特表 2023-541382 エネルギー貯蔵システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2023-10-02

(54)【発明の名称】エネルギー貯蔵システム

(51)【国際特許分類】

   B63J 99/00 20090101AFI20230925BHJP

   H02J 15/00 20060101ALI20230925BHJP

   H02J 7/34 20060101ALI20230925BHJP

   H02J 9/06 20060101ALI20230925BHJP

【ＦＩ】

B63J99/00 A

H02J15/00 A

H02J7/34 A

H02J9/06

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2023515168

(86)(22)【出願日】2021-09-13

(85)【翻訳文提出日】2023-05-02

(86)【国際出願番号】 EP2021075068

(87)【国際公開番号】W WO2022053668

(87)【国際公開日】2022-03-17

(31)【優先権主張番号】102020211491.9

(32)【優先日】2020-09-14

(33)【優先権主張国・地域又は機関】DE

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】517070958

【氏名又は名称】エス・ケイ・エフ マリーン ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング

【氏名又は名称原語表記】ＳＫＦ Ｍａｒｉｎｅ ＧｍｂＨ

【住所又は居所原語表記】Ｈｅｒｍａｎｎ－Ｂｌｏｈｍ－Ｓｔｒ． ５， Ｄ－２０４５７ Ｈａｍｂｕｒｇ， Ｇｅｒｍａｎｙ

(74)【代理人】

【識別番号】100108453

【弁理士】

【氏名又は名称】村山 靖彦

(74)【代理人】

【識別番号】100110364

【弁理士】

【氏名又は名称】実広 信哉

(74)【代理人】

【識別番号】100133400

【弁理士】

【氏名又は名称】阿部 達彦

(72)【発明者】

【氏名】ディルク・バルゲンデ

(72)【発明者】

【氏名】イェルク・グラベル

(72)【発明者】

【氏名】サッシャ・コルテマイアー

【テーマコード（参考）】

5G015

5G503

【Ｆターム（参考）】

5G015FA16

5G015HA02

5G015HA15

5G015JA06

5G015JA08

5G015JA09

5G015JA32

5G015JA47

5G015JA53

5G015JA55

5G015JA60

5G015JA64

5G503AA01

5G503BA01

5G503BB02

5G503BB03

5G503DA05

5G503GB03

5G503GB06

(57)【要約】

本発明は、船舶（１０８）の電気システム（１４２）内の少なくとも１つの電気消費機器（１０６）のためのエネルギー貯蔵システム（１００）に関し、エネルギー貯蔵システム（１００）は、消費機器（１０６）に供給するための電気システム（１４２）に接続されている少なくとも１つの変換器（１４０）を含む。本発明によれば、エネルギー貯蔵装置（１６０）が、少なくとも１つの変換器（１４０）に関連付けられている。安定化装置（１２０）、操舵システム（１２８）などの高い電気的ピーク負荷を引き起こす消費機器（１０６）でさえ、船舶（１０８）の電気システム（１４２）上で問題なく動作することができる。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

船舶（１０８）の電気システム（１４２）における少なくとも１つの電気消費機器（１０６）のためのエネルギー貯蔵システム（１００）であって、前記エネルギー貯蔵システム（１００）は、前記消費機器（１０６）に供給するための前記電気システム（１４２）に接続された少なくとも１つの変換器（１４０）を含み、エネルギー貯蔵装置（１６０）が前記少なくとも１つの変換器（１４０）に関連していることを特徴とする、エネルギー貯蔵システム（１００）。

【請求項2】

前記エネルギー貯蔵装置（１６０）は、好ましくは、前記変換器（１４０）のＤＣ中間回路（１４８）に接続されていることを特徴とする、請求項１に記載のエネルギー貯蔵システム（１００）。

【請求項3】

前記エネルギー貯蔵装置（１６０）が少なくとも１つのエネルギー変換器（１６２）および少なくとも１つのエネルギー変換器（１６２）に関連した少なくとも１つの貯蔵ユニット（１７０）を含むことを特徴とする、請求項１または２に記載のエネルギー貯蔵システム（１００）。

【請求項4】

前記エネルギー変換器（１６２）が、双方向のエネルギーの流れを可能とするように構成されていることを特徴とする、請求項１，２または３に記載のエネルギー貯蔵システム（１００）。

【請求項5】

前記少なくとも１つの貯蔵ユニット（１７０）が少なくとも１つの大容量コンデンサ（１７２）で形成されていることを特徴とする、請求項１～４のいずれか一項に記載のエネルギー貯蔵システム（１００）。

【請求項6】

前記少なくとも１つの貯蔵ユニット（１７０）が少なくとも１つの遠心の質量システム、特にフライホイール（１７４）等で形成されていることを特徴とする、請求項１～４のいずれか一項に記載のエネルギー貯蔵システム（１００）。

【請求項7】

前記電気消費機器（１０６）が前記船舶（１０８）の安定化装置（１２０）、または前記船舶（１０８）の進路に影響を与えるステアリングギア（１２８）などの高いピーク負荷を生じる電気消費機器であることを特徴とする、請求項１～６のいずれか一項に記載のエネルギー貯蔵システム（１００）。

【請求項8】

前記船舶（１０８）が、好ましくは船（１１０）であることを特徴とする、請求項１～７のいずれか一項に記載のエネルギー貯蔵システム（１００）。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、船舶の電気システム内の少なくとも１つの電気消費機器のためのエネルギー貯蔵システムに関し、エネルギー貯蔵システムは、消費機器に供給するために、電気システムに接続された少なくとも１つの変換器を含む。

