JP2017184360A - 電動作業車両のための非接触充電システム及び電動草刈機 - Google Patents

Abstract

【課題】電動作業車両に用いられる非接触充電システムにおける、バッテリユニット、一次側コイル、二次側コイルの配置の改善。【解決手段】電動作業車両に用いられる非接触充電システムは、コイル給電回路部８１の上方に配置された一次コイル８０を含み、地面に配置される一次コイルユニット８と、機体フレーム２０の後部で左右一対の後輪４の間に配置されたバッテリパック６と、一次コイル８０との間で電磁結合する二次コイル７０と、二次コイル７０からの電力を整流してバッテリパック６に供給する充電回路部８１と、二次コイル７０をバッテリパック６の下部に配置するコイル支持部材７９とを備えている。【選択図】図１

Description

本発明は、電動作業車両のための非接触充電システムと、この非接触充電システムを組み込んだ電動草刈機に関する。

特許文献１によるフォークリフトでは、地面に敷設された一次側の非接触給電用パッド（一次側コイル）と電磁結合することで電力を受け取る二次側の非接触給電用パッド（二次側コイル）が、前輪と後輪との間で、フォークリフトの一方の側方の下面に設けられている。フォークリフトのように、走行機体に取り付けられる作業装置としてのフォークリフト機構が前輪の前方に配置される場合には、前輪と後輪との間の機体の下部に比較的スペースの余裕があるので、二次側コイルを前輪と後輪との間に配置することができる。一次側コイルは、地面や地面に設置された支持台に設けられている。

特開２０１４−０８２３３９号公報(図７〜図１７)

電動草刈機では、走行機体に取り付けられる作業装置としてのモーアユニットは、後輪より前方に配置されるので、後輪より前方の領域における機体フレームの下部、つまり地面に近い領域には自由に利用できるスペースが少ない。また、バッテリパックの重量が大きいので、機体の安定性からバッテリパックは車体の低い位置に配置することが好ましい。このことから、電動草刈機のような電動作業車両に用いられる非接触充電システムでは、バッテリパックと一次側コイルと二次側コイルの適切な配置が重要となる。

本発明による、電動作業車両のための非接触充電システムは、コイル給電回路部と前記コイル給電回路部の上方に配置された一次コイルとを含み、地面に配置される一次コイルユニットと、機体フレームの後部で左右一対の後輪の間に配置されたバッテリパックと、前記一次コイルとの間で電磁結合する二次コイルと、前記二次コイルからの電力を整流して前記バッテリパックに供給する充電回路部と、前記二次コイルを前記バッテリパックの下部に配置するコイル支持部材とを備えている。

この構成では、地面側には、コイル給電回路部と一次コイルとを有する一次コイルユニットが配置され、電動作業車両の機体側には、一次コイルとの間で電磁結合する二次コイルが取り付けられる。二次コイルは、コイル支持部材によって、機体フレームの後部で左右一対の後輪の間に配置されたバッテリパックの下部に配置される。走行時に地面に存在する障害物との接触を避けるために二次コイルは、できるだけ地面からの高い位置に配置されるので、一次コイルの位置の高くする必要がある。この構成では、一次コイルユニットは、二段構造となっており、コイル給電回路部が下段に、一次コイルユニットが上段に配置されているので、構造的に、一次コイルユニットは地面から高い位置となって好都合である。

充電回路部は、大きな電流が通過する整流器が含まれており、比較的大きな形状となるので、広く安定した設置場所が必要となる。このため、本発明による好適な実施形態では、前記充電回路部が前記バッテリパックの上部に取り付けられている。バッテリパックは、長方体ないしは長方体の組み合わせ体といったようにその外形は比較的単純であることから、その上部は比較的広く平坦となっているので、同所に、充電回路部が安定的に取り付けられる。

さらに、本発明の好適な実施形態の１つでは、前記バッテリパックの後側下部に凹部が形成されており、前記凹部に前記二次コイルが配置されている。これにより、二次コイルは、剛性の高いバッテリパックによって、その周囲の少なくとも一部分は保護されるので、外部との接触による破損等が抑制される。

