(57)【要約】【課題】エンジンが過大負荷状態に陥ることを回避しながら、エンジン及び電動モータの駆動制御を航行状態に応じて適切に実施する。【解決手段】エンジンと、電動モータと、推力発生装置と、これらの間の接続状態を切換可能に構成されたクラッチ機構と、を備える船舶用ハイブリッドシステムにおいて、エンジンが過大負荷状態にあると判定された場合、エンジンの負荷が低減するようにクラッチ機構を制御する。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンと、
電動モータと、
前記エンジン又は前記電動モータの少なくとも一方の出力を用いて、船舶の推力を発生可能な推力発生装置と、
前記エンジン、前記電動モータ及び前記推力発生装置の間の接続状態を切換可能に構成されたクラッチ機構と、
前記エンジンが過大負荷状態にあるか否かを判定する過出力判定部と、
前記クラッチ機構の接続状態を制御する制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、前記過大負荷判定部によって前記エンジンが前記過大負荷状態にあると判定された場合、前記エンジンの負荷が低減するように前記クラッチ機構を制御する船舶用ハイブリッドシステム。
【請求項２】
前記過大負荷判定部は、前記エンジンの出力が前記推力発生装置及び前記電動モータに供給されることで航行中に前記電動モータで発電が行われる航行発電モード時に、前記エンジンが過大負荷状態にあるか否かを判定する、請求項１に記載の船舶用ハイブリッドシステム。
【請求項３】
前記クラッチ機構は、
中間軸と前記推力発生装置との間に設けられた第１クラッチと、
前記中間軸と前記エンジンとの間に設けられた第２クラッチと、
前記中間軸と前記駆動モータとの間に設けられた第３クラッチと、
を備え、
前記第２クラッチは、互いに並列に設けられ、互いに異なる変速比を有する第１経路及び第２経路を含む動力伝達経路を有し、
前記制御装置は、前記第２クラッチを接続する場合、前記第１経路又は前記第２経路を択一的に切り替えることにより、前記エンジンの負荷を調整可能に構成されている、請求項１又は２に記載の船舶用ハイブリッドシステム。
【請求項４】
前記第２経路は前記第１経路に比べて変速比が小さく設定され、
前記制御装置は、前記過大負荷判定部によって前記内燃機関が前記過大負荷状態にあると判定された場合、前記第２クラッチにおける動力伝達路を前記第１経路から第２経路に切り替えるように前記クラッチ機構を制御する、請求項３に記載の船舶用ハイブリッドシステム。
【請求項５】
前記船舶は複数の運転モードを有しており、
前記複数の運転モードは、
前記エンジンの動力で航行するエンジン駆動モードと、
前記電動モータの動力で航行するモータ駆動モードと、
前記エンジン及び前記電動モータの両方の動力で航行するモータアシストモードと、
前記エンジンの動力で航行しながら、前記電動モータで発電する航行発電モードと、
前記推力発生装置を停止させながら、前記電動モータで発電する停止発電モードと、
を含み、
前記制御装置は、前記運転モードが前記航行発電モードである際に、前記過大負荷判定部によって前記過大負荷状態にあると判定された場合、前記エンジンの負荷が低減するように前記クラッチ機構を制御する、請求項１から４のいずれか一項に記載の船舶用ハイブリッドシステム。
【請求項６】
前記複数の運転モードの各々における前記推力発生装置の回転数及び出力の関係を規定する出力特性カーブ、及び、前記エンジンの燃費マップデータを記憶する記憶装置と、
前記推力発生装置の目標出力を算出する目標出力算出部と、
前記出力特性カーブ及び燃料マップデータに基づいて、前記目標出力に対応する各前記運転モードにおける燃料消費率を算出し、当該各前記運転モードにおける前記燃料消費率に基づいて、実施すべき前記運転モードを選択する運転モード選択部と、
を更に備える、請求項５に記載の船舶用ハイブリッドシステム。
【請求項７】
前記エンジンはオペレータのスロットル操作によって回転数を制御可能な機械式エンジンである、請求項１から６のいずれか一項に記載の船舶用ハイブリッドシステム。
【請求項８】
エンジンと、
電動モータと、
前記エンジン又は前記電動モータの少なくとも一方の出力を用いて、船舶の推力を発生可能な推力発生装置と、
前記エンジン、前記電動モータ及び前記推力発生装置の間の接続状態を切換可能に構成されたクラッチ機構と、を備える船舶用ハイブリッドシステムの制御方法であって、
前記エンジンが過大負荷状態にあるか否かを判定する過大負荷判定工程と、
前記エンジンが前記過大負荷状態にあると判定された場合、前記エンジンの負荷が低減するように前記クラッチ機構を制御する制御工程と、
を備える、船舶用ハイブリッドシステムの制御方法。
【請求項９】