【背景技術】

【0002】

先行技術から、旅客船、大型ヨット、浮きポンツーンなどのフィンスタビライザおよびステアリングギアは、幅広いバリエーションで知られている。フィンスタビライザおよびステアリングギアは周期的に機能し、一時的に高いピーク負荷が発生するのは、急速な運動が続き、その後に最小限のエネルギー摂取で休息または待機する段階が続くことが多いからである。多くの場合、ピーク負荷が高いため、フィンスタビライザ、ステアリングギア、およびこれらの消費機器に供給する電気システムのパワートレインを過大に設計する必要がある場合が多い。

【0003】

フィンスタビライザおよびステアリングギアは、通常、電気油圧式に動作する。電気油圧式パワートレインの場合、エネルギーの貯蔵は、静油圧式トランスミッションが窒素貯蔵サポート付きのいわゆる開油圧回路として使用されている場合にのみ可能である。この貯蔵技術の主な欠点は、ここで不要なエネルギーが抵抗制御の形で熱に放散されるため、開油圧回路の効率が比較的低いことである。比較すると、速度制御系でも変位制御系でも、閉油圧回路は効率が高いが、その原理上、蓄圧はできない。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

したがって、本発明の目的は、高い電気ピーク負荷を引き起こす消費機器が電気システムの安定性を損なわずに動作できるように、船などの船舶の電気システム用のエネルギー貯蔵システムを特定することである。

【課題を解決するための手段】

【0005】

上述の目的は、少なくとも１つの変換器に関連付けられたエネルギー貯蔵装置によって達成される。エネルギー貯蔵により、消費機器の最大負荷動作に必要な電気エネルギーを実質的に瞬時に取り出すことができ、消費機器が船舶の電気システムにほとんど負荷をかけないか全く負荷をかけない消費機器のスタンバイ段階または休止段階において、貯蔵ユニットを再充電するオプションを同時に使用することができる。さらに、エネルギー貯蔵装置の貯蔵容量は、完全な電気システム障害（いわゆる「ブラックシップ」）の場合でも、接続された電気消費機器の緊急機能が少なくとも数分の最小期間、引き続き保証されるように、十分に大きくすることができる。したがって、たとえば、フィンスタビライザのフィンが静止位置に移動しても、機械的にロックされたままになることがある。さらに、操舵装置によって駆動される船舶のラダーの操舵位置をニュートラル位置に動かしたり、もう一度ラダーを「係合する」ことができる。変換器は、ブロックと分解構造の両方で具現化することができる。

【0006】

エネルギー貯蔵装置は、好ましくは変換器のＤＣ中間回路に接続される。制御技術の観点から、簡単なエネルギー貯蔵の接続がこのように与えられる。

【0007】

１つの技術的に有利な設計では、エネルギー貯蔵装置は、少なくとも１つのエネルギー変換器と、それに関連する少なくとも１つの貯蔵ユニットとを含む。このようにして、エネルギー貯蔵システムのモジュール式で容易に拡張可能な構造が与えられる。エネルギー変換器は、双方向のエネルギーの流れを可能にするように構成されることが好ましい。その結果、エネルギーの流れの反転が可能になり、余剰の電気エネルギーを船舶の電気システムに低損失でエネルギー的に回収することが可能になる。

【0008】

技術的に有利な更なる開発の場合、少なくとも１つの貯蔵ユニットは、少なくとも１つの大容量コンデンサで形成される。これにより、貯蔵ユニットの高いエネルギー密度が低いメンテナンス強度で達成される。加えて、コンデンサはサイクル安定性が高く、応答時間が短く、長寿命である。例えば、いわゆるウルトラキャパシタ、スーパーキャパシタ、二重層キャパシタは、高容量コンデンサと見なされる。代替または追加として、可能な限り高いインダクタンスを持つコイルを使用することもできる。

【0009】

１つの有利な設計では、少なくとも１つの貯蔵ユニットが、少なくとも１つの遠心質量システム、特にフライホイールなどで形成される。遠心質量システムを有するこのような貯蔵ユニットは、短い応答時間を達成し、短期的には自己放電がごくわずかであり、繰り返される深放電の影響を受けない。さらに、高エネルギー密度は、遠心質量システムで実現でき、たとえば、毎分最大１００，０００回転の高回転速度で回転する高正味質量のフライホイールの形で実現できる。さらに、ジャイロ効果により、オプションで搭載船の安定化効果も同時に実現できる。

【0010】

少なくとも１つの消費機器は、好ましくは、船舶の安定化装置または船舶の進路に影響を与える操舵システムなど、高いピーク負荷を引き起こす電気消費器である。これにより、高い単独のピーク負荷を引き起こす船舶の大きな電気消費機器を、電気システムから切り離すことができる。

【0011】

船舶は、船であることが好ましい。これにより、本発明は、コンパクトで細長い船体を有する最も頻繁に遭遇するタイプの船舶に使用可能である。また、船舶は浮き台、ポンツーン、ポンツーンのアレンジメントなどでもよい。

【0012】

以下では、本発明の好ましい例示的な実施形態を、概略図を参照してより詳細に説明する。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】船舶用の本発明のエネルギー貯蔵システムの概略ブロック回路イメージを示す。