後輪の空気圧が変動する場合や付加的な積荷の重さが変動する場合、電動作業車両側に取り付けられている二次コイルの対地高さが変わることになり、一次コイルと二次コイルとの間隔が最適値から外れてしまう。これは、充電効率に悪影響を与えるので、一次コイルと二次コイルとの間隔は最適値に近づける必要がある。この目的のため、本発明の好適な実施形態の１つでは、前記一時コイルユニットには、前記一次コイルを昇降させる昇降機構が設けられている。この昇降機構によって、一次コイルの対地高さを調整し、一次コイルと二次コイルとの間隔を最適値に設定することができる。

本発明による非接触充電システムを組み込んだ電動草刈機の好適な実施形態の１つでは、前記機体フレームの前部にモーアユニットが昇降可能に吊り下げられ、前記バッテリパックからモータ給電回路部を介して供給される電力によって前記後輪を駆動する電動モータユニットが前記後輪の間で前記後輪の車軸心より前方に配置されている。この構成では、バッテリパックが機体フレームの後部に配置されることにより、機体重心が機体後方となり、機体バランスが悪くなるという問題を、モーアユニットと電動モータユニットによって解消することができる。

さらに、本発明による電動草刈機の好適な実施形態の１つでは、前記電動モータユニットが、左トランスミッションを介して一方の後輪を駆動する左モータと右トランスミッションを介して他方の後輪を駆動する右モータとからなり、前記左モータと前記左トランスミッションとが前記一方の後輪と前記バッテリパックとの間に配置され、前記右モータと前記右トランスミッションとが前記他方の後輪と前記バッテリパックとの間に配置されている。この構成により、走行動力伝達系を構成する電動モータユニットやトランスミッションなどの重量物を後輪の車軸心の近くに集約することになり、機体の安定性及び走行動力伝達系のコンパクト化が実現する。

モーアユニットは、草刈作業走行中は地面に接近し、非作業走行中は最上昇位置に引き上げられ、地面から離れる。モーアユニットは、二次コイルより機体前方に位置するため、走行中において、二次コイルのガードの役割を果たしている。このため、最上昇位置の前記モーアユニットの下面は前記二次コイルの下面より低くなるように設定されることが好ましい。

非接触充電システムを組み込んだ電動作業車両の基本構成を模式的に示す側面図である。 非接触充電システムを組み込んだ電動作業車両の基本構成を模式的に示す平面図である。 非接触充電システムの電気回路の基本構成を示す機能ブロック図である。 電動草刈機の側面図である。 電動草刈機の平面図である。 機体フレームにおける、バッテリパックと電動モータユニットとトランスミッションとの支持構造を示す斜視図である。 バッテリパックと非接触充電システムとを示す領域の、機体前後方向の鉛直面で切断された縦断面図である。

図１と図２とを用いて、非接触充電システムを組み込んだ電動作業車両の基本構成を説明する。なお、この明細書において、機体前後方向は、機体の走行方向に沿って水平方向に延びる機体中心軸（機体長手軸とも称する）の方向であり、機体横断方向（単に横方向とも称する）とは、機体中心軸に直交して水平方向に延びる方向である。「前（前方）」は機体前後方向で前進側を意味し、「後（後方）」は機体前後方向で後進側を意味する。「左（左側）」は、機体前進方向を向いて左を意味し、「右（右側）」は、機体前進方向を向いて右を意味する。

この電動作業車両は、機体横断方向に間隔をあけて機体前後方向に延びた左フレーム２１と右フレーム２２と、左フレーム２１と右フレーム２２とを接続する少なくとも１つのクロスビーム２３とを含む機体フレーム２０を備えている。前輪ユニット１１を構成する左前輪１１Ｌと右前輪１１Ｒとは、機体フレーム２０の前部に配置されている。後輪ユニット１２を構成する左後輪１２Ｌと右後輪１２Ｒとは、機体フレーム２０の中央より後側に配置されている。以下において、特に区別する必要がない場合には、左前輪１１Ｌと右前輪１１Ｒとはその総称として前輪ユニット１１なる語句が使用され、左後輪１２Ｌと右後輪１２Ｒとはその総称として後輪ユニット１２なる語句が使用される。後車軸心Ｐｒは機体横断方向に延びている。

