JP7668232B2 - 電動ｌｈｄ採掘機械用バッテリー搭載機構 - Google Patents

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関連出願の相互参照
本出願は、すべて２０１９年６月７日に本出願と同時に出願された「Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｌｏａｄ－Ｈａｕｌ－Ｄｕｍｐ Ｍｉｎｉｎｇ Ｍａｃｈｉｎｅ」（代理人整理番号１２３－１０８６）と題する共同米国特許出願第１６／４３４，３９０号、「Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｍｉｎｉｎｇ Ｍａｃｈｉｎｅ」（代理人整理番号１２３－１０８８）と題する米国特許出願第１６／４３４，４００号、及び「Ｓｅｐａｒａｂｌｅ Ｔｏｗ Ｈｏｏｋ Ｂｒａｋｅ Ｒｅｌｅａｓｅ Ｓｙｓｔｅｍ」（代理人整理番号１２３－１０８９）と題する米国特許出願第１６／４３４，４０５号に関連し、その全文が参照により本明細書に組み込まれる。

本開示は、広くは、電気機械及び車両に関し、より具体的には、地表下採掘場で使用される電気機械及び車両に関する。

地表下採掘場環境に関する概要と、採掘用電気車両の一般的な説明については、２０１８年６月１２日に発行された「Ｓｙｓｔｅｍ Ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ Ｆｏｒ Ｐｒｏｖｉｄｉｎｇ Ｐｏｗｅｒ Ｔｏ Ａ Ｍｉｎｉｎｇ Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ」と題する米国特許第９，９９４，１１７号明細書に記載されており、その内容すべてが参照により本明細書に組み込まれる。本開示は、地表下採掘場などといった、作業が継続して行われる環境等で動作する、高耐久性の電動機械または車両に関するものである。電動採掘機で使用されるバッテリーパックは、耐久性のある高出力バッテリーパックで、パックハウジング内に収容された複数のバッテリーモジュールから構成される。そして各モジュールは、複数のセルから構成される。モジュールには数多くの動作センサが装備され、加えてセンサからのデータを別途設けられた保守用ネットワークに送信するための電子部品が設けられる。センサの例としては、例えば、温度センサ、タイミング装置、充電レベル検出装置、ならびにモジュールのパフォーマンスの正確なリアルタイムデータとパフォーマンス履歴を運用センターに提供するのに使用可能な他の監視装置が挙げられる。バッテリーパック及びバッテリー管理システム、ならびに関連データの生成及び監視の例については、２０１８年５月１日に発行された、「Ｍｏｄｕｌｅ Ｂａｃｋｂｏｎｅ Ｓｙｓｔｅｍ」と題する、共同所有された米国特許第９，９６０，３９６号、及び「Ｍｏｄｕｌｅ Ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ Ｓｙｓｔｅｍ」と題された２０１８年８月２８日に発行された米国特許第１０，０６３，０６９号にその詳細が記載されており、その全内容が参照により本明細書に組み込まれる。

２０１８年５月１５日に出願され、同時係属中の「Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ Ｐｏｗｅｒｅｄ Ｍｉｎｉｎｇ Ｖｅｈｉｃｌｅ」と題する共同米国特許出願第１５／９８０，３１４号、２０１８年２月２８日に出願された「Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｈａｕｌ Ｔｒｕｃｋ」と題する米国特許出願第１５／９０８，７９４号、２０１８年２月２８日に出願された「Ｍｏｕｎｔｉｎｇ ａｎｄ Ｄｉｓｍｏｕｎｔｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ａ Ｒｅｐｌａｃｅａｂｌｅ ｐｏｗｅｒ ｓｏｕｒｃｅ」と題する米国特許出願第１５／９０８，７９９号、２０１８年２月２８日に出願された「Ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｍｏｕｎｔｉｎｇ ａｎｄ Ｄｉｓｍｏｕｎｔｉｎｇ Ｂａｔｔｅｒｉｅｓ ｉｎ ａ Ｖｅｈｉｃｌｅ」と題する米国特許出願第１５／９０８，８０２号、２０１８年２月２８日に出願された「Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ ａｎｄ Ｌｏｃｋｉｎｇ Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｆｏｒ Ｒｅｍｏｖａｂｌｅ Ｒｅｐｌａｃｅａｂｌｅ ｐｏｗｅｒ ｓｏｕｒｃｅ」と題する米国特許出願第１５／９０８，８０４号には、電動採掘機、バッテリー、及び地表下採掘環境に関する説明が記載されており、その全内容が参照により本明細書に組み込まれる。

一つの態様では、交換式電源用の搭載及び卸下システムは、車両のシャーシに取り付けられ、ラック部材を含む。ラック部材は、交換式電源と係合する持ち上げ部を含む。システムはさらに、ラック部材を上昇させるアクチュエータを含む。ラック部材は、最下位置及び最上位置を有する。ラック部材は、最下位置と最上位置の間を直線方向に移動する。

別の態様では、交換式電源交換システムは、搭載及び卸下システムを含む。搭載及び卸下システムは、持ち上げ部を有するラック部材と、ラック部材を上昇させるアクチュエータと、を含む。また、交換式電源交換システムは、シャフトを備えた外部ケーシングをさらに有する交換式電源を含む。持ち上げ部は、シャフトと係合するように構成され、アクチュエータは、ラック部材を最下位置と最上位置の間を直線方向に移動させる。

