JP2016134259A - ハイブリッド型ショベル - Google Patents

Abstract

【課題】ラミネートフィルム容器の破損を容易に検知することが可能な蓄電セルを搭載したハイブリッド型ショベルを提供する。【解決手段】蓄電セルが電動発電機に電気的に接続されている。充放電回路が、蓄電セルの充放電を制御する。充放電回路は制御装置によって制御される。蓄電セルは筐体に収容されている。筐体の中に、蓄電セルからの流体の漏れを検知する検知器が配置されている。【選択図】図３

Description

本発明は、電動発電機及び蓄電セルを搭載したハイブリッド型ショベルに関する。

充電可能な二次電池やキャパシタ等の蓄電セルを用いたハイブリッド型ショベルの開発が進められている。ハイブリッド型ショベルに採用される蓄電セルとして、例えばリチウムイオン二次電池、リチウムイオンキャパシタ等が用いられる。これらの蓄電セルとして、正極板、負極板及び電解液がラミネートフィルムで包み込まれた扁平状（板状）の外形を有するものが知られている。２枚のラミネートフィルムを重ねて外周部近傍を相互に熱溶着することにより、ラミネートフィルム容器が形成される。複数の蓄電セルが直列接続され、筐体内に収容される（特許文献１参照）。

特開２０１４−１３９８８１号公報

蓄電セルが劣化するとガスが発生する場合がある。発生したガスは、ラミネートフィルム容器内に蓄積される。発生したガスによってラミネートフィルム容器内の圧力が高くなると、ラミネートフィルムが破損する。ラミネートフィルムが破損すると、空気中の水分と電解液とが反応して、蓄電セルの劣化が進む。

ラミネートフィルムを相互に熱溶着した箇所が破損している場合、定期点検によってラミネートフィルム容器の破損を検知することは困難である。本発明の目的は、ラミネートフィルム容器の破損を容易に検知することが可能な蓄電セルを搭載したハイブリッド型ショベルを提供することである。

本発明の一観点によると、
電動発電機と、
前記電動発電機に電気的に接続された蓄電セルと、
前記蓄電セルの充放電を行なう充放電回路と、
前記充放電回路を制御する制御装置と、
前記蓄電セルを収容する筐体と、
前記筐体の中に配置され、前記蓄電セルからの流体の漏れを検知する検知器と
を有するハイブリッド型ショベルが提供される。

検知器が、蓄電セルからの流体の漏れを検知するため、蓄電セルの容器の破損を容易に検知することができる。

図１は、実施例によるハイブリッド型ショベルの側面図である。 図２は、実施例によるハイブリッド型ショベルのブロック図である。 図３は、蓄電回路、インバータ、電動発電機、及び制御装置の概略図である。 図４Ａは、蓄電セルの平面図であり、図４Ｂは、図４Ａの一点鎖線４Ｂ−４Ｂにおける断面図である。 図５Ａ及び図５Ｂは、それぞれ筐体の蓋及び下部筐体の斜視図である。 図６Ａは、検知器の断面図であり、図６Ｂは、透明窓を通して見た検知器の平面図であり、図６Ｃは、検知材料が収縮した状態の検知器の平面図である。 図７Ａは、透明窓を通して見た初期状態の検知器の他の構成例の平面図であり、図７Ｂは、筐体内にフッ化水素が充満した状態の検知器の平面図である。 図８Ａ及び図８Ｂは、それぞれ初期状態の検知器の他の構成例の断面図及び平面図であり、図８Ｃ及び図８Ｄは、それぞれ腐食後の検知器の断面図及び平面図である。 図９は、他の実施例によるハイブリッド型ショベルに搭載される蓄電回路、インバータ、電動発電機、及び制御装置の概略図である。 図１０は、検知器で検出される圧力の時間変化の一例を示すグラフである。

図１に、実施例によるハイブリッド型ショベルの側面図を示す。下部走行体１０に、旋回機構１１を介して上部旋回体１２が旋回可能に搭載されている。上部旋回体１２にブーム１３、アーム１５、及びバケット１７からなる作動部品が、上下方向にスイング可能に取り付けられている。作動部品は、ブームシリンダ１４、アームシリンダ１６、及びバケットシリンダ１８からなるアクチュエータにより油圧駆動される。ブーム１３、アーム１５、及びバケット１７により、掘削用のアタッチメントが構成される。なお、掘削用のアタッチメントの他に、破砕用のアタッチメント、リフティングマグネット用のアタッチメント等を連結することも可能である。

