JP6853505B2 - バッテリパック交換装置 - Google Patents

Description

本発明は、電動車両などに搭載されるバッテリパックを交換するバッテリパック交換装置の改善に関する。

電気自動車など電動車両の多くは、車体の床下（車両の下部）に搭載されているバッテリパックを電力源として走行モータを駆動している。こうした電動車両が走行できる航続距離は、バッテリパックに収めたバッテリの容量に依存することから、航続距離の延伸化のため、バッテリ容量の増大が求められる。
一方、電動車両のバッテリパックは、充電作業が求められる。しかし、充電設備の普及は十分ではないうえ、充電にはかなりの時間を費やす。特に充電時間は、バッテリパックのバッテリ容量が増大するにしたがい長くなる。

そこで、近時、引用文献１に開示されているような既存の充電設備とは別に車載のバッテリパックを、充電済みのバッテリパックと交換するバッテリパック交換装置を普及させる。また引用文献２に開示されているような大形のコイル部によって車外から車載のバッテパックを大電力で充電する共鳴式や誘導式の非接触式の充電装置を普及させて、バッテリパックの充電に係る機会を増大させることが行われつつある。

特開２０１０−１８４６２１号公報 特表２０１６−５３８８１５号公報

ところが、バッテリパック交換装置の普及は十分でない。しかも、非接触式の充電装置の普及も不十分である。このため、バッテリパックの充電の要求には応えられていないのが実情で、バッテリパックの充電要求に応えられる技術が要望されている。
そこで、本発明の目的は、車載のバッテリパックを大電力で充電可能としたバッテリパック交換装置を提供する。

本発明の態様は、バッテリを収めた脱着式のバッテリパックを下部に有する車両が作業対象とされ、車両の下部からバッテリパックへ向かい昇降してバッテリパックを下方から支えるリフタ台を有したリフタ機構の昇降動により、車両下部のバッテリパックの取外しおよび取付けを可能とした車両のバッテリパック交換装置であって、バッテリパックは、バッテリへ充電電力を供給する受電コイル部を有し、リフタ台は、受電コイル部と対応した位置に給電コイル部を有して、給電コイル部から受電コイル部へ充電電力が供給可能に構成され、リフタ台の昇降動によるバッテリパックの交換作業と、リフタ台の昇降動により給電コイル部と受電コイル部とを対向配置させることによるバッテリパックの充電作業とを選択可能にしたことにある。

本発明によれば、車載のバッテリパックの交換が求められるときは、リフタ台を用いて車載のバッテリパックを交換し、バッテリパックの充電が求められるときは、リフタ台の給電コイル部を車載のバッテリパックの充電コイル部に接近させて充電電力を供給すればよい。
したがって、バッテリパック交換装置は、バッテリパック交換だけでなく、車載のバッテリパックを大電力で充電でき（給電）、バッテリパック交換装置の活用によりバッテリパックの充電要求にも応えられ、充電設備の普及に貢献することができる。

本発明の一実施形態に係る態様となるバッテリパック交換装置の構成を示す斜視図。 車載バッテリパックの各部を示す斜視図。 バッテリパック交換装置の各部を示す斜視図。 バッテリパック交換やバッテリパック充電の要求のために車載バッテリパックの底部にリフタ台が配置された状態を示す側断面図。 車載バッテリパックの固定が解除される状態を示す側断面図。 同解除後、バッテリパックを車両から取り外されるときを示す側面図。

以下、本発明を図１から図６に示す一実施形態にもとづいて説明する。
図１は、バッテリパック交換装置２１の全体を電気自動車３１（電動車両）と共に示し、図２は電気自動車３１に搭載されたバッテリパック４１の構成を示し、図３は同バッテリパック４１を脱着するリフタ機構６１の各部を示している。
図１に示されるように電気自動車３１は、車体１の下部（例えば床下）に上記バッテリパック４１が搭載されている。バッテリパック４１は、例えば扁平箱形のバッテリケース４３内に、多数のバッテリセルを接続して構成されるバッテリモジュール４５（図１，図２：本願のバッテリに相当）や各種センサ類（図示しない）を収めて構成される。またバッテリパック４１の底面部の所定位置には、ケース外から受電を行う二次コイル部４７（本願の受電コイル部に相当）が収められる。

