JP2004359032A - 電動アシスト自転車及び電動車両 - Google Patents

Abstract

【課題】電源電池による航続距離を延長する。
【解決手段】２つの電源パック１２０Ａ、１２０Ｂは電圧、温度、電流、残容量等の情報を制御端子から出力し、これをマイコン１３３Ａ、１３３Ｂによって把握する。そして、マイコン１３３Ａ、１３３Ｂは、このような電源パック１２０Ａ、１２０Ｂからの情報に基づいて、電源パック１２０Ａ、１２０Ｂの電池残量を監視し、いずれか一方の電源パックを使用中とし、他方の電源パックを待機中として選択し、一方の電源パックを電動アシスト自転車の各部の電源として用いる。そして、使用中の電源パックの残容量が予め設定された所定の値まで低下した場合には、他方の電源パックに切り替えて、この電源パックを使用中とし、残容量の監視を継続する。
【選択図】 図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、車輪駆動用のモータとその電源用の電池を搭載した電動アシスト自転車及び電動車両に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、駆動モータと電源電池を搭載して車輪等の走行系を電動で駆動し、アシスト走行を行なうようにした電動アシスト自転車が知られている。
また、このような電動アシスト自転車において、電源電池を充電式とし、適宜充電を行なうことにより、電動による航続距離を延ばすようにしたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１０−３５５７５号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来例では、単一の電源電池を用いるものであり、電動による航続距離を十分延ばせないという課題があった。
【０００５】
そこで本発明の目的は、電源電池による航続距離を延長することが可能な電動アシスト自転車及び電動車両を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記目的を達成するため、車輪を駆動するモータを含むモータ駆動部と、前記モータの駆動電源を供給する複数の電池部と、前記複数の電池部から前記モータ駆動部への給電経路を選択的に切り替える給電切り替え手段と、前記複数の電池部における電池残量を検出する検出手段と、前記検出手段による検出信号に基づいて前記複数の電池部の電池消耗度を判定し、前記給電切り替え手段を制御して使用する電池部を切り替える制御部とを有することを特徴とする。
【０００７】
本発明の電動アシスト自転車及び電動車両では、モータの駆動電源を供給する複数の電池部を設け、この複数の電池部における電池残量を検出して電池消耗度を判定し、給電切り替え手段によって電池部を切り替えるようにしたことから、１つの電源電池を用いた場合に比べて、複数の電源電池により航続距離を延長することが可能となる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による電動アシスト自転車及び電動車両の実施の形態例について説明する。
なお、以下に説明する実施の形態例は本発明を電動アシスト自転車に適用したものである。
図１は本発明の実施の形態例による電動アシスト自転車の制御系の概略構成を示すブロック図である。
図示のように、この電動アシスト自転車は、モータユニット１０、電池ユニット２０、表示部ユニット３０、及びビークルコントローラユニット４０とで構成される。
【０００９】
モータユニット１０は、駆動モータによって車輪にアシストトルクを付与し、アシスト走行を行なうものであり、ＤＣブラシレスモータ等よりなる駆動モータと、この駆動モータを制御するモータドライブと、このモータドライブを制御するモータコントローラとを有している。
電池ユニット２０は、例えばリチウムイオン２次電池を用いた継ぎ足し充電可能な電源電池（電源パック）と、この電源電池を制御する電源コントローラとを有し、本電動アシスト自転車の各部に電源を供給するものである。
そして、本例では、この電池ユニット２０に２つの電源電池を設けるとともに、各電源電池の残量を電源コントローラによって検出し、一方の電源電池が消耗した際に、他方の電源電池に切り替えて用いることで、電源電池を１つだけ搭載した場合に比べてアシスト走行の持続時間を延長したものである。
