JP6391526B2 - バッテリパック及び電動作業車両 - Google Patents

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Description

本発明は、電動モータによって作業走行する電動作業車両のバッテリパック、及びこのバッテリパックを搭載した電動作業車両に関する。
乗用車の分野では、電動モータの回転力で走行する電動車両が普及し始めている。その際、電動モータの電源として、バッテリが車両に搭載される。バッテリはその性能を維持するためには、バッテリ温度を適温に保つ必要があるため、バッテリには冷却構造が備えられることが少なくない。例えば、特許文献1による車両用バッテリパックでは、ケース内に、複数のバッテリセルでなるバッテリセル群と、このバッテリセル群へ空気を流す冷却ファンとが収納されている。ケースには、さらに、外部からこのケース内に空気を導入する吸入口と、このケース外へ空気を排出する排出口とが形成されている。冷却ファンの回転駆動によって発生した空気流が、バッテリセル同士の間の隙間、及びケースの内側底面とバッテリセル群の底面との間の底部空間に延びる吸気流路を通り抜ける。つまり、車外から吸入口を通じてケース内に導入された冷却空気は、吸気流路、底部空間、バッテリ同士の隙間を経由して排出口からケースの外に排出される。さらに、ケースの下面に下方に突出する複数の放熱フィンが設けられている。
しかしながら、草刈機、田植機、トラクタなどのように、作業を行いながら走行する作業車両においては、作業走行における周囲環境が、自動車などの周囲環境に比べて悪く、周囲から冷却空気を取り入れた場合、その冷却空気には、刈り草や藁などの塵が混じりやすく、冷却風通路の詰まりといった問題が生じる。
特開2014−075181号公報
上記実情に鑑み、草や藁などの異物が浮遊している周囲環境下を作業走行する電動作業車両に搭載されるバッテリを効果的に冷却して、バッテリの温度を適温に保持する技術が望まれている。
本発明に関わる電動作業車両のバッテリパックは、バッテリユニットと、前記バッテリユニットを密閉収容するケースと、前記ケースの内部空間に設けられた循環ファンと、前記ケースに設けられるとともに前記循環ファンによる冷却風を前記バッテリユニットに方向付ける導風部材とを備えている。
この構成では、バッテリユニットと循環ファンとが1つのケースに密閉収容されており、循環ファンによるケース内部空間の空気の循環と、ケースの密閉による外気の進入の抑制とにより、外部からの異物の進入が抑制されながらも、ケース内空間の温度が均一化される。さらに、このケース内空間温度の均一化の作用をより効果的に実現するため、導風部材が設けられている。この導風部材は、循環ファンによって作り出された冷却風がバッテリユニットの温度分布ができるだけ均一化するように方向づける機能を有する。これにより、バッテリユニットの温度分布が均一化しやすくなり、結果的には各バッテリモジュール、の効率的な利用が実現する。
なお、上記の「密閉収容」とは、ケースの内部空間が完全な気密状態に維持されるという意味ではなく、内部空間への外気の流通が抑制され、外気温度と内部空間の温度とが簡単には平衡化されない、ゆるやかな気密状態をも含む広い意味をもつ用語として用いられている。
なお、本発明の権利は、上述したバッテリパックを備えた電動作業車両にも及ぶものである。
電動作業車両に搭載されたバッテリパックの基本構成を示す説明図である。 電動草刈機の側面図である。 電動草刈機の平面図である。 バッテリパックとバッテリパックから給電されるモータとの平面図である。 バッテリパックの実施形態の1つを示す分解斜視図である。 パック組立フレームによって3列横並びで組み付けられるバッテリモジュールを示す斜視図である。 バッテリ保持フレーム構造体と導風部材とを示す斜視図である。 バッテリパックの内部を示す、車体前後方向で切断された縦断面図である。 バッテリパックの内部を示す、車体横断方向で切断された縦断面図である。
本発明に関わるバッテリパック及びこのバッテリパックを搭載する電動作業車両の具体的な実施形態を説明する前に、図1を用いて、バッテリパックの基本的な構成を説明する。