図２に、図１に示したハイブリッド型ショベルのブロック図を示す。図２において、機械的動力系を二重線で表し、高圧油圧ラインを太い実線で表し、パイロットラインを破線で表し、電機駆動系及び制御系を細い実線で表す。

エンジン２０の駆動軸がトルク伝達機構２１の入力軸に連結されている。エンジン２０には、ディーゼルエンジン等の内燃機関が用いられる。電動発電機２２の駆動軸が、トルク伝達機構２１の他の入力軸に連結されている。電動発電機２２は、アシスト運転と、発電運転との双方の運転動作を行うことができる。トルク伝達機構２１の出力軸に、メインポンプ（油圧ポンプ）２５の駆動軸が連結されている。メインポンプ２５は、エンジン２０が発生する動力、及び電動発電機２２が発生する動力によって駆動される。

電動発電機２２がアシスト運転を行う場合には、電動発電機２２で発生する動力がトルク伝達機構２１を介してメインポンプ２５に伝達される。これにより、エンジン２０に加わる負荷が軽減される。電動発電機２２が発電運転を行う場合には、エンジン２０で発生する動力がトルク伝達機構２１を介して電動発電機２２に伝達される。

メインポンプ２５は、高圧油圧ライン２６を介して、コントロールバルブ２７に油圧を供給する。コントロールバルブ２７は、操縦者からの指令により、種々のアクチュエータ、例えば油圧モータ１９Ａ、１９Ｂ、ブームシリンダ１４、アームシリンダ１６、及びバケットシリンダ１８に油圧を分配する。油圧モータ１９Ａ及び１９Ｂは、それぞれ下部走行体１０（図１）に備えられた左右の２本のクローラを駆動する。

電動発電機２２がアシスト運転されている期間は、必要な電力が、蓄電回路４０からインバータ４１を通して電動発電機２２に供給される。電動発電機２２が発電運転されている期間は、電動発電機２２よって発電された電力が、インバータ４１を通して蓄電回路４０に供給される。これにより、蓄電回路４０内の蓄電装置４２が充電される。

旋回電動機４５が、インバータ４３によって制御され、力行動作及び回生動作の双方の運転を行うことができる。旋回電動機４５の力行動作中は、蓄電装置４２からインバータ４３を介して旋回電動機４５に電力が供給される。旋回電動機４５が、減速機４６を介して旋回機構１１（図１）を駆動する。回生動作時には、上部旋回体１２（図１）の回転運動が、減速機４６を介して旋回電動機４５に伝達されることにより、旋回電動機４５が回生電力を発生する。発生した回生電力は、インバータ４３を介して蓄電回路４０に供給される。この電力により、蓄電回路４０内の蓄電装置４２が充電される。

レゾルバ４７が、旋回電動機４５の回転軸の回転方向の位置を検出する。レゾルバ４７の検出結果が、制御装置５０に入力される。レゾルバ４７からの信号により、旋回電動機４５の回転速度を検出することができる。

メカニカルブレーキ４８が、旋回電動機４５の回転軸に連結されており、機械的な制動力を発生する。メカニカルブレーキ４８の制動状態と解除状態とは、制御装置５０からの制御を受け、電磁的スイッチにより切り替えられる。

パイロットポンプ３０が、油圧操作系に必要なパイロット圧を発生する。発生したパイロット圧は、パイロットライン３１を介して操作装置３５に供給される。操作装置３５は、レバーやペダルを含み、操縦者によって操作される。操作装置３５は、パイロットライン３１から供給される１次側の油圧を、操縦者の操作に応じて、２次側の油圧に変換する。２次側の油圧は、油圧ライン３２を介してコントロールバルブ２７に伝達されると共に、他の油圧ライン３３を介して圧力センサ３７に伝達される。

圧力センサ３７で検出された圧力情報が、制御装置５０に入力される。この圧力情報により、制御装置５０は、下部走行体１０（図１）、旋回電動機４５、ブーム１３、アーム１５、及びバケット１７（図１）の操作の状況を検知することができる。エンジン２０、インバータ４１、４３、及び蓄電回路４０は、制御装置５０により制御される。

図３に、蓄電回路４０、インバータ４１、電動発電機２２、及び制御装置５０の概略図を示す。蓄電回路４０は、蓄電装置４２及び充放電回路４４を含む。蓄電装置４２は複数の蓄電セル６１を含み、蓄電セル６１の各々は板状の外形を有する。複数の蓄電セル６１は、厚さ方向に積み重ねられており、電気的に直列接続されている。