【発明を実施するための形態】

【0014】

図１は、船などの船舶用の本発明のエネルギー貯蔵システムの概略ブロック回路図を示している。エネルギー貯蔵システム１００は、例えば、船１１０などの船舶１０８の高い電気的ピーク負荷を引き起こす（大規模な）消費機器１０６に供給するよう機能する。電気消費機器１０６は、ここでは単に一例として、船１１０を安定化するための安定化フィン１２６の、これ以上図示されていない少なくとも１つの空間軸を中心とする旋回駆動のため（黒い両矢印によって示される）の少なくとも１つの関連する電気駆動ユニット１２２を有する安定化装置１２０として具現化されている。さらに、電気消費機器１０６は、船１１０のコースに影響を与えるために少なくとも１つの関連するラダー１３２を駆動するための少なくとも１つのステアリングギア１３０を有する操舵システム１２８として構成することもできる。

【0015】

エネルギー貯蔵システム１００は、とりわけ、船１１０の電気システム１４２から供給される変換器１４０を備える。電気システム１４２は、好ましくは、中性線および保護導体またはアースを有する三相電源システムである。ここでは、変換器１４０は、単なる例として、電気システム１４２によって供給される三相電流１４４を整流するためのパッシブダイオードブリッジ１４６、安定化のためのＤＣ中間回路１４８、および出力インバータ１５２を有する古典的な導体として構成されている。出力インバータ１５２は、複数の回路遮断器で実現することができ、ここでは、他のすべての回路遮断器を代表する１つの回路遮断器１５０のみが示されている。出力インバータ１５２は、稼働中である。回路遮断器は、例えば、パワーバイポーラトランジスタ、パワーＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ、サイリスタ、トライアックなどである。供給ライン１５４を介して、変換器１４０は、（大）電気消費機器１０６に、動作に必要な電気エネルギーを供給する。変換器の詳細な技術的回路構造は、電気エネルギー技術の分野で活躍する当業者には十分に知られているため、ここでは説明を簡潔にするために詳細な説明を省略することができる。三相電流１４４の代わりに、電気システム１４２は、直流を提供することもでき、（周波数）変換器１４０の代わりに、図示されていない電圧変換器またはいわゆるＤＣ－ＤＣ変換器が必要とされる。

【0016】

エネルギー貯蔵システム１００は、エネルギー貯蔵装置１６０をさらに備える。ここで、エネルギー貯蔵装置１６０は、接続ライン１６４によって変換器１４０に電気的に接続されたエネルギー変換器１６２を含む。さらに、エネルギー貯蔵装置１６０は、電気エネルギー、運動エネルギー、化学エネルギー、または位置エネルギーなどの異なる形態のエネルギーを貯蔵するための少なくとも１つの関連する貯蔵ユニット１７０を含む。エネルギー貯蔵装置１６０は、電気エネルギーの低損失貯蔵を目的としていることが好ましい。

【0017】

より詳細には図示されていない貯蔵ユニット１７０は、例えば、コンデンサバッテリーと相互接続された複数の高容量（単一）コンデンサとすることができる。コンデンサバッテリーの個々のコンデンサのうち、他のすべてのコンデンサを代表する１つのコンデンサのみが参照番号１７２で示されている。

【0018】

貯蔵ユニット１７０に貯蔵されたエネルギーを変換器１４０のＤＣ中間回路１４８に無損失でエネルギー回収できるようにするために、エネルギー変換器１６２は、双方向のエネルギーの流れを実現するように構成される。この目的のために、例えば、エネルギー変換器１６２は、図示されていない少なくとも１つの電気変換器または１つのインバータを含むことができる。貯蔵ユニット１７０に電気エネルギーを蓄えるためにコンデンサ１７２が使用される場合、エネルギー変換器１６２は、好ましくは、ＤＣ／ＤＣ変換器で実現される。逆に、貯蔵ユニット１７０の内部で遠心式大容量ストレージまたはフライホイール１７４を使用する場合、エネルギー変換器１６２はインバータで構成される。エネルギー変換器１６２のこれらの回路変形は、上述の双方向の電気エネルギーの流れを可能にする。

【0019】

パッシブダイオードブリッジとは対照的に、アクティブフロントエンドモジュールは、４象限動作で電気変換器内の電気エネルギーの低損失双方向フローを可能にし、例えば、ＩＧＢＴ、パワーバイポーラトランジスタ、またはパワーＭＯＳＦＥＴなどアクティブに切り替え可能な電子スイッチで実現することができる。逆流する電気エネルギーを放散するための発熱抵抗器は、ダイオードブリッジを備えた電気変換器またはインバータでは依然として不可欠であるが、省略されている。このため、アクティブフロントエンドモジュールの制御は比較的複雑である。インバータ１４０から電気システム１４２へのエネルギー回収が可能である場合、インバータ１４０内のダイオードブリッジ１４６も、そのようなアクティブフロントエンドモジュールに置き換えなければならない。アクティブフロントエンドモジュールを備えたこのような変換器の詳細な構造は、エネルギーエレクトロニクスの分野で活動する当業者には十分に知られているため、説明の簡潔さのために、この時点では、技術的な回路の詳細の詳細な説明は省略することができるだろう。

【0020】

代替的または追加的に、貯蔵ユニット１７０は、例えば高回転速度で回転するフライホイール１７４などの少なくとも１つの遠心質量システムを含むことができる。加えて、貯蔵ユニット１７０は、例えば、リチウム電池またはリチウムポリマー電池など、可能な限り高いエネルギー密度を有する化学電池を含むことができる。任意に、エネルギー変換器１６２は、追加的または代替的に、電気エネルギーを化学エネルギーに、およびその逆に変換するための少なくとも１つの電解セルおよび少なくとも１つの燃料セルを含むことができる。この場合、貯蔵ユニット１７０は、少なくとも電解セルから放出された水素を永久的に貯蔵できるように、低圧の金属水素化物貯蔵器、または高圧の水素の圧力貯蔵器を備える構成とすることができる。