ここではバッテリパック４１は、例えば図２に示されるように車体１の下部構造を構成する車両前後方向に延びる左右一対のサイドフレーム３と、同サイドフレーム３，３間に設けた一対のクロスメンバ５，５とに囲まれる床下部分に収められる。そして、バッテリケース４３下部から周囲へ突き出た複数、例えば１０個の据付脚７（例えば前後各二個、左右各四個）は、サイドフレーム３やクロスメンバ５の各部に締結（例えばボルト部材９による固定：図５）され、二次コイル部４７内蔵のバッテリパック４１を車体１の床下に脱着可能に組み付けている。

ちなみに、バッテリケース４３下部には、各据付脚７と隣接した地点にそれぞれ安全性を担保する安全フック機構１１が設けてある。例えば安全フック機構１１は、図２（ｂ）に拡大するようにバッテリケース４３の外壁面に、開放部を外側に配置してチャンネル部材で形成されたホルダ１３を設け、このホルダ１３内に、上端部に外向きＬ形の爪部１５ａを有し、下端部に内向きを鋭角とした鋭角部１５ｂに有したフック部材１５を回動自在に収めて構成され、常態において爪部１５ａはホルダ１３外へ突き出される。そして、突き出た爪部１５ａは、鋭角部１５ｂが横方向へ押圧されることで強制的に退避されるようになっている。突き出た爪部１５ａは、図５（ａ）のようにバッテリパック４１周りのサイドフレーム３、クロスメンバ５の外壁面から突き出た各係止片１７（例えばアングル部材で構成）と係止され、ボルト部材９による締結に不備があってもバッテリパック４１が車体１から落下せずにすむようにしている。ちなみに図２中の符号１５ｃは、フック部材１５の回動支点部を示し、符号１８はフック部材１５の復帰用のスプリング部材を示している。

ちなみにバッテリパック４１の二次コイル部４７は、図１に示されるように電気自動車３１に搭載された充電機器、例えばバッテリモジュール４５とつながる整流器４９、通信機能を有する充電コントローラ５１に接続され、充電指令の信号が入力されると、二次コイル部４７から高周波電流が受電され、受電した高周波電流が整流されてバッテリモジュール４５へ供給される。なお、充電コントローラ５１は、走行モータを駆動するインバータ（いずれも図示しない）など走行用制御機器を制御する車両制御部５３にも接続してある。この車両制御部５３に、例えばバッテリケース４３の複数個所、例えばケース下面の二個所に設けてある位置決め用の発信器５５が接続してある。

一方、図１に示されるようにバッテリパック交換装置２１は、例えば電気自動車３１を定位置に配置させるためのフロア２３をもつ。ちなみにフロア２３は架台でもよい。電気自動車の車体中央の直下となるフロア部分には、作業用の開口部２５を有する。開口部２５は、電気自動車のバッテリパック４１（据付脚７や安全フック機構１１を含む）よりも大きな角形の開口で形成される。この開口部２５バッテリパック４１の直下を含むフロア２３下には、例えば作業用ピットを構成するピット空間２４が形成されていて、このピット空間２４の底面にリフタ機構６１が据え付けられている。

例えばリフタ機構６１は、図１および図３に示されるようにピット空間２４の下面に設置された、Ｘ−Ｙ方向（左右前後方向）の位置制御と、例えば中心部α１，α２を中心とした中心軸β１、β２周りの回転制御とが可能なベース部６３と、バッテリパック４１の底面部を下側から支える長方形状のリフタ台６５と、ベース部６３に組み付きリフタ台６５を水平状態のまま所定の待機位置から開口部２５に臨むバッテリパック４１間まで昇降（Ｚ方向）させるアーム機構６７とを有している。ちなみにリフタ台６５の上面全体は、バッテリパック４１を支える支持面６５ａ（図３）となる。なお、アーム機構６７には、例えば複数のリンク６８（図３）を回動自在に連結した昇降駆動可能なリンク機構が用いられる。そして、リフタ機構６１の各部を駆動する各駆動源（図示しない）は作業制御部６９に接続され、作業制御部６９からの指令によりリフタ機構６１が制御されるようになっている。