別の態様では、車両は、シャフトが設けられた外部ケーシングを含む、車両に電力を供給するための交換式電源と、交換式電源を昇降させるための車載搭載及び卸下システムと、搭載及び卸下システムと、を含む。搭載及び卸下システムは、持ち上げ部を有するラック部材と、ラック部材を最下位置と最上位置の間で直線方向に上昇させるアクチュエータと、をさらに含む。交換式電源を昇降させるために、持ち上げ部がシャフトと係合する。

本発明の他のシステム、方法、特徴及び利点は、以下の図面及び詳細な説明を検討することによって当業者に明らかとなるであろう。上記のような他のシステム、方法、特徴及び利点は、この説明及びこの概要に含まれるものとし、かつ本発明の範囲内にあって以下の特許請求の範囲により保護されるものとする。

本発明の、以下の図面及び説明を参照することにより、よりよく理解される。図面内の構成要素は必ずしも縮尺通りではなく、どちらかというと本発明の原理の説明に重点が置かれている。さらに、異なる図面間においても、同様の参照番号は、それぞれ対応する部分を示している。

一実施形態による電動ロードホールダンプ車両の概略図である。 図１の車両において交換式電源が取り外された状態を示す概略図である。 図１の車両の搭載及び卸下システムの拡大図である。 一実施形態における交換式電源の車両への搭載手順を示す概略図である。 一実施形態における交換式電源の車両への搭載手順を示す概略図である。 一実施形態における交換式電源の車両への搭載手順を示す概略図である。 一実施形態における交換式電源の車両への搭載手順を示す概略図である。 一実施形態による交換式電源を搭載可能な位置の範囲を示す概略図である。 一実施形態による交換式電源を搭載可能な位置の範囲を示す概略図である。 一実施形態による交換式電源を搭載可能な位置の範囲を示す概略図である。 図３～図７に示す搭載及び卸下システム用の、ロックシステムの動作を示す概略図である。 図３～図７に示す搭載及び卸下システム用の、ロックシステムの動作を示す概略図である。

一般的に、電動採掘機は車載バッテリーパックから電力供給を受ける。採掘機は、ロードホールダンプ（ＬＨＤ）機械、スケーラ、地均し機、バケットローダ、砕石機、カッタ、運搬機、またはこれらの組み合わせであってもよい。一般に、電動採掘機は、過酷な地表下環境や、限られた空間用に設計された高耐久性車両であり、車載バッテリーや他の電源から電力供給を受ける。一般に、電動採掘機は、ツール先端部、高耐久性のホイール及びタイヤ、オペレータエリア、ならびに制御部を含み、着脱可能な車載電源を含んでもよい。

本開示は、交換式バッテリーアセンブリ等の交換式電源用の搭載及び卸下システムに関する。交換式電源を使用することにより、電源の再充電を待つことなく、車両のエネルギー源の交換を素早く行うことができる。これにより、特に地下採掘作業において、時間短縮につながり、作業効率が向上する。バッテリー等の電気車両用の電源は、重量が非常に重く、オペレータが人手で搭載したり卸下したりできない場合がある。そのようなシステムの一例として、別途機外昇降システムを必要とせずに、車両に対し自動的に交換式電源の搭載及び卸下を行うことを可能にする機能を有するものがある。そのようなシステムは、リフトラックアセンブリを使用して、交換式電源（バッテリーアセンブリ等）を垂直方向に昇降させる。このシステムにおいては、交換式電源を垂直方向にのみ移動することで、搭載または卸下中に、交換式電源が揺動したり傾いたりする可能性を抑制することが支援できる。バッテリーを上方に持ち上げると同時に車両に向かって揺動させるようなバッテリー昇降システムの場合、交換式電源を車両に水平方向にぶつけてしまう可能性がある。しかし、垂直方向のみに昇降させることで、そのような可能性を排除することができる。システムはまた、それぞれ反対方向を向いたフック状の持ち上げ部及びフック状の保持部材を含む。持ち上げ部には、交換式電源に設けられた把持可能な要素（例えば、バー等）が収容され、保持部材が上方から把持可能要素に係合するまで交換式電源が持ち上げられる。以下に説明する図示した例示的システムは、交換式電源を搭載する前に、交換式電源と車両とを手動で位置合わせする必要がないため、完全自律型掘車両への移行を容易にするものである。

図１は、電動採掘車両１００の概略図である。この例示的な実施形態では、車両１００は、ロードホールダンプ（ＬＨＤ）採掘車両であってもよい。しかしながら、以下に説明する定めは、他の実施形態において、他の様々な種類の電気車両に組み込むことができる。

車両１００は、車輪１１０及びバケット１１２等の採掘車両用の標準装備を含んでもよい。車両１００はまた、車輪１１０及びバケット１１２に電力を供給する設備を含んでもよい。さらに車両１００には一人以上のオペレータが乗り込む乗客キャブ１１６等の、車両に標準的な様々な機構や機能が備えられている。

参照上の目的により、車両１００は、３つの異なる軸を用いて識別されてもよい。軸は、車両１００の長手方向の寸法を通って延在する長手軸１５０、車両１００の幅方向の寸法を通って延在する短手軸１５２、及び車両１００の高さに関連する寸法を通って延在する垂直軸１５４を含む。短手軸１５２は、車両１００において対向する側面間に延在し、垂直軸１５４は車両１００において対向する下面及び上面の間に延在してもよい。