図1では、バッテリパック6は分解された形態で示されているが、長方体を基本形状としており、前輪11と後輪12とに対地支持された車体10に搭載されている。図1の例では、後輪12がバッテリパック6から供給される電気によって駆動する駆動輪である。車体前後方向つまり車体走行方向に関して、後輪12の前方に作業装置13が配置され、後輪12の後方にバッテリパック6が配置されている。これにより、車両の前後の重量バランスが良好となっている。
バッテリパック6は、ケース60を備え、ケース60の内部空間にバッテリユニット6Aと、循環ファン6Bとが備えられている。ケース60は、長方体形状のバッテリユニット6Aを収納する第1ケース部61と、第1ケース部61の上面に煙突状に突き出るように配置された長方体形状の第2ケース部62とからなる。第2ケース部62は第1ケース部61より小さなサイズである。第1ケース部61によって作り出される第1内部空間S1にバッテリユニット6Aが収納され、第2ケース部62によって作り出される第2内部空間S2に循環ファン6Bが収納される。その際、バッテリ保持フレーム構造体51は、ケース60の骨組みを作り出している。バッテリユニット6Aは、複数のバッテリモジュール6a、図1の例では、3列3段、計9つのバッテリモジュール6aからなり、バッテリ保持フレーム構造体51によって保持されている。バッテリ保持フレーム構造体51の外面がパネル52で覆われることで、密閉した第1内部空間S1が作り出される。
第1内部空間S1とバッテリユニット6Aとはほぼ相似形であり、第1内部空間S1の方がバッテリユニット6Aより若干大きい。例えば、第1ケース部61の内面とバッテリユニット6Aの外面とは、数ミリから数センチ程度のわずかな隙間が形成される。第1ケース部61と第2ケース部62との間の境界面にはファン開口63と戻り開口64とが設けられている。第1内部空間S1と第2内部空間S2はファン開口63と戻り開口64とによって流通しているが、第1内部空間S1及び第2内部空間S2は、外部に対しては、外気の進入が抑制される程度に、あるいは草や紙切れなどが入り込まない程度に密閉されている。循環ファン6Bは、循環ファン6Bによって作り出される冷却風がファン開口63を通って第1内部空間S1に流れ込むように取り付けられている。
第1内部空間S1に流れ込んだ冷却風が、直接バッテリユニット6Aの上面に衝突しないように、ファン開口63の下方でバッテリユニット6Aの上面に沿って板状の導風部材50が延びている。導風部材50は、さらにバッテリユニット6Aの側面に沿って下方に延びており、冷却風を下方に導く。導風部材50の延び方向の途中にスリットO1が形成されており、このスリットO1及び導風部材50の下端開放部O2を通じて、冷却風がバッテリユニット6Aに向けて送り出される。図1の例では、スリットO1は、2段目バッテリモジュール6aと3段目のバッテリモジュール6aとの隙間に対向する位置にあり、導風部材50の下端開放部O2は、2段目バッテリモジュール6aと3段目のバッテリモジュール6aとの隙間の少し上に位置している。
第1内部空間S1と第2内部空間S2とを流通させる戻り開口64は、ファン開口63とは反対側に位置しており、戻り開口64とファン開口63との直接流通は導風部材50によって抑制されている。つまり、導風部材50は、循環ファン6Bのファン開口63が存在する冷却風空間とバッテリユニット6Aが存在する冷却風空間とを少なくとも部分的に隔離する隔離板としての機能を有する。この構成により、循環ファン6Bによって生み出されてファン開口63から出た冷却風は導風部材50によって下方に案内され、バッテリユニット6Aを通り抜けて戻り開口64を介して第2内部空間S2に入り、再び循環ファン6Bの吸い込み側に戻る。冷却風空間の温度上昇を抑制するためには、ケース60の内部空間、つまり第1ケース部61と第2ケース部62の内部空間を冷却するためには、ケース60の外表面にヒートシンクが設けられるとよい。具体的には、第1ケース部61と第2ケース部62の外面を形成するパネル52の少なくとも一部の外面にヒートシンクを形成するとよい。導風部材50の形状、及び導風部材50に形成されたスリットO1の形状は、複数のバッテリモジュール6aのそれぞれが均等に冷却されるように実験及び経験に基づいて決定される。スリットO1はルーバ―形状にしてもよい。さらに、より高い精度で各バッテリモジュール6aの温度の均一化を図るためにはスリットO1や下端開放部O2の開口面積を調整できるように、開口面積の変更が可能な調整板などを設けるとよい。
