JP6187930B2

JP6187930B2 - ハイブリッド推進システム及びそれを搭載したハイブリッド推進船

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Publication number: JP6187930B2
Application number: JP2013130810A
Authority: JP
Inventors: 平田　宏一; 宏一平田
Original assignee: National Institute of Maritime Port and Aviation Technology
Current assignee: National Institute of Maritime Port and Aviation Technology
Priority date: 2013-06-21
Filing date: 2013-06-21
Publication date: 2017-08-30
Anticipated expiration: 2033-06-21
Also published as: JP2015003658A

Description

本発明は、主機関と蓄電手段を備えたハイブリッド推進システム及びそれを搭載したハイブリッド推進船に関する。

近年、船舶においてもゼロエミッション等の環境への考慮が必要とされており、ディーゼルエンジンと発電機とを組み合わせたハイブリッド推進船への関心が高まっている。

海洋船において高い負荷応答性を提供するために、エンジン、発電機及び電気推進ユニットを備え、エンジンからの駆動力によって発電機を駆動して発電を行い、そこで得られた電力を電源バンク（蓄電池、フライホイールジェネレータ、キャパシタ等）に蓄えておいて負荷応答性を改善するための電気推進ユニットへ供給する、電気推進ユニットのみで推進される海洋船の構成が開示されている（特許文献１）。

また、電動船舶用の節電動力システムにおいて、２組以上のバッテリユニットを設け、電動機に対して交替で電力を供給する構成が開示されている（特許文献２）。また、車両用電源装置において、高電圧側及び低電圧側の２系統の蓄電池を設け、低電圧側蓄電池の劣化時に高電圧側蓄電池により低電圧側蓄電池を充電できるようにした構成が開示されている。

特開２０１０−５３７８９０号公報実用新案登録第３１５０５４１号公報特開２０００−３０８２７５号公報

ところで、ハイブリッド推進船を長期間、安定的に運用するためには、蓄電手段（蓄電池、キャパシタ等）を長寿命化することが必要である。

また、船舶においては、主機関であるディーゼルエンジンをできるだけ定出力で使用することが省エネルギーや環境保全に効果的である。したがって、ハイブリッド推進船においては、主機関からの出力をできるだけ一定出力とするようなシステムを構築することが望まれている。

本発明は、上記課題を鑑みて、蓄電手段を長期間、効果的に利用することを可能とするハイブリッド推進システム及びそれを搭載したハイブリッド推進船を提供することを目的とする。

本願請求項１に係るハイブリッド推進システムは、主機関と、前記主機関により船体を推進する推進手段と、前記主機関によって駆動される発電機と、前記発電機で発電された電力を蓄える複数の蓄電手段と、前記船体を補助的に推進する補助推進手段と、前記補助推進手段を電力で駆動する補助駆動手段と、前記発電機と前記蓄電手段と前記補助駆動手段の間の電力の需給を制御する電力制御手段を備え、前記複数の蓄電手段がキャパシタと蓄電池を含み、前記電力制御手段が前記推進手段にかかる負荷を直流分と長周期変動分と短周期変動分に分離し、前記負荷の前記直流分については前記主機関により負担し、前記負荷の前記長周期変動分については前記蓄電池により負担し、前記負荷の前記短周期変動分については前記キャパシタにより負担するように制御を行う。船体は、推進手段に加え、補助推進手段により補助的に推進される。補助推進手段を駆動する補助駆動手段は、発電機や蓄電手段とともに電力制御手段により電力需給が制御される。

このとき、前記電力制御手段は、前記蓄電手段全体からの放電が所定値を超えるときに前記キャパシタから放電させることが好適である。また、前記電力制御手段は、前記蓄電手段全体からの放電の変動速度が所定値を超えるときに前記キャパシタから放電させることが好適である。また、前記電力制御手段は、前記蓄電手段の充電又は放電の開始時に前記キャパシタから充放電を開始することが好適である。

また、前記蓄電池から前記補助駆動手段への電力線に前記キャパシタが並列に接続されていることが好適である。

また、前記蓄電手段に含まれる蓄電池は、別々に充放電が可能な複数の蓄電池を含むことが好適である。このとき、前記電力制御手段は、前記複数の蓄電池の充電と放電を排他的に切り替えて制御することが好適である。