表示部ユニット３０は、ハンドルに設けられたものであり、ユーザに各種の情報を表示するための表示部と各種キー入力を受けつけるキー操作部等を有し、総高速度等の表示を行なうようになっている。
また、ビークルコントローラユニット４０は、本電動アシスト自転車の走行に関する制御を行なうものであり、走行速度、ペタルトルク、加速度等の検出を行ない、その検出信号をモータユニット１０や表示部ユニット３０に送り、アシストトルクの制御や自動変速制御等を行なうものである。
【００１０】
図２は本例の電動アシスト自転車の外観例を示す側面図である。
図示のように、本例の電動アシスト自転車は、メインフレーム１０１、リアフレーム１０２、フロントフォーク１０３、シートポスト１０４、シート１０５、スピンドル１０６、ハンドル１０７、前輪１０８、後輪１０９、自動変速部１１０、ペダル部１１１、原動スプロケット１１２、従動スプロケット１１３、チェーン１１４等で構成されており、上述した２つの電源電池（電源パック）１２０Ａ、１２０Ｂは、メインフレーム１０１とリアフレーム１０２の内部に配置されている。
【００１１】
図３は本例の電動アシスト自転車の電源電池とモータユニットの接続構成を示す概略ブロック図であり、図４は図３に示す接続構成の具体的な構成を示すブロック図である。
図３に示すように、本例では、２つの電源パック１２０Ａ、１２０Ｂを切り替えユニット１３０によって選択的にビークルコントローラユニット４０に接続するものであり、接続中の電源パック１２０Ａを使用中（アクティブ）、切断中の電源パック１２０Ｂを予備（スリープ）として用いる。
ビークルコントローラユニット４０は、これら電源パック１２０Ａ、１２０Ｂからの電源電圧をモータユニット１０に送り、モータユニット１０ではモータコントローラ１５１、及びモータドライバ１５２を介して駆動モータ１５３の駆動制御を行ない、アシスト駆動動作を行なう。
【００１２】
図４に示すように、各電源パック１２０Ａ、１２０Ｂは切り替えユニット１３０及び平滑コンデンサ１３１を介してモータドライバ１５２に接続されている。この回路では、平滑コンデンサ１３１によって電源パック１２０Ａ、１２０Ｂからの電源電圧を平滑化し、例えば電源パック１２０Ａ、１２０Ｂの切り替えに伴う電圧変動を吸収するようになっている。
モータドライバ１５２は図示しないインバータ回路をＰＷＭ駆動部によって駆動し、モータ１５３にＰＷＭ信号を供給するものである。
モータ１５３には、電流センサ１５４、トルクセンサ（磁気センサ）１５５、速度センサ１５６が設けられており、各検出信号をモータコントローラ１５１に供給している。
モータコントローラ１５１は、マイコン１６１、速度アンプ１６２、電流分配回路１６３、電流アンプ１６４等を有し、ビークルコントローラユニット４０のトルク指令部４１からの指令値に基づいて、モータドライバ１５２によるモータ１５３のＰＷＭ駆動を制御する。
【００１３】
図５は切り替えユニット１３０の構成例を示すブロック図である。図示のように、この切り替えユニット１３０は、各電源パック１２０Ａ、１２０Ｂ毎に設けられたＦＥＴ等のスイッチ素子１３２Ａ、１３２Ｂと、このスイッチ素子１３２Ａ、１３２Ｂを制御するマイコン１３３Ａ、１３３Ｂとを有するものである。
マイコン１３３Ａ、１３３Ｂは、通信ライン１３４Ａ、１３４Ｂを通してビークルコントローラユニット４０やモータユニット１０のマイコンと通信を行ない、また、各電源パック１２０Ａ、１２０Ｂからの各種信号を受け取り、各電源パック１２０Ａ、１２０Ｂの管理を行なう。
そして、このマイコン１３３Ａ、１３３Ｂの制御によってスイッチ素子１３２Ａ、１３２Ｂを制御して使用する電源パック１２０Ａ、１２０Ｂを選択し、パワーライン１３５Ａ、１３５Ｂを通して各部に電源電力の供給を行なう。なお、図５において、ＦＥＴに付したＣはチャージを示している。
【００１４】
以上は、各電源パックが充電機能を持たない構成を想定した場合の例であるが、各電源パックが充電機能を持つ場合にはモータコイルの逆起電力を利用して回生動作を行なうことが可能である。
そこで次に、回生動作を行なう場合の構成例について説明する。
図６はこの場合の切り替えユニット１３０の構成例を示すブロック図である。なお、図５と共通の構成については同一符号を用いている。
図示のように、この切り替えユニット１３０は、図５に示した給電経路に加えて充電経路を設けたものである。