蓄電セル６１は、筐体６２に収容される。直列接続された蓄電セル６１は、筐体６２に取り付けられたコネクタ６４を介して、筐体６２の外の充放電回路４４に接続されている。制御装置５０が充放電回路４４を制御することにより、充放電回路４４が、蓄電セル６１の充放電を行なう。充放電回路４４には、例えばスイッチング素子とリアクトルとを含むＤＣ−ＤＣコンバータが用いられる。スイッチング素子のオンオフが、制御装置５０によって制御される。蓄電セル６１は、充放電回路４４及びインバータ４１を介して、電動発電機２２に電気的に接続されている。

筐体６２内に検知器６３が配置されている。検知器６３は、蓄電セル６１からの流体（ガスまたは液体）の漏れを検知する。筐体６２の壁面に透明窓６６が取り付けられている。筐体６２の外部から透明窓６６を通して、検知器６３を視認することができる。

図４Ａに、蓄電セル６１の平面図を示す。蓄電セル６１は、セル容器７１、正極端子７２、及び負極端子７３を含む。セル容器７１は、ほぼ長方形の平面形状を有する。セル容器７１の１つの縁（図４Ａにおいて左側の縁）から正極端子７２が導出され、反対側の縁（図４Ａにおいて右側の縁）から負極端子７３が導出されている。

図４Ｂに、図４Ａの一点鎖線４Ｂ−４Ｂにおける断面図を示す。セル容器７１は、２枚のラミネートフィルムで構成される。２枚のラミネートフィルムの間に、複数の正極板７４、複数の負極板７５、及び複数のセパレータ７６が収容されている。２枚のラミネートフィルムは、外周近傍において相互に熱溶着されている。正極端子７２及び負極端子７３は、２枚のラミネートフィルムの間を通って、セル容器７１の内部から外部まで導出されている。セル容器７１内に非水電解液７７が充填されている。正極板７４は、正極端子７２に接続されており、負極板７５は、負極端子７３に接続されている。

蓄電セル６１として、例えばリチウムイオン二次電池、リチウムイオンキャパシタ等が採用される。非水電解液７７は、リチウム塩及び有機溶媒を含む。セル容器７１が破損してリチウム塩が大気中の水分と接触すると、リチウム塩が分解される。リチウム塩の分解により、蓄電セル６１の容量及び出力が低下してしまう。リチウム塩にＬｉＰＦ_６等のリチウムフッ化物が用いられる場合には、リチウムフッ化物が水と反応してフッ化水素が発生する。発生したフッ化水素は、筐体６２の内部に充満する。

図５Ａ及び図５Ｂに、それぞれ筐体６２の蓋８１及び下部筐体８２の斜視図を示す。蓋８１が、下部筐体８２の開口部を塞ぐ。下部筐体８２の側面に、コネクタボックス８４が設けられている。コネクタボックス８４の上面の開口部が、コネクタ６４で塞がれる。蓋８１に、透明窓６６が設けられている。

図６Ａに、検知器６３（図３）の断面図を示す。検知器６３は、検知材料９１、支持板９２、及び押さえ部材９４を含む。支持板９２は筐体６２の壁面に固定されている。支持板９２に検知材料９１が載せられている。押さえ部材９４は、弾性部材９５及び環状部材９６を含む。押さえ部材９４が検知材料９１を支持板９２に押さえつけることにより、検知材料９１が支持板９２に支持される。具体的には、弾性部材９５の弾性力によって、環状部材９６が検知材料９１に接触し、検知材料９１を支持板９２に押さえつけている。透明窓６６を通して、検知材料９１及び環状部材９６を視認することができる。

図６Ｂに、透明窓６６を通して見た検知器６３（図６Ａ）の平面図を示す。検知材料９１の表面に検知マーク９７が描画されている。透明窓６６を通して、環状部材９６及び検知マーク９７が視認される。環状部材９６の内側の縁が、基準マーク９８として機能する。

一例として、基準マーク９８及び検知マーク９７は、円周で構成される。初期状態では、検知マーク９７と基準マーク９８とは、ほぼ同一の大きさであり、ほぼ重なっている。

検知材料９１には、ｐＨ応答性を示す高分子材料、例えばポリアクリル酸からなる膜が用いられる。ｐＨ応答性高分子材料は、酸性の雰囲気に晒されると収縮する性質を有する。蓄電セル６１のセル容器７１（図４Ｂ）が破損してフッ化水素が発生すると、筐体６２内が酸性雰囲気なる。押さえ部材９４（図６Ａ）は検知材料９１の収縮を許容する程度の力で検知材料９１を支持板９２に押さえつけている。このため、筐体６２（図３）内にフッ化水素が発生すると、検知材料９１が面内方向に収縮する。