バッテリパック６は、左フレーム２１と右フレーム２２との間で、機体フレーム２０の後半領域に配置されており、側方視で、バッテリパック６の前端部が後車軸心Ｐｒより前方、ほぼ後輪ユニット１２の前端付近に位置している。バッテリパック６の後端は、ほぼ機体フレーム２０の後端に位置している。図２から明らかなように、バッテリパック６は、左フレーム２１と右フレーム２２との間にほぼぴったりと収まる幅を有し、等幅で機体前後方向に延びている。また、バッテリパック６の前半部は、後輪ユニット１２の車軸空間に入り込んでいる。バッテリパック６は、略長方体から前側上部領域と後側上部領域とがカットされたような形状であり、このカットされた後側上部領域が扁平な直方体形状の後凹部ＢＳを作り出しており、カットされた前側上部領域が扁平な直方体形状の前凹部ＦＳを作り出している。

駆動輪である後輪ユニット１２を駆動する電動モータユニット４は、左後輪１２Ｌに回転動力を伝達する左モータ４Ｌと、右後輪１２Ｒに回転動力を伝達する右モータ４Ｒとからなる。図２に示すように、左モータ４Ｌは、前凹部ＦＳの左側領域に入り込んでいる。右モータ４Ｒは、前凹部ＦＳの右側領域に入り込んでいる。左モータ４Ｌと右後輪１２Ｒとは左右対称の位置に配置されており、左モータ４Ｌと左後車軸ケース３１Ｌとは、左トランスミッション３０Ｌで連結され、右モータ４Ｒと右後車軸ケース３１Ｒとは、右トランスミッション３０Ｒで連結されている。なお、左トランスミッション３０Ｌは左フレーム２１の外側に配置され、右トランスミッション３０Ｒは右フレーム２２の外側に配置されている。左モータ４Ｌと右モータ４Ｒとは、電動モータユニット４と総称される。左トランスミッション３０Ｌと右トランスミッション３０Ｒとは、トランスミッション３０と総称される。左後車軸ケース３１Ｌと右後車軸ケース３１Ｒとは、後車軸ケース３１と総称される。電動モータユニット４の上方には、運転座席１６が配置され、空間が有効に利用されている。

バッテリパック６を非接触で充電する非接触充電システムは、地面に配置される一次コイルユニット８と、電動作業車両に取り付けられる二次コイルユニット７とからなる。図１の例では、一次コイルユニット８は、２段構造であり、下段にコイル給電回路部８１が配置され、上段に一次コイル８０が配置され、コイル給電回路部８１と一次コイル８０との間に昇降機構８ａが設けられている。昇降機構８ａによって一次コイル８０の地上高さを調整することができる。コイル給電回路部８１と一次コイル８０と昇降機構８ａとは、ボックス状のハウジング８ｂに収納されており、ハウジング８ｂには、移動用の車輪８５と、停止位置を保持するストッパ８６が設けられている。二次コイルユニット７は、一次コイル８０との間で電磁結合する二次コイル７０と、二次コイル７０からの電力を整流してバッテリパック６に供給する充電回路部７１とを備えている。図１の例では、二次コイルユニット７を構成する二次コイル７０と充電回路部７１とは一体化されておらず、二次コイル７０はバッテリパック６の下部に配置され、充電回路部７１はバッテリパック６の上部に配置されている。二次コイル７０は、バッテリパック６の下部に形成された凹部である後凹部ＢＳに入り込んでおり、コイル支持部材７９を用いてバッテリパック６または機体フレーム２０あるいはその両方に支持されている。

図３に示されているように、一次コイルユニット８のコイル給電回路部８１には、整流回路８２と通信制御部８３とインバータ８４とが含まれている。二次コイルユニット７の充電回路部７１には、整流回路７２と通信制御部７３とが含まれている。整流回路８２は、電源ケーブルを介して商用電源に接続されており、ＤＣ電圧を生成し、インバータ８４に与える。インバータ８４は入力したＤＣ電圧から交番電圧を生成して、一次コイル８０に流す。一次コイル８０と電磁結合した二次コイル７０で生成された交番電圧は充電回路部７１の整流回路７２に流されることで、整流回路７２から所定の電圧値を有する充電用ＤＣ電圧が出力される。整流回路７２はバッテリパック６に接続されており、充電用ＤＣ電圧によって充電用電流がバッテリパック６に送り込まれる。

