高電圧バッテリーシステムが商用電気船舶の標準になりつつある理由

48Vバスで動作する500kWの推進モーターには、10,000アンペア以上の電流が必要です。これは技術的な課題ではなく、現実的なケーブル配線、重量制限、開閉装置の設置スペースを考慮すると、物理的に不可能なことです。海運業界が高電圧に移行したのは、そうしたかったからではなく、低電圧では単純に余裕がなくなったからです。

このガイドでは、なぜこのような変化が起きたのか、何が変わるのか、そして決断を下す前に何を評価すべきかを詳しく解説します。

このガイドでは、以下の内容を取り上げます。

• 商用船舶において低電圧アーキテクチャが大きな限界に直面する理由
• 高電圧船舶用バッテリーシステムの効率性と経済性
• 海上での高電圧利用を可能にする安全設計
• クラス認証がどのシステムが水域に到達するかを決定する理由
• モジュール式の拡張性によって、1つのプラットフォームがフリート全体の標準となる方法

ROYPOWは、DNV型式認証を取得し、1000Vまで拡張可能な自然冷却プラットフォームを備えた、この市場における認証取得済みの製品群に位置づけられています。以下では、この点を具体的に示すために、ROYPOWについて何度か言及します。

低電圧システムが限界に達する理由

オームの法則は例外ではない。電力は電圧×電流である。電圧を低く保ち、電力を上げれば、電流はそれに比例して増加する。

20kWモーターを搭載した小型作業船であれば、48Vバスで十分だ。しかし、巡航時に800kWの電力を消費する40メートル級フェリーでは、同じアーキテクチャでは物理法則に反して破綻してしまう。

現在の問題点を数字で見る

左側の列の数値は、実際のハードウェアの問題を示しています。

• ケーブルの質量が大きくなりすぎて、管理が困難になる。1万アンペアの電流を流すには、数千平方ミリメートル単位の断面積を持つ銅材が必要となる。航続距離が1キログラムごとにコストがかかる船舶において、それは正当化できない無駄な重量となる。
• 抵抗損失は電流の二乗に比例する。電流を2倍にすると、導体で失われる熱量は4倍になります。低電圧では、蓄積されたエネルギーのかなりの部分がプロペラに伝わりません。
• 開閉装置やコネクタは特殊なものとなる。連続電流が4桁に達する定格の遮断器、接触器、およびバスバーは、高価でかさばり、船舶用として承認された形で入手するのが困難である。
• 並列接続されたバンクは、故障箇所を増やす。48Vで実用的な容量を実現するには、数十本の並列接続が必要になります。並列接続ごとに、バランス調整の問題、ヒューズの交換、点検箇所の増加といった問題が生じます。

高電圧はそれら全てを逆転させる。同じ電力でも、電流はほんの一部で済み、導体は劇的に細くなり、配電網全体における熱損失も大幅に低減される。

プロからのアドバイス：新規建造計画を策定する際は、まず最大推進力需要から始め、そこから逆算してバス電圧を算出するべきです。バッテリーを先に選定し、後から電流要件を把握しようとすると、プロジェクトは建設途中で配電装置の設計変更を余儀なくされることになります。

海洋用途においてリチウム化学が従来の選択肢よりも優れている点をより詳しく知りたい場合は、ROYPOWによるリチウムと鉛蓄電池の比較分析が基本事項を網羅しています。

商業利用を促進する経済的要因

物理学は高電圧が機能する理由を説明する。経済学は、所有者が実際にそれを購入する理由を説明する。

商業的なメリットは、燃料消費量の削減、メンテナンスコストの削減、資産の有効活用という3つの要素に基づいています。これらの要素は、船舶の耐用年数を通して相乗効果を発揮します。

燃料費および運営費の削減

ディーゼル電気推進船は、部分負荷運転時に燃料を非効率的に燃焼する。ピーク需要に合わせて設計された発電機は、運転時間のほとんどを最適効率をはるかに下回る状態で稼働するため、燃料の無駄遣いとエンジンの摩耗加速につながる。

バッテリーシステムは、その状況を根本的に変える。ピーク時の負荷を吸収し、発電機を最適な効率で稼働させ、低需要時の運転は蓄電エネルギーだけで賄うことができる。

ロイポウの内陸水路電化の経済性予測（2026年）研究ポイントへ営業費用を45%削減と共に3.5年の投資回収期間ハイブリッド型の内陸船舶構成では、航路プロファイルに応じて、バッテリー推進が運航時間の35～70%を担う。