また、前記推進手段は、前記補助推進手段を兼ねることが好適である。例えば、前記発電機は、前記補助駆動手段を兼ねるモータ・ジェネレータであり、前記電力制御手段は、前記モータ・ジェネレータの発電と駆動を切り替えることが好適である。

また、前記推進手段は、前記船体の船尾を貫く軸を介して前記主機関により駆動されるプロペラであり、前記発電機は、前記主機関より前記船体の前方に配置されていることが好適である。また、前記補助推進手段は、ポッド推進器を含むことが好適である。

また、前記発電機以外に前記船体で使用される機器に電力を供給する船内電力供給手段をさらに備え、前記電力制御手段は、前記船内電力供給手段への電力供給も制御することが好適である。

また、前記電力制御手段は、海象や気象の将来の予測に基づいて前記蓄電手段に対する充放電を制御することが好適である。

このようなハイブリッド推進システムは、ハイブリッド推進船に適用することが好適である。

本願請求項１に係るハイブリッド推進システムは、主機関と、前記主機関により船体を推進する推進手段と、前記主機関によって駆動される発電機と、前記発電機で発電された電力を蓄える複数の蓄電手段と、前記船体を補助的に推進する補助推進手段と、前記補助推進手段を電力で駆動する補助駆動手段と、前記発電機と前記蓄電手段と前記補助駆動手段の間の電力の需給を制御する電力制御手段を備え、前記複数の蓄電手段がキャパシタと蓄電池を含み、前記電力制御手段が前記推進手段にかかる負荷を直流分と長周期変動分と短周期変動分に分離し、前記負荷の前記直流分については前記主機関により負担し、前記負荷の前記長周期変動分については前記蓄電池により負担し、前記負荷の前記短周期変動分については前記キャパシタにより負担するように制御を行うことによって、複数の前記蓄電手段に蓄えた電力により前記補助駆動手段を駆動して、前記主機関をできるだけ定出力で使用することが可能となり、省エネルギーや環境保全に効果的である。また、複数の前記蓄電手段の電力の需給を前記電力制御手段で制御することにより、前記蓄電手段の寿命を延ばし、システムの長期間、安定的な運用が可能となる。

すなわち、キャパシタは小容量であるが高速の充放電に適しており、蓄電池は大容量であるが低速の充放電に適しているので、これらの特性を考慮して充放電制御を行うことにより、ハイブリッド推進システムを長期間、効率的に運用することができる。

例えば、前記電力制御手段は、前記蓄電手段全体からの放電が所定値を超えるときに前記キャパシタから放電させることが好適である。また、前記電力制御手段は、前記蓄電手段全体からの放電の変動速度が所定値を超えるときに前記キャパシタから放電させることが好適である。また、前記電力制御手段は、前記蓄電手段の充電又は放電の開始時に前記キャパシタから充放電を開始することが好適である。このように、長周期の負荷の変動に対しては蓄電池での充放電により対応し、短周期の負荷の変動に対しては高速の充放電に適したキャパシタでの充放電で対応させることにより、蓄電池を長寿命化させることができる。

また、前記蓄電池から前記補助駆動手段への電力線に前記キャパシタが並列に接続されることによって、蓄電池とキャパシタとの間で充放電の負荷を分担させることができ、蓄電池の充放電特性とキャパシタの充放電特性を組み合わせて、ハイブリッド推進システムに適した充放電を長期間、安定的に行うことができる。

また、前記蓄電手段に含まれる蓄電池は、別々に充放電が可能な複数の蓄電池を含むことが好適である。このとき、前記電力制御手段は、前記複数の蓄電池の充電と放電を排他的に切り替えて制御することが好適である。これにより、蓄電池に対して充電と放電を短い周期で繰り返すことを回避することができ、満充電や完放電に近い状態になってから充放電を切り替えることが可能となる。したがって、蓄電池の劣化を抑制することができる。

また、前記推進手段は、前記補助推進手段を兼ねることが好適である。例えば、前記発電機は、前記補助駆動手段を兼ねるモータ・ジェネレータであり、前記電力制御手段は、前記モータ・ジェネレータの発電と駆動を切り替えることが好適である。これにより、ハイブリッド推進システムにおける力行と回生とを一つの補助推進手段によって実現することができ、システムの小型化と高効率化を図ることができる。

