進用電動機制御盤
１１ 変圧器
１２ ＡＣ／ＤＣコンバータ
１３ ＤＣ／ＤＣコンバータ
１４ａ，１４ｂ 第一回路
１５ａ，１５ｂ 第二回路
１６ インバータ
２０ 電気推進船
３１Ｒ，３１Ｌ 受電座
３２ 第一のリチウムイオン電池
３３ 第二のリチウムイオン電池
３６ 推進用電動機（ＡＣモータ）
３７ スクリューシャフト
３８ スクリュー

Claims (4)

1. 電気推進船を推進するスクリューを駆動する推進用電動機へ給電するための電気推進船制御システムであって、
   陸上の商用電源から受電するための陸上電源用の受電座と、
   前記陸上電源用の受電座を介して供給される交流の電圧を変圧する変圧器と、
   前記変圧器にて変圧された交流を直流に変換後、所定電圧の直流に変圧するＤＣ／ＤＣコンバータと、
   前記ＤＣ／ＤＣコンバータにて変圧された所定電圧の直流が充電されるリチウムイオン電池と、
   前記ＤＣ／ＤＣコンバータと前記推進用電動機との間に設けられ、前記推進用電動機へ電力を供給するため、前記リチウムイオン電池に蓄電された直流を交流に変換するインバータと
   を備えたことを特徴とする電気推進船制御システム。
2. 前記ＤＣ／ＤＣコンバータと前記リチウムイオン電池との間に、抵抗を有する第一回路と抵抗を有していない第二回路とを並列に備え、前記ＤＣ／ＤＣコンバータと前記リチウムイオン電池との間で流れる電流を流す際に、初期は前記第一回路を通電して流し、その後、前記第二回路を通電してから、前記第一回路を遮断して流すように制御される構成である請求項１記載の電気推進船制御システム。
3. さらに、前記推進用電動機にて発生する回生電力が、前記インバータを介して前記リチウムイオン電池へ充電される構成である請求項１又は２記載の電気推進船制御システム。
4. 請求項１〜３のいずれか１に記載の電気推進船制御システムが搭載されていることを特徴とする電気推進船。

Images