コイル給電回路部８１の通信制御部８３と充電回路部７１の通信制御部７３とは、無線通信によって情報交換可能である。バッテリパック６の充電時には、充電情報を交換して、コイル給電回路部８１及び充電回路部７１を制御する。コイル給電回路部８１または充電回路部７１あるいはその両方に、一次コイル８０と二次コイル７０とが適正位置に入ったことを報知する報知デバイス（ブザー９１やランプ９２ランプなど、図１参照）が備えられている。

なお、バッテリパック６は、出力先としてのパワードライブユニット５に接続されている。パワードライブユニット５には、モータ制御部５０とインバータ５１が備えられており、モータ制御部５０からの制御信号に基づいてインバータ５１から出力されたモータ駆動電流が左モータ４Ｌ及び右モータ４Ｒに送られる。

次に、図面を用いて、電動作業車両の具体的な実施形態の１つを説明する。図４は、電動作業車両の一例であるミッドマウント型の電動草刈機の側面図であり、図５は平面図である。この電動草刈機（以下単に草刈機と称する）は、図１、図２、図３を用いて説明した、非接触充電システムを採用している。

図４と図５に示されているように、草刈機は、車体１０を備えており、車体１０は、左前輪１１Ｌと右前輪１１Ｒとからなるキャスタタイプの前輪ユニット１１と、回転駆動される左後輪１２Ｌと右後輪１２Ｒとからなる後輪ユニット１２とによって対地支持されている。車体１０は、ベースフレームとして機体フレーム２０を有している。機体フレーム２０は、左フレーム２１と、右フレーム２２と、左フレーム２１と右フレーム２２を連結するクロスビーム２３とからなる。前輪ユニット１１と後輪ユニット１２との間で、モーアユニット１３がリンク機構１４を介し機体フレーム２０から吊り下げられている。モーアユニット１３には、ブレード伝動機構１３１と、このブレード伝動機構１３１によって回転するブレード１３２が備えられている。車体１０の車体前後方向中央領域に運転座席１６が配置されている。

図６に示されているように、左フレーム２１及び右フレーム２２は、前後方向に延びたその中間領域から上下に分岐し後領域で再び連結している。つまり、左フレーム２１は、後半分領域で、上フレーム部２１ａと下フレーム部２１ｂとを含んでいる。同様に、右フレーム２２は、後半分領域で、上フレーム部２２ａと下フレーム部２２ｂとを含んでいる。側面視で、左フレーム２１の上フレーム部２１ａと下フレーム部２１ｂとの間の領域に左トランスミッション３０Ｌが配置され、右フレーム２２の上フレーム部２２ａと下フレーム部２２ｂとの間の領域に右トランスミッション３０Ｒが配置されている。左トランスミッション３０Ｌには左後車軸ケース３１Ｌがつながっており、この左後車軸ケース３１Ｌに左後輪１２Ｌが支持されている。右トランスミッション３０Ｒには右後車軸ケース３１Ｒがつながっており、この右後車軸ケース３１Ｒに右後輪１２Ｒが支持されている。左後車軸ケース３１Ｌは、左後輪１２Ｌの左後車軸４１を内装して軸受け支持する筒状体であり、その外形は円錐台形状である。同様に、右後車軸ケース３１Ｒは、右後輪１２Ｒの右後車軸４２を内装して軸受け支持する筒状体であり、その外形は円錐台形状である。バッテリパック６は、バッテリパック６の重心が、平面視において、車体前後方向中心線上にほぼ位置しており、かつ後車軸心Ｐｒから前側および後側で後輪半径の長さ内に入るように配置されている。

左トランスミッション３０Ｌは、ギヤ伝動機構によって構成されており、左後車軸ケース３１Ｌの中心軸心でもある後車軸心Ｐｒに直交するように車体前後方向前方に延びている。左トランスミッション３０Ｌと左後車軸ケース３１Ｌは一体的に構成されており、左トランスミッション３０Ｌの入力部に左モータ４Ｌが連結している。同様に、右トランスミッション３０Ｒは、ギヤ伝動機構によって構成されており、右後車軸ケース３１Ｒの中心軸心でもある後車軸心Ｐｒに直交するように車体前後方向前方に延びている。右トランスミッション３０Ｒと右後車軸ケース３１Ｒは一体的に構成されており、右トランスミッション３０Ｒの入力部に右モータ４Ｒが連結している。