また、前記推進手段は、前記船体の船尾を貫く軸を介して前記主機関により駆動されるプロペラであり、前記発電機は、前記主機関より前記船体の前方に配置されていることによって、駆動軸のメンテナンス作業が容易となる。また、前記補助推進手段は、ポッド推進器を含むことによって、前記船体の船尾を貫く軸を介さない駆動方法により船舶を補助的に推進させることができる。

また、前記発電機以外に前記船体で使用される機器に電力を供給する船内電力供給手段をさらに備え、前記電力制御手段は、前記船内電力供給手段への電力供給も制御することによって、蓄電手段に蓄えられている電力を推進以外に利用することができ、主機関の出力を効率的に利用することが可能となる。

また、前記電力制御手段は、海象や気象の将来の予測に基づいて前記蓄電手段に対する充放電を制御することによって、海象や気象の変化に応じて蓄電手段に対する充放電制御を行うことが可能となり、船舶を効率的に運航させることができる。

このようなハイブリッド推進システムは、ハイブリッド船に適用することによって、特に大型の主機関を一定出力で使用することが可能となり、省エネルギーや環境保全に対する効果がより顕著となる。また、蓄電手段を長期間、安定して利用可能なハイブリッド推進船を提供することができる。

本発明の実施の形態におけるハイブリッド推進システムの構成を示す図である。ハイブリッド推進システムの負荷変動を説明する図である。負荷の直流成分、長周期変動分及び短周期変動分を説明する図である。本発明の実施の形態におけるハイブリッド推進システムの別例の構成を示す図である。本発明の実施の形態におけるハイブリッド推進システムの別例の構成を示す図である。本発明の実施の形態におけるハイブリッド推進船の構造を説明する図である。

＜システム構成＞
本発明の実施の形態における船舶のハイブリッド推進システム１００は、図１に示すように、主機関１０、モータ・ジェネレータ（ＭＧ）１２、プロペラ１４、インバータ１６、ＤＣ／ＤＣコンバータ１８、キャパシタ２０、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２、蓄電池２４（２４ａ，２４ｂ）、トルク計２６及び制御手段２８を含んで構成される。

主機関１０は、ハイブリッド推進システム１００が搭載されるハイブリッド推進船の主な駆動力を生み出す機関である。主機関１０は、内燃機関とすることができ、例えば、ディーゼルエンジン等とされる。主機関１０の駆動軸はＭＧ１２及びプロペラ１４に接続され、主機関１０が発生する駆動力によってＭＧ１２及びプロペラ１４が駆動される。主機関１０からプロペラ１４に伝達された駆動力によってプロペラ１４が回転し、これにより船舶に対する推進力が得られる。ここで、主機関１０は主駆動手段、プロペラ１４は主推進手段に相当する。

ＭＧ１２は、主機関１０の駆動軸に伝達機構を介して接続され、主機関１０からの駆動力を受けて電力を発電する。また、プロペラ１４からの回生エネルギーを受けて電力を発電する。また、主機関１０からプロペラ１４への駆動力（出力パワー）が負荷に対して不足している場合等において、ＭＧ１２は蓄電池２４から電力を受けてモータとして機能し、駆動力を発生する。ＭＧ１２の駆動力は駆動軸を介してプロペラ１４に伝達され、これにより船舶に対する補助推進力が得られる。ここで、ＭＧ１２は補助駆動手段、プロペラ１４は補助推進手段に相当する。この実施の形態においては、プロペラ１４は、主推進手段と補助推進手段とを兼ねている。

ＭＧ１２によって発電された電力は、インバータ１６を介して、ＤＣ／ＤＣコンバータ１８，２２に供給される。インバータ１６は、ＭＧ１２から供給される交流電流を直流電流に変換してＤＣ／ＤＣコンバータ１８，２２へ出力したり、ＤＣ／ＤＣコンバータ１８，２２から供給される直流電流を交流電流に変換してＭＧ１２へ出力する。ＤＣ／ＤＣコンバータ１８，２２は、直流電圧を昇圧又は降圧して出力する。ＤＣ／ＤＣコンバータ１８は、インバータ１６とキャパシタ２０の間の電圧を変換する役割を果たす。ＤＣ／ＤＣコンバータ２２は、インバータ１６と蓄電池２４の間の電圧を変換する役割を果たす。ＤＣ／ＤＣコンバータ１８，２２は、制御手段２８によって制御される。