前記制御工程では、前記エンジンの出力が前記推力発生装置及び前記電動モータに供給されることで航行中に前記電動モータで発電が行われる航行発電モード時に、前記エンジンが過大負荷状態にあるか否かが判定される、請求項８に記載の船舶用ハイブリッドシステムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、動力源としてエンジン及び電動モータを備えるハイブリッド推進船舶に搭載可能な船舶用ハイブリッドシステム、及び、当該船舶用ハイブリッドシステムの制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
水上を航行する船舶では、プロペラ等の推力発生装置を動力源によって駆動することにより、航行用の推力を得る。動力源は、従来、化石燃料の消費を伴う内燃機関であるエンジンが主流で用いられてきたが、近年、燃料消費量や環境負荷を低減するために、従来のエンジンに加えて、バッテリ等に蓄積された電気的エネルギを用いて駆動可能な電動モータ（電動機）を備える、いわゆるハイブリッド推進船舶の開発が進んでいる。
【０００３】
ハイブリッド推進船舶では、エンジン及び電動モータという２つの動力源を個別に制御することで、航行状況によって複数の運転モードを選択制御しながら運用が行われる。例えば特許文献１にはハイブリッド推進船舶の一例が開示されている。この船舶では、エンジンのみを駆動させて推力を得るエンジン駆動モード、電動モータのみを駆動させて推力を得るモータ駆動モード、及び、エンジン及び電動モータの両方を駆動させて推力を得るモータアシストモードが選択可能とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−１４７１８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
船舶で用いられるエンジンは、オペレータがスロットル操作を手動で行うことで回転数制御による出力を調整可能な機械式エンジンが主流である。機械式エンジンの操作は、例えばエンジンの回転数−出力特性を予め把握しておき、風向きや潮の流れを考慮に入れつつ、スロットル操作によって回転数を制御することによって行われる。動力源としてエンジンと共に電動モータを有するハイブリッド船舶においても、従来の船舶に倣ってエンジンとして機械式エンジンが用いられることが多い。しかしながらハイブリッド船舶では、２つのエンジン及び電動モータという動力源を有するため、オペレータはエンジンのスロットル操作だけでなく、上記特許文献１のような運転モードの選択も要求される。つまりハイブリッド船舶では、航行状態に応じてエンジン及び電動モータを組み合わせながら運転モードを切り替えることで良好な燃費性能を得ることがメリットであるが、機械式エンジンを用いながら適切な運転モードの切換を行いつつ、スロットル操作によるエンジン制御を行うことは容易ではなく、ハイブリッドによる燃費性能を十分発揮しきれていないおそれがある。
【０００６】
またハイブリッド推進船舶では、特許文献１に示される３つの運転モードに加えて、例えば、エンジンを駆動させて推力を得ながら、エンジンの動力の一部を用いて電動モータで発電を行う航行発電モードや、船舶を停止させながら、エンジンの動力で電動モータを駆動して発電を行う停止発電モードが考えられる。これらの運転モードでは、電動モータを回生駆動することにより電気的エネルギを賄うことができるため、船舶のエネルギ効率の向上に有効である。ところが航行発電モードでは、電動モータの発電負荷が大きくなると、航行状態によってはエンジンが過大負荷状態に陥ってしまうおそれがある。エンジンが過大負荷状態になると、過度な摩耗やオイル劣化、焼きつきなどの種々の不具合を招く要因となり、更に進行すると故障を引き起こすおそれがある。
【０００７】
本発明の少なくとも一実施形態は上述の事情に鑑みなされたものであり、エンジンが過大負荷状態に陥ることを回避しながら、エンジン及び電動モータの駆動制御を航行状態に応じて適切に実施可能な船舶用ハイブリッドシステム、及び、当該船舶用ハイブリッドシステムの制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
（１）本発明の少なくとも一実施形態に係る船舶用ハイブリッドシステムは上記課題を解決するために、
エンジンと、
電動モータと、
前記エンジン又は前記電動モータの少なくとも一方の出力を用いて、船舶の推力を発生可能な推力発生装置と、
前記エンジン、前記電動モータ及び前記推力発生装置の間の接続状態を切換可能に構成されたクラッチ機構と、
前記エンジンが過大負荷状態にあるか否かを判定する過大負荷判定部と、
前記クラッチ機構の接続状態を制御する制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、前記過大負荷判定部によって前記エンジンが前記過大負荷状態にあると判定された場合、前記エンジンの負荷が低減するように前記クラッチ機構を制御する。
【０００９】