【0021】

エネルギー変換器１６２を用いて、エネルギー貯蔵装置１６０の貯蔵ユニット１７０にエネルギーを供給することができ、このエネルギーは、接続ライン１６４を介してＤＣ中間回路１４８で取り出すことができる電気エネルギーを貯蔵ユニット１７０に適したエネルギーの形態に変換することによって得ることができる。逆に、エネルギーは貯蔵ユニット１７０から引き出され、エネルギー変換器１６２による逆変換によって電気エネルギーの形で接続ライン１６４を介して変換器１４０のＤＣ中間回路１４８に再び供給され得る。この双方向プロセスは、充電矢印１８０と、それに対向する放電矢印１８２で示されている。貯蔵ユニット１７０をそれに適したエネルギー形態で充電することは、一般に、貯蔵ユニット１７０の完全な充電が達成されるまで行われる。

【0022】

例えば、フライホイール１７４を用いて貯蔵ユニット１７０内にエネルギーを貯蔵する場合、エネルギー変換器１６２を用いて貯蔵ユニット１７０内に貯蔵された運動エネルギーを再び電気エネルギーに変換し、接続ライン１６４を介して変換器１４０のＤＣ中間回路１４８への再び供給することができる。これは、例えば、発電機モードの電動機または発電機の助けを借りて行うことができ、そのような構成では、好ましくはそれぞれがエネルギー変換器１６２に組み込まれ、フライホイール１７４によって機械的に回転される。逆に、変換器１４０のＤＣ中間回路１４８からの電気エネルギーは、フライホイール１７４によってエネルギー変換器１６２によって運動エネルギーに変換することができ、例えば、フライホイール１７４の所定の最大回転数に達するまで電気モータによって回転駆動される。

【0023】

対照的に、貯蔵ユニット１７０に大容量コンデンサが使用される場合、エネルギー変換器１６２は、電流強度および／または電圧レベルに関して供給または除去される電気エネルギーのみを調整する。さらに、エネルギー変換器１６２を使用して、電流および／または電圧の時間経過のモデル化が可能である。さらに、必要に応じて、エネルギー変換器１６２を使用して、ＤＣ－ＤＣ変換だけでなく、ＡＣ－ＤＣ変換またはその逆も可能である。

【0024】

利用可能であるが現在必要とされていない（大型）電気消費機器１０６の通常またはアイドルまたはスタンバイ状態では、電気エネルギーは、好ましくは、ＤＣ中間回路１４８から接続ライン１６４を介してエネルギー貯蔵装置１６０に移送されるか、または貯蔵される。これは、貯蔵矢印１９０で示されている。この貯蔵プロセスは通常、エネルギー貯蔵ユニット１７０の完全な充電が達成されるまで続けられる。さらに、（大型）電気消費器１０６の解放されたブレーキエネルギーは、エネルギー貯蔵装置１６０に保存することができる（回生）。

【0025】

対照的に、電気消費機器１０６が、電気システム１４２によって完全にまたは一時的にカバーできないピーク電気負荷または高い連続負荷をＤＣ中間回路１４８に生じさせる場合、エネルギー貯蔵装置１６０および接続ライン１６４が使用され、失われた電気エネルギーをエネルギー貯蔵システム１００の変換器１４０のＤＣ電圧中間回路１４８に即座にフィードバックすることができる。これは、貯蔵戻り矢印１９２によって表される。エネルギー貯蔵装置１６０の貯蔵ユニット１７０の容量に応じて、このプロセスは数分まで続くことがある。結果として、ＤＣ中間回路１４８の領域における（大型）電気消費機器１０６によって引き起こされる短期的および長期的な電気的過負荷状態は、エネルギー貯蔵器１６０を用いて補償することができる。

【0026】

さらに、本発明のエネルギー貯蔵システム１００により、めったに発生しない電気消費機器１０６の最大電気負荷ピークの可能性に基づいて船舶１０８の電気システム１４２を設計する必要がなくなる。

【0027】

さらに、電気システム１４２が完全に故障した（「ブラックシップ」）場合、電気消費装置１０６の少なくとも緊急動作が可能である。例えば、この構成ではエネルギー貯蔵装置１６０によって非常用電力が供給される電気駆動ユニット１２２によって、安定化装置１２０のフィン１２６を休止位置に移動させ、任意に機械的にロックすることができる。ラダー１３２を駆動する操舵装置１２８の電動ステアリングギア１３０も同様である。

【0028】

エネルギー貯蔵システム１００内のすべてのプロセス、特に、エネルギー変換器１６２を介した貯蔵ユニット１６０へのまたは貯蔵ユニット１６０からの電気エネルギーの貯蔵および回収、ならびにエネルギー変換器１６２による、異なる形態のエネルギーでの特に電気エネルギー、運動エネルギー、位置エネルギー、および／または化学エネルギーの形でのエネルギー貯蔵装置１６０の貯蔵ユニット１７０の充電および放電は、効率的な制御および調整ユニット２００によって制御される。

【0029】

本発明は、船舶１０８の電気システム１４２内の少なくとも１つの電気消費機器１０６のためのエネルギー貯蔵システム１００に関し、エネルギー貯蔵システム１００は、消費機器１０６に供給するために電気システム１４２に接続された少なくとも１つの変換器１４０を含む。本発明によれば、エネルギー貯蔵装置１６０は、少なくとも１つの変換器１４０に関連付けられる。安定化装置１２０、操舵システム１２８などの高い電気的ピーク負荷を引き起こす消費機器１０６でさえ、船舶１０８の電気システム１４２上で問題なく操作することができる。