実施形態においては、車両１００の１つまたは複数の電気モータに電力を供給する交換式電源を組み込むことができる。「交換式電源」という用語は、本明細書において使用する場合、相互に交換可能なあらゆる種類の電源を指す。一実施形態では、交換式電源はバッテリーパックアセンブリを備える。バッテリーパックアセンブリは、２つ以上の電池パックを備える。「バッテリーパック」という用語は、本明細書で使用する場合、一般に、耐久性のあるパックハウジング内に収納された複数のバッテリーモジュールを指す。各モジュールは、複数のバッテリーセルから構成される。このように、バッテリーパックは個々のバッテリーセルの集合体についても言及する。先に組み込まれた係属中の出願に記載されているように、バッテリーセル、ひいてはモジュールが互いに機能的に相互接続される。いくつかの実施形態においては、バッテリーパックアセンブリは、別々のバッテリーパックをまとめて保持するためのケーシングまたはハウジング（ケージ等）、もしくはそれ似た入れ物を含んでもよい。より広義には、交換式電源は、バッテリー、エンジンまたは他の電源などといった電力供給システムを保持及び支持するためのケーシングまたはハウジングを備えていてもよい。

別の実施形態においては、バッテリーパックには、適切な種類のいかなるバッテリーセルが組み込まれていてもよい。バッテリーセルの例としては、コンデンサ、電気二重層コンデンサ、及び電気化学セル等が挙げられる。電気化学セルの例としては、一次電気化学セル（例えば、単回使用セル）及び二次電気化学セル（例えば、充電式セル）が挙げられる。二次電気化学セルの例としては、鉛酸バッテリー、制御弁式鉛（ＶＲＬＡ）蓄電池、ジェルタイプバッテリー、吸着ガラスマット（ＡＧＭ）バッテリー、ニッケル・カドミウム（ＮｉＣｄ）電池、ニッケル・亜鉛（ＮｉＺｎ）電池、ニッケル水素（ＮｉＭＨ）電池、リチウムイオン（Ｌｉイオン）電池などが挙げられる。バッテリーセルの電圧レベルは異なっていてもよい。特に、場合によっては、１つのバッテリーパック内の２つの別々のバッテリーセルで電圧レベルが異なっている可能性がある。同様に、バッテリーセルのエネルギー容量も異なっていてもよい。特に、場合によっては、バッテリーパック内の２つの異なるバッテリーセルの容量レベルが異なっている可能性がある。

図１に示すように、車両１００は、交換式電源１３０を備えて構成される。バケット１１２は、車両１００の第１の端部１４０に配置されてもよく、交換式電源１３０は、第２の端部１４２に配置されてもよい。他の実施形態では、交換式電源１３０を車両１００の別の部分に取り付けてもよい。

図１に示す実施形態において、交換式電源１３０は、２つのバッテリーパックを含む。バッテリーパックは第１のバッテリーパック１３２及び第２のバッテリーパック１３４を含む。第１のバッテリーパック１３２と第２のバッテリーパック１３４は、並べて配置してもよい。また、第１のバッテリーパック１３２及び第２のバッテリーパック１３４は、バッテリーケージ１３６内に保持される。

交換式電源１３０は、車両１００に着脱可能に取り付けられてもよい。「着脱可能に取り付けられる」という表現は、本明細書で使用する場合、互いに結合されるが、一方または他方を破壊することなく取り外すことができる２つの構成要素をいう。すなわち、部品は、互いに破壊することなく取り外すことができる。「着脱可能に取り付けられる」例示的な態様は、着脱可能な締結具、ラッチ、ロック、フック、磁気的接続、ならびに他の種類の接続を使用した接続を含むものとする。

図２は、車両１００において交換式電源１３０が取り外された状態を示す概略図である。車両１００は、交換式電源の交換を容易にするため、搭載及び卸下システム２００を含み、これは、単にシステム２００とも呼ばれる。搭載及び卸下システム２００は車両１００の車両シャーシ１０１（またはフレーム）に取り付けられる。言い換えると、システム２００は車両１００と一体化される。

図２からわかるように、交換式電源１３０は上部シャフト２５０及び下部シャフト２５２を含む。図２及び図３に示すように、これらの各シャフトは、バッテリーケージ１３６の一側面を横断し、水平に延在するバーまたはチューブを備えてもよい。システム２００はまた、これらのシャフトに係合し、シャフトを使用して交換式電源１３０を車両１００の定位置まで持ち上げて保持する機構を含んでもよい。

図３に、搭載及び卸下システム２００の拡大図を示す。図３を参照すると、システム２００は、リフトラックアセンブリ２２０と、複数の保持部材２２２とを備える。図２及び図３において、表示の目的で、リフトラックアセンブリと保持部材とが区別できるようリフトラックアセンブリ２２０を網掛けで示している。リフトラックアセンブリ２２０は、一対のラック部材を含む。具体的には、第１のラック部材２３２及び第２のラック部材２３４である。各ラック部材はそれぞれ、２つの持ち上げ部をさらに備える。第１のラック部材２３２は、第１の上部持ち上げ部２４０と、第１の下部持ち上げ部２４２とを含む。第２のラック部材も同様に、第２の上部持ち上げ部２４４と、第２の下部持ち上げ部２４６とを含む。