上記（１）の構成によれば、エンジンが過大負荷状態にあると判定された場合、エンジンの負荷が低減するようにクラッチ機構が制御されることで、エンジンが過大負荷状態に陥ることを的確に回避できる。その結果、良好な信頼性で安定的な運用が可能な船舶用ハイブリッドシステムを実現できる。
【００１０】
（２）幾つかの実施形態では上記（１）の構成において、
前記過大負荷判定部は、前記エンジンの出力が前記推力発生装置及び前記電動モータに供給されることで航行中に前記電動モータで発電が行われる航行発電モード時に、前記エンジンが過大負荷状態にあるか否かを判定する。
【００１１】
上記（２）の構成によれば、エンジンの出力が航行用の推進力だけでなく電動モータの発電用にも用いられる航行発電モードにおいて、エンジンが過大負荷状態になる際に負荷を軽減するようにクラッチ機構を制御することで、過大負荷状態に陥ることを的確に回避できる。
【００１２】
（３）幾つかの実施形態では上記（１）又は（２）の構成において、
前記クラッチ機構は、
中間軸と前記推力発生装置との間に設けられた第１クラッチと、
前記中間軸と前記エンジンとの間に設けられた第２クラッチと、
前記中間軸と前記駆動モータとの間に設けられた第３クラッチと、
を備え、
前記第２クラッチは、互いに並列に設けられ、互いに異なる変速比を有する第１経路及び第２経路を含む動力伝達経路を有し、
前記制御装置は、前記第２クラッチを接続する場合、前記第１経路又は前記第２経路を択一的に切り替えることにより、前記エンジンの負荷を調整可能に構成されている。
【００１３】
上記（３）の構成によれば、エンジンにつながる動力伝達経路は、第１経路及び第２経路を含んで構成される。第１経路及び第２経路は、変速比が互いに異なるように構成されており、過大負荷状態が判定された際に切り替えられることで、エンジンの負荷を軽減できるようになっている。
【００１４】
（４）幾つかの実施形態では上記（３）の構成において、
前記第２経路は前記第１経路に比べて変速比が小さく設定され、
前記制御装置は、前記過大負荷判定部によって前記内燃機関が前記過大負荷状態にあると判定された場合、前記第２クラッチにおける動力伝達路を前記第１経路から第２経路に切り替えるように前記クラッチ機構を制御する。
【００１５】
上記（４）の構成によれば、過大負荷状態が判定された際に、第２クラッチにおいて、変速比が大きな第１経路から変速比が小さな第２経路に切り替えられることで、エンジンの負荷を軽減できる。
【００１６】
（５）幾つかの実施形態では上記（１）から（４）のいずれか一構成において、
前記船舶は複数の運転モードを有しており、
前記複数の運転モードは、
前記エンジンの動力で航行するエンジン駆動モードと、
前記電動モータの動力で航行するモータ駆動モードと、
前記エンジン及び前記電動モータの両方の動力で航行するモータアシストモードと、
前記エンジンの動力で航行しながら、前記電動モータで発電する航行発電モードと、
前記推力発生装置を停止させながら、前記電動モータで発電する停止発電モードと、
を含み、
前記制御装置は、前記運転モードが前記航行発電モードである際に、前記過大負荷判定部によって前記過大負荷状態にあると判定された場合、前記エンジンの負荷が低減するように前記クラッチ機構を制御する。
【００１７】
上記（５）の構成によれば、船舶は、エンジン駆動モード、モータ駆動モード、モータアシストモード、航行発電モード及び停止発電モードを有する。そして、これら５つの運転モードのうち航行発電モードにおいて、電動モータの回生駆動に必要な負荷が大きくなることにより、エンジンが過大負荷状態になる場合に、上述のように、エンジンの負荷が低減するようにクラッチ機構を制御することで、エンジンが過大負荷状態に陥ることを的確に回避できる。
【００１８】
（６）幾つかの実施形態では上記（５）の構成において、
前記複数の運転モードの各々における前記推力発生装置の回転数及び出力の関係を規定する出力特性カーブ、及び、前記エンジンの燃費マップデータを記憶する記憶装置と、
前記推力発生装置の目標出力を算出する目標出力算出部と、
前記出力特性カーブ及び燃料マップデータに基づいて、前記目標出力に対応する各前記運転モードにおける燃料消費率を算出し、当該各前記運転モードにおける前記燃料消費率に基づいて、実施すべき前記運転モードを選択する運転モード選択部と、
を更に備える。
【００１９】
上記（６）の構成によれば、あらかじめ記憶装置に記憶された出力特性カーブ及び燃費マップデータに基づいて、船舶の目標出力に対する各運転モードにおける燃料消費率が算出される。そして、各運転モードで想定される燃料消費率を比較することにより、最適な運転モードを選択しながら効率的な航行が実現できる。特に、燃料消費率を優先する場合には、当該制御を実施することで、最適な燃料消費率が得られるように運転モードを切り替えることができる。
【００２０】
（７）幾つかの実施形態では上記（１）から（６）のいずれか一構成において、
前記エンジンはオペレータのスロットル操作によって回転数を制御可能な機械式エンジンである。