【符号の説明】

【0030】

１００ エネルギー貯蔵システム
１０６ 電気消費機器
１０８ 船舶
１１０ 船
１２０ 安定化装置
１２２ 電気駆動ユニット
１２４ 黒両矢印
１２６ 安定化フィン
１２８ 操舵システム
１３０ 電動ステアリングギア
１３２ ラダー
１４０ 変換器
１４２ 電気システム
１４４ 三相電流
１４６ ダイオードブリッジ
１４８ ＤＣ中間回路
１５０ 回路遮断器
１５２ 出力インバータ
１５４ 供給ライン
１６０ エネルギー貯蔵装置
１６２ エネルギー変換器
１６４ 接続ライン
１７０ 貯蔵ユニット
１７２ コンデンサ
１７４ フライホイール
１８０ 充電矢印
１８２ 放電矢印
１９０ 貯蔵矢印
１９２ 回生矢印
２００ 制御および／または調整ユニット

【図1】

【手続補正書】

【提出日】2023-05-09

【手続補正1】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、船舶の電気システム内の少なくとも１つの電気消費機器のためのエネルギー貯蔵システムに関し、エネルギー貯蔵システムは、消費機器に供給するために、電気システムに接続された少なくとも１つの変換器を含む。

【背景技術】

【0002】

先行技術から、旅客船、大型ヨット、浮きポンツーンなどのフィンスタビライザおよびステアリングギアは、幅広いバリエーションで知られている。フィンスタビライザおよびステアリングギアは周期的に機能し、一時的に高いピーク負荷が発生するのは、急速な運動が続き、その後に最小限のエネルギー摂取で休息または待機する段階が続くことが多いからである。多くの場合、ピーク負荷が高いため、フィンスタビライザ、ステアリングギア、およびこれらの消費機器に供給する電気システムのパワートレインを過大に設計する必要がある場合が多い。

【0003】

フィンスタビライザおよびステアリングギアは、通常、電気油圧式に動作する。電気油圧式パワートレインの場合、エネルギーの貯蔵は、静油圧式トランスミッションが窒素貯蔵サポート付きのいわゆる開油圧回路として使用されている場合にのみ可能である。この貯蔵技術の主な欠点は、ここで不要なエネルギーが抵抗制御の形で熱に放散されるため、開油圧回路の効率が比較的低いことである。比較すると、速度制御系でも変位制御系でも、閉油圧回路は効率が高いが、その原理上、蓄圧はできない。

【0004】

ドリルシップの供給システムは、特許文献１から知られている。さらなる技術的背景は、特許文献２、特許文献３、特許文献４、および特許文献５に開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】ＵＳ２０１７／２９８７２１

【特許文献2】ＷＯ２００７／１２４９６８Ａ１

【特許文献3】ＣＮ１１０ ３０４ ２２８Ａ

【特許文献4】ＵＳ２０１２／０２８５１６Ａ１

【特許文献5】ＵＳ２００７／０７７８３０Ａ１

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

本発明の目的は、高い電気ピーク負荷を引き起こす消費機器が電気システムの安定性を損なわずに動作できるように、船などの船舶の電気システム用のエネルギー貯蔵システムを特定することである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上述の目的は、請求項１によるエネルギー貯蔵システムによって達成される。特に、ここでは、少なくとも１つの消費機器は、船舶の安定化装置、または船舶の進行に影響を及ぼす操舵システム、つまり、高いピーク負荷を生じる電気消費機器であり、エネルギー貯蔵装置は、少なくとも１つの変換器に関連付けられる。エネルギー貯蔵により、消費機器の最大負荷動作に必要な電気エネルギーを実質的に瞬時に取り出すことができ、消費機器が船舶の電気システムにほとんど負荷をかけないか全く負荷をかけない消費機器のスタンバイ段階または休止段階において、貯蔵ユニットを再充電するオプションを同時に使用することができる。さらに、エネルギー貯蔵装置の貯蔵容量は、完全な電気システム障害（いわゆる「ブラックシップ」）の場合でも、接続された電気消費機器の緊急機能が少なくとも数分の最小期間、引き続き保証されるように、十分に大きくすることができる。したがって、たとえば、フィンスタビライザのフィンが静止位置に移動しても、機械的にロックされたままになることがある。さらに、操舵装置によって駆動される船舶のラダーの操舵位置をニュートラル位置に動かしたり、もう一度ラダーを「係合する」ことができる。変換器は、ブロックと分解構造の両方で具現化することができる。特に、高い単独のピーク負荷を引き起こす船舶の大きな電気消費機器を電気システムから切り離すことができる。

【0008】

エネルギー貯蔵装置は、好ましくは変換器のＤＣ中間回路に接続される。制御技術の観点から、簡単なエネルギー貯蔵の接続がこのように与えられる。

【0009】

１つの技術的に有利な設計では、エネルギー貯蔵装置は、少なくとも１つのエネルギー変換器と、それに関連する少なくとも１つの貯蔵ユニットとを含む。このようにして、エネルギー貯蔵システムのモジュール式で容易に拡張可能な構造が与えられる。エネルギー変換器は、双方向のエネルギーの流れを可能にするように構成されることが好ましい。その結果、エネルギーの流れの反転が可能になり、余剰の電気エネルギーを船舶の電気システムに低損失でエネルギー的に回収することが可能になる。

