JPWO2011148641A1 - ショベル - Google Patents

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Abstract

下部走行体の上に、上部旋回体が旋回可能に取り付けられている。上部旋回体に蓄電モジュールが搭載されている。蓄電モジュールは、各々が、板状部分の縁から引き出された少なくとも一対の電極を有する複数の蓄電セルを含む。蓄電セルは、板状部分の厚さ方向に積層され、積層方向に隣り合う蓄電セルの電極同士を接触させることにより直列接続されている。相互に接触している一対の電極で構成された電極対のうち少なくとも一部の電極対は、電極が相互に近づく向きに屈曲し、一方の電極の外側の表面と、他方の電極の内側の表面とが接触しているブリッジ型構造を有する。

Description

本発明は、複数のセルを積層した作業機械用蓄電モジュールを用いたショベルに関する。
充電可能な二次電池や電気二重層キャパシタ等の蓄電セルを用いたハイブリッド型作業機械、例えばハイブリッド型ショベルの開発が進められている。ハイブリッド型作業機械に採用される蓄電セルとして、蓄電要素をフィルムで包み込んだ板状の蓄電セルが提案されている。正電極及び負電極が、蓄電セルの外周部から導出される。
複数の蓄電セルを積み重ねて直列接続することにより、蓄電モジュールが形成される。積層方向に隣り合う蓄電セルの電極は、溶接やカシメ等によって電気的に接続される。正極板と負極板とを、セパレータを介して積層し、ラミネートフィルムで封止した構造の蓄電セルが提案されている。
特開2006−185733号公報 特開2005−268138号公報 特開2003−272966号公報 特開2002−151365号公報
電極を溶接またはカシメによって接続するための空間を確保する必要がある。電極と、他の導電部分との短絡や放電を防止するために、電極を接続した部分は、他の電極及び導電部分からある程度離すことが好ましい。蓄電モジュールを小型化するために、電極を接続するための空間を小さくすることが望まれている。
ショベルの上部旋回体は、支持構造体としての旋回フレーム、及び旋回フレームに搭載されている種々の部品を覆うカバーを含む。ショベル等の作業機械は、主として屋外で運転されるため、蓄電モジュール等の電気部品に対して水対策を講じることが好ましい。水対策を講じるために、蓄電モジュールは、カバーの内側に収容することが好ましい。ショベルのカバーの内側には、油圧ポンプ、旋回モータ等の部品が収容されるため、新たな部品を収容するためのスペースが十分であるとはいえない。蓄電モジュールをカバーの内側に収容するために、蓄電モジュールの小型化が望まれている。
本発明の一観点によると、
下部走行体と、
前記下部走行体の上に旋回可能に取り付けられた上部旋回体と、
前記上部旋回体に搭載された蓄電モジュールと
を有し、
前記蓄電モジュールは、各々が、板状部分の縁から引き出された少なくとも一対の電極を有する複数の蓄電セルを含み、
前記蓄電セルは、前記板状部分の厚さ方向に積層され、積層方向に隣り合う前記蓄電セルの電極同士を接触させることにより直列接続されており、
相互に接触している一対の前記電極で構成された電極対のうち少なくとも一部の電極対は、電極が相互に近づく向きに屈曲し、一方の電極の外側の表面と、他方の電極の内側の表面とが接触しているブリッジ型構造を有するショベルが提供される。
電極が相互に近づく向きに屈曲していることにより、電極によって占有されるスペースを小さくすることができる。これにより、蓄電モジュールの小型化を図ることが可能になる。
図1Aは、実施例1による蓄電モジュールで用いられる蓄電セルの平面図であり、図1Bは、図1Aの一点鎖線1B−1Bにおける断面図であり、図1Cは、蓄電要素の部分断面図である。 図2は、実施例1による蓄電モジュールの概略断面図である。 図3A及び図3Bは、それぞれ実施例2及びその変形例による蓄電モジュールの概略断面図である。 図4A及び図4Bは、それぞれ実施例3及びその変形例による蓄電モジュールの概略断面図である。 図5A及び図5Bは、それぞれ実施例4及びその変形例による蓄電モジュールの概略断面図である。 図6は、実施例5による蓄電モジュールの概略断面図である。 図7A及び図7Bは、実施例6による蓄電モジュールの断面図である。 図8は、実施例7による蓄電モジュールに用いられる第1の固定部材の斜視図である。 図9Aは、第1の固定部材の平面図であり、図9B、図9C、図9D及び図9Eは、それぞれ図9Aの一点鎖線9A−9A、9B−9B、9C−9C、及び9E−9Eにおける断面図である。 図10は、実施例7による蓄電モジュールに用いられる第2の固定部材の斜視図である。 図11Aは、第2の固定部材の平面図であり、図11B、図11C、図11D及び図11Eは、それぞれ図11Aの一点鎖線11A−11A、11B−11B、11C−11C、及び11E−11Eにおける断面図である。 図12Aは、実施例7よる蓄電モジュールに用いられる蓄電セルの平面図であり、図12Bは、図12Aの一点鎖線12B−12Bにおける断面図であり、図12Cは、他の構造の蓄電セルの断面図である。 図13Aは、蓄電セルの引出電極を超音波溶接する際の蓄電セル及び超音波溶接機の概略断面図であり、図13Bは、溶接時における引出電極及び第1の固定部材の断面図である。 図13Cは、超音波溶接された後の蓄電セル対の断面図である。 図14は、蓄電セルの引出電極を超音波溶接する際の蓄電セル、超音波溶接機、及び一時保管用ケースの概略断面図である。 図15は、積み重ねられた第1の固定部材の平面図である。 図16は、一時保管用ケースに保管された状態の蓄電セル、伝熱板、及び一時保管用ケースの断面図(その1)である。 図17は、一時保管用ケースに保管された状態の蓄電セル、伝熱板、及び一時保管用ケースの断面図(その2)である。 図18は、一時保管用ケースに保管された状態の蓄電セル、伝熱板、及び一時保管用ケースの断面図(その3)である。 図19は、一時保管用ケースに保管された状態の蓄電セル、伝熱板、及び一時保管用ケースの断面図(その4)である。 図20Aは、蓄電セル及び外装フィルムの平面図であり、図20B及び図20Cは、それぞれ図20Aの一点鎖線20B−20B、及び20C−20Cにおける断面図である。 図21Aは、背面同士を向き合わせた蓄電セル、外装フィルム、及び第1の固定部材の断面図であり、図21Bは、腹面同士を向き合わせた蓄電セル、外装フィルム、及び第2の固定部材の断面図である。 図22は、蓄電モジュールが搭載された実施例8によるハイブリッド型ショベルの概略平面図である。 図23は、実施例8によるハイブリッド型ショベルの概略側面図である。 図24は、実施例8の変形例1によるハイブリッド型ショベルの概略側面図である。 図25は、実施例8によるハイブリッド型ショベルのブロック図である。 図26は、実施例8によるハイブリッド型ショベルの蓄電回路の等価回路図である。 図27は、実施例8の変形例2よるハイブリッド型ショベルのブロック図である。
[実施例1]
図1Aに、実施例1による蓄電モジュールに用いられる蓄電セル20の平面図を示す。蓄電セル20は、電気エネルギを蓄積する機能を持つ板状部分16、及び板状部分16の縁から、相互に反対向きに突出する第1の電極12、第2の電極13を含む。板状部分16は、蓄電要素11、及び蓄電要素11を収容する蓄電容器10を含む。板状部分16の平面形状は、例えば、頂点がやや丸みを帯びた長方形である。
第1の電極12及び第2の電極13は、蓄電容器10の内側から、蓄電容器10の縁と交差して、蓄電容器10の外側まで引き出されている。第1の電極12及び第2の電極13は、相互に逆極性の電極として作用する。蓄電容器10に、ガス抜き孔14が形成されている。ガス抜き弁15が、ガス抜き孔14に重なる位置に配置される。
図1Bに、図1Aの一点鎖線1B−1Bにおける断面図を示す。蓄電容器10は、2枚のアルミラミネートフィルム10A、10Bを含む。ラミネートフィルム10A、10Bは、蓄電要素11を挟み、蓄電要素11を密封する。一方のラミネートフィルム10Bは、ほぼ平坦であり、他方のラミネートフィルム10Aは、蓄電要素11の形状を反映して変形している。
図1Cに蓄電要素11の部分断面図を示す。第1の集電極21の両面に、第1の分極性電極27が形成されており、第2の集電極22の両面に、第2の分極性電極28が形成されている。第1の集電極21及び第2の集電極22には、例えばアルミニウム箔が用いられる。第1の分極性電極27は、例えば、活性炭粒子が混錬されたバインダを含むスラリーを、第1の集電極21の表面に塗布した後、加熱して定着させることにより形成することができる。第2の分極性電極28も同様の方法で形成することができる。
両面に第1の分極性電極27が形成された第1の集電極21と、両面に第2の分極性電極28が形成された第2の集電極22とが交互に積層されている。第1の分極性電極27と第2の分極性電極28との間に、セパレータ23が配置されている。セパレータ23には、例えばセルロース紙が用いられる。このセルロール紙に、電解液が含浸されている。電解液の溶媒には、例えば分極性有機溶剤、例えばプロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、エチルメチルカーボネート等が用いられる。電解質(支持塩)として、4級アンモニウム塩、例えばSBPB4(スピロビピロリジニウムテトラフルオロボレート)が用いられる。セパレータ23は、第1の分極性電極27と第2の分極性電極28との短絡、及び第1の集電極21と第2の集電極22との短絡を防止する。
