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マリン分野における電動化が進むにつれ、リチウムバッテリーシステムは、電動ボート、フェリー、作業船、ヨットなどさまざまな船舶の重要な電源として注目されています。
しかし、信頼性の高い マリンバッテリーシステム を設計するには、単に十分な容量を持つバッテリーを選定するだけでは不十分です。
バッテリーは、推進・エネルギー全体システムの一部として機能する必要があり、同時に安全性、熱管理、充電、通信、そして海上運用環境への適合といった多様な要件を満たさなければなりません。
こちらが マリンバッテリーシステム設計における5つの主要な検討事項
第一ステップは、船舶が実際に必要とするエネルギー量および電力容量を特定することです。
バッテリー容量は通常、「 クワ 」で表されますが、必要な電力は推進用モーターおよびその他の船載電気負荷に応じて決まります。
必要なバッテリー容量は、以下の要因によって異なります：
- 船舶のサイズおよび重量
- モーター出力
- 巡航速度
- 希望する航続距離
- 運用条件
- 補助的な電気負荷
- 必要な予備容量
- 充電可能な機会
たとえば、小型の電動ボートでは比較的小型のバッテリーシステムで十分ですが、大型の商用船舶や作業艇では、高容量・高電圧のバッテリーシステムが必要になる場合があります。
したがって、バッテリーの容量選定は、利用可能な最大容量のバッテリーを単に選ぶのではなく、船舶の全電力需要に基づいて行う必要があります。
ポイント:
適切な容量のマリンバッテリーシステムは、エネルギー容量、出力電力、航続距離、重量、および設置可能なスペースのバランスを取る必要があります。
電圧は、マリンバッテリーシステム設計においてもう一つの重要な要素です。
高出力の電動推進システムでは、システム電圧を高めることで、同一出力における電流を低減できます。
例えば：
電力＝電圧×電流
同一出力レベルでは、高電圧システムほど必要な電流は小さくなります。
これにより、以下の点を軽減できます：
- ケーブルの大きさ
- 電気損失
- 熱発生
- パワートレインの電流要件
船舶のサイズや推進性能要件に応じて、マリンバッテリーシステムには低電圧から高電圧まで、さまざまな電圧プラットフォームが採用されます。
適切に設計された高電圧マリンバッテリーシステムには、以下の要素が統合されることがあります：
- バッテリーモジュール
- 高電圧バッテリーマネジメントシステム（BMS）
- 接触器
- プリチャージ回路
- 高電圧配電装置
- ヒューズ保護
- CAN通信
- 安全監視
したがって、電動推進システムのモーター、インバーター、チャージャーなどの他の構成要素とともに、電圧アーキテクチャを選定する必要があります。
バッテリーの性能は、温度によって大きく影響を受けることがあります。
船舶は、寒冷な北欧地域から高温多湿な熱帯地域まで、非常に多様な環境下で運用されることがあります。また、高出力推進では連続運転時や急速充電時に多量の熱が発生することもあります。
高出力マリンバッテリーシステムでは、 液体冷却 受動冷却や空冷のみに頼るよりも、より制御性の高い熱管理が可能になります。
液体冷却式バッテリーシステムを採用すれば、バッテリーセルおよびモジュール全体でより安定した動作温度を維持できます。
効果的な熱管理システムには、以下のような要素が含まれます：
- 冷却プレート
- 冷却液循環
- ポンプ
- 熱交換器
- 温度センサー
- 熱制御ソフトウェア
バッテリーの適切な温度を維持することで、システムの性能、信頼性、および寿命を向上させることができます。
高出力の船舶用推進用途では、熱管理は後から追加するのではなく、バッテリー構成の初期設計段階から検討する必要があります。
船舶用リチウムイオンバッテリーシステムの設計において、安全性は最も重要な検討事項の一つです。
船舶用バッテリーシステムは、バッテリーの運転状態を継続的に監視し、異常な状況からシステムを保護する必要があります。
適切に設計されたBMS（バッテリーマネジメントシステム）は、以下のパラメーターを監視できます：
- セル電圧
- パック電圧
- 現在の
- セル温度
- 充電状態（SOC）
- 劣化状態（SOH）
- 絶縁状態
- 充電および放電条件
このシステムは、以下の条件に対する保護機能も提供できます。
- 過電圧
- 低電圧
- 過剰電流
- 過熱
- ショートサーキット
- セルの異常状態
高電圧システムでは、コンタクタ、プリチャージ回路、ヒューズ、絶縁監視、緊急停止機能など、追加の保護および電気的安全機能が含まれる場合があります。
バッテリーシステムは、対象市場における適用される海上規制、船舶要件および認証基準に従って設計する必要があります。
マリンバッテリーは、船舶の電気アーキテクチャの一部にすぎません。
バッテリーシステムは、以下の機器と通信し、正常に連携動作する必要があります。
- 電動モーター
- モータコントローラ／インバータ
- オンボードチャージャー
- DC/DC変換機
- エネルギー管理システム
- 船舶制御システム
- 沿岸充電システム
したがって、バッテリーシステムの設計段階から充電要件を検討する必要があります。
船舶の種類や用途に応じて、AC充電やDC高速充電など、異なる充電方式に対応できるようにシステムを構成できます。
例えば、高出力のマリンバッテリーシステムでは、高速充電が必要な場合に CCS2充電方式 を統合することがあります。
CAN通信により、バッテリーマネジメントシステム（BMS）は車両または船舶の制御システムと以下の情報をやり取りできます。
- SOC<br>
- 圧力は
- 現在の
- 温度
- 故障情報
- 料金状態
- バッテリーの制限値
高度に統合されたバッテリーシステムを採用することで、バッテリー、推進システム、充電システムが一体となって機能することを確保できます。
信頼性の高いマリン用バッテリーシステムは、単に大容量のリチウムイオンバッテリーパックではありません。
それは、船舶の具体的な要件に応じて設計された、完全なシステムです。
主な検討事項は以下のとおりです：
| 設計要素 | 主要な質問 |
|---|---|
| エネルギー＆パワ | 必要なエネルギー量および推進出力はどれほどか？ |
| 圧力は | 推進システムに適合する電圧アーキテクチャはどれか？ |
| 熱管理 | 運用時および充電時のバッテリー冷却方法は？ |
| 安全性 | どのようなバッテリーマネジメントシステム（BMS）および高電圧保護機能が必要か？ |
| 充電および統合 | バッテリーはモーターおよび充電システムとどのように通信するか？ |
OEMおよび海洋機器メーカー向けに、 カスタムバッテリーシステムの設計 は、標準バッテリーパックを用いるよりも適している場合がよくあります。
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当社の海洋用バッテリーソリューションは、船舶の要件に応じて以下のようにカスタマイズ可能です：
- バッテリーの電圧および容量
- バッテリーパックの外形寸法
- BMS設定
- CAN通信
- 熱管理
- 液体冷却システム
- 高電圧保護機能
- 充電システムの統合
- 筐体（メカニカルエンクロージャー）設計
高出力の船舶推進用途向けに、CTS Batteryでは以下の統合ソリューションを提供できます。
リチウムイオン電池システム＋液体冷却システム＋充電システム
これにより、電池システムを船舶の推進および充電要件に応じて、設計段階から最適化することが可能です。
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