ラック部材は、交換式電源と４つの接触点を構成するよう配置される。ラック部材は水平方向（例えば、図１に示す車両１００の短手軸１５２に沿って）に離間させてもよい。また、各ラック部材の持ち上げ部の上下方向の（例えば、図１に示す車両１００の垂直軸１５４における）垂直高さを異ならせてもよい。この配置により、第１の上部持ち上げ部２４０及び第２の上部持ち上げ部２４４は、上部シャフト２５０と係合して交換式電源１３０を昇降するよう構成される。この配置により、第１の下部持ち上げ部２４２及び第２の下部持ち上げ部２４６は、下部シャフト２５２と係合して交換式電源１３０を昇降するよう構成される。

各持ち上げ部は、ラック部材を昇降する際、シャフトの一部を保持する形状及び設計となっている。この目的を果たすために、各持ち上げ部はフック様の形状をしていてもよい。一例として、図３を参照すると、第１の上部持ち上げ部２４０は、凹状係合面３０２を有する湾曲形状をしている。上部持ち上げ部２４０がシャフト（例えば、バー）に係合する際、シャフトは凹状係合面３０２の、Ｕ字形の開口部に滑って入り込む。これにより、シャフトがリフトラックアセンブリ２２０から外れたり、脱落したりするのを防止する。残りの各持ち上げ部についても、シャフトと係合してシャフトを持ち上げるときに、シャフトを収容するのを支援するような同様のフック形状を有すると見做すことができる。さらに、この凹形状は車両に向かって下方に傾斜しているため、シャフト（及び交換式電源）を車両シャーシ１０１側に案内することが支援できる。

リフトラックアセンブリ２２０のラック部材は、１つ以上の液圧シリンダにより作動させてもよく、液圧シリンダはラック部材を上下するよう作動する。図２及び図３の視点では、液圧シリンダは車両１００のフレーム及び／またはシャーシに隠れている。しかし第１のラック部材２３２を昇降させるために使用可能な液圧シリンダ４４０については、図４～図７の概略側面図に示されている。構成によっては、それぞれのラック部材は、独立した液圧シリンダにより駆動される。第１のラック部材２３２と第２のラック部材２３４とが同時に昇降するよう液圧シリンダの動作を連携させてもよい。場合によっては、別の構成要素（図示せず）を用いて、第１のラック部材２３２と第２のラック部材２３４を連結し、両方のラック部材を１つの液圧シリンダで駆動することも可能である。

交換式電源が車両１００に搭載されると、複数の保持部材２２２は、交換式電源を定位置に保持するために使用されてもよい。図３に示すように、保持部材２２２は、シャーシ１０１に（直接的または間接的に）取り付けられていてもよい。例示的な実施形態では、複数の保持部材２２２は、８つの保持部材を備える。保持部材は、第１の上部保持部材２７１、第２の上部保持部材２７２、第３の上部保持部材２７３、第４の上部保持部材２７４、第１の下部保持部材２７５、第２の下部保持部材２７６、第３の下部保持部材２７７、及び第４の下部保持部材２７８を含む。

上下動する持ち上げ部とは対照的に、保持部材は車両１００上の定位置に固定される。また保持部材は、ラック部材が垂直方向の最上位置に上昇した後、交換式電源のシャフトを所定位置に固定するのを支援するように配置されている。具体的には、第１の上部保持部材２７１、第２の上部保持部材２７２、第３の上部保持部材２７３、及び第４の上部保持部材２７４は、垂直方向の同位置、かつ第１の上部持ち上げ部２４０及び第２の上部持ち上げ部２４４の垂直方向の最上位置の傍に設けられる。同様に、第１の下部保持部材２７５、第２の下部保持部材２７６、第３の下部保持部材２７７及び第４の下部保持部材２７８は、垂直方向の同位置、かつ第１の下部持ち上げ部２４２及び第２の下部持ち上げ部２４６の垂直方向の最上位置の傍に設けられる。

保持部材２２２は、交換式電源のシャフトを定位置に固定するのを支援するのに役立つ幾何学的形状を有してもよい。この目的を果たすために、各保持部材はフック型であってもよい。一例として、図３を参照すると、第１の上部保持部材２７１は、凹状係合面３０４を有する湾曲形状を有する。また、凹状係合面３０４は下を向いている。持ち上げ部（例えば、第１の上部持ち上げ部２４０）が上向きなのに対し、保持部材の係合面の向きは反転している。これにより、シャフトが、凹状係合面３０２によって形成されているＵ字形の開口部の奥までしっかりと滑り込む。

ラック部材が最上位置に上昇すると、持ち上げ部及び保持部材の凹状の幾何学的形状が連携しあって保持部材を完全に囲繞する。この配置関係は図７の概略図に最もよく示されている。この図は、車両１００に完全に搭載された状態の交換式電源１３０の位置を示している。図７に示すように、第１の上部保持部材２７１及び第１の上部持ち上げ部２４０により、上部シャフト２５０が、いかなる径方向（または非軸方向）にも実質的に移動しないよう防止される。同様に、第１の下部保持部材２７５及び第１の下部持ち上げ部２４２により、下部シャフト２５２がいかなる径方向にも実質的に移動しないよう防止される。

それ以外の各保持部材も、交換式電源が最上位置まで上昇した際にシャフトを定位置に固定するのを支援するために同様の反転フック状の幾何学的形状を有していることがわかる。本実施形態では、上部シャフトと連携する４つの保持部材と、下部シャフトに連携する４つの保持部材とを含む、合計８つの保持部材を使用しているが、それ以外の数の保持部材を使用した他の実施形態も可能である。例えば、上部保持部材を２つ、下部保持部材を２つのみ使用する実施形態も可能である。