ちなみに、リフタ台６５にはバッテリパック上面位置を検出する近接センサ（図示しない）が設けてある。またリフタ台６５のうち、バッテリパック４１の発信器５５と対応する上面の各位置には、同発信器５５と組み合う位置決め用の受信器７１が設けられている。受信器７１は、作業制御部６９に接続される。
図１および図３のようにリフタ台６５の周りには、据付脚７や、フック部材１５の鋭角部１５ｂの各位置に対応して、据付脚７の固定を解除する機器や、フック部材１５による係止を解除する機器が設けられている。据付脚７の固定を解除する機器は、例えば図３（ｂ）に拡大されたようにリフタ台６５の周側面にＬ形のホルダ７５を設け、このホルダ７５に、据付脚７を固定するボルト位置に対応して、例えばモータ７７ａ駆動のナットランナ装置７７を設けた構造でなる。つまり、ナットランナ装置７７により、据付脚７を固定していたボルト部材９が取り外せる。

またフック部材１５の係止を解除する機器には、ホルダ７５の上面に係止解除片７９を起倒可能に設ける構造が用いられる。例えば係止解除片７９は、ホルダ７５の上面に収容開口８１を設けて、この収容開口８１内に角形板状の係止解除片７９を起倒可能に収める。係止解除片７９は、常態では収容開口８１に収まり、駆動源、例えばソレノイド８３の駆動により起立（垂直）する。係止解除片７９は、先端部がテーパ状に形成されていて、起立したときは、リフタ台６５の上昇に伴い、先端側から上記ホルダ１３の内面とフック部材１５の鋭角部１５ｂ間の隙間へ差込まれ、上記フック部材１５の鋭角部１５ｂを横方向へ押圧させる。つまり、係止解除片７９により、安全フック機構１１の解除が行われる。

こうしたリフタ機構６１のうち、リフタ台６５の下側、例えば支持面６５ａの中央部には、一次コイル部７３（本願の給電コイル部に相当）が埋設されている。この一次コイル部７３は、図１に示されるように例えばピット空間２４に設置した高周波電力源９１（高周波電力を供給する）に接続される。高周波電力源９１は、通信機能を有する送電コントローラ９３に接続され、充電指令の信号が入力されると、高周波電力源９１から一次コイル部７３へ高周波電流が供給される。

この送電コントローラ９３は、バッテリパック交換装置２１の各部を制御する作業制御部６９に接続される。むろん作業制御部６９にはバッテリパック交換に要する各種センサ類（図示しない）も接続される。また作業制御部６９には操作部９７が接続され、この操作部９７の操作により、車載のバッテリパック４１の交換作業や、一次コイル部７３と二次コイル部４７とによる非接触式の充電、ここでは共鳴式の充電が行えるようにしてある（給電）。

例えば操作部９７は、「バッテリパック交換」のモード、「充電」のモードのいずれかを選択する二種類の選択ボタンを有する。作業制御部６９には、「バッテリパック交換」モードを実行するため、予め係止解除片７９を起立させる機能、発信器５５と受信器７１とによる通信を位置決め手段として用いてバッテリパック４１とリフタ台６５との相互を所定に位置決めながらリフタ台６５でバッテリパック４１を下方から支えて載置する機能、載置後、ナットランナ装置７７を作動（ボルト解除側）させる機能が設定される。そして、操作部９７から「バッテリパック交換」モードが選択されると、指令信号が出力されて、リフタ機構６１、安全フック機構１１、ナットランナ装置７７が作動し、フロア２３上に駐車した電気自動車３１からバッテリパック４１が取り外せるようにしている。むろん、逆の作業により、新たなバッテリパック４１が車両へ取付けられるようにもなっている。