図1Bに戻って説明を続ける。図1Bでは、セパレータ23、第1の分極性電極27、及び第2の分極性電極28の記載を省略している。
第1の集電極21及び第2の集電極22は、それぞれ両者の重なり領域から、相互に反対向き(図1Bにおいて、左向き及び右向き)に伸びた延伸部分21A、22Aを有する。複数の第1の集電極21の延伸部分21Aが重ね合わされ、第1の電極12に超音波溶接されている。複数の第2の集電極22の延伸部分22Aが重ね合わされ、第2の電極13に超音波溶接されている。第1の電極12及び第2の電極13には、例えばアルミニウム板が用いられる。
第1の電極12及び第2の電極13は、ラミネートフィルム10Aとラミネートフィルム10Bとの間を通って、蓄電容器10の外側まで導出されている。第1の電極12及び第2の電極13は、導出箇所において、ラミネートフィルム10Aとラミネートフィルム10Bとに熱溶着されている。なお、第1の電極12とラミネートフィルム10A、10Bとの間、及び第2の電極13とラミネートフィルム10A、10Bとの間に、タブフィルムを挟んでもよい。タブフィルムは、シール強度を向上させる。
第1の集電極21の延伸部分21Aと、ラミネートフィルム10Aとの間に、ガス抜き弁15が配置されている。ガス抜き弁15は、ガス抜き孔14を塞ぐように配置され、ラミネートフィルム10Aに熱溶着されている。蓄電容器10内で発生したガスが、ガス抜き弁15及びガス抜き孔14を通って外部に排出される。
蓄電容器10内は、真空排気されている。このため、ラミネートフィルム10A、10Bは、大気圧により、蓄電要素11及びガス抜き弁15の外形に沿うように、変形している。第1の電極12及び第2の電極13は、蓄電セル20の厚さ方向に関して、中央よりもラミネートフィルム10Bの側に偏った位置に取り付けられる。この偏り量をDで示す。蓄電セル20の厚さをWで示す。本明細書において、平坦に近いラミネートフィルム10Bの表面を「背面」ということとする。蓄電要素11の外形を反映して変形しているラミネートフィルム10Aの表面を「腹面」ということとする。
図2に示すように、複数の蓄電セル20が、その厚さ方向に積層されている。積層方向をz方向とするxyz直交座標系を定義する。z方向に隣り合う蓄電セル20は、背面同士、または腹面同士が対向する向きで積層される。図2において、左側から右方に向かって蓄電セル20に通し番号1、2、3、・・・を付したとき、2n番目の蓄電セル20と2n+1番目の蓄電セル20とは、腹面同士が対向する向きで配置され、2n番目の蓄電セル20と2n−1番目の蓄電セル20とは、背面同士が対向する向きで配置されている。ここで、nは正の整数である。
また、蓄電セル20は、第2の電極13から第1の電極12を望む方向が同一の方向(xの正の向き)を向く姿勢で配置されている。すなわち、すべての蓄電セル20において、ガス抜き弁15が、蓄電セル20の中心よりもx軸の正の側に位置する。
背面同士を対向させた蓄電セル20は、第1の電極12同士を接触させることにより、電気的に接続される。腹面同士を対向させた蓄電セル20は、第2の電極13同士を接触させることにより、電気的に接続される。これにより、複数の蓄電セル20が直列接続される。z方向に隣り合う蓄電セル20のうち一方の蓄電セル20の第1の電極12及び第2の電極13が、それぞれ正極及び負極として作用するとき、他方の蓄電セル20の第1の電極12及び第2の電極13は、その反対に、それぞれ負極及び正極として作用する。
背面同士を対向させた2つの蓄電セル20の第1の電極12は、相互に対向する表面において相互に接触し、超音波溶接、カシメ等により固着される。さらに、固着された2つの第1の電極12は、z軸方向に屈曲している。このような固着構造を、「L字型構造」ということとする。L字型構造で固着された一対の電極を、「L字型構造の電極対」ということとする。実施例1では、L字型構造の電極対は、すべてz軸の同一の向き(図2において正の向き)に屈曲している。
腹面同士を対向させた2つの蓄電セル20の第2の電極13は、相互に近づく向きに屈曲し、一方の第2の電極13の外側の表面と、他方の第2の電極13の内側の表面とが接触している。相互に接触した第2の電極13は、超音波溶接、カシメ等により固着される。このような固着構造を、「ブリッジ型構造」ということとする。ブリッジ型構造で固着された一対の電極を、「ブリッジ型構造の電極対」ということとする。
図2の左から奇数番目の蓄電セル20においては、第1の電極12は背面側に屈曲し、第2の電極13は腹面側に屈曲している。偶数番目の蓄電セル20においては、第1の電極12及び第2の電極13のいずれも、腹面側に屈曲している。電極の固着は、屈曲させた後に行ってもよいし、屈曲させる前に行ってもよい。
腹面同士を対向させた蓄電セル20の第1の電極12の基部の間の距離L1は、第1の電極12の基部から、当該蓄電セル20の腹面までのz方向の距離L2の2倍に等しい。このため、第1の電極12をz方向に屈曲させるための広い空間を確保することができる。第1の電極12をz方向に屈曲させることにより、蓄電モジュールのx方向の寸法の増大を抑制することができる。これにより、蓄電モジュールを小型化することができるため、ハイブリッド型作業機械や電気駆動方式の作業機械に採用する場合に、蓄電モジュールの配置や他の部品のレイアウトの制約を軽減することができる。
腹面同士を対向させた蓄電セル20の2つの第2の電極13の基部の間の距離L3は、第2の電極13の基部から、当該蓄電セル20の腹面までのz方向の距離L4の2倍に等しい。このため、第2の電極13同士を接触させる領域(糊代)を広くすることができる。また、一方の第2の電極13の外側の表面と、他方の第2の電極13の内側の表面とを接触させているため、接触部分のx方向の寸法は、2つの第2の電極13の厚さ分のみである。
実施例1では、第1の電極12同士、及び第2の電極13同士は、屈曲箇所よりも先端の部分において接触している。このため、第1の電極12同士が接触している面、及び第2の電極13同士が接触している面のいずれも、x方向と平行ではなく、x方向に対して交差している。実施例1においては、第1の電極12同士が接触している面、及び第2の電極13同士が接触している面のいずれも、x方向とほぼ垂直である。このため、蓄電モジュールのx方向の寸法の増大を抑制することができる。
蓄電セル20の内部で発生したガスは、上方に滞留する。ガス抜き弁15が、蓄電セル20の中心に対して上方に配置される姿勢を保つことにより、効率的にガス抜きを行うことができる。
図2では、背面同士を対向させた蓄電セル20を、第1の電極12により接続し、腹面同士を対向させた蓄電セル20を、第2の電極13により接続した。他の構成例として、背面同士を対向させた蓄電セル20を、第2の電極13により接続し、腹面同士を対向させた蓄電セル20を、第1の電極12により接続してもよい。この場合には、第1の電極12同士の固着にブリッジ型構造が適用され、第2の電極13同士の固着にL字型構造が適用される。
第1の電極12及び第2の電極13(図1B)の、厚さ方向に関する取り付け位置の偏りが小さい場合には、実施例1の構成とする十分な効果が得られない。図1Bに示した偏り量Dを厚さWの1/4以上にすることが好ましい。
[実施例2]
図3Aに、実施例2による蓄電モジュールの概略図を示す。以下、図2に示した実施例1との相違点に着目して説明し、同一の構成については説明を省略する。実施例2においては、すべての蓄電セル20の腹面が同一方向(例えばz軸の負の方向)を向く姿勢で積層されている。第1の電極12同士の接続、及び第2の電極13同士の接続に、ブリッジ型構造が採用される。
第1の電極12の基部の間の距離L1、及び第2の電極13の基部の間の距離L3は、蓄電セル20の板状部分16の厚さとほぼ等しい。実施例1の場合には、第1の電極12同士の接触部分、及び第2の電極13同士の接触部分のx方向の寸法を、板状部分16の厚さよりも大きくすることが可能であった。これに対し、実施例2においては、第1の電極12同士の接触部分、及び第2の電極13同士の接触部分のx方向の寸法を、板状部分16の厚さよりも小さくしなければならない。
接触部分のx方向の寸法を、板状部分16の厚さより小さくしても、十分な機械的強度、及び電気的接続を確保できる場合には、実施例2の構造を採用することも可能である。実施例2においても、第1の電極12同士の接触部分、及び第2の電極13同士の接触部分がx方向に対して垂直な仮想平面にほぼ平行である。このため、蓄電モジュールのx方向の寸法の増大を抑制することができる。
図3Bに、実施例2の変形例による蓄電モジュールの概略図を示す。図3Aに示した実施例2においては、第1の電極12の基部、及び第2の電極13の基部が、板状部分16の厚さ方向の中心よりも背面側に取り付けられていた。図3Bに示した変形例では、第1の電極12の基部及び第2の電極13の基部が、板状部分16の厚さ方向のほぼ中央に取り付けられている。すなわち、この変形例で用いられる蓄電セル20には、背面と腹面との区別がない。このように、ブリッジ型構造の電極対は、背面と腹面との区別がない蓄電セル20の接続に適用することも可能である。