図２に示すように、システム２００は、リフトラックを定位置に固定し、交換式電源が搭載されている状態で意図せず下降してしまうのを防ぐロックシステム２９０を含み得る。ロックシステム２９０は、第１の液圧シリンダ２９１及び第２の液圧シリンダ２９２、ならびに第１のロックブラケット２９３及び第２のロックブラケット２９４を含む。ロックピンは、各液圧シリンダを作動させて伸長させることができる。ロックピンは、以下でさらに詳細に説明するように、保持ブラケットに形成された貫通穴及び各ラック部材の上部に設けられた穴に挿入されてもよい。

システム２００は、１つまたは複数の水平位置決め機構を含み得る。いくつかの実施形態においては、車両は、搭載作業中にバッテリーケージの一部に係合するよう構成された、１つまたは複数の受け部材を含み得る。図２による図示が最もわかりやすいが、システム２００は、第１の水平受け部材２８０及び第２の水平受け部材２８２を含んでいてもよい。これらの受け部材の上面図を図１０に示す。各水平受け部材は、バッテリーケージ１３６の垂直方向に延びる要素（例えば、バーまたはチューブ）と係合可能な、傾斜のついた切り込みを備える。その特徴については、図１０を参照して、後にさらに詳述する。

図４～図７は、搭載及び卸下システムを使用して交換式電源を車両に搭載する方法を示す概略図である。具体的には、図４～図７は、第１のラック部材２３２（または、単にラック部材２３２）がどのようにして交換式電源１３０と係合し、交換式電源１３０を持ち上げ、車両１００の車両シャーシ１０１に搭載するかを示している。図４～図７の側面図において第２のラック部材２３４は示されていないが、第２のラック部材２３４も第１のラック部材２３２と同一の方法で動作することを理解されたい。図４～図７に概略的に示すように、第１のラック部材２３２は液圧シリンダ４４０を用いて昇降させる。

まず図４を参照すると、車両１００は、交換式電源１３０を搭載するために、交換式電源１３０に接近してもよい。交換式電源１３０は、地面４３０に配置されてもよい。交換式電源１３０と係合させるために、第１のラック部材２３２及び第２のラック部材２３４（図示せず）は最下位置４００に配置されている。ラック部材を最下位置に配置しておくことで、各ラック部材の持ち上げ部をバッテリーケージ１３６のシャフトの下にくぐらせることができる。図５に示すように、車両１００を交換式電源１３０に緊密に隣接して配置した場合、第１のラック部材２３２の第１の上部持ち上げ部２４０が上部シャフト２５０の下に配置されてもよい。また、第１のラック部材２３２の第１の下部持ち上げ部２４２が下部シャフト２５２の下に配置されてもよい。

図６に概略的に示すように、この時点でラック部材を持ち上げてもよい。具体的には、液圧シリンダ４４０が伸長して、第１のラック部材２３２を持ち上げる。第１のラック部材２３２が持ち上がると、第１の上部持ち上げ部２４０及び第１の下部持ち上げ部２４２が、それぞれ上部シャフト２５０及び下部シャフト２５２と係合する。シャフトと係合すると、第１の上部持ち上げ部２４０及び第１の下部持ち上げ部２４２の作用により、交換式電源１３０が地面４３０から持ち上がる。図６には示していないが、第２のラック部材２３４の持ち上げ部についても、同様に上部シャフト及び下部シャフトと同時に係合させて持ち上げることが可能であり、それにより、リフトラックアセンブリ２２０（図３参照）と交換式電源１３０との間に４つの接触点が形成される。

図７に示すように、液圧シリンダ４４０は第１のラック部材２３２（及び第２のラック部材２３４）が最上位置７０２に達するまで第１のラック部材２３２を持ち上げ続ける。さらに、第１のラック部材２３２が最上位置に達すると、シャフトが保持部材の凹状開口部の中に向かって持ち上がる。例えば、上部シャフト２５０は、第１の上部保持部材２７１の凹状開口を貫通した状態で配置される。また、下部シャフト２５２は、第１の下部保持部材２７５の凹状開口を貫通した状態で配置される。

図７からわかるように、シャフトは持ち上げ部と保持部材の間に固定される（持ち上げ部が下側から、保持部材が上側から固定される）。持ち上げ部及び保持部材の幾何学的形状は、シャフトの実質的半径方向の移動（すなわち、管状であるシャフトの軸に対して垂直方向の移動）を防止するよう重なり合う円弧状をしている。

ラック部材が最上位置（すなわち、搭載位置）に達した時点で、ロックシステムを使用することで、ラック部材が意図せず滑り落ちるのを防ぐことができる。明確化するために、ロックシステムの要素及び各ラック部材の一部の概略正面図を図１１～図１２に示す。具体的には、図１１に示すように、第１のラック部材２３２及び第２のラック部材２３４が最上位置にない場合、第１の液圧シリンダ２９１の第１のロックピン１１０２及び第２の液圧シリンダ２９２の第２のロックピン１１０４は後退している。図１２に示すように、ラック部材が最上位置に持ち上がると、ロックピンはブラケット及びラック部材を貫通して伸長する。具体的には、第１のロックピン１１０２は、第１のロックブラケット２９３に設けられた対向する穴と、第１のラック部材２３２に設けられたロック穴１２０２（点線で示す）を貫通して伸長する。また、第２のロックピン１１０４は、第２のロックブラケット２９４に設けられた対向する穴と、第２のラック部材２３４に設けられたロック穴１２０４（点線で示す）を貫通して伸長する。各ラック部材のロック穴にロックピンが挿通されることで、リフトラックアセンブリの下降が防止される。