また作業制御部６９には、「充電」モードを実行するため、係止解除片７９を伏せる機能、先の発信器５５と受信器７１とによる通信を位置決め手段として一次コイル部７３（リフタ台６５側）と二次コイル部４７（電気自動車３１側）との相互を位置決めながらリフタ台６５をバッテリパック４１の下側に配置（バッテリパック４１を支える位置）させる機能、位置決め後、一次コイル部７３へ高周波電流を供給して二次コイル部４７へ送電し、送電した高周波電流を整流器４９を通じバッテリセル４５へ導く機能が設定されている。そして、操作部９７から「充電」モードが選択されると、無接点方式の充電、すなわちリフタ台６５の一次コイル部７３、バッテリパック４１の二次コイル部４７、整流器４９を通じて、車載のバッテリパック４１へ給電される。つまり、一次コイル部７３、二次コイル部４７、高周波電力源９１等から構成される非接触式の充電装置９９にて、バッテリパック４１の充電が行えるようになっている。

つぎに図４〜図６を参照して、このように構成されたバッテリパック交換装置２１の作用を説明する。
今、電気自動車３１のバッテリパック作業を行うため、図１に示されるようにバッテリパック４１下部を開口部２５に臨ませ、フロア２３上の所定位置に電気自動車３１を駐車させる。ここで、「バッテリパック交換」が求められたとする。

このときは、操作部９７の選択ボタンの中から「バッテリパック交換」モードを選択し、オンする。すると、車載のバッテリパック４１の取り外しが行われる。
すなわち、図１に示されるようにリフタ台６５は、ベース部６３やアーム機構６７の作動、車両側の各発信器５５およびリフタ台６５側の受信器７１の作動により、ピット空間２４の待機位置から上昇し、車載のバッテリパック４１の下部へ向かう。すなわちリフタ台６５は、各発信器５５、各受信器７１の指示、近接センサ（図示しない）にしたがい、図４に示されるようにバッテリパック４１とリフタ台６５の相互が位置決められながら、バッテリパック４１の下部を支える位置に導かれる。

このときリフタ台６５の各係止解除片７９は、図３（ｂ）、図５（ａ）に示されるようにソレノイド８３の作動により、起立している。そして、図５（ｂ）に示されるように起立した各係止解除片７９は、リフタ台６５が位置決めされるにしたがい、ホルダ１３の内面とフック部材１５の鋭角部１５ｂ間の隙間へ挿入される。これにより、鋭角部１５ｂは、横方向に押圧され、フック部材１５は、回動支点部１５ｃを支点に係止解除側へ、スプリング部材１８の弾性力に抗して回動変位され、係止片１７との係止が解除される。

その後、バッテリパック４１の各ボルト位置の直下で位置決めてある各ナットランナ装置７７は作動され、ボルト部材９は弛み、バッテリパック４１と車体１（サイドフレーム３、クロスメンバ５）との締結が解除される。これにより、バッテリパック４１は、外されてリフタ台６５に移り、支持面６５ａ上に載置される。つまり、駐車した電気自動車３１からバッテリパック４１が取り外せられる。

その後、図６に示されるようにリフタ台６５は下降され、取り外したバッテリパック４１をピット空間２４内へ導く。ついで、所定の位置で、このバッテリパック４１に代わり、新たなバッテリパック４１を載せ替える。そして、取り外し作業とは逆の取付作業を行い、新たなバッテリパック４１を、電気自動車３１の下部に取り付ければ、バッテリパック４１の交換を終える。

一方、「充電」が求められたときは、操作部９７の選択ボタンの中から「充電」モードを選択し、オンする。すると、バッテリパック４１の充電作業が行われる。
このときは、係止解除片７９が収容開口８１に収められた状態（倒れた状態）のまま、リフタ台６５は、発信器５５と受信器７１、近接センサ（図示しない）の指示にしたがい、上記バッテリパック交換のときと同様、図４のように車載のバッテリパック４１の下部に配置される。このときは、係止解除片７９は倒れた状態（格納状態）なので、リフタ台６５の支持面６５ａは、バッテリパック４１の底部に配置（近接）されただけとなる。つまり、リフタ台６５の位置決めを利用して、車両側の二次コイル部４７とリフタ台６５側の一次コイル部７３とは、近接、かつ互いに向き合うように配置される。これにより、効率よく送電が行える体勢が整う。