次に、図面を用いて、本発明によるバッテリパックを搭載した電動作業車両の具体的な実施形態の1つを説明する。図2は、電動作業車両の一例である電動草刈機の側面図であり、図3は電動草刈機の平面図であり、図4は車体後部の平面図である。図2と図3と図4とに示されているように、電動草刈機(以下単に草刈機と称する)は、左右一対の前輪11と回転駆動される駆動車輪としての左右一対の後輪12とによって対地支持された車体10を備えている。車体10は、ベースフレームとして車体フレーム2を有しており、車体フレーム2は左右一対の前フレーム21と後フレーム22とからなる。前輪11と後輪12との間で、モーアユニット13がリンク機構14を介し前フレーム21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の機体前後方向中央領域に運転部16が配置されている。このため、車体10の機体前後方向中央領域には座席支持体を介して運転座席16aが配置されている。
図4に示されているように、前フレーム21の後端領域には、左右の前フレーム21の間に、駆動ユニット3が配置されている。この駆動ユニット3は、ケース構造体30を備えている。ケース構造体30は平面視で門型形状であり、その左部分である左ケース部30Lと、その右部分である右ケース部30R、左ケース部30Lと右ケース部30Rとを接続する中央ケース部30Cとからなる。左ケース部30Lと右ケース部30Rとは、それぞれ中央ケース部30Cから後方に延びている。左ケース部30Lの端部領域は左後車軸41を支持する後輪車軸受け部が形成され、右ケース部30Rの端部領域は右後車軸42を支持する後輪車軸受け部が形成されている。ケース構造体30は左右の前フレーム21と連結されており、車体フレーム2のクロスビームの1つとして機能している。後フレーム22はケース構造体30及び前フレーム21とから延びており、載置面22Sを規定しており、この載置面22Sにバッテリパック6が配置されている。
中央ケース部30Cは、左の後輪12を駆動する左モータ4Lと右の後輪12を駆動する右モータ4Rとの共通のハウジングとして機能する。トランスミッション4Tは、左モータ4Lの動力を左後車軸41に伝達する左伝動機構43と左モータ4Lの動力を右後車軸42に伝達する右伝動機構44とを備えている。左伝動機構43は左ケース部30Lに内装され、右伝動機構44は右ケース部30Rに内装されている。図4では、点線で囲まれたボックスとして模式的に示されているだけであるが、ギヤ対やチェーンや伝動軸などを用いて構成される。
左モータ4Lと右モータ4Rとは独立に可変速駆動制御される。これにより、左右の後輪12の両方が同じまたはほぼ同じ速度で前進方向に駆動することで直進前進が作り出され、左右の後輪12が同じまたはほぼ同じ速度で後進方向に駆動することで直進後進が作り出される。さらに、左右の後輪12の速度を互いに異ならせることで、車体10を任意の方向に旋回移動させることができ、例えば、左右の後輪12のいずれか一方を零速に近い低速にさせ、他方の後輪12を高速で前進側あるいは後進側に操作することで小回り旋回させることができる。さらに、左右の後輪12を互いに逆方向に駆動することで、車体10を左右の後輪12のほぼ中央部を旋回中心としてスピンターンさせることもできる。左右一対の前輪11は、キャスタ輪に構成されて縦軸芯周りで向きを自由に変更することができるから、左右の後輪12の駆動による走行方向に応じて向きが修正されることになる。
左モータ4Lと右モータ4Rとに対する変速操作は、図2及び図3に示されている運転座席16aの両側に配置された左右一対の変速レバー18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無段変速装置が中立停止状態となり、変速レバー18を中立位置から前方に操作することで前進変速が実現し、後方に操作することで後進変速が実現する。
運転部16の後部にはロプス(ROPS)装置17が設けられている。ロプス装置17はU字状のアーチ部材であり、左右の自由端領域が、後フレーム22と左ケース部30Lと右ケース部30Rとに連結している。