キャパシタ２０及び蓄電池２４は、ハイブリッド推進システム１００において蓄電手段に相当する。キャパシタ２０は、静電容量により電荷（電気エネルギー）を蓄えたり、放電したりすることができる電気素子である。キャパシタ２０は、蓄電手段において蓄電池２４に比べて比較的速い充放電速度で電力を充放電できる特徴がある。蓄電池２４は、二次電池とも呼ばれ、充電を行うことにより電荷（電気エネルギー）を蓄えることが可能であり、充放電を繰り返して使用できる電池（化学電池）である。蓄電池２４としては、例えば、鉛蓄電池、ニッケル水素蓄電池、ニッケル・カドミウム蓄電池、リチウムイオン二次電池等が挙げられる。蓄電池２４は、蓄電手段においてキャパシタ２０に比べて比較的遅い充放電速度であるが、大電力を充放電できる特徴がある。

トルク計２６は、主機関１０の駆動軸に取り付けられ、ハイブリッド推進システム１００の出力負荷（出力トルク）を計測する。トルク計２６で計測された出力負荷は、制御手段２８に入力され、ハイブリッド推進システム１００の制御に利用される。

制御手段２８は、トルク計２６から出力負荷の入力を受けて、主機関１０、インバータ１６、ＤＣ／ＤＣコンバータ１８、２２、キャパシタ２０及び蓄電池２４を含むハイブリッド推進システム１００を統合的に制御する。また、ＭＧ１２での発電、キャパシタ２０と蓄電池２４の充放電、ＭＧ１２への給電といった電力の需給を制御する。

＜制御方法＞
ハイブリッド推進システム１００では、主機関１０に掛かる負荷に応じて、ＭＧ１２による発電（回生）及び補助推進駆動（力行）を制御すると共に、蓄電手段に対する充放電を制御する。

船舶等の移動体に掛かる負荷は、図２の実線で示すように変動する。この負荷は、直流分（図２の破線）、直流分に重畳する長周期変動分（図２の一点鎖線）、さらに長周期変動分に重畳する短周期変動分（図２の実線）で表わされる。

ハイブリッド推進システム１００では、負荷の直流分については主機関１０により負担し、負荷の長周期変動分については蓄電池２４により負担し、負荷の短周期変動分についてはキャパシタ２０により負担するように制御を行うことが好適である。

制御手段２８は、トルク計２６から出力負荷を取得する。トルク計２６では船舶の推進の出力負荷を計測して制御手段２８へ出力する。制御手段２８は、時々刻々と入力される出力負荷を受けて、負荷の時間変動から直流成分、長周期変動分及び短周期変動分を分離する。

ここで、直流成分は、厳密な直流成分でなくてもよく、所定の直流変動周期よりも長い周期で変動する成分を意味するものとしてもよい。直流変動周期は、例えば１０分以上の周期とすることが好適である。また、長周期変動分は、所定の長周期以上に長く直流変動周期よりも短い周期で変動する成分を意味するものとしてもよい。長周期は、例えば１分以上１０分未満の周期とすることが好適である。短周期変動分は、所定の長周期よりも短い周期で変動する成分を意味するものとしてもよい。短周期は、例えば１０〜３０秒程度の周期とすることが好適である。

なお、直流変動周期、長周期及び短周期は、主機関１０、キャパシタ２０及び蓄電池２４の特性に応じて設定してもよい。主機関１０が小型であり、負荷の変動に対する応答速度が高い場合、直流変動周期をより短く設定することが好適である。また、蓄電池２４の容量が大きくなるほど、長周期をより長く設定することが好適である。また、例えば、キャパシタ２０の容量が大きくなるほど、短周期をより長く設定することが好適である。

制御手段２８は、負荷の時間的な変動を考慮して、負荷の直流成分、長周期変動分及び短周期変動分への分離を行う。例えば、過去の負荷の時間的な変化から直流変動周期における負荷の平均値を算出し、その平均値を直流成分とする。さらに、負荷から直流成分を減算し、得られた値の長周期における平均値を長周期変動分とする。そして、負荷から直流成分及び長周期変動分を減算した値を短周期変動分とする。

また、制御手段２８は、負荷の時間的な変動を周波数成分（周波数スペクトル）に変換し、直流変動周期、長周期及び短周期に応じて直流成分、長周期変動分及び短周期変動分に対応する周波数帯域を設定し、それぞれの周波数帯域における成分を直流成分、長周期変動分及び短周期変動分としてもよい。