左モータ４Ｌと右モータ４Ｒとに対する変速操作は、運転座席１６の両側に配置された、左右一対の変速レバー１８（図３及び図４参照）によって行われる。変速レバー１８を前後中立位置に保持すると対応する左モータ４Ｌまたは右モータ４Ｒは停止状態となり、変速レバー１８を中立位置から前方に操作することで正転駆動して前進変速が実現し、後方に操作することで後転駆動して後進変速が実現する。左右一対の変速レバー１８の独立した操作により、左モータ４Ｌと右モータ４Ｒとはそれぞれ独立して可変速駆動可能である。

図６と図７に示すように、バッテリパック６は、バッテリケース６０に収納された複数のバッテリモジュール６Ａを備えている。バッテリケース６０は、上下２つ割れの成形品であり、上ケース６０ａと、下ケース６０ｂとからなる。なお、ここでは、バッテリケース６０の前半分を前ケース部６１と称し、後半分を後ケース部６２と称する。

後ケース部６２は、前ケース部６１に対して上方にずれており、これにより、バッテリケース６０は、前ケース部６１と後ケース部６２との間で段差を有する段差立方体形状となっている。

図７に示すように、上ケース６０ａと下ケース６０ｂとに分割されるバッテリケース６０の内部には、前ケース部６１と後ケース部６２とにわたって内部を上下に二分する水平仕切り壁６３が設けられている。この水平仕切り壁６３によって、前ケース部６１の内部は上側の第１空間Ｓ１と下側の第２空間Ｓ２とに区分けされ、後ケース部６２の内部は上側の第３空間Ｓ３と下側の第４空間Ｓ４とに区分けされる。水平仕切り壁６３は板材であり、折り曲げ加工を通じてバッテリケース６０と同様な上下段差を有するように成形され、第２空間Ｓ２と第３空間Ｓ３と第４空間Ｓ４とがほぼ同一な形状及び体積となっている。第１空間Ｓ１は、幅と高さが他の空間より小さくなっている。第１空間Ｓ１と第３空間Ｓ３との間には垂直仕切り壁６４が設けられている。

第１空間Ｓ１には電装ユニット６８が収納されている。第２空間Ｓ２と第３空間Ｓ３と第４空間Ｓ４のそれぞれには、同じ仕様のバッテリモジュール６Ａが収納されている。このバッテリモジュール６Ａの内部に、多数のバッテリセル６ａが収納されている。

第１空間Ｓ１には、バッテリモジュール６Ａと外部とを接続する電力線に設けられたリレーやフューズなどからなる電装ユニット６８が収納される。垂直仕切り壁６４には、第１空間Ｓ１の空気を吸引して第３空間Ｓ３に送り込む循環ファン６９が装着されている。循環ファン６９の電気系は電装ユニット６８に組み込まれている。バッテリケース６０の内部には、循環ファン６９から出て、第３空間Ｓ３、第４空間Ｓ４、第２空間Ｓ２を通り抜けて第１空間Ｓ１に達し、循環ファン６９に戻る循環空気流路（図７において矢印で示されている）が形成される。この循環空気流路を流れる循環空気によって、バッテリケース６０の４つの空間の温度が均等化される。

図７に示すように、二次コイル７０は、バッテリパック６の下ケース６０ｂの下面に向き合うように、コイル支持部材７９に保持されている。コイル支持部材７９は、左フレーム２１の下フレーム部２１ｂと右フレーム２２の下フレーム部２２ｂとを連結するクロスバーを介して機体フレーム２０に固定されている。二次コイル７０は、その磁力線が上下方向を向く姿勢で、左側の下フレーム部２１ｂと右側の下フレーム部２２ｂとの間に配置されているので、下フレーム部２１ｂと右側の下フレーム部２２ｂとが機体横断方向の防御柵となっている。