【0010】

技術的に有利な更なる開発の場合、少なくとも１つの貯蔵ユニットは、少なくとも１つの大容量コンデンサで形成される。これにより、貯蔵ユニットの高いエネルギー密度が低いメンテナンス強度で達成される。加えて、コンデンサはサイクル安定性が高く、応答時間が短く、長寿命である。例えば、いわゆるウルトラキャパシタ、スーパーキャパシタ、二重層キャパシタは、高容量コンデンサと見なされる。代替または追加として、可能な限り高いインダクタンスを持つコイルを使用することもできる。

【0011】

１つの有利な設計では、少なくとも１つの貯蔵ユニットが、少なくとも１つの遠心質量システム、特にフライホイールなどで形成される。遠心質量システムを有するこのような貯蔵ユニットは、短い応答時間を達成し、短期的には自己放電がごくわずかであり、繰り返される深放電の影響を受けない。さらに、高エネルギー密度は、遠心質量システムで実現でき、たとえば、毎分最大１００，０００回転の高回転速度で回転する高正味質量のフライホイールの形で実現できる。さらに、ジャイロ効果により、オプションで搭載船の安定化効果も同時に実現できる。

【0012】

船舶は、船であることが好ましい。これにより、本発明は、コンパクトで細長い船体を有する最も頻繁に遭遇するタイプの船舶に使用可能である。また、船舶は浮き台、ポンツーン、ポンツーンのアレンジメントなどでもよい。

【0013】

以下では、本発明の好ましい例示的な実施形態を、概略図を参照してより詳細に説明する。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】船舶用の本発明のエネルギー貯蔵システムの概略ブロック回路イメージを示す。

【発明を実施するための形態】

【0015】

図１は、船などの船舶用の本発明のエネルギー貯蔵システムの概略ブロック回路図を示している。エネルギー貯蔵システム１００は、例えば、船１１０などの船舶１０８の高い電気的ピーク負荷を引き起こす（大規模な）消費機器１０６に供給するよう機能する。電気消費機器１０６は、ここでは単に一例として、船１１０を安定化するための安定化フィン１２６の、これ以上図示されていない少なくとも１つの空間軸を中心とする旋回駆動のため（黒い両矢印によって示される）の少なくとも１つの関連する電気駆動ユニット１２２を有する安定化装置１２０として具現化されている。さらに、電気消費機器１０６は、船１１０のコースに影響を与えるために少なくとも１つの関連するラダー１３２を駆動するための少なくとも１つのステアリングギア１３０を有する操舵システム１２８として構成することもできる。

【0016】

エネルギー貯蔵システム１００は、とりわけ、船１１０の電気システム１４２から供給される変換器１４０を備える。電気システム１４２は、好ましくは、中性線および保護導体またはアースを有する三相電源システムである。ここでは、変換器１４０は、単なる例として、電気システム１４２によって供給される三相電流１４４を整流するためのパッシブダイオードブリッジ１４６、安定化のためのＤＣ中間回路１４８、および出力インバータ１５２を有する古典的な導体として構成されている。出力インバータ１５２は、複数の回路遮断器で実現することができ、ここでは、他のすべての回路遮断器を代表する１つの回路遮断器１５０のみが示されている。出力インバータ１５２は、稼働中である。回路遮断器は、例えば、パワーバイポーラトランジスタ、パワーＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ、サイリスタ、トライアックなどである。供給ライン１５４を介して、変換器１４０は、（大）電気消費機器１０６に、動作に必要な電気エネルギーを供給する。変換器の詳細な技術的回路構造は、電気エネルギー技術の分野で活躍する当業者には十分に知られているため、ここでは説明を簡潔にするために詳細な説明を省略することができる。三相電流１４４の代わりに、電気システム１４２は、直流を提供することもでき、（周波数）変換器１４０の代わりに、図示されていない電圧変換器またはいわゆるＤＣ－ＤＣ変換器が必要とされる。

【0017】

エネルギー貯蔵システム１００は、エネルギー貯蔵装置１６０をさらに備える。ここで、エネルギー貯蔵装置１６０は、接続ライン１６４によって変換器１４０に電気的に接続されたエネルギー変換器１６２を含む。さらに、エネルギー貯蔵装置１６０は、電気エネルギー、運動エネルギー、化学エネルギー、または位置エネルギーなどの異なる形態のエネルギーを貯蔵するための少なくとも１つの関連する貯蔵ユニット１７０を含む。エネルギー貯蔵装置１６０は、電気エネルギーの低損失貯蔵を目的としていることが好ましい。

【0018】

より詳細には図示されていない貯蔵ユニット１７０は、例えば、コンデンサバッテリーと相互接続された複数の高容量（単一）コンデンサとすることができる。コンデンサバッテリーの個々のコンデンサのうち、他のすべてのコンデンサを代表する１つのコンデンサのみが参照番号１７２で示されている。

【0019】

貯蔵ユニット１７０に貯蔵されたエネルギーを変換器１４０のＤＣ中間回路１４８に無損失でエネルギー回収できるようにするために、エネルギー変換器１６２は、双方向のエネルギーの流れを実現するように構成される。この目的のために、例えば、エネルギー変換器１６２は、図示されていない少なくとも１つの電気変換器または１つのインバータを含むことができる。貯蔵ユニット１７０に電気エネルギーを蓄えるためにコンデンサ１７２が使用される場合、エネルギー変換器１６２は、好ましくは、ＤＣ／ＤＣ変換器で実現される。逆に、貯蔵ユニット１７０の内部で遠心式大容量ストレージまたはフライホイール１７４を使用する場合、エネルギー変換器１６２はインバータで構成される。エネルギー変換器１６２のこれらの回路変形は、上述の双方向の電気エネルギーの流れを可能にする。