このような処理によって、例えば図３（ａ）〜（ｃ）に示す例のように、負荷を直流成分、長周期変動分及び短周期変動分に分離することができる。図３（ａ）の破線は、負荷の直流成分を示す。図３（ｂ）の一点鎖線は、負荷の長周期変動分を示す。図３（ｂ）では、負荷の長周期変動分を直流成分の変動として示している。図３（ｃ）の実線は、負荷の短周期変動分を示す。図３（ｃ）では、負荷の短周期変動分を長周期変動分の変動として示している。

制御手段２８は、直流成分、長周期変動分及び短周期変動分に応じて主機関１０の出力、蓄電池２４及びキャパシタ２０の充放電を制御する。

制御手段２８は、負荷の直流成分に応じて、主機関１０の出力を制御する。主機関１０の出力は、例えば、主機関１０への燃料の供給量や供給タイミング等により制御することが可能である。そこで、制御手段２８は、予め測定して得られている燃料供給と主機関１０の出力特性の関係マップ（データベース）を参照し、負荷の直流成分に等しい出力が得られるように主機関１０への燃料供給を制御する。

また、制御手段２８は、負荷の長周期変動分に応じて蓄電池２４の充放電を制御する。制御手段２８は、負荷の長周期変動分がその平均値を超えるときには、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２を制御して蓄電池２４から放電を行う。制御手段２８は、負荷の長周期変動分と平均値との差を直流成分の不足分に相当するものとして、電力を蓄電池２４から放電させ、その電力によりＭＧ１２をモータとして駆動して補助推進力を出力させる（図３（ｂ）の放電（力行）時）。一方、制御手段２８は、負荷の長周期変動分がその平均値を下回るときには、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２を制御して蓄電池２４への充電を行う。制御手段２８は、負荷の長周期変動分と平均値との差を直流成分の超過分に相当するとして、主機関１０からの出力（直流成分）を利用してＭＧ１２をジェネレータとして発電を行い、その電力により蓄電池２４を充電する（図３（ｂ）の充電（回生）時）。

ここで、蓄電池２４の容量は、ハイブリッド推進システム１００に掛る負荷の長周期変動分を吸収できる程度とすることが好ましい。すなわち、蓄電池２４の容量は、蓄電池２４からの放電期間（長周期の半分の時間）に各時刻の長周期変動分の放電電力を乗算した値以上とすることが好ましい。

さらに、制御手段２８は、負荷の短周期変動分に応じてキャパシタ２０の充放電を制御する。制御手段２８は、負荷の短周期変動分がその平均値を超えるときには、ＤＣ／ＤＣコンバータ１８を制御してキャパシタ２０から放電を行う。制御手段２８は、負荷の短周期変動分と平均値との差を長周期変動分の不足分に相当するものとして、電力をキャパシタ２０から放電させ、その電力によりＭＧ１２をモータとして駆動して補助推進力を出力させる（図３（ｃ）の放電（力行）時）。一方、制御手段２８は、負荷の短周期変動分がその平均値を下回るときには、ＤＣ／ＤＣコンバータ１８を制御してキャパシタ２０への充電を行う。制御手段２８は、負荷の短周期変動分と平均値との差を長周期変動分の超過分に相当するものして、主機関１０からの出力を利用してＭＧ１２をジェネレータとして発電を行い、その電力によりキャパシタ２０を充電する。また、同時に、蓄電池２４からの放電される電力によりキャパシタ２０を充電してもよい（図３（ｃ）の充電（回生）時）。

ここで、キャパシタ２０の容量は、ハイブリッド推進システム１００に掛る負荷の短周期変動分を吸収できる程度とすることが好ましい。すなわち、キャパシタ２０の容量は、キャパシタ２０からの放電期間（長周期の半分の時間）に各時刻の短周期変動分の放電電力を乗算した値以上とすることが好ましい。

このように、負荷の変動に応じて主機関１０の出力並びにキャパシタ２０及び蓄電池２４の充放電を制御することによって、主機関１０の出力をできるだけ一定に維持することが可能となる。また、負荷に対して主機関１０の出力に余裕があるときには蓄電手段（キャパシタ２０及び蓄電池２４）に充電を行い、負荷に対して主機関１０の出力が不足しているときには蓄電手段からの電力エネルギーを利用して補助推進手段を駆動することにより出力を補うことができる。これにより、主機関１０の主力を最もエネルギー効率のよい出力範囲に維持することが可能となり、省エネルギー化を図ることができ、さらに温室効果ガス等の排出を抑制して環境保護を促進することができる。