一次コイルユニット８は、その一次コイル８０が二次コイル７０の真下に位置するように動かされる。その際、機体横断方向の位置調整は、一次コイルユニット８の移動で行い、機体前後方向の位置調整は草刈機の微速前後進で行うことができる。一次コイル８０と二次コイル７０とが適正な位置関係となった時（適正な電力が伝達されあ時）に、報知する報知デバイスとしてのブザー９１とランプ９２がコイル支持部材７９に取り付けられている。同様な報知デバイスを一次コイルユニット８に設けてもよい。さらに、草刈機の操縦による一次コイル８０と二次コイル７０との位置合わせのために、操縦パネルのランプをこの報知デバイスとして兼用できるようにしてもよい。

〔別実施の形態〕
（１）上述した実施形態では、一次コイルユニット８は、一次コイル８０とコイル給電回路部８１とを二段重ねで備えていたが、横並び配置でもよい。
（２）上述した実施形態では、一次コイルユニット７は、二次コイル７０と充電回路部７１とを分割して、バッテリパック６の下部と上部とに分けて配置したが、両者を一体化して、バッテリパック６の下部に配置してもよい。
（３）上述した実施形態では、本発明の非接触充電システムを組み込んだ電動作業車両として電動草刈機が取り上げられたが、田植機やコンバインやトラクタなどの農作業機、バックホウやバケットローダなどの建機なども適用対象である。

本発明の非接触充電システムは、充電可能なバッテリパックを備えた電動作業車両に適用可能である。本発明の電動草刈機は、非接触充電システムを採用する電動草刈機に適用可能である。

４ ：電動モータユニット
５ ：パワードライブユニット（モータ給電回路部）
６ ：バッテリパック
７ ：二次コイルユニット
８ ：一次コイルユニット
８ａ ：昇降機構
８ｂ ：ハウジング
１０ ：車体
１１ ：前輪ユニット
１２ ：後輪ユニット
１３ ：モーアユニット
２０ ：機体フレーム
５０ ：モータ制御部
５１ ：インバータ
７０ ：二次コイル
７１ ：充電回路部
７２ ：整流回路
７３ ：通信制御部
７９ ：コイル支持部材
８０ ：一次コイル
８１ ：コイル給電回路部
８２ ：整流回路
８３ ：通信制御部
８４ ：インバータ
８５ ：車輪
８６ ：ストッパ
９１ ：ブザー
９２ ：ランプ
ＢＳ ：後凹部（凹部）

Claims (7)

1. コイル給電回路部と、前記コイル給電回路部の上方に配置された一次コイルとを含み、地面に配置される一次コイルユニットと、
   機体フレームの後部で左右一対の後輪の間に配置されたバッテリパックと、
   前記一次コイルとの間で電磁結合する二次コイルと、
   前記二次コイルからの電力を整流して前記バッテリパックに供給する充電回路部と、
   前記二次コイルを前記バッテリパックの下部に配置するコイル支持部材と、を備えた電動作業車両のための非接触充電システム。
2. 前記充電回路部が前記バッテリパックの上部に取り付けられている請求項１に記載の非接触充電システム。
3. 前記バッテリパックの後側下部に凹部が形成されており、前記凹部に前記二次コイルが配置されている請求項１または２に記載の非接触充電システム。
4. 前記一次コイルユニットには、前記一次コイルを昇降させる昇降機構が設けられている請求項１から３のいずれか一項に記載の非接触充電システム。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の非接触充電システムを組み込んだ電動草刈機であって、
   前記機体フレームの前部にモーアユニットが昇降可能に吊り下げられ、前記バッテリパックからモータ給電回路部を介して供給される電力によって前記後輪を駆動する電動モータユニットが前記後輪の間で前記後輪の車軸心より前方に配置されている電動草刈機。
6. 前記電動モータユニットが、左トランスミッションを介して一方の後輪を駆動する左モータと右トランスミッションを介して他方の後輪を駆動する右モータとからなり、前記左モータと前記左トランスミッションとが前記一方の後輪と前記バッテリパックとの間に配置され、前記右モータと前記右トランスミッションとが前記他方の後輪と前記バッテリパックとの間に配置されている請求項５に記載の電動草刈機。
7. 最上昇位置の前記モーアユニットの下面は前記二次コイルの下面より低い請求項５または６に記載の電動草刈機。

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