[実施例3]
図4Aに、実施例3による蓄電モジュールの概略図を示す。以下、図3Aに示した実施例2との相違点に着目して説明し、同一の構成については説明を省略する。
実施例2では、第1の電極12同士の接続、及び第2の電極13同士の接続いずれにもブリッジ型構造が採用されていたが、実施例3では、第1の電極12同士の接続にL字型構造が採用されている。第1の電極12同士の接触部分のx方向の寸法は、板状部分16の厚さよりも小さい。第3の実施例においても、実施例2と同様に、蓄電モジュールのx方向の寸法の増大を抑制することができる。なお、第2の電極13同士の接続にも、L字型構造を採用することが可能である。
図4Bに、実施例3の変形例による蓄電モジュールの概略図を示す。この変形例では、図3Bに示した背面と腹面との区別がない蓄電セル20が用いられる。このように、L字型構造の電極対は、背面と腹面との区別がない蓄電セル20の接続に適用することも可能である。
[実施例4]
図5Aに、実施例4による蓄電モジュールの概略図を示す。以下、図3Aに示した実施例2との相違点に着目して説明し、同一の構成については説明を省略する。
実施例4においても、第2の電極13同士の接続には、ブリッジ型構造が採用されている。第1の電極12は、相互に対向する表面同士が接触し、接触部分がxy面にほぼ平行に配置されている。第1の電極12の各々は、基部の近傍において、相互に近づく向きに屈曲した後、さらに板状部分16から遠ざかる向きに屈曲している。
実施例4においては、第1の電極12同士の接続にブリッジ型構造を採用した実施例2(図3A)、及びL字型構造を採用した実施例3(図4A)に比べて、第1の電極12のx方向の寸法が大きくなる。この場合でも、第2の電極13同士の接続にブリッジ型構造を採用しているため、第2の電極13を収容するための空間を、小さくすることができる。
図5Bに、実施例4の変形例による蓄電モジュールの概略図を示す。図5Aに示した例では、第1の電極12の接触部分がxy面にほぼ平行に配置されていたが、図5Bに示した変形例では、第1の電極12の接触部分が積層方向(z方向)に屈曲している。図5Bでは、接触部分が、yz面にほぼ平行になるまで屈曲した例を示している。第1の電極12の接続構造は、相互に対向する表面で接触し、z方向に屈曲しているという点で、L字型構造の特徴を有し、第1の電極12の基部の近傍で相互に近づく向きに屈曲しているという点で、ブリッジ型構造の特徴を有する。第1の電極12の接触部分を積層方向に屈曲させることにより、第1の電極12を収容するための空間を小さくすることができる。
図2に示した第2の電極13の接続構造として、ブリッジ型構造に代えて、図5Bの第1の電極12の接続構造を採用することも可能である。
[実施例5]
図6に、実施例5による蓄電モジュールの概略図を示す。以下、図2に示した実施例1との相違点に着目して説明し、同一の構成については説明を省略する。
実施例5では、z方向のある分岐点Pよりも負の側においては、相互に固着した第1の電極12がz軸の負の向きに屈曲しており、正の側においては、相互に固着した第1の電極12がz軸の正の向きに屈曲している。すなわち、分岐点の両側の第1の電極12は、相互に離れる向きに屈曲している。
実施例5のように、相互に固着した第1の電極12(L字型構造の電極対)の屈曲の向きは、必ずしもすべての電極対において揃っていなくてもよい。ただし、固着されないで隣り合っている第1の電極12(相互に隣り合うL字型構造の電極対)が相互に近づく向きに屈曲すると、両者が接触し易くなる。相互に隣り合うL字型構造の電極対は、z方向の同一の向きに屈曲させるか、または相互に離れる向きに屈曲させることが好ましい。
[実施例6]
図7Aに、実施例6による蓄電モジュールの断面図を示す。複数の蓄電セル20が、その厚さ方向に積層されている。蓄電セル20の厚さ方向(積層方向)をz軸方向とするxyz直交座標系を定義する。蓄電セル20の構成は、実施例1の図1A〜図1Cに示したものと同一である。z方向に隣り合う蓄電セル20は、実施例1と同様に、背面同士、または腹面同士を対向させている。z方向に隣り合う蓄電セル20の間に、伝熱板25が配置されている。
伝熱板25には、例えばアルミニウムが用いられる。伝熱板25は、y方向、すなわち第1の電極12及び第2の電極13(図2)が引き出されている方向(x方向)とは異なる方向に、蓄電セル20の縁よりも外側まで広がっている。
加圧機構40が、蓄電セル20及び伝熱板25からなる積層体に、積層方向(z方向)の圧縮力を加えている。加圧機構40は、一対の押さえ板41、4本のタイロッド43、及びナット42を含む。押さえ板41は、蓄電セル20と伝熱板25とからなる積層体の両端に配置されている。タイロッド43が、一方の押さえ板41から他方の押さえ板41まで貫通し、一対の押さえ板41に、両者の間隔が狭まる向きの力を加える。タイロッド43は、xy面内において、伝熱板25と空間的に干渉しない位置に配置される。
壁板31及び32が、蓄電セル20及び伝熱板25を含む積層体を、y方向に挟む。壁板31、32は、y軸に垂直な姿勢で配置され、押さえ板41にボルトで固定されている。壁板31、32は、伝熱板25の端面において、伝熱板25に熱的に結合している。例えば、壁板31、32と伝熱板25とを直接接触させてもよいし、両者を熱伝導性接着剤で固定してもよいし、両者の間に伝熱ゴムシートを挟んでもよい。蓄電セル20で発生した熱が、伝熱板25を経由して、壁板31、32に伝導される。壁板31、32を水冷等で強制的に冷却することにより、蓄電セル20の温度上昇を軽減することができる。
図7Bに、図7Aの一点鎖線7B−7Bにおける断面図を示す。図7Bの一点鎖線7A−7Aにおける断面図が図7Aに相当する。積層された複数の蓄電セル20が、第1の電極12及び第2の電極13によって直列接続されている。第1の電極12の固着構造及び第2の電極13の固着構造は、図2に示した実施例1の場合と同様である。なお、第1の電極12及び第2の電極13は、伝熱板25と接触しないように屈曲している。
壁板33及び34が、蓄電セル20及び伝熱板25を含む積層体をx方向に挟む。壁板33及び34は、ボルトにより押さえ板41に固定される。また、図7Bには現れていないが、壁板31、32(図7A)にもボルトにより固定される。押さえ板41及び壁板3
1、32、33、34が、平行六面体の筐体を構成する。
壁板33、34に、それぞれ窓33A、34Aが設けられている。窓33A、34A内に、それぞれ強制空冷機構48、49が配置されている。強制空冷装置48、49は、筐体内を強制的に空冷する。
第1の電極12の固着構造をL字型構造にし、第2の電極13の固着構造をブリッジ型構造にすることにより、筐体のx方向の寸法を小さくすることができる。
以上のように、蓄電セル20が、加圧機構40によって所定の圧力で加圧されてるため、蓄電モジュールを搭載している作業機械の動作中に蓄電モジュールに衝撃が加わっても、蓄電セル20がx方向及びy方向にずれにくい。作業機械に衝撃や振動が発生しても、電極12、13が離れることがないため、導通不良等の不具合の発生を防止することができる。
実施例6においては、蓄電セル20を空冷する例として、壁板33、34に強制空冷装置48、49を配置したが、蓄電セル20を液冷とすることも可能である。この場合、壁板31、32の内部に冷却液用の流路が形成される。この流路に冷却液を流すことにより、壁板31、32を冷却することができる。蓄電セル20で発生した熱が、伝熱板25を経由して、壁板31、32に伝達される。これにより、蓄電セル20を効率的に冷却することが可能になる。
なお、蓄電セル20の姿勢、第1の電極12の固着構造、及び第2の電極13の固着構造として、実施例1以外に、実施例2〜実施例5のいずれかの構成を採用してもよい。
[実施例7]
正極板、負極板、及びセパレータ等が積層された蓄電積層体を収容するラミネートフィルムの容器は柔軟であるため、蓄電セルの積み重ね時に、位置合わせの基準として用いるには適していない。また、容器内の蓄電積層体と、ラミネートフィルムとの相対位置関係は、蓄電セルごとにばらついている。例えば、2枚の蓄電セルを重ねて電極同士を固着させる際に、ラミネートフィルムを高精度に位置合わせしても、2枚の蓄電セル内の蓄電積層体が高精度に位置合わせされるとはいえない。蓄電セルの積み重ね枚数が増加すると、位置合わせ誤差が累積され、積み重ね方向の両端では、大きな位置ずれが生じる場合がある。
また、柔軟なラミネートフィルムを支持した状態で、電極同士を溶接等によって固着させる際に、電極の相対位置が変動しやすい。このため、溶接不良が発生する場合がある。以下に説明する実施例7においては、この課題が解決される。
図8に、実施例7による蓄電モジュールに用いられる第1の固定部材140Aの斜視図を示す。理解を容易にするために、xyz直交座標系を定義して、第1の固定部材140Aの形状について説明する。なお、実施例7で定義するxyz直交座標系と蓄電セルとの位置関係は、実施例1〜実施例6で定義したxyz直交座標系(図2〜図6、図7A、図7B)と蓄電セルとの位置関係と同一ではない。