節約の実際の源泉はどこにあるのか

市場は既に動き出している

これは予報ではありません。今まさに起こっていることです。 世界の船舶用バッテリー市場は約2025年には7億7600万ドルそして到達すると予測されている2033年までに28億2000万ドル年平均成長率は18％近くに達している。

リチウムイオン電池は約船舶用バッテリー市場の78％のシェアを占める、 そして ハイブリッド動力船は、およそアプリケーションシェアの65%港湾船舶、オフショア支援船、近海輸送船団によって牽引されている。

競争環境は変化した,セル価格はもはや差別化要因ではない。統合システムの機能と認証取得が差別化要因となる。

改修の機会

新築物件は注目を集めるが、短期的に見てより大きな取引量は改修工事にある。

老朽化した船体と機能的な駆動系を備えた船舶は膨大な数の既存船で構成されており、ハイブリッドバッテリーへの改修は、新造船の資本コストをかけずに即座に燃料費の節約を実現できる。ROYPOW社 電気設備改修ソリューションそれらはまさにこの道筋を中心に構築されている。

安全性を確保するためのアーキテクチャ

明らかな反論はこうだ。海水は電気を通すので、船舶に800ボルトの電圧をかけるのは不必要なリスクのように思える。

それはもっともな懸念であり、その答えは安心させることではなく、工学的なアプローチだ。

LiFePO4が海洋規格である理由

化学組成の選択は、保護システムを追加する前に安全性の上限を決定します。リン酸鉄リチウム（LFP）が商業用船舶用途の標準となっているのには、具体的な理由があります。

• 熱暴走の閾値が高い。LFP電池は、ニッケル系電池に比べて、熱暴走を起こすのに相当な熱量を必要とする。
• 安定した陰極構造。リン酸結合は、層状酸化物カソードのように熱応力下で酸素を放出しないため、電池火災における主要な燃料源が除去される。
• 長寿命。商船は毎日運行している。LFPは、数千回にわたる運行サイクルにおいて、容量の著しい低下を招くことなく、その稼働プロファイルに対応できる。
• 虐待下における予測可能な行動。圧壊試験、貫通試験、過充電試験では、他の化学物質に比べてはるかに低いエネルギーしか発生しない。

の リン酸鉄リチウムと三元リチウムの比較ROYPOWのブログでは、化学的なトレードオフについてさらに詳しく解説している。

実践における多層防御

認証を受けた船舶用システムは、複数の保護層を設けることで、単一の障害がシステム全体の障害を引き起こさないようにしています。ROYPOW社の高電圧船舶用プラットフォームは、この標準的なアプローチの一例です。

• 受動的な細胞レベルでの熱暴走の隔離。細胞の一つが機能不全に陥っても、物理的な障壁によって隣接する細胞への感染拡大は阻止される。細胞間感染は発生しないことが確認されている。
• 統合型消火システム。この装置には、火災の危険性を防ぐためのバッテリーが内蔵されています。
• 冗長な過充電保護機能。二次保護層はBMSとは独立して機能するため、制御システムの故障によって過充電保護機能が失われることはありません。
• 有線式の緊急停止ボタン。配電制御盤にローカル緊急停止機能とリモート緊急停止機能を搭載。いずれもソフトウェア依存ではなく、有線接続による。
• パックレベルおよびPDUレベルでのヒューズ接続。アーキテクチャの2つの独立したレベルにおける短絡保護。
• 防爆型金属バルブ。各バッテリーパックの背面に取り付けられ、排気ダクトに直接接続するように設計されており、排出されるガスをバッテリースペースの外に安全に排出します。
• IP67の防塵・防水性能。塩水噴霧、湿気、洗浄に対する完全な密閉性は、海洋環境においては譲れない条件である。
• 独立した過熱保護機能。単一セルの過熱は、メイン制御ループとは独立して保護動作をトリガーする。

BMSは継続的な作業を行う

上位層はすべて受動的、またはイベントによってトリガーされる。バッテリー管理システムは、船舶の稼働中に毎秒作動し、数百個にも及ぶ可能性のあるセルの電圧、温度、電流、充電状態を監視する。

適切に設計されたシステムでは、BMSは船舶の電力管理システムやインバーターとも統合され、独立したブラックボックスとして動作するのではなく、ブリッジとデータを共有します。ROYPOWのBMSは、Victron Energyをはじめとする主要なインバーターおよびPMSプラットフォームで実証済みです。

プロからのアドバイス：調達時には、熱暴走の伝播防止対策が講じられているかどうかを具体的に確認してください。テスト済みで文書化済み単に設計されただけではない。設計意図と実証された試験結果の違いは、主張と認証の違いである。