図4に示すように、中央ケース部30Cと左ケース部30Lと右ケース部30Rとによって囲まれる空間に作業装置13としてのモーアユニット13に動力を与える作業用モータ4Wが配置されている。作業用モータ4Wは出力軸が車体前後方向で前方に延びており、中継軸130を介してモーアユニット13のブレード伝動機構131に動力が伝達される。
以下、図5から図9を用いて、バッテリパック6の実施形態の1つを説明する。このバッテリパック6は、実質的には、図1を用いて説明した基本構造を採用している。バッテリパック6は、バッテリ保持フレーム構造体51によって3列3段に組み付けられる9個のバッテリモジュール6aからなるバッテリユニット6Aを備えている。このバッテリモジュール6aはLiイオンバッテリであり、その充電及び給電はバッテリ制御ユニット6Cによって制御される。
各段を構成する3つのバッテリモジュール6aは、図6に示すように、パック組立フレーム53によって一体化される。パック組立フレーム53は、バッテリモジュール6aを3列で載置するバッテリ載置面530を作り出しているベース部材531と、ベース部材531に載置された各バッテリモジュール6aをベース部材531に締め付け固定する留め板532とを含む。留め板532は薄鋼板製の逆U字状折り曲げ加工品であり、両方の下端部には下向きの締結ボルト533が固定されている。ベース部材531は高さの低い山形パイプで構成され、各バッテリモジュール6aの配置に対応する位置に貫通孔が形成されるとともに、貫通孔に対して同軸状にベース部材531の裏面(山形パイプの溝内)にナットが固定されている。そのナットに締結ボルト533が螺合することで、バッテリモジュール6aがベース部材531に固定される。このような構造は、パック組立フレーム53を含むバッテリモジュール6aの高さを低くすることに貢献している。なお、ナットに代えてねじ孔をベース部材531に設けてもよい。
バッテリ保持フレーム構造体51は、図7に示すように、チェストの骨組みのような構造体であり、逆U字状の左右の横枠511と、この横枠同士を連結する連結部材512とを有する。さらに、横枠511には、パック組立フレーム53を抽斗のように出し入れ可能に支持するレール513が設けられている。これにより、各段の抽斗を構成する3つのバッテリモジュール6aを含むパック組立フレーム53は、バッテリ保持フレーム構造体51からそれぞれ独立して出し入れ可能となる。
バッテリ保持フレーム構造体51の外面は、パネル52によって覆われている。これにより、バッテリ保持フレーム構造体51の内部に、刈り草などが入り込まない密閉した内部空間である第1内部空間S1が作り出される。
図5に示すように、バッテリ保持フレーム構造体51は、さらに別に上部フレーム構造体54を備えている。上部フレーム構造体54は、バッテリ保持フレーム構造体51の上面を形成するパネル52uの上に配置される。上部フレーム構造体54は、4つの側壁541と天板542とによって覆われており、その内部に、刈り草などが入り込まない密閉した内部空間である第2内部空間S2が作り出される。バッテリ保持フレーム構造体51と上部フレーム構造体54との間の隔壁となっているパネル52uには、上部フレーム構造体54の底面より若干小さい開口S3が設けられており、この開口S3によって第1内部空間S1と第2内部空間S2が連通している。
上部フレーム構造体54には、実質的に底板として機能する載置板543が取り付けられている。この載置板543には、バッテリ制御ユニット6Cと循環ファン6Bとが載置される。循環ファン6Bは軸流形であり、吹き出し側を載置板543に設けられたファン開口63に向くように取り付けられ、上方から吸い込んだ空気を、下方から冷却風として吹き出す。循環ファン6Bからの冷却風は、ファン開口63と開口S3とを通り、第1内部空間S1に送られる。
図8に示されているように、載置板543には、ファン開口63以外に、バッテリ制御ユニット6Cの載置箇所周辺にも戻り開口64としての貫通孔が設けられており、この戻り開口64を通じて、第1内部空間S1に送られた冷却風が第2内部空間S2に戻ってくることができる。