第1の固定部材140Aの、z軸に垂直で、z軸の正及び負の方向を向く面を、それぞれ前面150及び背面151といい、y軸に垂直で、y軸の負及び正の方向を向く面を、それぞれ底面152及び上面153ということとする。第1の固定部材140Aは、ポリテトラフルオロエチレン等の絶縁材料で形成される。図8では、底面152が上方を向く姿勢で描かれている。
上面153は、x方向の両端において、中央部分よりも高くなっている。上面153の低い領域に、底面152から上面153まで達し、x方向に長い開口141が形成されている。また、底面152に、x方向に延在する溝148が形成されている。溝148は、前面150と背面151との中間点よりも背面151側に偏った位置に配置されている。zx面内において、開口141と溝148とは、部分的に重なっている。底面152側から開口141内に、蓄電セルの引出電極が挿入される。ここで、「引出電極」は、実施例1の第1の電極12(図2)に相当する。
開口141の、x方向の両端に、x軸に垂直な第1の側面142が画定され、開口141の背面151側及び前面150側に、それぞれz軸に垂直な第2の側面143及び第3の側面149が画定されている。第2の側面143は、溝148の側面を兼ねる。開口141のこれらの側面に、段差144が形成されている。段差144は、y軸に平行な視線で見たとき、開口141の周囲を1周する。第1の側面142及び第2の側面143に接触した状態で、蓄電セルの引出電極を挿入したとき、引出電極の一部が段差144に突き当たることにより、挿入の深さが規制される。
前面150に、z軸の正の向きに突出する2つの凸部145が形成されており、背面151に、z軸の正の向きに深くなる2つの凹部146が形成されている。凸部145の、y軸の正の方向を向く側面は、上面153の高い領域に連続し、1つの平坦な面をなす。凹部146は、上面153の高い領域にも開口面を有する。
同一の幾何学的形状を有する2つの第1の固定部材140Aを準備し、一方の第1の固定部材140Aの前面150を、他方の第1の固定部材140Aの背面151に対向させたとき、一方の第1の固定部材140Aの凸部145が、他方の第1の固定部材140Aの凹部146内に挿入される。これにより、2つの第1の固定部材140Aの、x方向に関する相対的な位置関係が拘束される。凸部145と凹部146とを合わせて、嵌合部147という。
図9Aに、第1の固定部材140Aの平面図を示す。図9B、図9C、図9D及び図9Eに、それぞれ図9Aの一点鎖線9B−9B、9C−9C、9D−9D、及び9E−9Eにおける断面図を示す。図9Cは、溝148(図8)よりも背面151側の位置における断面図を示している。
図9Aに示すように、上面153の低い領域に開口141が形成されている。前面150からz軸の正の方向に向かって凸部145が突出している。背面151からz軸の正の向きに深くなるように、凹部146が形成されている。凸部145と凹部146とは、x方向に関して同じ位置に配置されている。
図9Bに示すように、開口141の第1の側面142に、段差144が形成されている。段差144の蹴上げ面は、底面152側(y軸の負の方向)を向く。このため、引出電極を、底面152側から開口141内に、第1の側面142に接触させた状態を維持しながら挿入すると、引出電極が段差144の蹴上げ面に突き当たる。
図9Cに示すように、背面151(図9A)からz軸の正の向きに深くなる凹部146は、上面153の高い領域にも開口している。
図9Dに示すように、開口141の第2の側面143に、段差144が形成されている。なお、第2の側面143に対向する第3の側面149にも、段差144が形成されている。段差144の蹴上げ面は、y軸の負の方向を向く。このため、引出電極を、底面152側から開口141内に、第2の側面143に接触させた状態を維持しながら挿入すると、引出電極が段差144の蹴上げ面に突き当たる。図9B及び図9Dに示したように、引出電極が段差144に突き当たることにより、開口141内への引出電極の挿入深さを、容易に目標の深さに維持することができる。
図9Eに示すように、前面150からz軸の正の方向に凸部145が突出している。背面151からz軸の正の方向に深くなるように凹部146が形成されている。凸部145と凹部146とは、y方向に関して同じ位置(高さ)に配置されている。底面152からy軸の正の方向に深くなるように、溝148が形成されている。溝148は、前面150と背面151との中間位置よりも背面151側に配置されている。
図10に、実施例7による蓄電モジュールに用いられる第2の固定部材140Bの斜視図を示す。以下、図8に示した第1の固定部材140Aとの相違点について説明し、同一の構成については説明を省略する。図10では、図8と同様に、底面152が上方を向く姿勢で描かれている。
第1の固定部材140Aには、1本の溝148(図8)が形成されていたが、第2の固定部材140Bには、2本の溝148A及び148Bが形成されている。溝148A及び溝148Bの各々は、溝148と同様に、底面152から上面153に向かって深くなるように形成され、x方向に長い平面形状を有する。一方の溝148Aは、前面150と背面151との中間位置よりも背面151側に配置され、他方の溝148Bは、前面150と背面151との中間位置よりも前面150側に配置されている。溝148A及び溝148Bの各々の幅は、第1の固定部材140Aの溝148(図8)の幅よりも狭く、溝148の幅の約1/2である。
溝148A、148Bは、zx面内において開口141と部分的に重なっている。溝148Aの前面150側を向く側面の一部は、開口141の第2の側面143を兼ねる。溝148Bの背面151側を向く側面の一部は、開口141の第3の側面149を兼ねる。底面152側から開口141内に、蓄電セルの引出電極が挿入される。ここで、「引出電極」は、実施例1の第2の電極13(図2)に相当する。
図11Aに、第2の固定部材140Bの平面図を示す。図11B、図11C、図11D及び図11Eに、それぞれ図11Aの一点鎖線11B−11B、11C−11C、11D−11D、及び11E−11Eにおける断面図を示す。図11Cは、溝148A(図10)よりも背面151側の位置における断面図を示している。
図11Aに示した平面形状、図11B〜図11Dに示した断面形状は、それぞれ第1の固定部材140Aの図9Aに示した平面形状、図9B〜図9Dに示した断面形状と同一である。図11Eに示すように、底面152に、2本の溝148A、148Bが形成されている。一方の溝148Aは、前面150と背面151との中間位置よりも背面151側に配置され、他方の溝148Bは、前面150と背面151との中間位置よりも前面150側に配置されている。
図12Aに、実施例7による蓄電モジュールに用いられる蓄電セルの平面図を示す。蓄電容器162内に、蓄電積層体161が収容されている。蓄電積層体161及び蓄電容器162は、板状の形状を有し、その平面形状は、ほぼ長方形である。蓄電積層体161は、電気二重層キャパシタ、リチウムイオンキャパシタ等である。蓄電積層体161は、交互に積層された複数の正極板と負極板、及び正極板と負極板との間に挿入されたセパレータを含み、実施例1の蓄電要素11(図1A〜図1C)に相当する。
平板状の引出電極163、164が、それぞれ蓄電積層体161の正極板及び負極板に接続され、蓄電容器162の外側まで引き出されている。引出電極163と164とは、蓄電容器162の相互に反対側の縁から、反対向きに引き出されている。
図12Bに、図12Aの一点鎖線12B−12Bにおける断面図を示す。蓄電容器162は、例えば2枚のアルミラミネートフィルムで構成される。2枚のアルミラミネートフィルムが、蓄電積層体161を挟み、外周部においてアルミラミネートフィルム同士が溶着されている。蓄電セル160の一方の面はほぼ平坦であり、他方の面は、蓄電積層体161の外形を反映した形状を有する。蓄電セル160のほぼ平坦な面を背面165といい、その反対側の面を腹面166ということとする。
引出電極163、164は、蓄電セル160の厚さ方向に関して中心よりも背面165側に偏った位置から、背面165を引き出し方向に延長した仮想平面に沿って引き出されている。引出電極163、164の各々は、蓄電容器162から外向きに延在した後、蓄電セル160の厚さ方向(積み重ね方向)の腹面166側に向かって約90°折り曲げられている。引出電極163、164の、折り曲げられた位置より先端側の部分を、それぞれ先端部分163A、164Aということとする。
図12Cに、実施例による蓄電モジュールに用いられる他の蓄電セル160の断面図を示す。図12Bに示した蓄電セル160においては、引出電極163、164のいずれも、腹面166側に折り曲げられていた。図12Cに示した蓄電セル160においては、一方の引出電極163は腹面166側に折り曲げられているが、他方の引出電極164は、蓄電セル160の厚さ方向(積み重ね方向)の背面165側に折り曲げられている。図12Bに示した蓄電セル160を「順方向型」と呼び、図12Cに示した蓄電セル160を「逆方向型」と呼ぶこととする。