【００２１】
上記（７）の構成によれば、オペレータのスロットル操作によって回転数を制御可能な機械式エンジンにおいても、エンジンが過大負荷状態に陥ることを回避し、良好な信頼性で安定的な運用が可能となる。
【００２２】
（８）本発明の少なくとも一実施形態に係る船舶用ハイブリッドシステムの制御方法は上記課題を解決するために、
エンジンと、
電動モータと、
前記エンジン又は前記電動モータの少なくとも一方の出力を用いて、船舶の推力を発生可能な推力発生装置と、
前記エンジン、前記電動モータ及び前記推力発生装置の間の接続状態を切換可能に構成されたクラッチ機構と、を備える船舶用ハイブリッドシステムの制御方法であって、
前記エンジンが過大負荷状態にあるか否かを判定する過大負荷判定工程と、
前記エンジンが前記過大負荷状態にあると判定された場合、前記エンジンの負荷が低減するように前記クラッチ機構を制御する制御工程と、
を備える。
【００２３】
上記（８）の方法によれば、エンジンが過大負荷状態にあると判定された場合、エンジンの負荷が低減するようにクラッチ機構が制御されることで、エンジンが過大負荷状態に陥ることを的確に回避できる。その結果、良好な信頼性で安定的な運用が可能な船舶用ハイブリッドシステムを実現できる。
【００２４】
（９）幾つかの実施形態では上記（８）の方法において、
前記制御工程では、前記エンジンの出力が前記推力発生装置及び前記電動モータに供給されることで航行中に前記電動モータで発電が行われる航行発電モード時に、前記エンジンが過大負荷状態にあるか否かが判定される。
【００２５】
上記（９）の方法によれば、エンジンの出力が航行用の推進力だけでなく電動モータの発電用にも用いられる航行発電モードにおいて、エンジンが過大負荷状態になる際に負荷を軽減するようにクラッチ機構を制御することで、過大負荷状態に陥ることを的確に回避できる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明の少なくとも一実施形態によれば、エンジンが過大負荷状態に陥ることを回避しながら、エンジン及び電動モータの駆動制御を航行状態に応じて適切に実施可能な船舶用ハイブリッドシステム、及び、当該船舶用ハイブリッドシステムの制御方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の少なくとも一実施形態に係る船舶用ハイブリッドシステムの全体構成図である。
【図２】図１の第２クラッチの詳細図である。
【図３】各運転モードにおける第１クラッチ、第２クラッチ及び第３クラッチの接続状態、並びに、エンジン及び電動モータの駆動状態を示す一覧表である。
【図４】図１の制御装置の内部構成を周辺構成と共に示すブロック図である。
【図５】本発明の少なくとも一実施形態に係る船舶用ハイブリッドシステムの制御方法を工程毎に示すフローチャートである。
【図６】モータアシストモードにおけるエンジンの出力特性カーブをエンジンの燃費マップデータと重ねて示すグラフである。
【図７】、エンジン駆動モードにおけるエンジンの出力特性カーブをエンジンの燃費マップデータと重ねて示すグラフである。
【図８】航行発電モードにおけるエンジンの出力特性カーブをエンジンの燃費マップデータと重ねて示すグラフである。
【図９】図５のステップＳ８における第２クラッチにおける動力経路の切り替えによる出力特性の変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
【００２９】
図１は本発明の少なくとも一実施形態に係る船舶用ハイブリッドシステム１の全体構成図である。船舶用ハイブリッドシステム１は、水上を航行する船舶の動力源としてエンジン２及び電動モータ４を備える。エンジン２は、化石燃料を消費することにより動力を出力可能な内燃機関である。電動モータ４は、船舶に搭載されたバッテリ６に蓄積された電力（電気的エネルギ）で駆動（力行駆動）されることで動力を出力可能な電動機である。また電動モータ４は、外部から機械的に駆動（回生駆動）されることにより発電機として機能可能であり、この場合、電動モータ４で発電された電力はバッテリ６に蓄積される。
【００３０】
尚、図１では省略しているが、電動モータ４及びバッテリ６の間における電気的経路上には、インバータやコンバータ等の種々の電力変換要素が設けられていてもよい。
【００３１】
推力発生装置８は、エンジン２又は電動モータ４の少なくとも一つから出力される動力によって駆動されることで、船舶の航行用の推力を発生させるための装置である。推力発生装置８は例えばプロペラである。
【００３２】
推力発生装置８は、クラッチ機構１０を介して、エンジン２及び電動モータ４に接続されている。これにより、クラッチ機構１０の接続状態に応じてエンジン２又は電動モータ４の少なくとも一方が推力発生装置８に動力的に接続される。その結果、船舶は、エンジン２又は電動モータ４の少なくとも一方の出力を用いて、推力発生装置８が駆動され、船舶の推力が得られる。