図６Ｃに、検知材料９１が収縮した状態の検知器６３の平面図を示す。検知材料９１が収縮しているため、検知材料９１に描画されている検知マーク９７も小さくなっている。基準マーク９８の寸法は不変である。基準マーク９８と検知マーク９７との寸法を比較することにより、セル容器７１に破損が生じていることを容易に検知することができる。

透明窓６６を通して検知マーク９７及び基準マーク９８を視認することができるため、筐体６２（図５Ａ、図５Ｂ）を開ける前に、筐体６２内にフッ化水素が充満しているか否かを判断することができる。

図７Ａ及び図７Ｂを参照して、検知器６３（図３）の他の構成例について説明する。図７Ａに、透明窓６６を通して見た初期状態の検知器６３の平面図を示し、図７Ｂに、筐体６２（図３）内にフッ化水素が充満した状態の検知器６３の平面図を示す。検知材料９１として、酸性雰囲気に晒されると変色する材料、例えばリトマス試験紙が用いられる。

図７Ａに示すように、初期状態の検知材料９１は青色である。セル容器７１が破損して筐体６２内が酸性雰囲気になると、図７Ｂに示すように検知材料９１が赤色に変色する。透明窓６６を通して検知材料９１の色を観察することにより、セル容器７１に破損が生じていることを容易に検知することができる。

図８Ａ〜図８Ｄを参照して、検知器６３（図３）の他の構成例について説明する。図８Ａ及び図８Ｂに、それぞれ初期状態の検知器６３の断面図及び平面図を示す。以下、図７Ａ〜図７Ｃに示した検知器６３との相違点について説明し、共通の構成については説明を省略する。

図８Ａに示すように、支持板９２の上に検知材料９１が固定されている。検知材料９１の底面は平面であり、上面は球面の一部で構成される。図８Ｂに示すように、検知材料９１の平面形状は円形である。支持板９２の表面に基準マーク９８が描画されている。基準マーク９８は、検知材料９１の外周線にほぼ一致する円周で構成される。検知材料９１には、弗酸で腐食する材料、例えばガラスが用いられる。

図８Ｃ及び図８Ｄに、それぞれ腐食後の検知器６３の断面図及び平面図を示す。図８Ｃにおいて、初期状態の検知材料９１の上面を破線で示す。検知材料９１の表層部が弗酸で腐食されることにより、検知材料９１の平面寸法が小さくなる。基準マーク９８の寸法は不変である。透明窓６６を通して基準マーク９８と検知材料９１の外周とを比較することにより、筐体６２（図５Ａ、図５Ｂ）を開ける前に、筐体６２内にフッ化水素が充満しているか否かを判断することができる。

上記実施例では、検知器６３（図３）がセル容器７１からのガスの漏れを検知したが、ガス以外の流体の漏れ、すなわち液体の漏れを検知することも可能である。セル容器７１から液体が漏れて筐体６２（図３）内が酸性雰囲気に変化する場合には、上記実施例で用いられた検知器６３により、流体の漏れを検知することができる。

上記実施例では、検知材料９１の収縮、変色、または腐食等の化学反応を利用して、セル容器７１からの流体の漏れを検知したが、その他の変化を生じる化学反応を利用することも可能である。検知材料９１の変化を容易に視認することが可能な化学反応を利用することが好ましい。

図９及び図１０を参照して、他の実施例によるハイブリッド型ショベルに搭載される蓄電装置について説明する。以下、図１〜図６Ｃに示した実施例との相違点について説明し、共通の構成については説明を省略する。

図９に、蓄電回路４０、インバータ４１、電動発電機２２、及び制御装置５０の概略図を示す。複数の蓄電セル６１が、その厚さ方向に積み重ねられている。加圧機構６５が、蓄電セル６１からなる積重ね構造体に積み重ね方向の圧縮力を印加している。加圧機構６５は、例えば、積重ね構造体の両端にそれぞれ配置された加圧板と、２枚の加圧板の間に架け渡されたタイロッドとを含む。

検知器６３が、蓄電セル６１の間に配置されている。検知器６３として、歪みゲージ、圧力センサ等が用いられる。検知器６３は、蓄電セル６１に加わる圧力を検出し、検出結果を制御装置５０に送信する。制御装置５０は、検知器６３から受信した検出結果に基づいて、セル容器７１からの流体の漏れの有無を判定する。