引出電極163及び164の一方が、実施例1の第1の電極12(図2)に対応し、他方が、第2の電極13(図12)に対応する。
蓄電セル160が極性を有する場合には、例えば引出電極163が正極となり、もう一方の引出電極164が負極となる。蓄電セル160が極性を有しない場合には、引出電極163と164とを区別する必要はない。
図13Aに示すように、順方向型蓄電セル160と逆方向型蓄電セル160とを、背面165同士を対向させ、引出電極163、164の引き出し方向が同一方向を向く姿勢で重ね合わせる。逆方向型蓄電セル160の引出電極164の先端部分164Aと、順方向型蓄電セル160の引出電極163の先端部分163Aとが相互に重なる。逆方向型蓄電セル160の引出電極163と、順方向型蓄電セル160の引出電極164とは、相互に反対向きに折れ曲がっている。
逆方向型蓄電セル160の引出電極164と、順方向型蓄電セル160の引出電極163とを、第1の固定部材140Aの開口141内に、その底面152側から挿入する。このとき、逆方向型蓄電セル160の引出電極164の外側の表面が、開口141の第2の側面143に接触した状態を維持する。引出電極164の折れ曲がり箇所が段差144に突き当たることにより、挿入の深さが一定に維持される。引出電極164の先端部分164Aの外側の表面が、第1の固定部材140Aの上面153側に露出する。引出電極163の先端部分163Aの内側の表面(先端部分164Aに接触している表面とは反対側の表面)は、第1の固定部材140Aの底面152側に露出する。第1の固定部材140Aの開口141内に挿入された引出電極163、164は、図2に示した実施例1のL字型構造の電極対をなす。
図13Bに示すように、開口141内に挿入された引出電極164の両側の縁が、開口141の第1の側面142に接触する。なお、図13Bの断面には現れていないが、開口141内に挿入された引出電極163(図13A)の両側の縁も、第1の側面142に接触する。開口141は、そのx方向の寸法が、引出電極163、164の幅と等しくなるように形成されている。このため、引出電極163、164を開口141内に挿入した状態では、蓄電セル160の重ね合わせ方向(z方向)及び引出電極の引き出し方向(y方向)の両方に平行な仮想平面(yz面)に直交する方向、すなわち幅方向(x方向)に関して、両者の相対的な位置関係が拘束される。これにより、引出電極163と164との位置決めを容易に行うことができる。
図13Aに戻って説明を続ける。相互に重ねられた先端部分163A、164Aを、超音波溶接機のアンビル170と超音波ホーン171との間に配置する。例えば、アンビル170は、第1の固定部材140Aの底面152側から開口141内に挿入される。超音波ホーン171は、先端部分164Aの、上面153と同一方向を向く表面に対向する。蓄電容器162がアンビル170の挿入を妨げないように、蓄電容器162をアンビル170の側方に退避させる。このとき、蓄電容器162内の蓄電積層体161(図12A〜図12C)と引出電極163、164との接続箇所近傍が、一時的に屈曲する。
この状態で、開口141内に挿入された先端部分164Aと163Aとを超音波溶接する。なお、先端部分164Aと163Aとは、超音波溶接以外の方法で相互に固着させてもよい。相互に固着させるべき引出電極163、164の相対的な位置関係が拘束されているため、固着処理時における両者の位置ずれを防止することができる。
図13Cに、超音波溶接後の蓄電セル160及び第1の固定部材140Aの断面図を示す。背面165同士を対向させて引出電極163と164とが相互に固着された蓄電セル対を複数個作製する。
図14に示すように、1つの蓄電セル対の逆方向型蓄電セル160の腹面166と、他の蓄電セル対の順方向型蓄電セル160の腹面166とを対向させる。このとき、引出電極163、164の引き出し方向が同一方向を向くように、蓄電セル対の姿勢を維持する。この状態で、逆方向型蓄電セル160の引出電極163と、順方向型蓄電セル160の引出電極164とを、第2の固定部材140Bの開口141内に、底面152側から挿入する。このとき、一方の引出電極163の外側の表面が、開口141の第3の側面149に接触し、他方の引出電極164の外側の表面が、開口141の第2の側面143に接触した状態を維持する。引出電極163、164の折れ曲がり箇所が段差144に突き当たることにより、引出電極163、164の挿入の深さを一定に維持することができる。開口141内で、引出電極163の先端部分163Aと、引出電極164の先端部分164Aとが重なる。第2の固定部材140Bの開口141内に挿入された引出電極163、164は、図2に示した実施例1のブリッジ型構造の電極対をなす。
相互に重なった先端部分163Aと164Aとを、アンビル170と超音波ホーン171との間に配置し、超音波溶接を行う。なお、超音波溶接以外の方法で、先端部分163Aと164Aとを固着させてもよい。
開口141内に挿入された引出電極163、164の両側の縁が、開口141の第1の側面142(図10)に接触する。このため、幅方向に関して、引出電極163と164との相対的な位置関係を拘束することができる。
複数の蓄電セル対に対して、超音波溶接処理を行うことにより、複数の蓄電セル160が直列接続される。直列接続された相互に隣り合う蓄電セル160の間に伝熱板169を挟み、蓄電セル160及び伝熱板169を、一時保管用ケース175内に、その開口部から順次収容する。一時保管用ケース175の底面には、端板176が格納されている。端板176の一方の表面の上(図14においては側方)に、蓄電セル160と伝熱板169とが交互に積み重ねられる。
図15に、一時保管用ケース175(図14)内に収容された状態の第1の固定部材140Aの平面図を示す。複数の第1の固定部材140Aが、積み重ね方向(z方向)に配列している。相互に隣り合う第1の固定部材140Aのうち、一方の第1の固定部材140Aの凸部145と、他方の第1の固定部材140Aの凹部146とが嵌合する。同様に、第2の固定部材140Bにおいても、凸部145と凹部146(図10)とが嵌合する。これにより、第1の固定部材140A及び第2の固定部材140Bのx方向に関する相対的な位置関係が拘束される。
蓄電セル160の引出電極163、164の幅方向(x方向)の位置は、既に説明したように、第1の固定部材140A及び第2の固定部材140Bに対して拘束されている。また、引出電極163、164は、蓄電容器162内の蓄電積層体161(図12A〜図12C)に取り付けられている。このため、積み重ねられた蓄電セル160内の蓄電積層体161のx方向に関する相対的な位置関係を拘束することができる。
このように、引出電極163、164が、絶縁材料で形成された第1の固定部材140Aまたは第2の固定部材140Bで覆われて、固定部材140A、140Bに拘束されている。このため、蓄電モジュールに振動や衝撃が加えられても、引出電極間の短絡故障を防止することができる。また、引出電極163、164は第1の固定部材140Aまたは第2の固定部材140B内に収容されているため、蓄電モジュールに振動や衝撃が加えられても、相互に溶接されている引出電極同士の接触不良の発生を防止することができる。
図16に、蓄電セル160を収容した一時保管用ケース175の断面図を示す。一時保管用ケース175は、長方形状の蓄電セル160の各辺に対応して配置された下側ガイド180、上側ガイド181、及び側方ガイド182、183を含む。下側ガイド180から上側ガイド181を向く方向を高さ方向と定義し、蓄電セル160の積み重ね方向と、高さ方向とに直交する方向(図16において横方向)を、幅方向と定義する。
第1の固定部材140Aが、下側ガイド180によって積み重ね方向(図16の紙面に垂直な方向)に案内される。同様に、第2の固定部材140Bが、上側ガイド181によって積み重ね方向に案内される。伝熱板169の端部が、側方ガイド182、183の、積層方向に延在する溝に収まることにより、伝熱板169の高さ方向の位置が調節される。
図17に示すように、上側ガイド181に、下側ガイド180に向かう荷重を印加する。これにより、蓄電セル160の高さ方向の位置が揃う。
図18に示すように、一時保管用ケース175を、蓄電セル160の積み重ね方向に平行な軸を回転中心として90°回転させる。側方ガイド182、183に、両者が近づく向きの荷重を印加する。これにより、伝熱板169の、幅方向(図18において縦方向)の位置を揃えることができる。
図19に示すように、最も外側の蓄電セル160の外側の表面の上に、端板177を配置する。端板177に、他方の端板176に向かう向きの荷重を印加する。これにより、蓄電セル160と伝熱板169とに、積み重ね方向の圧縮力が印加される。圧縮力が印加された状態で、一方の端板176から他方の端板177まで、複数のタイロッド178を通し、タイロッド178にボルトを締結する。これにより、端板177に印加した荷重を取り除いても、蓄電セル160と伝熱板169とに加わる圧縮力が維持される。この圧縮力により、蓄電セル160と伝熱版49とが、端板176と177との間に、機械的に支持される。
ここまでの工程で、複数の蓄電セル160が直列に接続された蓄電モジュールが得られる。その後、一時保管用ケース175から蓄電モジュールを取り出す。さらに、端板176と177とに、所定の圧縮力を印加し、タイロッド178のボルトを締め付ける。