【００３３】
クラッチ機構１０は、エンジン２、電動モータ４及び推力発生装置８の間において、互いの接続状態を切換可能に構成される。図１に示されるように、クラッチ機構１０は、推力発生装置８の入力軸８ａと中間軸１２との間を接断可能に構成された第１クラッチ１４と、中間軸１２とエンジン２との間を接断可能に構成された第２クラッチ１６と、中間軸１２と電動モータ４との間を接断可能に構成された第３クラッチ１８と、を備える。これらの第１クラッチ１４、第２クラッチ１６及び第３クラッチ１８は、それぞれの接続状態を切り換えることにより、エンジン２、電動モータ４及び推力発生装置８を動力的に互いに接続／切断可能に構成される。
【００３４】
ここで図２は図１の第２クラッチ１６の詳細図である。図２に示されるように、エンジン２と中間軸１２との間に設けられた第２クラッチ１６は、互いに並列に設けられた第１経路１６ａ及び第２経路１６ｂを有する。第１経路１６ａ及び第２経路１６ｂは、それぞれ第１サブクラッチ１７ａ及び第２サブクラッチ１７ｂを有しており、独立的に接断可能に構成される。
【００３５】
第１経路１６ａ及び第２経路１６ｂのエンジン２側には、変速機構１９が設けられる。変速機構１９は、第１経路１６ａの端部に設けられた第１ギア２０ａと、第２経路１６ｂの端部に設けられた第２ギア２０ｂと、エンジン２の出力軸側に設けられた第３ギア２０ｃと、を含んで構成される。第１ギア２０ａ、第２ギア２０ｂ及び第３ギア２０ｃは、第１経路１６ａ及び第２経路１６ｂにおいて動力伝達時にそれぞれ所定の変速比になるように設定されている。
【００３６】
第１ギア２０ａ、第２ギア２０ｂ及び第３ギア２０ｃは、第１経路１６ａ及び第２経路１６ｂにおける変速比が互いに異なるように設定される。本実施形態では、第２経路１６ｂは第１経路１６ａに比べて変速比が小さくなるように設定されている（言い換えると、第１経路１６ａがローギアであり、第２経路１６ｂがハイギアである）。
【００３７】
尚、後述する制御装置２５によって第２クラッチ１６が接続状態に切り替えられる場合には、まずデフォルトで第１経路１６ａが選択され（第１サブクラッチ１７ａが接続状態になり、且つ、第２サブクラッチ１７ｂが切断状態になり）、所定条件が成立した場合（後述する図５のステップＳ７：ＹＥＳ）に、第２経路１６ｂが選択される（第１サブクラッチ１７ａが切断状態になり、且つ、第２サブクラッチ１７ｂが接続状態になる）ように制御される。
【００３８】
図１に戻って、船舶用ハイブリッドシステム１は、制御装置２５を備える。制御装置２５は、例えばコンピュータのような電子演算装置からなるハードウェアを含み、当該ハードウェアに対して本発明の少なくとも一実施形態に係る船舶用ハイブリッドシステム１の制御方法を実施するためのプログラムがインストールされることにより、船舶用ハイブリッドシステム１のコントロールユニットとして構成されている。当該プログラムは例えば所定の記録媒体に記録されたものを、ハードウェアが有する読込装置によって読み込むことでインストール可能であり、当該プログラム及びプログラムが記録された記録媒体もまた、本発明の技術的範囲に含まれる。
【００３９】
制御装置２５は、船舶用ハイブリッドシステム１が備える各構成要素に対して種々の制御信号を送受信することにより、船舶用ハイブリッドシステム１の制御を実施する。図１では、以下の説明に必要な範囲において制御信号の流れが破線で代表的に示されている。
【００４０】
本実施形態では、制御装置２５によってエンジン２、電動モータ４及びクラッチ機構１０が互いに協働することにより、５つの運転モードが実行可能に構成されている。この５つの運転モードは、エンジン駆動モード、モータ駆動モード、モータアシストモード、航行発電モード及び停止発電モードを含む。図３は、各運転モードにおける第１クラッチ１４、第２クラッチ１６及び第３クラッチ１８の接続状態、並びに、エンジン２及び電動モータ４の駆動状態を示す一覧表である。
【００４１】
エンジン駆動モードは、エンジン２のみによって推力発生装置８を駆動することにより、航行用の推力を発生させる運転モードである。このとき図３（ａ）に示されるように、第１クラッチ１４及び第２クラッチ１６が接続状態に設定され、第３クラッチが切断状態に設定される。これにより、エンジン２と推力発生装置８とが動力的に接続されるとともに、電動モータ４はエンジン２及び推力発生装置８から動力的に切断される。そして動力源となるエンジン２から出力される動力は、クラッチ機構１０を介して推力発生装置８に伝達され、船舶の推進力が得られる。このとき、電動モータ４は停止状態にある（電動モータ４は動力的に切断されているため駆動されてもよいが、無駄な電気的エネルギ消費を回避するために停止状態が好ましい）。
【００４２】