【0020】

パッシブダイオードブリッジとは対照的に、アクティブフロントエンドモジュールは、４象限動作で電気変換器内の電気エネルギーの低損失双方向フローを可能にし、例えば、ＩＧＢＴ、パワーバイポーラトランジスタ、またはパワーＭＯＳＦＥＴなどアクティブに切り替え可能な電子スイッチで実現することができる。逆流する電気エネルギーを放散するための発熱抵抗器は、ダイオードブリッジを備えた電気変換器またはインバータでは依然として不可欠であるが、省略されている。このため、アクティブフロントエンドモジュールの制御は比較的複雑である。インバータ１４０から電気システム１４２へのエネルギー回収が可能である場合、インバータ１４０内のダイオードブリッジ１４６も、そのようなアクティブフロントエンドモジュールに置き換えなければならない。アクティブフロントエンドモジュールを備えたこのような変換器の詳細な構造は、エネルギーエレクトロニクスの分野で活動する当業者には十分に知られているため、説明の簡潔さのために、この時点では、技術的な回路の詳細の詳細な説明は省略することができるだろう。

【0021】

代替的または追加的に、貯蔵ユニット１７０は、例えば高回転速度で回転するフライホイール１７４などの少なくとも１つの遠心質量システムを含むことができる。加えて、貯蔵ユニット１７０は、例えば、リチウム電池またはリチウムポリマー電池など、可能な限り高いエネルギー密度を有する化学電池を含むことができる。任意に、エネルギー変換器１６２は、追加的または代替的に、電気エネルギーを化学エネルギーに、およびその逆に変換するための少なくとも１つの電解セルおよび少なくとも１つの燃料セルを含むことができる。この場合、貯蔵ユニット１７０は、少なくとも電解セルから放出された水素を永久的に貯蔵できるように、低圧の金属水素化物貯蔵器、または高圧の水素の圧力貯蔵器を備える構成とすることができる。

【0022】

エネルギー変換器１６２を用いて、エネルギー貯蔵装置１６０の貯蔵ユニット１７０にエネルギーを供給することができ、このエネルギーは、接続ライン１６４を介してＤＣ中間回路１４８で取り出すことができる電気エネルギーを貯蔵ユニット１７０に適したエネルギーの形態に変換することによって得ることができる。逆に、エネルギーは貯蔵ユニット１７０から引き出され、エネルギー変換器１６２による逆変換によって電気エネルギーの形で接続ライン１６４を介して変換器１４０のＤＣ中間回路１４８に再び供給され得る。この双方向プロセスは、充電矢印１８０と、それに対向する放電矢印１８２で示されている。貯蔵ユニット１７０をそれに適したエネルギー形態で充電することは、一般に、貯蔵ユニット１７０の完全な充電が達成されるまで行われる。

【0023】

例えば、フライホイール１７４を用いて貯蔵ユニット１７０内にエネルギーを貯蔵する場合、エネルギー変換器１６２を用いて貯蔵ユニット１７０内に貯蔵された運動エネルギーを再び電気エネルギーに変換し、接続ライン１６４を介して変換器１４０のＤＣ中間回路１４８への再び供給することができる。これは、例えば、発電機モードの電動機または発電機の助けを借りて行うことができ、そのような構成では、好ましくはそれぞれがエネルギー変換器１６２に組み込まれ、フライホイール１７４によって機械的に回転される。逆に、変換器１４０のＤＣ中間回路１４８からの電気エネルギーは、フライホイール１７４によってエネルギー変換器１６２によって運動エネルギーに変換することができ、例えば、フライホイール１７４の所定の最大回転数に達するまで電気モータによって回転駆動される。

【0024】

対照的に、貯蔵ユニット１７０に大容量コンデンサが使用される場合、エネルギー変換器１６２は、電流強度および／または電圧レベルに関して供給または除去される電気エネルギーのみを調整する。さらに、エネルギー変換器１６２を使用して、電流および／または電圧の時間経過のモデル化が可能である。さらに、必要に応じて、エネルギー変換器１６２を使用して、ＤＣ－ＤＣ変換だけでなく、ＡＣ－ＤＣ変換またはその逆も可能である。

【0025】

利用可能であるが現在必要とされていない（大型）電気消費機器１０６の通常またはアイドルまたはスタンバイ状態では、電気エネルギーは、好ましくは、ＤＣ中間回路１４８から接続ライン１６４を介してエネルギー貯蔵装置１６０に移送されるか、または貯蔵される。これは、貯蔵矢印１９０で示されている。この貯蔵プロセスは通常、エネルギー貯蔵ユニット１７０の完全な充電が達成されるまで続けられる。さらに、（大型）電気消費器１０６の解放されたブレーキエネルギーは、エネルギー貯蔵装置１６０に保存することができる（回生）。

【0026】

対照的に、電気消費機器１０６が、電気システム１４２によって完全にまたは一時的にカバーできないピーク電気負荷または高い連続負荷をＤＣ中間回路１４８に生じさせる場合、エネルギー貯蔵装置１６０および接続ライン１６４が使用され、失われた電気エネルギーをエネルギー貯蔵システム１００の変換器１４０のＤＣ電圧中間回路１４８に即座にフィードバックすることができる。これは、貯蔵戻り矢印１９２によって表される。エネルギー貯蔵装置１６０の貯蔵ユニット１７０の容量に応じて、このプロセスは数分まで続くことがある。結果として、ＤＣ中間回路１４８の領域における（大型）電気消費機器１０６によって引き起こされる短期的および長期的な電気的過負荷状態は、エネルギー貯蔵器１６０を用いて補償することができる。