図４～図７に示す手順に似た手順により、交換式電源を取り外すことができることを理解されたい。具体的には、ロックシステムのロックを解除することができる（すなわち、ロックピンを後退させる）。次に、リフトラックアセンブリを下降させることで、保持部材からシャフトを分離することができる。リフトラックアセンブリをさらに下降させると、交換式電源が地面に接触し、シャフトが下に移動すると、持ち上げ部分をシャフトから分離させることが可能となる。最後に、持ち上げ部がシャフトに係合しないよう十分低い位置まで下がったら、車両を交換式電源から離す方向に移動することができる。

図５～図７に示すように、各ラック部材は、実質的に直線方向に移動する。この場合、直線方向とは、車両１００の垂直軸１５４と平行に延びる垂直方向である。本実施形態の搭載及び卸下システムは、交換式電源の動きを実質的に直線的な（例えば、垂直）経路に制限することで、持ち上げ中に交換式電源が揺動しれたり傾いたりする可能性を抑制することを支援できる。さらに、交換式電源は垂直方向にのみ移動するため、保持部材をそれぞれの位置に固定しておけば、シャフトが最上位置に持ち上がった後定位置に移動しなくともよい。これにより、大きな荷重で壊れる可能性のある締結具を使用することなく、保持部材を車両のシャーシや他の支持構造と一体化することができる。

採掘環境では、地面は水平ではない場合がある。つまり、車両がバッテリーアセンブリを搭載または卸下しようとする際、バッテリーを持ち上げる（または下げる）場所と、車両の車輪が位置する場所との間に、わずかに地面の高低差がある場合もある。いくつかの実施形態によっては、平坦でない地面でバッテリーを確実に搭載または卸下できるようにするための対策を、車両において講ずることができる。

図１～図７に示した上述の搭載及び卸下システムは、交換式電源が車両の車輪と同じ高さの完全に平坦な表面に配置されていなくても、交換式電源を車両に搭載することができる。例えば、図８に示すように、交換式電源８０２が地表面８００よりも高さ８１０分だけ低いところに配置されていても、最下位置にリフトラックアセンブリ２２０を配置することでリフトラックアセンブリと係合が可能である。いくつかの実施形態においては、距離８１０は、約３．５インチであってよい。また、図８に示すように、交換式電源８０４が地表面８００よりも高さ８１２分だけ高いところに配置されていたとしても、リフトラックアセンブリ２２０が最上位置にあれば交換式電源と係合が可能である。いくつかの実施形態においては、距離８１２は、約８．５インチであってよい。交換式電源の位置が垂直方向にずれていたとしても、この範囲内であれば許容できるため、地下の採掘トンネルにありがちな不均一な地面であっても、車両１００に交換式電源を搭載することができる。

図９からわかるように、搭載及び卸下システムは、交換式電源が地面や別の水平面と同じ高さに配置されていなくても交換式電源を搭載することができる。例えば、リフトラックアセンブリ２２０を中間位置に配置しておけば、交換式電源９０２が水平面９２０に対して変位角９３０分、下向きに傾いていても、交換式電源のシャフトを持ち上げ部と係合することができる。具体的には、上部持ち上げ部２４０が上部シャフト２５０と係合し、下部持ち上げ部２４２が下部シャフト２５２と係合する。いくつかの実施形態においては、変位角９３０は、約６度であってもよい。また、図９からわかるように、交換式電源９０２が、水平面９２２に対して変位角９３２分、上向きに傾いていても、交換式電源のシャフトを持ち上げ部と係合することができる。いくつかの実施形態においては、変位角９３２は、約６度であってもよい。交換式電源が角度方向に変位したとしても、この範囲であれば許容できるため、採掘トンネルにありがちな傾斜した地面でも、車両１００に交換式電源を搭載することができる。

上述したように、車両１００は、交換式電源の水平方向の位置合わせを容易にする設備を含んでもよい。図１０は、第１の水平受け部材２８０及び第２の水平受け部材２８２を含む、車両１００の一部の上面概略図を示す。受け部材は、車両が交換式電源に接触しようとする際、交換式電源上に垂直に設けられた要素（バーまたはストラット等）を捕らえて、中央側の領域に向けてこれらの要素を案内することで、水平方向の位置合わせを容易にする。この例示的な実施形態では、交換式電源１３０が距離１００２分水平方向にずれていたとしても、第１の垂直シャフト１０１０と第１の水平受け部材２８０を係合させ、第２の垂直シャフト１０１２と第２の水平受け部材２８２を係合させることができる。いくつかの実施形態においては、距離１００２は約２．５インチとすることができる。この構成により、車両が交換式電源１３０に近づくときの、車両１００と交換式電源１３０との間の水平方向の位置合わせ誤差をある程度許容することができる。