モータ駆動モードは、電動モータ４のみによって推力発生装置８を駆動することにより、航行用の推力を発生させる運転モードである。このとき図３（ｂ）に示されるように、第１クラッチ１４及び第３クラッチ１８が接続状態に設定され、第２クラッチ１６が切断状態に設定される。これにより、電動モータ４と推力発生装置８とが動力的に接続されるとともに、エンジン２は電動モータ４及び推力発生装置８から動力的に切断される。そして動力源となる電動モータ４から出力される動力は、クラッチ機構１０を介して推力発生装置８に伝達され、船舶の推進力が得られる。このとき、エンジン２は停止状態にある（エンジン２は動力的に切断されているため駆動されてもよいが、無駄な燃料消費を回避するために停止状態が好ましい）。
【００４３】
モータアシストモードは、エンジン２及び電動モータ４の両方によって推力発生装置８を駆動することにより、航行用の推力を発生させる運転モードである。このとき図３（ｃ）に示されるように、第１クラッチ１４、第２クラッチ１６及び第３クラッチ１８はいずれも接続状態に設定される。これにより、エンジン２、電動モータ４及び推力発生装置８は互いに動力的に接続される。そして動力源となるエンジン２及び電動モータ４から出力される動力は、クラッチ機構１０を介して推力発生装置８に伝達され、船舶の推進力が得られる。
【００４４】
航行発電モードは、エンジン２の出力を電動モータ４及び推力発生装置８に供給することにより、エンジン２の出力によって航行用の推力を発生させるとともに、エンジン２の出力の一部を用いて電動モータ４を回生駆動させることで発電を行う運転モードである。このとき図３（ｄ）に示されるように、第１クラッチ１４、第２クラッチ１６及び第３クラッチ１８はいずれも接続状態に設定される。これにより、エンジン２、電動モータ４及び推力発生装置８は互いに動力的に接続される。そして動力源となるエンジン２から出力される動力は、クラッチ機構１０を介して電動モータ４及び推力発生装置８に動力が伝達される。これにより、推力発生装置８では船舶の推進力が得られるとともに、電動モータ４が回生駆動されることにより発電が行われる。このとき、電動モータ４で発電された電力はバッテリ６に蓄積されてもよいし、船内負荷に対して直接供給されてもよい。
【００４５】
停止発電モードは、エンジン２の出力を電動モータ４に供給することにより、停止状態にある船舶において、エンジン２の出力によって電動モータ４を回生駆動させることで発電を行う運転モードである。このとき図３（ｅ）に示されるように、第２クラッチ１６及び第３クラッチ１８は接続状態に設定されるとともに、第１クラッチ１４は切断状態に設定される。これにより、エンジン２及び電動モータ４は互いに動力的に接続される。そして動力源となるエンジン２から出力される動力は、推力発生装置８に伝達されることなく、クラッチ機構１０を介して電動モータ４に伝達される。これにより、電動モータ４が回生駆動されることにより発電が行われる。このとき、電動モータ４で発電された電力はバッテリ６に蓄積されてもよいし、船内負荷に対して直接供給されてもよい。
【００４６】
また船舶用ハイブリッドシステム１は、図１に示されるように、各構成要素の状態をモニタリングするための各種センサを備える。具体的には、船舶用ハイブリッドシステム１は、エンジン２が備える過給器（不図示）の過給圧を検出するための過給圧センサ５２、エンジン２の回転数を検出するための回転数センサ５４、バッテリ６の充電量（ＳＯＣ：Ｓｔａｔｅ  ｏｆ  Ｃｈａｒｇｅ）を検出するためのバッテリ充電量センサ５６、バッテリ６の劣化度を検出するためのバッテリ劣化度センサ５８、ユーザがエンジン２をスロットル制御する際に操作可能なスロットルレバーの開度を検出するためのレバー開度センサ６０、船舶の位置情報を検出するためのＧＰＳセンサ６２、風向きを検出するための風向きセンサ６４、及び、潮流を検出するための潮流センサ６６を備える。これらの各種センサは、通信ラインを介して制御装置２５に接続されており、制御装置２５ではセンサから取得した検出結果に基づいて制御を実施可能になっている。
【００４７】
図４は図１の制御装置２５の内部構成を周辺構成と共に示すブロック図であり、図５は本発明の少なくとも一実施形態に係る船舶用ハイブリッドシステム１の制御方法を工程毎に示すフローチャートである。
【００４８】
図４に示されるように、制御装置２５は、以下の制御方法を実施するために必要な各種データ、特に、各運転モードにおける推力発生装置８の出力特性カーブ４０、及び、エンジン２の燃費マップデータ４２を記憶する記憶装置２６と、運転状態に基づいて目標出力を算出するための目標出力算出部２８と、船舶用ハイブリッドシステム１の運転モードを選択するための運転モード選択部３０と、エンジン２が過大負荷状態にあるか否かを判定するための過大負荷判定部３２と、運転モード選択部３０で選択された運転モード及び過大負荷判定部３２の判定結果に基づいて船舶用ハイブリッドシステム１を制御するための制御部３４と、を備える。これらの制御装置２５の内部構成は、互いに統合されていてもよいし、より細分化されていてもよい。
【００４９】
