JP2015077821A - 電気推進船 - Google Patents

Abstract

【課題】軽量化を図り、航行可能距離をさらに長くする電気推進船を提供する。【解決手段】電気推進船は、スクリュー３８を回転させる推進用電動機３６がＡＣモータからなり、蓄電池３２，３３から供給される直流を交流に変換するインバータ１６を介して蓄電池３２，３３に電気的に接続されている。蓄電池を用いていながら、ＡＣモータを駆動でき、ＤＣモータを用いる場合のように減速機構を用いることなく、所望の回転速度でスクリューを回転させることができる。これにより、ＤＣモータを用いる場合よりも軽量化を図り、蓄電池による航行可能距離をより長距離とすることができる。【選択図】図３

Description

本発明は、蓄電池の電力を利用して駆動する電気推進船に関する。

船舶のスクリュー（プロペラ）を回転させる場合、推進用電動機として直流モータを用いるのが一般的である。特許文献１は、モータの種類の明示はないが、モータとスクリューとの間に減速機構を配置していることから、直流モータを使用していると推察される。

実開昭６３−１５８４９３号公報

ところで、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おり、推進用電動機に駆動電力を供給する電力供給源として蓄電池が用いられるようになってきている。この場合も、推進用電動機として、蓄電池から取り出した直流によりそのまま回転駆動できる直流モータを用いることが多く、所定の回転速度に制御するためにモータとスクリューとの間に減速機構を配設した構成としているのが一般的である。

しかし、蓄電池に充電した電力によりできるだけ長時間の航行が可能となるようにエネルギー効率を高めるには、より軽量化することが望ましい。また、減速機構を用いると駆動時における当該部分からの騒音の問題もある。

本発明は上記に鑑みなされたものであり、推進用電動機の回転制御用の減速機構を用いない構成とし、それにより軽量化を図り、省エネルギーに貢献できると共に、騒音の問題も解消できる電気推進船の提供を課題とする。

上記課題を解決するため、本発明の電気推進船は、蓄電池から供給される電力によって駆動し、スクリューを回転させる推進用電動機を備えた電気推進船であって、前記スクリューを回転させる推進用電動機がＡＣモータからなり、前記蓄電池から供給される直流を交流に変換するインバータを介して前記蓄電池に電気的に接続されていることを特徴とする。

前記蓄電池は、船体に設けた受電部を介して、陸上電源の電力により充電される構成であることが好ましく、この場合、前記蓄電池を充電する電力を供給するための陸上電源用の受電部が、船体の右舷及び左舷の両方に設けられ、前記蓄電池は、接舷時の船体の向きに応じていずれかの受電部を使用して受電される構成であることがより好ましい。また、前記蓄電池としてリチウムイオン電池を用いることが好ましい。

本発明の電気推進船は、推進用電動機がＡＣモータから構成され、蓄電池との間に介在されたインバータを介してこの蓄電池の電力が供給される。低速で回転するＤＣモータは市販されておらず、推進用電動機としてＤＣモータを用いる場合は高速で回転するＤＣモータを用い、減速機構により、所望の回転速度でスクリューを回転させることが必要であった。一方、ＡＣモータであれば低速で回転するものも容易に入手が可能である。したがって、本発明は、蓄電池を用いていながら、ＡＣモータを駆動でき、ＤＣモータを用いる場合のように減速機構を用いることなく、所望の回転速度でスクリューを回転させることができる。これにより、ＤＣモータを用いる場合よりも軽量化を図り、蓄電池による航行可能距離をより長距離とすることができると共に、減速機構を用いないため、騒音の問題も解消できる。

また、蓄電池は、陸上の商用電源（陸上電源）から充電する構成とすることが好ましく、特に、船体の右舷及び左舷の両方に受電部を設けることで、接舷時の向きがいずれであっても陸上電源からの速やかな充電が可能となる。したがって、限られた停泊時間内で十分な充電量を確保でき、結果的に、長時間航行の達成に寄与できると共に、大容量のリチウムイオン電池への速やかな充電も可能となる。