すなわち、この切り替えユニット１３０は、上述した給電用のスイッチ素子１３２Ａ、１３２Ｂに並列に充電用のスイッチ素子１３６Ａ、１３６Ｂを設けたものである。このスイッチ素子１３６Ａ、１３６ＢもＦＥＴ等よりなり、マイコン１３３Ａ、１３３Ｂの制御によってスイッチ素子１３６Ａ、１３６Ｂが制御され、充電を行なう電源パック１２０Ａ、１２０Ｂを選択して、パワーライン１３７Ａ、１３７Ｂを通してモータユニット１０によって生成された回生電圧による充電を行なう。なお、図６において、ＦＥＴに付したＣはチャージ、Ｄはディスチャージを示している。
【００１５】
次に、以上のような構成による本例の電動アシスト自転車の動作について説明する。
図７は本例の動作概要を示すフローチャートである。
まず、本例で用いる電源パック１２０Ａ、１２０Ｂは、複数の２次電池セルを組み合わせた組セル電池で構成されており、各セルの電圧、温度、電流、残容量等の情報を制御端子から出力し、これをマイコン１３３Ａ、１３３Ｂによって把握するようになっている。
そして、マイコン１３３Ａ、１３３Ｂは、このような電源パック１２０Ａ、１２０Ｂからの情報に基づいて、電源パック１２０Ａ、１２０Ｂの電池残量を監視し、いずれか一方の電源パックを使用中とし、他方の電源パックを待機中として選択し（ステップＳ１）、一方の電源パックを電動アシスト自転車の各部の電源として用いる（ステップＳ２）。
そして、使用中の電源パックの残容量が予め設定された所定の値まで低下した場合には（ステップＳ３）、他方の電源パックに切り替えて、この電源パックを使用中とし（ステップＳ４）、電源オフによる動作終了（ステップＳ５）まで残容量の監視を継続する。
【００１６】
次に、電源パック切り替えの詳細動作について説明する。
（１）使用中の電源パックはパワーオン時から絶えず内部のマイコンのＲＡＭに電圧値、温度、全電流値、残容量値を定期的に書き込んでおり、通信によりビークルコントローラがそれらのデータを定期的に読み込んでいる。ここで、時間の経過とともに、ビークルコントローラに読み込まれた残容量値（電流容量値）は、結局は減少して行く方向を示す。
（２）ビークルコントローラはＲＯＭのテーブルに電源パックの使用可否を明確にする第１の残容量閾値が記憶しており、さらに、その第１の残容量閾値より所定値だけ大きい値として第２の残容量閾値が定義されており、その値も記録している。
（３）ビークルコントローラは、電源パックから通信で入手した残容量値が、第２の残容量閾値に対して大きいか、小さいかを、その都度判定しており、いずれどこかで、入手した残容量値が第２の残容量閾値より低くなるタイミングが訪れる。
【００１７】
（４）入手した残容量値が第２の残容量閾値より小さいと最初に判定されると、ビークルコントローラは予備としてパワーダウン状態（何も動いていない状態）で搭載されている第２の電源パックにスレーブアドレス（ビークルコントローラがマスタ）とウエークコマンドを送り、電源パックのＲＯＭに記載されている基準データ（定格電流容量値、定格電圧値等）と電源パックの立ち上がり時の温度、電圧、残容量値、スイッチ素子（ＦＥＴ）のオン／オフ状態の情報を取り込む。
なお、電源パックには識別ＩＤがソフト的に設けられているため、ビークルコントローラは、通信ラインからのコマンドのやり取りだけで充電用の経路を切るスイッチ素子や放電用の経路を切るスイッチ素子を制御することができる。
（５）スイッチ素子が第２の電源パックに関する全電源ラインに対し、オン状態を示すものがあれば、ビークルコントローラは、コマンドにより、そのスイッチ素子を全てオフにする。
【００１８】
（６）第２の電源パックは、スイッチ素子の状態を示すメモリに、結果としてのスイッチ素子の状態を書き込み、ビークルコントローラは、通信により、その状態を認識する。
（７）もし、第２の電源パックの残容量値が、第１の電源パックの残容量値より大きく、上記の第２の残要領閾値より十分大きければ、次の電源パック切り替え動作に入る。もし、第１の電源パックの残容量値より大きくても、第２の残容量閾値より小さければ、切り替えは行わず、ビークルコントローラは図示しない表示器等に、その旨表示させる。
【００１９】
次に、以上のような電源パックの切り替えタイミングについて説明する。
電源パックの切り替え中に、駆動系への電源の供給が切れてしまうと、図示しない保護回路が働き、パワーダウンの処理に入ってしまい、第２の電源パックの立ち上げにしても、パワーダウンからの回復処理を必要とすることになってしまい、非現実的な制御となる。