バッテリー管理の基本についてより詳しく知りたい場合は、ROYPOW の BMSシステムガイドそれは確かな出発点となる。

クラス認定が全てを決定づける理由

技術的に優れたバッテリーシステムを開発しても、それを商用船舶に搭載することは決してできない。船級協会の承認がなければ、水上に浮かぶことはないのだ。

これは、船舶用バッテリーのサプライヤーと、船舶向けに販売する産業用バッテリーのサプライヤーを区別するフィルターです。

DNV型式承認が実際に意味すること

DNV（Det Norske Veritas）は、ノルウェーの船級・認証機関であり、海事分野において世界的に認められています。DNV型式承認は、バッテリーシステムが国際的に認められた海上安全および性能要件に照らして評価されたことを証明するものです。

船主にとって、その認証は一度にいくつかの効果をもたらします。

• 船舶の承認手続きを簡素化します。船級協会は、バッテリーが既に型式承認を受けている場合、バッテリーではなく船体を審査する。
• プロジェクトのリスクを軽減します。建設途中で認証に不合格となることは、新築プロジェクトにおいて最も費用のかかる結果の一つである。
• 資金調達を可能にする。政府が支援する電化および脱炭素化プログラムでは、調達の前提条件として、しばしばクラス承認が挙げられている。
• 保険加入資格を確立する。保険引受会社は、クラス承認が文書化されている場合、バッテリー設置をはるかに好意的に評価する。

取得を義務付ける価値のある資格

ROYPOW社の船舶用リチウム電池システム DNV型式承認を取得また、このプラットフォームはUN 38.3にも準拠しています。ABS分類を対象とするプロジェクトの場合、通常は既存のDNV試験記録を再利用することで、試験をゼロから開始するのではなく、プロセスを迅速化できます。

冷却問題

注目すべき実用的な資格取得のメリットの一つ：自然冷却.

液冷式船舶用バッテリーシステムでは、ポンプ、冷却ライン、熱交換器、漏洩検知装置などが必要となり、これらはすべて故障モードの増加、メンテナンスの負担増、認証の複雑さにつながります。自然冷却方式では、これらのサブシステム全体が不要になります。

可動部品が少ない。点検箇所が少ない。海上での故障が少ない。

フリート全体にわたるモジュール式の拡張性

これは、船舶の電化に関する議論でほとんど見落とされている点であり、高電圧を標準個々のケースごとに選択するのではなく。

商業運航会社が単一の種類の船舶のみを運航することは稀である。港湾運営会社であれば、タグボート、旅客フェリー、そして数隻の作業船を保有しているかもしれない。従来、これらの船舶それぞれに、個別に設計された動力システムが必要だった。

モジュール式の高電圧アーキテクチャは、その状況を完全に変えてしまう。

1つのプラットフォームで、多様な構成が可能

構成要素は標準モジュールです。ROYPOWのシステムでは、それは51.2V、320Ahのユニットで、重量は11kgです。7kg。モジュールは、必要なバス電圧に達するために直列に接続され、必要なエネルギー容量に達するために並列に接続されます。

その単一モジュールから、システムは非常に広範囲に拡張可能となる。

標準化が業務にもたらすもの

設計上の柔軟性は確かに役立つ。しかし、実際にコスト削減につながるのは、運用面でのメリットである。

• 予備部品の在庫は1つ。単一のモジュールタイプで艦隊の全船舶に対応できます。船舶ごとの在庫保有は不要です。
• 1つの研修プログラム。乗組員と陸上技術者は、5つではなく1つのシステムを習得する。
• 統合プロファイルは1つです。インバーターの互換性、PMSとの通信、およびBMSの動作は、車両全体で一貫しています。
• 予測可能な拡大。既存の船舶に容量を追加するということは、モジュールを追加することであり、電力システムを再設計することではありません。
• 後続船舶における認証手続きの簡素化。最初に承認された設置事例は、次回の設置事例のひな形となる。

船舶の任務に合わせた構成

船舶の種類によってバッテリーシステムにかかる負荷は異なるが、モジュール式アプローチを採用することで、それぞれに特化した設計を行うことなく対応できる。

• タグボートボラードの引き抜き作業中は、短時間で強力な電力供給が必要となる。総エネルギー量よりも、高いピーク放電能力の方が重要である。
• フェリー予測可能なルートを走行し、充電時間帯は固定されている。仕様の主眼はエネルギー容量と充電受入率である。
• オフショア支援船持続的なホテル負荷と動的測位サポートが必要であり、強力な連続放電機能を備えた大型のエネルギー構成が望ましい。
• 養殖船また、作業船は多くの場合、低速航行時はバッテリーで、高負荷作業時は発電機で対応するハイブリッド方式で運用される。