また、キャパシタ２０は、蓄電池２４よりも充放電速度が高く、一方で大容量とすると高価となる。そこで、変動速度が速く、小さな負荷の変動（短周期変動分）についてはキャパシタ２０の充放電により吸収し、変動速度が遅く、大きな負荷の変動（長周期変動分）については蓄電池２４の充放電により吸収する。また、充電、放電の開始時等における急激な充放電の立ち上がりがある場合は、キャパシタ２０から先に充放電することが好ましい。これにより、それぞれの蓄電手段に適した充放電によってエネルギーを効率的に利用することができる。また、キャパシタ２０により短周期変動分を負担することによって、蓄電池２４に対して短い周期で充電と放電を繰り返す必要がなくなり、蓄電池２４の寿命を延ばすことができる。

なお、本実施の形態では、負荷を長周期変動分と短周期変動分に分離して、それぞれに応じてキャパシタ２０及び蓄電池２４の充放電を制御するものとしたが、これに限定されるものではない。他の形態として、蓄電手段であるキャパシタ２０及び蓄電池２４の充電又は放電の開始時において蓄電池２４より先にキャパシタ２０の充放電を行うようにしてもよい。すなわち、充放電の開始時には時間当たりの負荷の変動が大きいので、短い時間での高速な充放電に適したキャパシタ２０を利用することにより、負荷変動に追従した制御を行うことが可能となる。

また、キャパシタ２０によって負荷の変動分を補うように充放電を行い、キャパシタ２０の充電率が所定の設定値（例えば、９０％）を上回ったときに強制的にキャパシタ２０を所定の設定値（例えば、７０％）まで放電させるようにしてもよい。また、キャパシタ２０の充電率が所定の設定値（例えば、４０％）を下回ったときに強制的にキャパシタ２０を所定の設定値（例えば、７０％）まで充電するようにしてもよい。

また、ハイブリッド推進システム１００には、別々に充放電制御が可能な複数系統の蓄電池を設けることが好適である。本実施の形態では、２系統の蓄電池２４ａ，２４ｂを設け、それぞれの充電と放電を排他的に切り替えて制御する例を説明する。

蓄電池２４ａを充電とし、蓄電池２４ｂを放電とした場合、蓄電池２４に充電を行う際には、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２と蓄電池２４ａとを接続するスイッチ３０ａを閉状態とし、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２と蓄電池２４ｂとを接続するスイッチ３０ｂを開状態とする。また、蓄電池２４から放電を行う際には、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２と蓄電池２４ａとを接続するスイッチ３０ａを開状態とし、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２と蓄電池２４ｂとを接続するスイッチ３０ｂを閉状態とする。このように、充電時と放電時において蓄電池２４ａと蓄電池２４ｂとを排他的に切り替えることによって、充電時には蓄電池２４ａに充電が行われ、放電時には蓄電池２４ｂから放電が行われる。

このとき、蓄電池２４ａ及び蓄電池２４ｂの充放電状態を測定し、蓄電池２４ａが充電適正値まで充電されたタイミング、又は、蓄電池２４ｂが放電適正値まで放電されたタイミングで、蓄電池２４ａと蓄電池２４ｂとの充電と放電を切り替えることが好適である。充電適正値と放電適正値は、蓄電池２４ａ及び蓄電池２４ｂのそれぞれの最大充電量に対する割合として予め設定しておくことが好適である。例えば、充電適正値と放電適正値は、蓄電池２４ａ及び蓄電池２４ｂのそれぞれの最大充電量に対する８０％と２０％に設定しておけばよい。

ここで、蓄電池２４の各系統の容量は、ハイブリッド推進システム１００に掛る負荷の長周期変動分を吸収できる程度とすることが好ましい。すなわち、蓄電池２４の各系統の容量は、蓄電池２４からの放電期間（長周期の半分の時間）に各時刻の長周期変動分の放電電力を乗算した値以上とすることが好ましい。