本開示では、主に、車載型の取り外し可能なバッテリーについて説明したが、この概念の範囲内において、エネルギー源の種々の変更が可能であることを理解されたい。すなわち、相互交換式エネルギー装置は、バッテリー、他の種類のバッテリー、発電機、燃料エンジン、または既存のあらゆるエネルギーインフラ向けのアダプタであってもよい。また、本システムは、バッテリー、アダプタなどの装置を任意に組み合わせた使用も可能であることを理解されたい。また、エネルギー源は、駆動システム及び駆動コントローラと互換性があり、駆動システム及び駆動コントローラと通信することを理解されたい。エネルギー源は、バッテリーであろうとトロリーアダプタであろうと、または別のエネルギー源であろうと、駆動システム及びコントローラと互換性がある。本明細書で述べるように、架空電車線（ＯＣＳ）またはレールを使用するシステムであっても、地表集電方式や車載エネルギー貯蔵システム等といった、架線を使用しない稼働オプションの利用も可能である。車上発電はあまり研究されていない第３の選択肢であるが、水素燃料電池技術により変化が訪れる可能性がある。また、エネルギーシステムのあらゆる組み合わせについても本開示の範囲内にあると考えられる。地表集電方式は、接触式であっても、非接触式であってもよい。接触式地表集電方式は、基本的に、典型的には地下鉄システムで使用するような第３のレールを敷設して使用するものであって、初期の路面電車システムで使用されていた。この技術を大幅改良したものにより、加熱または冷却などのニーズや、急勾配を行き来するニーズ等、蓄電システムを迅速に使い果たしてしまうような負荷の大きい、厳しい環境において、その利点を発揮することができる可能性がある。

別の種類の既存のインフラとしては、車両の電力供給に、誘導コイルを使用する非接触式地表集電方式がある。通常、この方式は、車両がコイルの真上にあるときにのみ電力を伝送するものであるが、車載型蓄電装置と組み合わせることによって、コイルがシステム全長に存在しなくてもよくなるため、システム範囲を拡大することが可能となる。車載エネルギー貯蔵は、地表集電方式の代替となる、または地表集電方式を補完するものである。蓄電機構は、バッテリー、コンデンサ、フライホイール等を含み、場合によっては制動動作から運動エネルギーを回収し、システム効率を高める。架線を使用せずに運行する区間が限定的である場合、システムは多くの場合、架線より給電を受ける区間で運行している間に車載電源を再充電することができる。架線による給電なしで運行する区間が長い場合、場合によっては、充電ステーション方式をとる必要があり、これは、停車場で十分な停車時間があるときに行うことができる。例えば、路面電車システムでは、屋根に搭載したスーパーキャパシタを再充電するのに、プログラムされた停車時間で停車場で接触させると、そのデューティサイクルで一般的に行われているように短時間で充電させるのに十分である。

一般に、本明細書で使用する場合、「電動車両」とは、少なくとも１つの動作モードにおいて、推進力として電力を使用する車両を指す。したがって、電動車両は、完全電動型車両（例えば、トラクションモータと、車載電気エネルギー貯蔵装置、もしくは架空電車線または集電レール等といった車外電源から給電を受ける機構のみを有する車両）、ハイブリッド電気車両（例えば、トラクションモータ、エネルギー貯蔵装置、液圧式推進装置、ならびにエネルギー貯蔵装置を充電するため及び／またはトラクションモータを作動させる電力を直接発生するための燃料エンジンや燃料電池等を有する車両）、デュアルモード車両（例えば、エンジンのみの動作モードと電気のみの動作モードを有する車両、もしくは牽引電力がエンジンにより供給される第１の動作モードと牽引電力が別のエネルギー源により供給される第２の動作モードを有する車両）、ディーゼル電気自動車及び他のエンジン電気自動車（例えば、トラクションモータを作動させるための電力を発電するエンジンを有する車両）、ならびにそれらの組合せ及び変形例を含む。電動車両が有するトラクションモータは、１つであっても複数であってもよく、「トラクションモータ」とは、指定の作業を行うのに十分なサイズの車両を移動するのに、十分なサイズと容量をもつモータをいう。

また、線路沿いステーションの車両インタフェース機器は、例えば、線路沿いステーションのコンセントに差し込む等といった、車両が給電を受けるための「プラグイン」モジュールや、前述カテナリー式架線または第３のレールなどの、車両が移動中に車外から給電を受けることができる連続電力インタフェースを備えていてもよい。

これまで本発明の様々な実施形態を説明してきたが、この説明は限定的ではなく例示的なものであり、当業者であれば、本発明の範囲において、その他多くの実施形態及び実装が可能であることが明らかであろう。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲及びその均等物に照らした場合を除いて一切制限されるものではない。また、添付の特許請求の範囲において、様々な改変や変更が可能である。

Claims (20)