図7と図8と図9に示されているように、ファン開口63から吹き出した冷却風を、バッテリユニット6Aの側壁541と、バッテリ保持フレーム構造体51の側面を覆うパネル52との間の空間に、導くために、導風部材50が設けられている。導風部材50は、板材の折り曲げ加工によって製作されており、載置板543に接続している立ち上がり部501と、バッテリユニット6Aの上方をファン開口63の開口面と平行に延びる水平板部502と、バッテリユニット6Aの側方を垂直に延びる垂直板部503とからなる。垂直板部503には、3つのバッテリモジュール6aを3列並びでかつ3段重ねで一体化しているバッテリユニット6Aの上段のバッテリモジュール6aと中段のバッテリモジュール6aとの隙間に対応する位置にスリットO1が設けられている。また、垂直板部503の下端504がバッテリユニット6Aの下段のバッテリモジュール6aと中段のバッテリモジュール6aとの隙間に対応する位置の少し上方まで延びている。これにより、下端504とパネル52との間に下端開放部O2が作り出される。このスリットO1を単純な開口ではなく、ルーバ―構造にしてもよい。その際ルーバの傾斜板を可変できるようにしてもよい。さらに必要な場合、スリットO1や下端開放部O2には、それ自体は、ここでの図示は省略するが、公知な開口調整スライド窓ユニットを取り付けてもよい。
この導風部材50の助けにより、図7に示されているように、循環ファン6Bから送り出された冷却風は、バッテリ保持フレーム構造体51の側面に沿って流れるともに、スリットO1や下端開放部O2を通じて3段重ねのバッテリモジュール6aの隙間に入り込み、バッテリモジュール6aを冷却する。さらにパネル52とバッテリユニット6Aの側面との間の空間を通り抜け、戻り開口64から第2内部空間S2に入る。さらに、第2内部空間S2に入った冷却風は、循環ファン6Bの吸い込みにより循環ファン6Bの吸い込み側へ流れるが、この冷却風の流れにより、バッテリ制御ユニット6Cを構成する構成部品が冷却される。図8に示されているように、循環ファン6Bによって送り出されて戻ってきた冷却風を冷却するため、上部フレーム構造体54の外周面を形成するパネル52、特に上面のパネル52に、ヒートシンク69が設けられる。このようなヒートシンク69は、上面以外の側面のパネル52に設けられてもよいし、その他のパネル52、例えば、バッテリ保持フレーム構造体51の外周面を形成するパネル52に設けられてもよい。
図示されていないが、上部フレーム構造体54の側壁541には、ケーブルコネクタが設けられており、外部と内部との電力線及び制御線の接続を可能にしている。
〔別実施の形態〕
(1)上述した実施形態では、バッテリユニット6Aは、9個のバッテリモジュール6aを横3列縦3段に積み重ねて構成されたが、それ以外の個数、列数、段数を採用してもよい。その際にも、各バッテリモジュール6aは帯状の留め板532を用いてベース部材531に固定される方法を採用すれば、バッテリモジュール6aがコンパクトに組み付けられるので利点がある。
(2)上述した実施形態では、循環ファン6Bによる冷却風によって冷却されるようにバッテリ制御ユニット6Cもバッテリパック6のケース60内に収納されたが、バッテリ制御ユニット6Cをケース60の外に配置してもよい。また、さらに別な機器をケース60内に収納してもよい。
(3)上述した実施形態では、バッテリパック6を備えた電動作業車両として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本発明の適用対象である。
本発明は、バッテリユニットを循環ファンによる循環冷却風によって冷却するバッテリパック及びそのバッテリパックを備える電動作業車両に適用することができる。
2 :車体フレーム
21 :前フレーム
22 :後フレーム
22S :載置面
3 :駆動ユニット
50 :導風部材
501 :立ち上がり部
502 :水平板部
503 :垂直板部
504 :下端
51 :バッテリ保持フレーム構造体
52 :パネル
52u :パネル
53 :パック組立フレーム
530 :バッテリ載置面
531 :ベース部材
532 :留め板
533 :締結ボルト
54 :上部フレーム構造体
6 :バッテリパック
6A :バッテリユニット
6B :循環ファン
6C :バッテリ制御ユニット
6a :2段目バッテリモジュール
6a :バッテリモジュール
60 :ケース
61 :第1ケース部
62 :第2ケース部