これを避けるために、平滑コンデンサ１３１の機能が重要となり、電源パックの切り替え時に、このコンデンサからの放電で正常な駆動状態を継続させるようにしている。したがって、本例では、（切り替えに要する時間）＜（コンデンサの放電時定数）の関係を満たすようにする。
【００２０】
次に、具体的な数値例について説明する。
まず、電源パックの満充電の電圧値については、例えば４．２Ｖ満充電単セルを並列３セル×直列８セルの組み構成で用いる場合、４．２Ｖ×８＝３３．６Ｖとなる。また、電源パックの電流容量は４５００ｍＡｈとしています。これは、電流容量１５００ｍＡｈの単セルを並列３セル構成で使用しているため、１５００×３＝４５００ｍＡｈとなる。
したがって、４５００ｍＡ一定で電流を流すと、１時間で放電し切ってしまうことになる。なお、このような組み構成は、一例であり、満充電池や電流容量値は適宜選択できるものである。
一方、容量閾値は、実際は上記の電流容量と電圧の関係をデータとして計測し、電圧値で監視することができる。
そして、電圧値で、２．５Ｖ以下（単セル）となると、セルが過放電で動作不能となってしまうので、３．０Ｖを第２の閾値（直列８セルの構成では２４Ｖ）とし、２．６ｖを第１の閾値（直列８セルの構成では２０．８Ｖ）とする。
ただし、この値は、セルのばらつき等に対して十分なデータをとることにより、さらに最適な値を選択する余地があるものである。
一方、電源パックの切り替えに要する時間は、６５０ｍｓｅｃ程度と考えられることから、平滑コンデンサ１３１の容量としては、およそ１０８００μＦとする。
なお、本例では、通信ラインのインタフェースにＳＭＢＵＳ通信を用いており例えば、２５０ｍｓｅｃに１回の割合で、ＳＴＡＴＵＳ情報をビークルコントローラに送り、上述のような制御を行なっている。
【００２１】
次に、図６で示した構成に利用する回生動作について説明する。
例えば、本例の電動アシスト自転車には、例えばブレーキレバー態様の回生スイッチが設けられており、この回生スイッチをオンすると、駆動系の回路を切り替えて、モータの発電した電力を受け、リチウムイオン２次電池を温度的に安全と思われる電流値の範囲（充電器の仕様にある充電電流値に相当する）で充電する構造になっている。
そこで、このような回生機能を用いて次のような制御を行なう。
（１）まず、一方の電源パックが満充電状態で、他方の電源パックが完全放電状態であるものとする。
（２）ブレーキレバーのような把持操作によって回生スイッチを入れ、回生充電を開始し、回生充電をさせたい期間は、この回生スイッチを操作し続ける。
（３）ビークルコントローラは、回生スイッチのオンを検知すると、パック切り替えユニットを動作させ、パワーダウン状態の電源パックをウエイクアップさせる。なお、ここで満充電状態であった電源パックは、パワーダウンさせず、そのままで待機させる。
【００２２】
（４）ビークルコントローラは、例えば約３００ｍｓｅｃ後に、モータユニットのスイッチ切替信号を出し、電源パックに対する電流−電圧制御を可能とさせると、充電が始まる。
（５）電流−電圧制御用回路は、モータユニットの中のＣＰＵによりコントロールされる。
（６）充電が途中でも回生スイッチが離されると、ビークルコントローラはパック切り替えユニットを動作させ、元の満充電状態であった電源パックに切り替える。
（７）なお、本例の電源パックは、ステータス情報を絶えず通信を使ってビークルコントローラとやり取りする構成となっており、保護回路として通信が所定の時間以上（現在は５分）なされない場合は、自らスリープモードに入るようになっている。
【００２３】
なお、以上の例は電源パックを２つ設けた場合を説明したが、３つ以上の電源パックを設けた場合にも同様に適用できる。
さらに、具体的な構成としては種々変形が可能であり、例えば、電池としては、リチウムイオン電池以外の電池を用いてもよいし、スイッチ素子としてはＦＥＴ以外の素子を用いてもよい。
また、本発明は上述のような電動アシスト自転車に限らず、電源電池と駆動モータによって走行する各種の電動車両としても適用可能である。