なお、一時保管用ケース175を、作業機械に搭載するための蓄電モジュール用外装ケースとして用いてもよい。図15を参照して説明したように、蓄電セル160のx方向に関する位置のばらつきを少なくすることができるため、蓄電セル160と一時保管用ケース175の内壁とを十分に離間させることができる。
図20Aに示すように、蓄電セル160の各々を外装フィルム185で覆ってもよい。図20B及び図20Cに、それぞれ図20Aの一点鎖線20B−20B、及び一点鎖線20C−20Cにおける断面図を示す。外装フィルム185は、筒状の形状を有し、引出電極163、164が引き出されている縁に対応する部分が開放されている。外装フィルム185の、開放されている部分の縁は、引出電極163、164の基部を覆う。先端部分163A、164Aは、外装フィルム185で囲まれた空間の外側まで導出されている。
図21Aに、背面165同士を対向させた2つの蓄電セル160と、第1の固定部材140Aとの断面図を示す。図13A〜図13Cに示したように、引出電極163、164が、第1の固定部材140Aの開口141内に挿入されている。このとき、図21Aに示すように、外装フィルム185の開放端の縁が、溝148内に挿入される。
図21Bに、腹面166同士を対向させた2つの蓄電セル160と、第2の固定部材140Aとの断面図を示す。図14に示したように、引出電極163、164が、第2の固定部材140Bの開口141内に挿入されている。このとき、図21Bに示すように、一方の蓄電セル160を取り囲む外装フィルム185の開放端の縁が一方の溝148A内に挿入され、他方の蓄電セル160を取り囲む外装フィルム185の開放端の縁が他方の溝148B内に挿入される。
このように、第1の固定部材140Aの溝148、及び第2の固定部材140Bの溝148A、148Bは、外装フィルム185の開放端の縁を収容する役割を持つ。
実施例1〜実施例7では、蓄電セル20として電気二重層キャパシタを用いたが、その他の蓄電可能な装置を用いてもよい。例えば、蓄電セル20として、リチウムイオン電池等の二次電池、リチウムイオンキャパシタ等を用いることが可能である。
[実施例8]
図22〜図27を参照して、実施例1〜実施例7による蓄電モジュールを搭載した実施例8による作業機械について、ショベルを例に挙げて説明する。図22〜図26では、ハイブリッド型ショベルが例示されるが、実施例1〜実施例7による蓄電モジュールは、その他のハイブリッド型作業機械、電動ショベル等の電動作業機械等に搭載することも可能である。
図22は、ハイブリッド型ショベルの概略平面図である。上部旋回体70に、旋回軸受け73を介して、下部走行体(走行装置)71が取り付けられている。上部旋回体70に、エンジン74、メインポンプ75、旋回用電動モータ76、油タンク77、冷却ファン78、座席79、蓄電モジュール80、及び電動発電機83が搭載されている。エンジン74は、燃料の燃焼により動力を発生する。エンジン74、メインポンプ75、及び電動発電機83が、トルク伝達機構81を介して相互にトルクの送受を行う。メインポンプ75は、ブーム82等の油圧シリンダに圧油を供給する。
電動発電機83は、エンジン74の動力によって駆動され、発電を行う(発電運転)。発電された電力は、蓄電モジュール80に供給され、蓄電モジュール80が充電される。また、電動発電機83は、蓄電モジュール80からの電力によって駆動され、エンジン74をアシストするための動力を発生する(アシスト運転)。油タンク77は、油圧回路の油を貯蔵する。冷却ファン78は、油圧回路の油温の上昇を抑制する。操作者は、座席79に着座して、ハイブリッド型ショベルを操作する。
図23に、ハイブリッド型ショベルの部分破断側面図を示す。下部走行体71に、旋回軸受け73を介して上部旋回体70が搭載されている。上部旋回体70は、旋回フレーム70A、カバー70B、及びキャビン70Cを含む。旋回フレーム70Aは、キャビン70C、及び種々の部品の支持構造体として機能する。カバー70Bは、支持構造体70Aに搭載された種々の部品、例えば蓄電モジュール80等を覆う。キャビン70C内に座席79(図22)が収容されている。
旋回用電動モータ76(図22)が、その駆動対象である旋回フレーム70Aを、下部走行体71に対して、時計回り、または反時計周りに旋回させる。上部旋回体70に、ブーム82が取り付けられている。ブーム82は、油圧駆動されるブームシリンダ107により、上部旋回体70に対して上下方向に揺動する。ブーム82の先端に、アーム85が取り付けられている。アーム85は、油圧駆動されるアームシリンダ108により、ブーム82に対して前後方向に揺動する。アーム85の先端にバケット86が取り付けられている。バケット86は、油圧駆動されるバケットシリンダ109により、アーム85に対して上下方向に揺動する。
蓄電モジュール80が、蓄電モジュール用マウント90及びダンパ(防振装置)91を介して、旋回フレーム70Aに搭載されている。蓄電モジュール80は、例えばキャビン70Cの後方に配置される。カバー70Bが蓄電モジュール80を覆う。蓄電モジュール80には、上記実施例1〜実施例7による蓄電モジュールが用いられる。蓄電モジュール80から供給される電力によって、旋回用電動モータ76(図22)が駆動される。また、旋回用電動モータ76は、運動エネルギを電気エネルギに変換することによって回生電力を発生する。発生した回生電力によって、蓄電モジュール80が充電される。
図24に、実施例8の変形例1によるショベルの部分破断側面図を示す。以下、図23に示した実施例8によるショベルとの相違点に着目して説明し、同一の構成については説明を省略する。
図23に示した例では、キャビン70Cの後方に蓄電モジュール80が配置されていたが、図24に示した変形例では、キャビン70Cの側方に蓄電モジュール80が配置されている。キャビン70Cと蓄電モジュール80との間に、ブーム82が配置されている。この変形例においても、蓄電モジュール80は旋回フレーム70Aに搭載されており、カバー70Bで覆われている。
図25に、実施例8によるハイブリッド型ショベルのブロック図を示す。図25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、電気系統を細い実線で表し、パイロットラインを破線で表す。
エンジン74の駆動軸がトルク伝達機構81の入力軸に連結されている。エンジン74には、電気以外の燃料によって駆動力を発生するエンジン、例えばディーゼルエンジン等の内燃機関が用いられる。エンジン74は、作業機械の運転中は、常時駆動されている。
電動発電機83の駆動軸が、トルク伝達機構81の他の入力軸に連結されている。電動発電機83は、電動(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。電動発電機83には、例えば磁石がロータ内部に埋め込まれた内部磁石埋込型(IPM)モータが用いられる。
トルク伝達機構81は、2つの入力軸と1つの出力軸とを有する。この出力軸には、メインポンプ75の駆動軸が連結されている。
エンジン74に加わる負荷が大きい場合には、電動発電機83がアシスト運転を行い、電動発電機83の駆動力がトルク伝達機構81を介してメインポンプ75に伝達される。これにより、エンジン74に加わる負荷が軽減される。一方、エンジン74に加わる負荷が小さい場合には、エンジン74の駆動力がトルク伝達機構81を介して電動発電機83に伝達されることにより、電動発電機83が発電運転される。電動発電機83のアシスト運転と発電運転との切り替えは、電動発電機83に接続されたインバータ118により行われる。インバータ118は、制御装置130により制御される。
制御装置130は、中央処理装置(CPU)130A及び内部メモリ130Bを含む。CPU130Aは、内部メモリ130Bに格納されている駆動制御用プログラムを実行する。制御装置130は、表示装置135に、各種装置の劣化状態等を表示することにより、運転者の注意を喚起する。
メインポンプ75は、高圧油圧ライン116を介して、コントロールバルブ117に油圧を供給する。コントロールバルブ117は、運転者からの指令により、油圧モータ101A、101B、ブームシリンダ107、アームシリンダ108、及びバケットシリンダ109に油圧を分配する。油圧モータ101A及び101Bは、それぞれ図22、図23
に示した下部走行体71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83の電気系統の入出力端子が、インバータ118を介して蓄電回路190に接続されている。インバータ118は、制御装置130からの指令に基づき、電動発電機83の運転制御を行う。蓄電回路190には、さらに、他のインバータ120を介して旋回用電動モータ76が接続されている。蓄電回路190及びインバータ120は、制御装置130により制御される。
電動発電機83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190から電動発電機83に供給される。電動発電機83が発電運転されている期間は、電動発電機83によって発電された電力が、蓄電回路190に供給される。