1. 車両であって、
   前記車両は、交換式電源を昇降させる搭載及び卸下システムを備え、前記交換式電源は、水平シャフトを備え、前記搭載及び卸下システムは、
   最下位置と最上位置との間を直線方向に沿って移動するように構成されたラック部材であって、前記交換式電源の水平シャフトに係合するように構成された昇降部を含むラック部材と、
   前記ラック部材を前記最下位置と前記最上位置との間で前記直線方向に沿って移動させるように構成されたアクチュエータと、
   前記ラック部材が前記最上位置にあるときに前記交換式電源の前記水平シャフトに係合するように構成された保持部材と、を含む、
   車両。
2. 前記ラック部材は、前記保持部材に対して相対的に移動可能に構成されている、請求項１に記載の車両。
3. 前記昇降部は凹状の係合面を有し、前記保持部材は凹状の係合面を有し、前記昇降部の凹状の係合面は鉛直方向上向きであり、前記保持部材の凹状の係合面は鉛直方向下向きである、請求項１に記載の車両。
4. 前記ラック部材が前記最上位置にあるとき、前記昇降部の凹状係合面が前記水平シャフトの一部を取り囲み、前記保持部材の凹状係合面が前記水平シャフトの別の一部を取り囲む、請求項３に記載の車両。
5. 前記交換式電源の前記水平シャフトは中心軸を有し、前記ラック部材が前記最上位置にあるとき、前記昇降部および前記保持部材は、前記水平シャフトが前記中心軸に垂直な方向に実質的に移動するのを阻止する、請求項１に記載の車両。
6. 前記交換式電源の水平シャフトは、第１の水平シャフトであり、前記交換式電源は、第２の水平シャフトを含み、前記第２の水平シャフトは、前記第１の水平シャフトよりも低い位置にあり、前記昇降部は、第１の昇降部であり、前記ラック部材は、第２の昇降部を含み、前記第２の昇降部は、前記第１の昇降部よりも低い位置にあり、前記第２の昇降部は、前記交換式電源の前記第２の水平シャフトに係合するように構成されている、請求項１に記載の車両。
7. 前記保持部材は第１の保持部材であり、前記搭載及び卸下システムは第２の保持部材を含み、該第２の保持部材は前記第１の保持部材より低い位置にあり、前記ラック部材が前記最上位置にあるとき、前記第２の保持部材は前記交換式電源の前記第２の水平シャフトに係合するように構成されている、請求項６に記載の車両。
8. 前記ラック部材は、第１のラック部材であり、前記昇降部は、第１の昇降部であり、前記搭載及び卸下システムは、前記最下位置と前記最上位置との間で前記直線方向に沿って移動するように構成された第２のラック部材を含み、前記第２のラック部材は、前記交換式電源の前記水平シャフトに係合するように構成された第２の昇降部を含む、請求項１に記載の車両。
9. 前記保持部材は第１の保持部材であり、前記搭載及び卸下システムは第２の保持部材を含み、前記第２の保持部材は、前記第２のラック部材が前記最上位置にあるとき、前記交換式電源の前記水平シャフトに係合するように構成されている、請求項８に記載の車両。
10. 前記交換式電源の前記水平シャフトは、第１の水平シャフトであり、前記交換式電源は、第２の水平シャフトを含み、前記第２の水平シャフトは、前記第１の水平シャフトよりも低い位置にあり、前記第１のラック部材は、第３の昇降部を含み、前記第３の昇降部は、前記第１の昇降部よりも低い位置にあり、前記第３の昇降部は、前記交換式電源の前記第２の水平シャフトに係合するように構成されている、請求項９に記載の車両。
11. 前記搭載及び卸下システムは、第３の保持部材を含み、該第３の保持部材は、前記第１の保持部材よりも低い位置にあり、前記第３の保持部材は、前記第１のラック部材が前記最上位置にあるときに、前記交換式電源の前記第２の水平シャフトに係合するように構成されている、請求項１０に記載の車両。
12. 前記第２のラック部材は、第４の昇降部を含み、前記第４の昇降部は、前記第２の昇降部よりも低い位置にあり、前記第４の昇降部は、前記交換式電源の前記第２の水平シャフトに係合するように構成されている、請求項１１に記載の車両。
13. 前記搭載及び卸下システムは、第４の保持部材を含み、前記第４の保持部材は、前記第２の保持部材よりも低い位置にあり、前記第４の保持部材は、前記第２のラック部材が前記最上位置にあるときに、前記交換式電源の前記第２の水平シャフトに係合するように構成されている、請求項１２に記載の車両。
14. 前記アクチュエータは、前記第２のラック部材を前記最下位置と前記最上位置との間でも前記直線方向に沿って移動させるように構成されている、請求項８に記載の車両。
15. 前記アクチュエータは第１のアクチュエータであり、前記搭載及び卸下システムは、前記第２のラック部材を前記最下位置と前記最上位置との間で前記直線方向に沿って移動させるように構成された第２のアクチュエータを含む、請求項８に記載の車両。
16. 前記搭載及び卸下システムは、油圧作動式のロックピンをさらに含み、前記ラック部材は、前記ラック部材が最上位置にあるときに前記ロックピンを受けるための孔を含む、請求項１に記載の車両。
17. 前記搭載及び卸下システムは、第１の油圧作動式ロックピンと第２の油圧作動式ロックピンとをさらに含み、前記第１のラック部材は、前記第１のラック部材が前記最上位置にあるときに前記第１の油圧作動式ロックピンを受けるための第１の孔を備え、前記第２のラック部材は、前記第２のラック部材が前記最上位置にあるときに前記第２の油圧作動式ロックピンを受けるための第２の孔を含む、請求項８に記載の車両。
18. 前記車両は、受け部材をさらに備え、前記交換式電源は、垂直シャフトをさらに備え、前記受け部材は、前記交換式電源が前記車両に取り付けられる際に、前記交換式電源を水平方向に整列させるように前記垂直シャフトと係合するように構成されている、請求項１に記載の車両。
19. 前記車両は、第１の受け部材および第２の受け部材をさらに含み、前記交換式電源は、第１の垂直シャフトおよび第２の垂直シャフトをさらに含み、前記第１の受け部材は、前記第１の垂直シャフトに係合するように構成され、前記第２の受け部材は、前記第２の垂直シャフトに係合するように構成され、前記交換式電源が前記車両に取り付けられる際に、前記交換式電源を水平方向に整列させる、請求項１に記載の車両。
20. 前記車両は、前記車両の高さに関連する寸法を通って延在する垂直軸を有し、前記直線方向は前記垂直軸と実質的に平行である、請求項１に記載の車両。

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