その後、高周波電力源９１から高周波電流を一次コイル部７３へ供給する。これにより、バッテリパック４１の充電が開始される。すなわち、一次コイル部７３から二次コイル部４７へ高周波電流が送電される（共鳴）。この高周波電流が、整流器４９で整流されてバッテリモジュール４５へ供給される。つまり、無接点式の送電により、車載のバッテリパック４１の充電が行われる。所定の充電容量まで充電が行われると、バッテリパック４１の充電は終える。

「充電」モードのときは、安全フック機構１１の解除作業やナットランナ装置７７の解除作業は行われない。
以上のようにバッテリパック交換装置２１は、リフタ台６５に、バッテリパック４１の二次コイル部４７と組み合う一次コイル部７３を設けて、バッテリパック４１の交換作業とバッテリパック４１の充電作業とを選択可能な構成にしたことにより、バッテリパック交換が求められるときは、リフタ台６５の昇降動によりバッテリパック４１を交換すればよく、バッテリパック４１の充電が求められるときは、リフタ台６５の昇降動により一次コイル部７３をバッテリパック４１の二次コイル部４７に接近（対向）させて、一次コイル部７３から二次コイル部４７へ充電電力を供給すればよい。

したがって、バッテリパック交換装置２１は、バッテリパック交換だけでなく、バッテリパック４１を大電力で充電することもできる（給電）。この結果、バッテリパック交換装置２１を活用して、バッテリパック４１の充電要求に応えられるようになり、充電設備の普及に貢献できる。
しかも、バッテリパック交換装置２１は、二次コイル部４７をバッテリパックの底面部に収め、一次コイル部７３をリフタ台６５の支持面６５ａの下側に設けたので、大コイル部を用いた効率のよい送電が可能となり、大電力による充電が可能となる。

そのうえ、一次コイル部７３と二次コイル部４７とは、発・受信器５５，７１（位置決め手段）によって、相互位置が位置決められるので、送電ロスが抑えられ、効率よくバッテリパック４１の充電を進めることができる。
なお、本発明は、上述した一実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々可変して実施しても構わない。例えば一実施形態では、共鳴式の充電を適用したが、これに限らず、誘導式の充電を用いてもよく、無接点式の充電の仕方には限定されるものではない。

１ 車体
４１ バッテリパック
４５ バッテリモジュール（バッテリ）
４７ 二次コイル部（受電コイル部）
５５，７１ 発信器、受信器（位置決め手段）
６１ リフタ機構
６５ リフタ台
６５ａ 支持面
７３ 一次コイル部（給電コイル部）

Claims (3)

1. バッテリを収めた脱着式のバッテリパックを下部に有する車両が作業対象とされ、
   前記車両の下部から前記バッテリパックへ向かい昇降してバッテリパックを下方から支えるリフタ台を有したリフタ機構の昇降動により、前記車両下部のバッテリパックの取外しおよび取付けを可能とした車両のバッテリパック交換装置であって、
   前記バッテリパックは、前記バッテリへ充電電力を供給する受電コイル部を有し、
   前記リフタ台は、前記受電コイル部と対応した位置に給電コイル部を有して、前記給電コイル部から前記受電コイル部へ充電電力が供給可能に構成され、
   前記リフタ台の昇降動による前記バッテリパックの交換作業と、前記リフタ台の昇降動により前記給電コイル部と前記受電コイル部とを対向配置させることによる前記バッテリパックの充電作業とを選択可能にした
   ことを特徴とするバッテリパック交換装置。
2. 前記リフタ台は、前記バッテリパックの底面部を支える支持面を有し、
   前記受電コイル部は、前記バッテリパックの底面部に収められ、
   前記給電コイル部は、前記リフタ台の支持面の下側に設けられる
   ことを特徴とする請求項１に記載のバッテリパック交換装置。
3. 前記バッテリパックと前記リフタ台とは、前記給電コイル部と前記受電コイル部との相互位置を位置決める位置決め手段を有していることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のバッテリパック交換装置。

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