旋回用電動モータ76は、インバータ120からのパルス幅変調(PWM)制御信号により交流駆動され、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。旋回用電動モータ76には、例えばIPMモータが用いられる。IPMモータは、回生時に大きな誘導起電力を発生する。
旋回モータ76の力行動作中は、旋回用電動モータ76が、減速機124を介して、上部旋回体70を旋回させる。この際、減速機124は、回転速度を遅くする。これにより、旋回用電動モータ76で発生した回転力が増大する。また、回生運転時には、上部旋回体70の回転運動が、減速機124を介して旋回用電動モータ76に伝達されることにより、旋回用電動モータ76が回生電力を発生する。この際、減速機124は、力行運転の時とは逆に、回転速度を速める。これにより、旋回用電動モータ76の回転数を上昇させることができる。
レゾルバ122が、旋回用電動モータ76の回転軸の回転方向の位置を検出する。検出結果は、制御装置130に入力される。旋回用電動モータ76の運転前と運転後における回転軸の回転方向の位置を検出することにより、旋回角度及び旋回方向が導出される。
メカニカルブレーキ123が、旋回用電動モータ76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123の制動状態と解除状態とは、制御装置130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115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125を介して操作装置126に供給される。操作装置126は、レバーやペダルを含み、運転者によって操作される。操作装置126は、パイロットライン125から供給される1次側の油圧を、運転者の操作に応じて、2次側の油圧に変換する。2次側の油圧は、油圧ライン127を介してコントロールバルブ117に伝達されると共に、他の油圧ライン128を介して圧力センサ129に伝達される。
圧力センサ129で検出された圧力の検出結果が、制御装置130に入力される。これにより、制御装置130は、下部走行体71、旋回用電動モータ76、ブーム82、アーム85、及びバケット86の操作の状況を検知することができる。
図26に、蓄電回路190の等価回路図を示す。蓄電回路190は、蓄電モジュール80、コンバータ200、及びDCバスライン210を含む。コンバータ200の一対の電源接続端子203A、203Bに蓄電モジュール80が接続されており、一対の出力端子204A、204BにDCバスライン210が接続されている。一方の電源接続端子203B、及び一方の出力端子204Bは接地されている。蓄電モジュール80には、上記実施例1〜実施例7による蓄電モジュールが用いられる。
DCバスライン210は、インバータ118、120を介して、電動発電機83及び旋回モータ76に接続されている。DCバスライン210に発生している電圧が、電圧計211により測定され、測定結果が制御装置130に入力される。
昇圧用の絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)202Aのコレクタと、降圧用のIGBT202Bのエミッタとが相互に接続された直列回路が、出力端子204Aと204Bとの間に接続されている。昇圧用IGBT202Aのエミッタが接地され、降圧用IGBT202Bのコレクタが、高圧側の出力端子204Aに接続されている。昇圧用IGBT202Aと降圧用IGBT202Bの相互接続点が、リアクトル201を介して、高圧側の電源接続端子203Aに接続されている。
昇圧用IGBT202A及び降圧用IGBT202Bに、それぞれダイオード202a、202bが、エミッタからコレクタに向かう向きが順方向になる向きで並列接続されている。出力端子204Aと204Bとの間に、平滑用のコンデンサ205が挿入されている。
電源接続端子203Aと203Bとの間に接続された電圧計206が、蓄電モジュール80の端子間電圧を測定する。リアクトル201に直列に挿入された電流計207が、蓄電モジュール80の充放電電流を測定する。電圧及び電流の測定結果は、制御装置130に入力される。
温度検出器136が、蓄電モジュール80の温度を検出する。検出された温度データは、制御装置130に入力される。温度検出器136は、例えば蓄電モジュール80を構成する複数の蓄電セルから選択された4個の蓄電セルに対応して準備された4個の温度計を含む。制御装置130は、例えば、4個の温度計で取得された4個の温度データの平均を算出し、平均値を蓄電モジュール80の温度とする。なお、キャパシタの過熱状態を判定する際には、4個の温度データが示す温度のうち最も高い温度を、蓄電モジュールの温度として採用してもよい。逆に、蓄電モジュールの温度が低下し過ぎた状態の判定には、4個の温度データが示す温度のうち最も低い温度を、蓄電モジュールの温度として採用してもよい。
制御装置130が、昇圧用IGBT202A及び降圧用IGBT202Bのゲート電極に、制御用のパルス幅変調(PWM)電圧を印加する。
以下、昇圧動作(放電動作)について説明する。昇圧用IGBT202Aのゲート電極にPWM電圧を印加する。昇圧用IGBT202Aのオフ時に、リアクトル201に、高圧側の電源接続端子203Aから昇圧用IGBT202Aのコレクタに向かって電流を流す向きの誘導起電力が発生する。この起電力が、ダイオード202bを介してDCバスライン210に印加される。これにより、DCバスライン210が昇圧される。
次に、降圧動作(充電動作)について説明する。降圧用IGBT202Bのゲート電極に、PWM電圧を印加する。降圧用IGBT202Bのオフ時に、リアクトル201に、降圧用IGBT202Bのエミッタから高圧側の電源接続端子203Aに向かって電流を流す向きの誘導起電力が発生する。この誘導起電力により、ダイオード202aを通して蓄電モジュール80が充電される。
図27に、実施例8の変形例2によるショベルのブロック図を示す。以下、図25に示した実施例8によるハイブリッド型ショベルとの相違点に着目して説明し、同一の構成については説明を省略する。
実施例8の変形例2によるショベルでは、エンジン74(図22、図25)が搭載されていない。蓄電モジュール80を充電するための電圧コンバータ88及び外部電源接続プラグ87が準備されている。外部電源から、外部電源接続プラグ87及び電圧コンバータ88を介して、蓄電モジュール80を充電することができる。電動発電機83は、発電機として動作せず、蓄電モジュール80(蓄電回路190)から供給される電力により、電動機としてのみ動作する。
電圧コンバータ88は、外部電源の電圧を蓄電モジュール80の電圧に適合させるための電圧変換を行う。
実施例1〜7による蓄電モジュールは、ハイブリッド型ショベルのみならず、この変形例のように、電動ショベルにも適用することが可能である。
上記実施例1〜実施例8に基づいて、さらに以下の付記に示した発明を開示する。
(付記1)
板状部分の縁から引き出された少なくとも一対の電極を含む蓄電セルが、該板状部分の厚さ方向に積層され、積層方向に隣り合う前記蓄電セルの一方の電極同士を接触させることにより直列接続された蓄電モジュールであって、
前記蓄電セルの各々の前記電極は、前記板状部分の厚さ方向の中心位置よりも、一方の表面である背面側に偏った位置に取り付けられており、
前記蓄電セルの積層方向に隣り合う前記蓄電セルは、前記背面同士が向き合う姿勢、または前記背面とは反対側の腹面同士が向き合う姿勢で配置されており、
前記背面同士を対向させた2つの前記蓄電セルを電気的に接続する前記電極は、該電極の相互に対向する表面において接触しており、
前記腹面同士を対向させた2つの前記蓄電セルを電気的に接続する前記電極は、相互に近づく向きに屈曲し、一方の電極の外側の表面と、他方の電極の内側の表面とが接触している蓄電モジュール。
(付記2)
前記背面同士を対向させた2つの前記蓄電セルを電気的に接続する前記電極は、前記積層方向に屈曲している付記1に記載の蓄電モジュール。
(付記3)
さらに、前記積層方向に隣り合う前記蓄電セルの間に配置された伝熱板を有する付記1または2に記載の蓄電モジュール。
(付記4)
前記積層方向に平行な視線で見たとき、前記伝熱板は、前記電極が引き出される方向とは異なる方向に向かって、前記蓄電セルの縁よりも外側まで広がっている付記3に記載の蓄電モジュール。
(付記5)
さらに、前記複数の蓄電セルを、前記積層方向に加圧して収容する筐体を有する付記1乃至4のいずれか1項に記載の蓄電モジュール。
(付記6)
各々が、蓄電積層体を収容する蓄電容器と、前記蓄電容器の縁から引き出された一対の引出電極とを含み、引出電極の引き出し方向が同一方向を向く姿勢で重ねられた複数の板状の蓄電セルと、
前記蓄電セルが重ねられた状態で、相互に隣り合う2つの蓄電セルの一方の1つの引出電極と他方の1つの引出電極とが挿入され、前記蓄電セルの重ね合わせ方向及び前記引出電極の引き出し方向に平行な仮想平面と直交する方向に関して、挿入された前記2つの引出電極の相対的な位置関係を拘束する固定部材と
を有する蓄電モジュール。