【0027】

さらに、本発明のエネルギー貯蔵システム１００により、めったに発生しない電気消費機器１０６の最大電気負荷ピークの可能性に基づいて船舶１０８の電気システム１４２を設計する必要がなくなる。

【0028】

さらに、電気システム１４２が完全に故障した（「ブラックシップ」）場合、電気消費装置１０６の少なくとも緊急動作が可能である。例えば、この構成ではエネルギー貯蔵装置１６０によって非常用電力が供給される電気駆動ユニット１２２によって、安定化装置１２０のフィン１２６を休止位置に移動させ、任意に機械的にロックすることができる。ラダー１３２を駆動する操舵装置１２８の電動ステアリングギア１３０も同様である。

【0029】

エネルギー貯蔵システム１００内のすべてのプロセス、特に、エネルギー変換器１６２を介した貯蔵ユニット１６０へのまたは貯蔵ユニット１６０からの電気エネルギーの貯蔵および回収、ならびにエネルギー変換器１６２による、異なる形態のエネルギーでの特に電気エネルギー、運動エネルギー、位置エネルギー、および／または化学エネルギーの形でのエネルギー貯蔵装置１６０の貯蔵ユニット１７０の充電および放電は、効率的な制御および調整ユニット２００によって制御される。

【0030】

本発明は、船舶１０８の電気システム１４２内の少なくとも１つの電気消費機器１０６のためのエネルギー貯蔵システム１００に関し、エネルギー貯蔵システム１００は、消費機器１０６に供給するために電気システム１４２に接続された少なくとも１つの変換器１４０を含む。本発明によれば、エネルギー貯蔵装置１６０は、少なくとも１つの変換器１４０に関連付けられる。安定化装置１２０、操舵システム１２８などの高い電気的ピーク負荷を引き起こす消費機器１０６でさえ、船舶１０８の電気システム１４２上で問題なく操作することができる。

【符号の説明】

【0031】

１００ エネルギー貯蔵システム
１０６ 電気消費機器
１０８ 船舶
１１０ 船
１２０ 安定化装置
１２２ 電気駆動ユニット
１２４ 黒両矢印
１２６ 安定化フィン
１２８ 操舵システム
１３０ 電動ステアリングギア
１３２ ラダー
１４０ 変換器
１４２ 電気システム
１４４ 三相電流
１４６ ダイオードブリッジ
１４８ ＤＣ中間回路
１５０ 回路遮断器
１５２ 出力インバータ
１５４ 供給ライン
１６０ エネルギー貯蔵装置
１６２ エネルギー変換器
１６４ 接続ライン
１７０ 貯蔵ユニット
１７２ コンデンサ
１７４ フライホイール
１８０ 充電矢印
１８２ 放電矢印
１９０ 貯蔵矢印
１９２ 回生矢印
２００ 制御および／または調整ユニット

【手続補正2】

【補正対象書類名】特許請求の範囲

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

【請求項1】

船舶（１０８）の電気システム（１４２）における少なくとも１つの電気消費機器（１０６）のためのエネルギー貯蔵システム（１００）であって、前記エネルギー貯蔵システム（１００）は、前記消費機器（１０６）に供給するための前記電気システム（１４２）に接続された少なくとも１つの変換器（１４０）を含み、エネルギー貯蔵装置（１６０）が前記少なくとも１つの変換器（１４０）に関連しているエネルギー貯蔵システム（１００）において、少なくとも１つの消費機器（１０６）が、前記船舶（１０８）の安定化装置（１２０）、または前記船舶（１０８）の進路に影響を与える操舵システム（１２８）であることを特徴とする、エネルギー貯蔵システム（１００）。

【請求項2】

前記エネルギー貯蔵装置（１６０）は、好ましくは、前記変換器（１４０）のＤＣ中間回路（１４８）に接続されていることを特徴とする、請求項１に記載のエネルギー貯蔵システム（１００）。

【請求項3】

前記エネルギー貯蔵装置（１６０）が少なくとも１つのエネルギー変換器（１６２）および少なくとも１つのエネルギー変換器（１６２）に関連した少なくとも１つの貯蔵ユニット（１７０）を含むことを特徴とする、請求項１または２に記載のエネルギー貯蔵システム（１００）。

【請求項4】

前記エネルギー変換器（１６２）が、双方向のエネルギーの流れを可能とするように構成されていることを特徴とする、請求項１，２または３に記載のエネルギー貯蔵システム（１００）。

【請求項5】

前記少なくとも１つの貯蔵ユニット（１７０）が少なくとも１つの大容量コンデンサ（１７２）で形成されていることを特徴とする、請求項１～４のいずれか一項に記載のエネルギー貯蔵システム（１００）。

【請求項6】

前記少なくとも１つの貯蔵ユニット（１７０）が少なくとも１つの遠心の質量システム、特にフライホイール（１７４）等で形成されていることを特徴とする、請求項１～４のいずれか一項に記載のエネルギー貯蔵システム（１００）。

【請求項7】

前記船舶（１０８）が、好ましくは船（１１０）であることを特徴とする、請求項１～６のいずれか一項に記載のエネルギー貯蔵システム（１００）。

【国際調査報告】