このように、蓄電池２４ａ，２４ｂの充放電を全体として断続的に行うのでなく、各系統において充電と放電が連続的に行われるように制御することによって、蓄電池２４ａ，２４ｂに対して短い周期で充電と放電を繰り返す必要がなくなり、蓄電池２４ａ，２４ｂの寿命を延ばすことができる。

また、本実施の形態では、主機関１０から直結でプロペラ１４を駆動する例を示したが、主機関１０で主発電機を駆動し、発電した電力で主モータを駆動し、主モータでプロペラ１４を駆動してもよい。

なお、本実施の形態では２系統の蓄電池２４を設ける構成としたが、さらに多くの系統の蓄電池２４を設ける構成としてもよい。この場合、複数の蓄電池２４のうち２系統を順に充電又は放電に利用するようにしてもよいし、複数の蓄電池２４を一組として複数の組の複数の蓄電池２４を排他的に切り替えてもよい。

また、ハイブリッド推進システム１００では、補助推進手段をＭＧ１２とし、補助駆動手段をプロペラ１４とし、ＭＧ１２によりプロペラ１４に対する駆動力を補助する構成とした。ただし、補助推進手段及び補助駆動手段は、これらの組み合わせに限定されるものではない。例えば、図４に示すように、ＭＧ１２の代わりに発電機３２及び電動機３４を別々に設けて電動機３４を補助推進手段とし、当該電動機３４によってポッド推進器３６を駆動させるような構成としてもよい。

また、ハイブリッド推進システム１００では、キャパシタ２０及び蓄電池２４に蓄電された電力を補助推進力のみに利用したが、これに限定されるものではない。例えば、図５に示すように、船舶において補助推進手段以外の機器３８に電力を供給する船内電力供給手段４０をさらに備え、制御手段２８は船内電力供給手段４０へ電力供給するように制御してもよい。補助推進手段以外の機器３８としては、例えば、照明、冷暖房、各種制御機器等が挙げられる。

また、ハイブリッド推進システム１００では、波や潮流等の海象や風等の気象を考慮して蓄電手段に対する充放電を制御してもよい。この場合、制御手段２８に海象や気象に関する情報を入力し、制御手段２８によって将来の負荷変動を推定し、その推定結果に応じて蓄電手段への充放電を制御する。

例えば、一航海の全体としてエネルギー効率を最も最適化するようにする。ハイブリッド推進システム１００の運転状態と運航計画に基づいて、エネルギー収支計画を立案し、蓄電手段（キャパシタ２０及び蓄電池２４）の充放電を制御する。このとき、海象や気象を考慮し、エネルギー収支が最適化されるようにすることで省エネルギー効果を高めることができる。例えば、波や風が激しくなるような情報が入力された場合、制御手段２８は負荷の短周期変動分が増加する可能性が高いと推定し、キャパシタ２０の充電量を増加させるような制御を行う。これらにより、将来的な負荷の短周期変動分や長周期変動分が大きくなった場合に備えることができる。また、波や風による船体の抵抗が増す可能性が高いと推定し、蓄電池２４の充電量を増加させるような制御を行う。

なお、船舶にハイブリッド推進システム１００を搭載する際、図６に示すように、ＭＧ１２（発電機）は主機関１０よりも船体の前方に配置されることが好適である。船舶においてプロペラ１４に対して主機関１０から動力を伝達させるために船体を船尾に向かって貫く駆動軸４２が設けられる。ＭＧ１２（発電機）を主機関１０より後方に配置すると駆動軸４２やＭＧ１２（発電機）のメンテナンス作業を行い難くなるが、ＭＧ１２（発電機）は主機関１０によりも船体の前方に配置することでメンテナンス作業が容易となる。

また、ハイブリッド推進システム１００では、キャパシタ２０及び蓄電池２４への電力の供給はＭＧ１２からのみ行われるものとしたが、これに限定されるものでなく、太陽電池、燃料電池等の他の電力供給源からの電力により充電を行う構成としてもよい。

本発明におけるハイブリッド推進システムは、船舶のみならず、移動体であれば適用することができる。例えば、船舶以外の水中航行体、車両、航空機等の各種の移動体に適用することができる。これらの場合、船体及び船舶という単語は、適用される移動体に関連した単語に読み替えるものとする。