(付記7)
前記固定部材は絶縁材料で形成されている付記6に記載の蓄電モジュール。
(付記8)
前記固定部材に挿入された前記2つの引出電極は、前記蓄電容器から引き出された後、前記蓄電セルの積み重ね方向に向かって折り曲げられた先端部分を含み、
前記固定部材に挿入された前記2つの引出電極の前記先端部分同士が重ねられており、
前記固定部材は、前記2つの引出電極が挿入され、相互に重ねられた前記先端部分の両面を露出させる開口を有する付記6または7に記載の蓄電モジュール。
(付記9)
前記開口の側面に、前記引出電極の折れ曲がり箇所が突き当たることにより、前記引出電極の、前記開口内への挿入深さを規制する段差が形成されている付記8に記載の蓄電モジュール。
(付記10)
さらに、前記蓄電セルの各々を覆う外装フィルムを有し、
前記固定部材に、前記外装フィルムの縁が挿入される溝が形成されている付記6乃至9のいずれか1項に記載の蓄電モジュール。
(付記11)
さらに、前記固定部材に挿入された引出電極を有する前記2つの蓄電セルの一方の側に積み重ねられた他の2つの蓄電セルの各々の1つの引出電極が挿入され、前記固定部材と同一の幾何学的形状を有する他の固定部材を有し、
前記固定部材と、前記他の固定部材とは、相互に嵌合することにより、前記仮想平面と直交する方向に関して、前記2つの固定部材の相対的な位置を拘束する嵌合部を有する付記6乃至10のいずれか1項に記載の蓄電モジュール。
(付記12)
各々が、蓄電積層体を収容する蓄電容器と、前記蓄電容器の縁から引き出された一対の引出電極とを含み、引出電極の引き出し方向が同一方向を向く姿勢で重ねられた複数の板状の蓄電セルと、
前記蓄電セルが重ねられた状態で、相互に隣り合う2つの蓄電セルの一方の1つの引出電極と他方の1つの引出電極とが挿入され、前記蓄電セルの重ね合わせ方向及び前記引出電極の引き出し方向に平行な仮想平面と直交する方向に関して、挿入された前記2つの引出電極の相対的な移動を禁止する固定部材と
を有する蓄電モジュールが搭載された作業機械。
(付記13)
各々が、蓄電積層体を収容する蓄電容器と、前記蓄電容器の縁から引き出された一対の引出電極とを含む2枚の板状の蓄電セルを準備する工程と、
前記2枚の蓄電セルの一方の1つの引出電極と、他方の1つの引出電極とを、固定部材の開口内に挿入し、前記引出電極の挿入方向に直交し、かつ前記板状の蓄電セルの面内方向と平行な方向に関して、前記開口内に挿入された2つの引出電極の相対的な位置関係を拘束する工程と、
前記2つの引出電極の相対的な位置関係を拘束した状態で、前記2つの引出電極同士を
相互に固着させる工程と
を有する蓄電モジュールの製造方法。
10 蓄電容器
10A、10B ラミネートフィルム
11 蓄電要素
12 第1の電極
13 第2の電極
14 ガス抜き孔
15 ガス抜き弁
16 板状部分
18 帯電防止フィルム
20 蓄電セル
21 第1の集電極
21A 延伸部分
22 第2の集電極
22A 延伸部分
23 セパレータ
25 伝熱板
27 第1の分極性電極
28 第2の分極性電極
31、32、33、34 壁板
33A、34A 窓
40 加圧機構
41 押さえ板
42 ナット
43 タイロッド
48、49 強制空冷装置
70 上部旋回体
71 下部走行体(基体)
73 旋回軸受け
74 エンジン
75 メインポンプ
76 旋回モータ
77 油タンク
78 冷却ファン
79 座席
80 蓄電モジュール
81 トルク伝達機構
82 ブーム
83 電動発電機
85 アーム
86 バケット
87 外部電源接続プラグ
88 電圧コンバータ
90 蓄電モジュールマウント
91 ダンパ(防振装置)
101A、101B 油圧モータ
107 ブームシリンダ
108 アームシリンダ
109 バケットシリンダ
114 メインポンプ
115 パイロットポンプ
116 高圧油圧ライン
117 コントロールバルブ
118 インバータ
119 キャパシタ
120 インバータ
122 レゾルバ
123 メカニカルブレーキ
124 減速機
125 パイロットライン
126 操作装置
127、128 油圧ライン
129 圧力センサ
130 制御装置
135 表示装置
136 温度検出器
140A 第1の固定部材
140B 第2の固定部材
141 開口
142 第1の側面
143 第2の側面
144 段差
145 凸部
146 凹部
147 嵌合部
148 溝
149 第3の側面
150 前面
151 背面
152 底面
153 上面
160 蓄電セル
161 蓄電積層体
162 蓄電容器
163、164 引出電極
163A、164A 先端部分
165 背面
166 腹面
169 伝熱板
170 アンビル
171 超音波ホーン
175 一時保管用ケース
176、177 端板
178 タイロッド
180 下側ガイド
181 上側ガイド
182、183 側方ガイド
185 外装フィルム200 コンバータ
201 リアクトル
202A 昇圧用IGBT
202B 降圧用IGBT
202a、202b ダイオード
203A、203B 電源接続端子
204A、204B 出力端子
205 平滑用コンデンサ
206 電圧計
207 電流計
211 電圧計

Claims (13)

  1. 下部走行体と、
    前記下部走行体の上に旋回可能に取り付けられた上部旋回体と、
    前記上部旋回体に搭載された蓄電モジュールと
    を有し、
    前記蓄電モジュールは、各々が、板状部分の縁から引き出された少なくとも一対の電極を有する複数の蓄電セルを含み、
    前記蓄電セルは、前記板状部分の厚さ方向に積層され、積層方向に隣り合う前記蓄電セルの電極同士を接触させることにより直列接続されており、
    相互に接触している一対の前記電極で構成された電極対のうち少なくとも一部の電極対は、電極が相互に近づく向きに屈曲し、一方の電極の外側の表面と、他方の電極の内側の表面とが接触しているブリッジ型構造を有するショベル。
  2. 前記ブリッジ型構造の電極対の電極同士は、屈曲箇所よりも先端の部分において相互に接触している請求項1に記載のショベル。
  3. 前記蓄電セルの各々の前記電極は、前記板状部分の厚さ方向の中心位置よりも、一方の表面である背面側に偏った位置に取り付けられており、
    前記蓄電セルの積層方向に隣り合う前記蓄電セルは、前記背面同士が向き合う姿勢、または前記背面とは反対側の腹面同士が向き合う姿勢で配置されており、
    前記背面同士を対向させた2つの前記蓄電セルを電気的に接続する前記電極は、該電極の相互に対向する表面において接触しており、
    前記腹面同士を対向させた2つの前記蓄電セルを電気的に接続する前記電極は、前記ブリッジ型構造の電極対を構成している請求項1または2に記載のショベル。
  4. 前記背面同士を対向させた2つの前記蓄電セルを電気的に接続する前記電極は、前記積層方向に屈曲したL字型構造を有する請求項1に記載のショベル。
  5. さらに、前記積層方向に隣り合う前記蓄電セルの間に配置された伝熱板を有する請求項1または4に記載のショベル。
  6. 前記積層方向に平行な視線で見たとき、前記伝熱板は、前記電極が引き出される方向とは異なる方向に向かって、前記蓄電セルの縁よりも外側まで広がっている請求項5に記載のショベル。
  7. さらに、前記複数の蓄電セルを、前記積層方向に加圧して収容する筐体を有する請求項1乃至6のいずれか1項に記載のショベル。
  8. さらに、相互に接触している前記電極が挿入され、前記蓄電セルの積層方向及び前記電極の引き出し方向のいずれにも平行な仮想平面と直交する方向に関して、挿入された前記2つの電極の相対的な位置関係を拘束する固定部材を有する請求項1乃至7のいずれか1項に記載のショベル。
  9. 前記固定部材は絶縁材料で形成されている請求項8に記載のショベル。
  10. 前記固定部材に挿入された前記2つの電極は、前記板状部分の縁から引き出された後、前記蓄電セルの積み重ね方向に向かって折り曲げられた先端部分を含み、
    前記固定部材に挿入された前記2つの電極の前記先端部分同士が重ねられており、
    前記固定部材は、前記2つの電極が挿入され、相互に重ねられた前記先端部分の外側の表面を露出させる開口を有する請求項8または9に記載のショベル。
  11. 前記開口の側面に、前記電極の折れ曲がり箇所が突き当たることにより、前記電極の、前記開口内への挿入深さを規制する段差が形成されている請求項10に記載のショベル。
  12. さらに、前記蓄電セルの各々を覆う外装フィルムを有し、
    前記固定部材に、前記外装フィルムの縁が挿入される溝が形成されている請求項8乃至11のいずれか1項に記載のショベル。
  13. さらに、前記固定部材に挿入された電極を有する前記2つの蓄電セルの一方の側に積層された他の2つの蓄電セルの各々の1つの電極が挿入され、前記固定部材と同一の幾何学的形状を有する他の固定部材を有し、
    前記固定部材と、前記他の固定部材とは、相互に嵌合することにより、前記仮想平面と直交する方向に関して、前記2つの固定部材の相対的な位置を拘束する嵌合部を有する請求項8乃至12のいずれか1項に記載のショベル。
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