図１０に、検知器６３で検出される圧力の時間変化の一例を示す。初期状態の圧力をＰ０で表す。蓄電セル６１の劣化が進むと、セル容器７１内にガスが発生する。セル容器７１内にガスが蓄積されると、セル容器７１が膨らむことにより、検知器６３で検出される圧力が上昇する。図１０に示した例では、時刻ｔ１以降、時間の経過とともに圧力が徐々に高くなっている。

セル容器７１内の圧力がセル容器７１の許容上限値を超えると、セル容器７１が破損する。セル容器７１が破損すると、セル容器７１内のガスが外部に漏れるため、圧力が初期状態の圧力Ｐ０に向って急激に低下する。図１０では、時刻ｔ２にセル容器７１が破損した例を示している。

制御装置５０（図９）は、検知器６３で測定される圧力の急激な低下を検知する。例えば、一定周期で圧力を検出し、前周期における検出結果と、今周期における検出結果との差が判定閾値を超えた場合に、圧力の急激な低下があったと判定される。制御装置５０は、圧力の急激な低下を検知すると、出力装置５１から警報を発出する。これにより、操縦者または保守点検者は、セル容器７１が破損していることを容易に検知することができる。

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

１０ 下部走行体
１１ 旋回機構
１２ 上部旋回体
１３ ブーム
１４ ブームシリンダ
１５ アーム
１６ アームシリンダ
１７ バケット
１８ バケットシリンダ
１９Ａ、１９Ｂ 油圧モータ
２０ エンジン
２１ トルク伝達機構
２２ 電動発電機
２５ メインポンプ
２６ 高圧油圧ライン
２７ コントロールバルブ
３０ パイロットポンプ
３１ パイロットライン
３２、３３ 油圧ライン
３５ 操作装置
３７ 圧力センサ
４０ 蓄電回路
４１ インバータ
４２ 蓄電装置
４３ インバータ
４４ 充放電回路
４５ 旋回電動機
４６ 減速機
４７ レゾルバ
４８ メカニカルブレーキ
５０ 制御装置
５１ 出力装置
６１ 蓄電セル
６２ 筐体
６３ 検知器
６４ コネクタ
６５ 加圧機構
６６ 透明窓
７１ セル容器
７２ 正極端子
７３ 負極端子
７４ 正極板
７５ 負極板
７６ セパレータ
７７ 非水電解液
８１ 蓋
８２ 下部筐体
８４ コネクタボックス
９１ 検知材料
９２ 支持板
９４ 押さえ部材
９５ 弾性部材
９６ 環状部材
９７ 検知マーク
９８ 基準マーク

Claims (7)

1. 電動発電機と、
   前記電動発電機に電気的に接続された蓄電セルと、
   前記蓄電セルの充放電を行なう充放電回路と、
   前記充放電回路を制御する制御装置と、
   前記蓄電セルを収容する筐体と、
   前記筐体の中に配置され、前記蓄電セルからの流体の漏れを検知する検知器と
   を有するハイブリッド型ショベル。
2. 前記蓄電セルは、
   ラミネートフィルムからなるセル容器と、
   前記セル容器内に充填された非水電解液と、
   正極板と、
   負極板と
   を含む請求項１に記載のハイブリッド型ショベル。
3. 前記検知器は、前記蓄電セルに加わる圧力を検出し、検出結果を前記制御装置に送信し、
   前記制御装置は、前記検知器から受信した前記検出結果に基づいて、流体の漏れの有無を判定する請求項２に記載のハイブリッド型ショベル。
4. 前記制御装置は、
   前記セル容器内にガスが発生して前記セル容器内の圧力が上昇した後、前記セル容器が破損して前記セル容器内のガスが外部に漏れたことによる圧力の低下を検知する請求項３に記載のハイブリッド型ショベル。
5. 前記検知器は、前記蓄電セルから漏れた前記流体と化学反応する検知材料を含み、化学反応による前記検知材料の変化により、前記流体の漏れが検知される請求項２に記載のハイブリッド型ショベル。
6. 前記検知材料は、前記化学反応により収縮し、
   前記検知器は、前記検知材料が収縮したことを視認可能にする基準マークを有する請求項５に記載のハイブリッド型ショベル。
7. 前記筐体は、前記検知材料の前記化学反応による変化を、前記筐体の外部から視認可能にする透明窓を有する請求項６に記載のハイブリッド型ショベル。

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