63 :ファン開口
64 :戻り開口
69 :ヒートシンク
O1 :スリット
O2 :下端開放部
S1 :第1内部空間
S2 :第2内部空間
S3 :開口

Claims (8)

  1. バッテリユニットと、
    前記バッテリユニットを密閉収容するケースと、
    前記ケースの内部空間に設けられた循環ファンと、
    前記ケースに設けられるとともに、前記循環ファンによる冷却風を前記バッテリユニットに方向付ける導風部材と、を備え
    前記ケースは、前記バッテリユニットを収容する第1内部空間を形成する第1ケース部と、前記循環ファンを収容する第2ケース部とを含み、前記第2ケース部の内部空間である第2内部空間に前記バッテリユニットと接続されたバッテリ制御ユニットが収納されている電動作業車両のバッテリパック。
  2. バッテリユニットと、
    前記バッテリユニットを密閉収容するケースと、
    前記ケースの内部空間に設けられた循環ファンと、
    前記ケースに設けられるとともに、前記循環ファンによる冷却風を前記バッテリユニットに方向付ける導風部材と、を備え、
    前記ケースは、前記バッテリユニットを保持するバッテリ保持フレーム構造体と、前記バッテリ保持フレーム構造体を覆うパネルとを含む電動作業車両のバッテリパック。
  3. 前記バッテリユニットは、前記ケースの内部空間に複数段で配置されるバッテリモジュールからなり、前記導風部材は、前記複数段で配置されたバッテリモジュールの隙間空間に前記冷却風を流し込むために前記循環ファンのファン開口から前記隙間空間まで延びるとともに、前記循環ファンのファン開口と循環ファンの吸気口とを隔離する仕切り板である請求項1または2に記載の電動作業車両のバッテリパック。
  4. 前記導風部材は、前記複数のバッテリモジュールが存在するバッテリ空間と前記循環ファンのファン開口が存在する冷却風空間とを隔離する隔離板として形成され、前記隔離板に形成されたスリットを通じて前記バッテリ空間と前記冷却風空間とが連通される請求項に記載の電動作業車両のバッテリパック。
  5. 前記スリットの形状は、前記複数のバッテリモジュールのそれぞれが均等に冷却されるように決定されている請求項4に記載の電動作業車両のバッテリパック。
  6. 前記ケースの外表面にヒートシンクが設けられている請求項1からのいずれか一項に記載の電動作業車両のバッテリパック。
  7. バッテリパックと、前記バッテリパックからの給電によって駆動する後輪と、前記後輪の中心軸より前方に配置されるとともに前記バッテリパックからの給電によって駆動する作業装置とを備えた電動作業車両であって、
    前記バッテリパックは前記後輪の中心軸より後方に配置され、
    前記バッテリパックは、
    バッテリユニットと、
    前記バッテリユニットを密閉収容するケースと、
    前記ケースの内部空間に設けられた循環ファンと、
    前記ケースに設けられるとともに、前記循環ファンによる冷却風を前記バッテリユニットに方向付ける導風部材と、を備え
    前記ケースは、前記バッテリユニットを収容する第1内部空間を形成する第1ケース部と、前記循環ファンを収容する第2ケース部とを含み、前記第2ケース部の内部空間である第2内部空間に前記バッテリユニットと接続されたバッテリ制御ユニットが収納されている電動作業車両。
  8. バッテリパックと、前記バッテリパックからの給電によって駆動する後輪と、前記後輪の中心軸より前方に配置されるとともに前記バッテリパックからの給電によって駆動する作業装置とを備えた電動作業車両であって、
    前記バッテリパックは前記後輪の中心軸より後方に配置され、
    前記バッテリパックは、
    バッテリユニットと、
    前記バッテリユニットを密閉収容するケースと、
    前記ケースの内部空間に設けられた循環ファンと、
    前記ケースに設けられるとともに、前記循環ファンによる冷却風を前記バッテリユニットに方向付ける導風部材と、を備え、
    前記ケースは、前記バッテリユニットを保持するバッテリ保持フレーム構造体と、前記バッテリ保持フレーム構造体を覆うパネルとを含む電動作業車両。
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