図１は、本発明の一の実施形態に係る電気推進船の構成を概略的に示した側面図である。 図２は、上記実施形態に係る電気推進船の構成を概略的に示した平面図である。 図３は、上記実施形態に係る電気推進船に搭載される電気推進船制御システムの構成図である。

以下、図面に示した本発明の一の実施形態に基づき説明する。図１および図２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。ここで、本発明は、推進用電動機３６としてＡＣモータを用いたことを特徴とし、例えば１０〜数十ｋｗで１０００〜数千ｒｐｍのＡＣモータが用いられ、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。また、ギヤを用いた場合のような騒音の問題もない。

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へ電力を供給する蓄電池としての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部３１Ｒ，３１Ｌが設けられている。受電部３１Ｒ，３１Ｌは、図２に示したように、船体２１の右舷２１Ｒ及び左舷２１Ｌの両方に設けられている。右舷２１Ｒ及び左舷２１Ｌの両方に設けられることにより、接舷時の船体２１の向きに応じて、右舷の受電部３１Ｒ又は左舷の受電部３１Ｌのいずれか一方を使用して、陸上電源、例えばＡＣ２２０Ｖ、５０Ａの電力を受電し、上記リチウムイオン電池３２，３３に充電する。なお、受電部３１Ｒ，３１Ｌの構造は限定されるものではなく、例えば、陸上電源のケーブルの先端に設けられたコンセント（図示せず）を差し込む差込口形式のもののほか、非接触で電力を受電するタイプのもの等を用いることができる。

本実施形態の電気推進船２０には、さらに、上記した受電部３１Ｒ，３１Ｌを介してリチウムイオン電池３２，３３に充電するための推進用電動機制御盤１０を備えた電気推進船制御システム１が設けられている。推進用電動機制御盤１０は、図３に示したように、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、受電部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、陸上電源用の受電部３１，３１Ｌを介して供給される交流の電圧を変圧する。例えば、受電部３１Ｒ，３１Ｌのいずれかから受電した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３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、相対的に抵抗値の高い第一回路（本実施形態では、抵抗を有する第一回路（１４ａ又は１４ｂ））と、相対的に抵抗値の低い第二回路（本実施形態では、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、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（ＡＣモータ）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。

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。

また、上記実施形態では、リチウムイオン電池３２，３３への充電電力を受電部３１Ｒ，３１Ｌを介して陸上電源から得る構成であるが、船体２１内に発電機（図示せず）を搭載し、必要に応じて、この発電機で発電した電力をリチウムイオン電池３２，３３に充電する構成とすることも可能である。この場合であっても、上記したインバータ１６を介することにより、推進用電動機（ＡＣモータ）３６を回転駆動させることができる。

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
２１ 船体
２１Ｒ 右舷
２１Ｌ 左舷
３１Ｒ，３１Ｌ 受電部
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）
３８ スクリュー

Claims (4)

1. 蓄電池から供給される電力によって駆動し、スクリューを回転させる推進用電動機を備えた電気推進船であって、
   前記スクリューを回転させる推進用電動機がＡＣモータからなり、前記蓄電池から供給される直流を交流に変換するインバータを介して前記蓄電池に電気的に接続されていることを特徴とする電気推進船。
2. 前記蓄電池は、船体に設けた受電部を介して、陸上電源の電力により充電される構成である請求項１記載の電気推進船。
3. 前記蓄電池を充電する電力を供給するための陸上電源用の受電部が、船体の右舷及び左舷の両方に設けられ、前記蓄電池は、接舷時の船体の向きに応じていずれかの受電部を使用して受電される構成である請求項２記載の電気推進船。
4. 前記蓄電池がリチウムイオン電池である請求項１〜３のいずれか１に記載の電気推進船。

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