JP5584809B1 - 電気推進船 - Google Patents

Abstract

【課題】電気推進船に搭載した大容量の蓄電池に接舷時に確実に充電できる電気推進船を提供する。
【解決手段】電気推進船２０は、船体２１の右舷２１Ｒ及び左舷２１Ｌの両方に受電部３１Ｒ，３１Ｌが設けられている。これにより、接舷時の向きがいずれであっても陸上の商用電源（陸上電源）を用いて蓄電池３２，３３への充電が可能となる。したがって、船体の接舷作業を含めた充電作業全体の作業時間を円滑かつ短時間に行え、もって長時間航行に貢献することができる。
【選択図】図２

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。

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、この大容量の蓄電池に対して、接舷時にできるだけ速やかにかつ確実に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、接舷時において大容量の蓄電池にできるだけ速やかにかつ確実で充電することを可能と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、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を特徴とする。

前記受電部を介して陸上電源から受電した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して前記蓄電池に供給するＤＣ／ＤＣコンバータと、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、前記蓄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電気推進船制御システムが搭載されている構成とすることが好ましい。

前記電気推進船制御システムは、前記ＤＣ／ＤＣコンバータと前記蓄電池との間に、相対的に抵抗値の高い第一回路と相対的に抵抗値の低い第二回路とを並列に備え、前記ＤＣ／ＤＣコンバータと前記蓄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ことが好ましい。前記電気推進船制御システムは、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蓄電池へ充電される構成を有していることが好ましい。前記蓄電池がリチウムイオン電池であることが好ましい。

本発明の電気推進船によれば、船体の右舷及び左舷の両方に受電部が設けられている。これにより、接舷時の向きがいずれであっても陸上の商用電源（陸上電源）を用いて蓄電池への充電が可能となる。受電部が仮に右舷又は左舷の一方にしか備え付けられていない場合、大容量の蓄電池を搭載していたとしても、停泊時に充電しようとすると、接舷時の向きに留意する必要がある。しかし、常に一定の向きで接舷するには接舷場所の条件によっては困難な場合もあり、また、いずれかの向きでしか接舷できない場合もある。これでは、充電開始までに船体の向きを調整したり、充電用のケーブルを接舷側と反対側まで取り回すのに手間取ったりして作業時間をとられ、限られた停泊時間内に十分な充電量を確保できず、結果的に、長時間航行が達成できないおそれがある。しかし、本発明では、船体の接舷時の向きがいずれであっても陸上電源からの充電が可能であり、船体の接舷作業を含めた充電作業全体の作業時間を円滑かつ短時間に行え、もって長時間航行に貢献することができる。なお、蓄電池としては、大容量の蓄電が可能なリチウムイオン電池を用いることが好ましく、本発明は上記構成により短時間での作業が可能であるため、リチウムイオン電池への確実な充電に適した構成である。

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。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、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。

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
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、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り、
   前記受電部を介して陸上電源から受電した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して前記蓄電池に供給するＤＣ／ＤＣコンバータと、
   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、前記蓄電池に蓄電された直流を交流に変換するインバータと
   を備えた電気推進船制御システムが搭載されている電気推進船。
2. 前記電気推進船制御システムは、前記ＤＣ／ＤＣコンバータと前記蓄電池との間に、相対的に抵抗値の高い第一回路と相対的に抵抗値の低い第二回路とを並列に備え、前記ＤＣ／ＤＣコンバータと前記蓄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。
3. 前記電気推進船制御システムは、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蓄電池へ充電される構成を有している請求項１又は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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