１０主機関、１２モータ・ジェネレータ（ＭＧ）、１４プロペラ、１６インバータ、１８，２２ＤＣ／ＤＣコンバータ、２０キャパシタ、２４（２４ａ，２４ｂ）蓄電池、２６トルク計、２８制御手段、３０（３０ａ，３０ｂ）スイッチ、３２発電機、３４電動機、３６ポッド推進器、３８機器、４０船内電力供給手段、４２駆動軸、１００ハイブリッド推進システム。

Claims

主機関と、
前記主機関により船体を推進する推進手段と、
前記主機関によって駆動される発電機と、
前記発電機で発電された電力を蓄える複数の蓄電手段と、
前記船体を補助的に推進する補助推進手段と、
前記補助推進手段を電力で駆動する補助駆動手段と、
前記発電機と前記蓄電手段と前記補助駆動手段の間の電力の需給を制御する電力制御手段を備え、
前記複数の蓄電手段がキャパシタと蓄電池を含み、前記電力制御手段が前記推進手段にかかる負荷を直流分と長周期変動分と短周期変動分に分離し、前記負荷の前記直流分については前記主機関により負担し、前記負荷の前記長周期変動分については前記蓄電池により負担し、前記負荷の前記短周期変動分については前記キャパシタにより負担するように制御を行うことを特徴とする船舶のハイブリッド推進システム。
請求項１に記載の船舶のハイブリッド推進システムであって、
前記電力制御手段は、前記蓄電手段全体からの放電が所定値を超えるときに前記キャパシタから放電させることを特徴とする船舶のハイブリッド推進システム。
請求項２に記載の船舶のハイブリッド推進システムであって、
前記電力制御手段は、前記蓄電手段全体からの放電の変動速度が所定値を超えるときに前記キャパシタから放電させることを特徴とする船舶のハイブリッド推進システム。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の船舶のハイブリッド推進システムであって、
前記電力制御手段は、前記蓄電手段の充電又は放電の開始時に前記キャパシタから充放電を開始することを特徴とする船舶のハイブリッド推進システム。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の船舶のハイブリッド推進システムであって、
前記蓄電池から前記補助駆動手段への電力線に前記キャパシタが並列に接続されていることを特徴とする船舶のハイブリッド推進システム。
請求項１〜５のいずれか１項に記載の船舶のハイブリッド推進システムであって、
前記蓄電手段に含まれる蓄電池は、別々に充放電が可能な複数の蓄電池を含むことを特徴とする船舶のハイブリッド推進システム。
請求項６に記載の船舶のハイブリッド推進システムであって、
前記電力制御手段は、前記複数の蓄電池の充電と放電を排他的に切り替えて制御することを特徴とする船舶のハイブリッド推進システム。
請求項１〜７のいずれか１項に記載の船舶のハイブリッド推進システムであって、
前記推進手段は、前記補助推進手段を兼ねることを特徴とする船舶のハイブリッド推進システム。
請求項１〜８のいずれか１項に記載の船舶のハイブリッド推進システムであって、
前記発電機は、前記補助駆動手段を兼ねるモータ・ジェネレータであり、
前記電力制御手段は、前記モータ・ジェネレータの発電と駆動を切り替えることを特徴とする船舶のハイブリッド推進システム。
請求項１〜９のいずれか１項に記載の船舶のハイブリッド推進システムであって、
前記推進手段は、前記船体の船尾を貫く軸を介して前記主機関により駆動されるプロペラであり、
前記発電機は、前記主機関より前記船体の前方に配置されていることを特徴とする船舶のハイブリッド推進システム。
請求項１〜１０のいずれか１項に記載の船舶のハイブリッド推進システムであって、
前記補助推進手段は、ポッド推進器を含むことを特徴とする船舶のハイブリッド推進システム。
請求項１〜１１のいずれか１項に記載の船舶のハイブリッド推進システムであって、
前記発電機以外に前記船体で使用される機器に電力を供給する船内電力供給手段をさらに備え、
前記電力制御手段は、前記船内電力供給手段への電力供給も制御することを特徴とする船舶のハイブリッド推進システム。
請求項１〜１２のいずれか１項に記載の船舶のハイブリッド推進システムであって、
前記電力制御手段は、海象や気象の将来の予測に基づいて前記蓄電手段に対する充放電を制御することを特徴とする船舶のハイブリッド推進システム。
請求項１〜１３のいずれか１項に記載の船舶のハイブリッド推進システムを搭載したハイブリッド推進船。