ROYPOWの海洋プラットフォームは、 MBmax16.3Hそして MBmax14.3H完全電気式船舶やハイブリッド船、洋上プラットフォームなど、様々な構成に対応しています。

プロからのアドバイス：サプライヤーを評価する際には、何人いるか尋ねてください。明確なプラットフォームがお客様の船舶全種類に対応するために必要なモジュールタイプ。4種類の船舶タイプに対応するために4種類のモジュールバリエーションを必要とするサプライヤーは、4つの在庫、4つのトレーニングコース、そして4つの統合リスクセットを提供することになります。

海洋バッテリー技術が商業用途でどのように発展してきたかについての詳細は、ROYPOWの投稿をご覧ください。 海洋エネルギー貯蔵の進歩有益な背景情報を提供する。

ROYPOWと共に未来への道筋を描こう

高電圧はもはや野心的な選択肢ではなく、現実的な選択肢となった。現在の数学的計算では、一定の電力閾値を超えると低電圧は適用できず、経済的にはハイブリッド運転が有利であり、クラス認証はあらゆる本格的なプロジェクトが通過しなければならない必須条件となっている。

このガイドの重要なポイント：

• 低電圧アーキテクチャは、推進負荷が約100～200kWを超えると物理的に非現実的になる。
• バス電圧が高くなると電流が比例して減少し、ケーブルの質量、熱損失、および開閉装置のコストが削減されます。
• ハイブリッド構成では、内陸路線において約45%の運用コスト削減を実現し、投資回収期間は約3.5年となる。
• LiFePO4は、熱安定性とサイクル寿命において海洋化学の標準規格である。
• 多層的な安全性とは、受動的なセル分離、冗長な過充電保護、ハードワイヤードの緊急停止機能、およびIP67の防水・防塵性能を意味します。
• DNV型式承認は調達の通過点であり、マーケティング上のバッジではない。
• 自然冷却はポンプ、冷却ライン、そしてあらゆる種類の故障モードを排除します。
• モジュール式アーキテクチャにより、1 つのモジュールタイプがタグボートに対応できます。貨物船、フェリー、OSV、作業船など、船団全体にわたる

ROYPOWの高電圧リチウム船舶用バッテリーシステムDNV型式認証を取得しており、102.4Vから870.4Vの範囲で32.7kWhから2,785kWhまで拡張可能で、自然冷却方式を採用し、IP67の保護等級を備えています。新造船の仕様を決定している場合でも、改修を計画している場合でも、当社のチームは実際の使用プロファイルに合わせて構成を設計できます。 お問い合わせページ.

よくある質問

高電圧船舶用バッテリーシステムとは何ですか？

約100V～1000Vの電圧で動作する船舶用バッテリーシステムで、電気推進またはハイブリッド推進の船舶に電力を供給すると同時に、電流、ケーブルサイズ、およびエネルギー損失を低減するように設計されている。

商用船舶はなぜ48Vではなく高電圧を必要とするのか？

低電圧では、商用推進負荷において非現実的なほど高い電流が必要となる。800Vシステムは、48Vバスの約16分の1の電流で同等の電力を供給できる。

高電圧バッテリーシステムは船舶上で安全ですか？

はい。認定システムは、リン酸鉄リチウム（LiFePO4）化学、受動的なセルレベルの熱絶縁、冗長な過充電保護、ハードワイヤードの緊急停止機能、およびIP67規格の防水・防塵性能を兼ね備えています。

船舶用バッテリーにとって、DNV認証が重要なのはなぜですか？

DNV型式承認は、国際的な海上安全基準への適合性を証明するものです。船舶の承認手続きを簡素化し、保険加入の可能性を高め、資金援助を受けた電化プロジェクトではしばしば必須となります。

高電圧バッテリーシステムから最も恩恵を受ける船舶はどれですか？

フェリー、タグボート、オフショア支援船、作業船、養殖船、ヨット、特に予測可能な航路を運航するもの、または低速運航を頻繁に行うもの。

船舶用バッテリーシステムはディーゼル発電機と併用できますか？

はい。ハイブリッド構成では、発電機を最高の効率で稼働させながら、バッテリーが負荷のピーク時や低負荷時の運転を担うため、燃料消費量とエンジン稼働時間を削減できます。