船舶用ハイブリッドシステム１の制御方法では、まず制御装置２５は、記憶装置２６にアクセスすることにより、記憶装置２６に記憶された各運転モードにおける推力発生装置８の出力特性カーブ４０、及び、エンジン２の燃費マップデータ４２を取得する（ステップＳ１）。
【００５０】
記憶装置２６には、本制御方法を実施するために必要な各種データ、特に、各運転モードにおける推力発生装置８の出力特性カーブ４０、及び、エンジン２の燃費マップデータ４２が記憶されている。出力特性カーブ４０は、推力発生装置８に関する回転数−出力特性を、運転モード毎に規定する。燃費マップデータ４２は、運転パラメータに対するエンジン２の燃料消費量を規定する。ここで図６〜図８は、モータアシストモード、エンジン駆動モード及び航行発電モードにおけるエンジン２の出力特性カーブ４０をエンジン２の燃費マップデータ４２と重ねて示すグラフである。
【００５１】
まず図６に示されるモータアシストモードにおける出力特性カーブ４０ａに着目すると、モータアシストモードでは、動力源としてエンジン２及び電動モータ４の両方が用いられるため、最大回転数Ｒｍａｘにおいて最大出力Ｐｍａｘが得られる（運転状態Ａを参照）。すなわち最大出力Ｐｍａｘは、エンジン２の最大出力Ｐｅに対して、電動モータ４の最大出力Ｐｍを加算したものに等しくなる。また船舶が備える推力発生装置８は上述したように所定仕様を有するプロペラであり、出力特性カーブの形状は、その仕様に応じて一律に決定される３乗カーブによって規定される。つまり、図６に示されるモータアシストモードにおける出力特性カーブ４０ａは、当該３乗カーブが運転状態Ａを通るように決定される。
【００５２】
図６には、モータアシストモードにおける出力特性カーブ４０ａに重なるように、エンジン２の燃費マップデータ４２が等高線状に示されている。これにより、出力特性カーブ４０ａ上で運転状態が推移することにより燃料消費率が変化することがわかる。具体的に言うと、例えば図６の運転状態Ｂに比べて運転状態Ｃは、エンジン２の燃料消費率が高いことが示されている。
尚、図６には、参照用として、エンジン２単体の出力特性カーブ４０ｂが破線で示されている。
【００５３】
続いて図７に示されるエンジン駆動モードにおける出力特性カーブ４０ｂに着目すると、エンジン駆動モードでは、動力源としてエンジン２のみが用いられるため、エンジン駆動モードにおける出力特性カーブ４０ｂは、図６のモータアシストモードにおける出力特性カーブ４０ａに比べて、電動モータ４の出力分だけ低出力側にシフトした形状を有する（図７では、比較用にモータアシストモードにおける出力特性カーブ４０ａが破線表示されている）。またエンジン駆動モードにおける出力特性カーブ４０ｂは、エンジン２の可動範囲を規定する出力上限ライン４４との交点Ｄにおいて最大出力Ｐｅを有する。
【００５４】
続いて図８に示される航行発電モードにおける出力特性カーブ４０ｃに着目すると、航行発電モードでは、動力源としてエンジン２のみが用いられるが、電動モータ４及び推力発生装置８の両方が負荷側に接続される。そのため、図８に示される出力特性は、図７を参照して上述したエンジン駆動モードの出力特性カーブ４０ｂに対して、電動モータ４を回生駆動する際に生じる発電負荷Ｐｒを加算したものになっている（図８では、比較用にモータアシストモードにおける出力特性カーブ４０ａ、及び、エンジン駆動モードにおける出力特性カーブ４０ｂが点線表示されている）。
【００５５】
次に目標出力算出部２８は、船舶の運転状態として過給圧及び回転数の実測値を取得し（ステップＳ２）、過給圧及び回転数の実測値に基づいて船舶の目標出力を算出する（ステップＳ３）。具体的には、過給圧及び回転数の実測値は、制御装置２５が過給圧センサ５２及び回転数センサ５４にアクセスすることにより取得される。目標出力の算出は、例えば、レバー開度センサ６０によって検出されたレバー開度に対応するプロペラによる目標推力が求められ、エンジン２とモータの最適出力比率が得られるように行われる。このとき、目標出力を算出するための演算式には、風向きセンサ６４によって検出される風向き、及び、潮流センサ６６によって検出される潮流による補正演算が含まれてもよい。
【００５６】
続いて運転モード選択部３０は、ステップＳ３で算出された目標出力を、ステップＳ１で取得された各運転モードに対応する出力特性カーブ４０に適用することにより、各運転モードにおける燃料消費率の推定値を求める（ステップＳ４）。すなわち、図６〜図８に示される各運転モードの出力特性カーブ４０に基づいて、仮に各運転モードで運転を実行した場合に想定される燃料消費率を推定する。
【００５７】
そして運転モード選択部３０は、ステップＳ４で求められた各運転モードにおける燃料消費率の推定値を比較することにより、最も燃料消費率に優れた運転モードを選択する（ステップＳ５）。これにより、複数の運転モードを有する場合においても、運転状況に応じて良好な燃料消費率を実現可能な運転モードの選択が可能となる。