【００２４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の電動アシスト自転車及び電動車両では、モータの駆動電源を供給する複数の電池部を設け、この複数の電池部における電池残量を検出して電池消耗度を判定し、給電切り替え手段によって電池部を切り替えるようにしたことから、１つの電源電池を用いた場合に比べて、複数の電源電池により航続距離を延長することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態例による電動アシスト自転車のシステム構成を示すブロック図である。
【図２】図１に示す電動アシスト自転車の外観例を示す側面図である。
【図３】図１に示す電動アシスト自転車の電源電池とモータユニットの接続構成を示す概略ブロック図である。
【図４】図３に示す接続構成の具体的な構成を示すブロック図である。
【図５】図４に示す回路に設けられる切り替えユニットの第１の構成例を示すブロック図である。
【図６】図４に示す回路に設けられる切り替えユニットの第２の構成例を示すブロック図である。
【図７】図１に示す電動アシスト自転車の動作概要を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１０……モータユニット、２０……電池ユニット。３０……表示部ユニット、４０……ビークルコントローラユニット、１２０Ａ、１２０Ｂ……電源パック、１３０……切り替えユニット、１３１……平滑コンデンサ、１３２Ａ、１３２Ｂ、１３６Ａ、１３６Ｂ……スイッチ素子、１３３Ａ、１３３Ｂ……マイコン。

Claims (12)

1. 車輪を駆動するモータを含むモータ駆動部と、
   前記モータの駆動電源を供給する複数の電池部と、
   前記複数の電池部から前記モータ駆動部への給電経路を選択的に切り替える給電切り替え手段と、
   前記複数の電池部における電池残量を検出する検出手段と、
   前記検出手段による検出信号に基づいて前記複数の電池部の電池消耗度を判定し、前記給電切り替え手段を制御して使用する電池部を切り替える制御部と、
   を有することを特徴とする電動アシスト自転車。
2. 前記複数の電池部はそれぞれ充電式の電池で構成され、前記モータ駆動部で発生した回生電力によって前記複数の電池部の充電を行なう回生回路を有することを特徴とする請求項１記載の電動アシスト自転車。
3. 前記回生回路から前記複数の電池部への充電経路を選択的に切り替える充電切り替え手段を有し、前記制御部は前記充電切り替え手段を制御して充電する電池部を切り替えることを特徴とする請求項２記載の電動アシスト自転車。
4. 前記複数の電池部は継ぎ足し充電可能な２次電池で構成されることを特徴とする請求項２記載の電動アシスト自転車。
5. 前記継ぎ足し充電可能な２次電池がリチウムイオン２次電池であることを特徴とする請求項４記載の電動アシスト自転車。
6. 前記給電切り替え手段及び充電切り替え手段は前記電池部毎に設けられたスイッチ素子よりなることを特徴とする請求項３記載の電動アシスト自転車。
7. 車輪を駆動するモータを含むモータ駆動部と、
   前記モータの駆動電源を供給する複数の電池部と、
   前記複数の電池部から前記モータ駆動部への給電経路を選択的に切り替える給電切り替え手段と、
   前記複数の電池部における電池残量を検出する検出手段と、
   前記検出手段による検出信号に基づいて前記複数の電池部の電池消耗度を判定し、前記給電切り替え手段を制御して使用する電池部を切り替える制御部と、
   を有することを特徴とする電動車両。
8. 前記複数の電池部はそれぞれ充電式の電池で構成され、前記モータ駆動部で発生した回生電力によって前記複数の電池部の充電を行なう回生回路を有することを特徴とする請求項７記載の電動車両。
9. 前記回生回路から前記複数の電池部への充電経路を選択的に切り替える充電切り替え手段を有し、前記制御部は前記充電切り替え手段を制御して充電する電池部を切り替えることを特徴とする請求項８記載の電動車両。
10. 前記複数の電池部は継ぎ足し充電可能な２次電池で構成されることを特徴とする請求項８記載の電動車両。
11. 前記継ぎ足し充電可能な２次電池がリチウムイオン２次電池であることを特徴とする請求項８記載の電動車両。
12. 前記給電切り替え手段及び充電切り替え手段は前記電池部毎に設けられたスイッチ素子よりなることを特徴とする請求項９記載の電動車両。

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