【００５８】
尚、本実施形態のステップＳ５では、燃料消費率を重視した航行を行う際に、燃料消費率に基づいた運転モードの選択が行う場合を例示しているが、例えば航行速度を優先した運転モードの選択を行ってもよいし、バッテリ６の充電量確保を優先した運転モードの選択を行ってもよい。このように航行状況に応じて、運転モードの選択基準を設定してもよい。この場合、運転モードの選択基準をオペレータの入力内容に応じて変更可能にしてもよい。
【００５９】
続いて制御装置２５は、ステップＳ５で選択された運転モードが航行発電モードであるか否かを判定する（ステップＳ６）。運転モードが航行発電モードである場合（ステップＳ６：ＹＥＳ）、過大負荷判定部３２はエンジン２が過出力状態にあるか否かを判定する（ステップＳ７）。
【００６０】
図８を参照して前述したように、航行発電モードでは、エンジン２から出力された動力は、推力発生装置８の駆動、及び、電動モータ４の回生駆動に用いられる。ここで電動モータ４の回生駆動による負荷Ｐｒが、モータアシストモードにおける電動モータ４の駆動負荷Ｐｍより大きくなると、エンジン２が過大負荷状態になるおそれがある。つまり、図８に示されるように、電動モータ４の発電負荷が所定値（力行駆動時の電動モータ４の最大出力）より大きいと、航行発電モードの出力特性カーブ４０ｃがモータアシストモードにおける出力特性カーブ４０ａより高出力側に位置してしまう。これは、最大出力を規定するモータアシストモードの出力特性を超える負荷がエンジン２に課されており、エンジン２が過大負荷状態にあることを意味している。このようにエンジン２が過大負荷状態になると、過度な摩耗やオイル劣化、焼きつきなどの種々の不具合を招く要因となり、更に進行すると故障を引き起こすおそれがある。
【００６１】
そこで航行発電モードにおいてエンジン２が過大負荷状態にあると判定された場合（ステップＳ７：ＹＥＳ）、制御部３４は、第２クラッチ１６における動力経路を、第１経路１６ａから第２経路１６ｂに変更されるようにクラッチ機構１０を制御する（ステップＳ８）。つまり、ローギア側である第１経路１６ａからハイギア側である第２経路１６ｂに切り替えることで、エンジン２の負荷を軽減し、過大負荷状態を解消する。
【００６２】
図９は図５のステップＳ８における第２クラッチ１６における動力経路の切り替えによる出力特性の変化を示すグラフである。図９では、第２クラッチ１６において第１経路１６ａが選択された場合における出力特性カーブ４０ｃ１が示されており、これがステップＳ８で第２クラッチ１６において動力経路が第１経路１６ａから第２経路１６ｂに変更されると出力特性カーブ４０ｃ２に移行する様子が示されている。第２経路１６ｂは、第１経路１６ａに比べて変速比が小さく設定されているため、低出力側にシフトしていることがわかる。
【００６３】
第２クラッチ１６では、制御装置２５によって接続状態に設定される場合、デフォルトとして変速比が大きな第１経路１６ａが選択されるが、ステップＳ８においてエンジン２が過大負荷状態にあると判定された場合には、第２経路１６ｂに切り替えられる。これにより、出力特性カーブ４０ａ１が低出力側にシフトされ、出力特性カーブ４０ａ２に変更される。出力特性カーブ４０ａ２では、変速比が小さくなることによって、モータアシストモードにおける出力特性カーブ４０ａより低出力側に移動するため、過大負荷状態は解消される。
【００６４】
以上説明したように本実施形態によれば、エンジンが過大負荷状態にあると判定された場合、エンジンの負荷が低減するようにクラッチ機構が制御されることで、エンジンが過大負荷状態に陥ることを的確に回避できる。その結果、良好な信頼性で安定的な運用が可能な船舶用ハイブリッドシステムを実現できる。
【産業上の利用可能性】
【００６５】
本発明の少なくとも一実施形態は、動力源としてエンジン及び電動モータを備えるハイブリッド推進船舶に搭載可能な船舶用ハイブリッドシステム、及び、当該船舶用ハイブリッドシステムの制御方法に利用可能である。
【符号の説明】
【００６６】
１  船舶用ハイブリッドシステム
２  エンジン
４  電動モータ
６  バッテリ
８  推力発生装置
１０  クラッチ機構
１４  第１クラッチ
１６  第２クラッチ
１８  第３クラッチ
１９  変速機構
２５  制御装置
２６  記憶装置
２８  目標出力算出部
３０  運転モード選択部
３２  過大負荷判定部
３４  制御部
４０  出力特性カーブ
４２  燃費マップデータ
４４  出力上限ライン
５２  過給圧センサ
５４  回転数センサ
５６  バッテリ充電量センサ
５８  バッテリ劣化度センサ
６０  レバー開度センサ
６２  ＧＰＳセンサ
６４  風向きセンサ
６６  潮流センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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