JP2005153841A

JP2005153841A - 電動モータのバッテリー回路

Info

Publication number: JP2005153841A
Application number: JP2003428320A
Authority: JP
Inventors: Mitsuo Uzuka; 光男宇塚
Original assignee: SOFUTORONIKUSU KK
Current assignee: SOFUTORONIKUSU KK
Priority date: 2003-11-20
Filing date: 2003-11-20
Publication date: 2005-06-16

Abstract

【課題】電動モータ付き自転車等の電動モータのバッテリー回路を高効率で高信頼性のものにするとともに、バッテリーとその充電回路を簡素化する。
【解決手段】
バッテリー７１は、低電圧のバッテリー７１ａ、７１ｂ…をパラレル接続で用いて信頼性を高め、バッテリーとその充電回路を簡素化する。差動アンプ７３は、電動モータ５の速度指令量と速度検出センサ７２の速度検出量の差に応じた制御量をゲート回路７４に入力する。これを受けゲート回路７４は、トランジスタＴｒ１のオン／オフ時間を制御し、オン時にチョークコイルＬ１に蓄積したエネルギーをオフ時に放出させてバッテリー電圧に加算させ、バッテリー電圧を高電圧に昇圧する。従って、速度の指令量と検出量の差が大きければ高電圧となって大電流が供給可能となり、差が小さければバッテリー電圧に近づいて、昇圧回路の変換効率を向上させ、バッテリー効率を向上させる。
【選択図】図１

Description

発明の詳細な説明

本発明は、いわゆる２輪や３輪の電動バイクや電動アシスト自転車といった、電動モータを利用して走行する自転車等において、電動モータの電源を供給するバッテリー回路に関する。

後輪を回転させる電動モータをアクセル量に応じて回転させることにより走行する、いわゆる２輪や３輪の電動バイクや、後輪を回転させる電動モータをペダルの負荷に応じてアシストして回転させる、いわゆる２輪や３輪の電動アシスト自転車が知られている（特許文献１）。以下、これらの電動バイクや電動アシスト自転車を電動モータ付き自転車と呼ぶ。

これらの電動モータの電源としては、大部分がリチウムイオンバッテリー等の充電式の２次電池が用いられている。上記の電動モータは、アクセル量に応じ、あるいはペダル操作量に応じて速度制御もしくはトルク制御がなされるが、これらの制御においては、バッテリー電圧が高いほど、損失を低減する上で好適であるため、一般には、多数のバッテリーセルをシリーズ接続して、必要な一定の高電圧のバッテリー電圧を得ている。

なお、ビデオカメラの駆動モータ等のバッテリー回路では、特許文献２に記載されているように、シリーズ接続のセル数が少ない低電圧のバッテリーを搭載し、ＤＣ−ＤＣコンバータで必要な一定の高電圧に昇圧して用いる例が知られている。

特開平８−２６８３７１号公報登録実用新案第３００３３９９号公報

しかしながら、上記従来技術において、バッテリーセルをシリーズ接続して高電圧を供給する回路では、シリーズ接続のバッテリーセルが一つでも故障するとバッテリーとして機能せず、電動モータ付き自転車が走行中であればエンスト状態になってしまい、信頼性が低いというという問題があるほか、シリーズ接続のセル数が多いため、電圧チェック用の端子を途中から幾つも出さなければならないという繁雑さを有するとともに、充電回路がバッテリー電圧よりもさらに高い高電圧を発生しなければならないため、回路が複雑化するという問題がある。

一方、シリーズ接続のセル数が少ない低電圧のバッテリーを使用し、ＤＣ−ＤＣコンバータで必要な一定の高電圧に昇圧して用いる例を、電動モータ付き自転車に適用した場合では、前記と同様に、シリーズ接続のバッテリーセルが一つでも故障するとバッテリーとして機能せず、電動モータ付き自転車が走行中であればエンスト状態になってしまい、信頼性が低いという問題があるほか、一定の高電圧で電動モータの速度制御やトルク制御を行うと、変換効率が悪いため、バッテリー効率が悪いという問題がある。

本発明は、上記従来技術の問題を解決するためになされたものであり、高効率で信頼性が高く、バッテリーとその充電回路を簡素化できる電動モータ付き自転車等の電動モータのバッテリー回路を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明による電動モータのバッテリー回路は、パラレルに接続したバッテリーと、電動モータの速度もしくはトルクを検出する検出手段と、前記電動モータの速度制御もしくはトルク制御に対する指令量と前記検出手段からの検出量の差に応じて前記バッテリーの電圧を高電圧に昇圧して前記速度制御もしくはトルク制御を行う電動モータの駆動手段に供給する昇圧手段と、を具備することを特徴とする。

あるいは、パラレルに接続したバッテリーと、電動モータの速度もしくはトルクを検出する検出手段と、前記電動モータの速度制御もしくはトルク制御に対する指令量と前記検出手段からの検出量の差に応じて前記バッテリーの電圧を該バッテリーの電圧より低電圧から高電圧まで降圧もしくは昇圧して前記速度制御もしくはトルク制御を行う電動モータの駆動手段に供給する昇降圧手段と、を具備することを特徴とする。

本発明によれば、パラレル接続のバッテリーを用いるため、バッテリーセルの一つが故障しても、パラレル接続したうちの故障した側のバッテリーが機能しなくなるのみで、一時的には正常な側のバッテリーで電源を供給することができ、信頼性を向上させることが可能になるという効果が得られる。

また、バッテリー電圧を速度制御もしくはトルク制御の指令量と電動モータの速度もしくはトルクとの差に応じて昇圧手段もしくは昇降圧手段で昇圧もしくは昇降圧するので、変換効率を向上させバッテリー効率を向上させることが可能になるとともに、バッテリー電圧を低くしてシリーズ接続のセル数を少なくできるため、電圧チェック用の端子を削減または、無くすことが可能となってバッテリーが簡素化でき、かつバッテリーの低電圧化によりバッテリーの充電回路が簡素化できるという効果が得られる。

以下、本発明の実施の形態について図を用いて詳細に説明する。

図１は、本発明の第１の実施例を示す構成図である。本実施例は、後輪の回転を電動モータにより、アクセル量に応じて回転させて走行する電動モータ付き自転車、いわゆる電動バイクの速度制御に適用した場合であって、バッテリー回路にチョークコイルを用いてバッテリー電圧を昇圧する例について説明する。

１はハンドルである。一例として、このハンドル１の一方側には、前輪と後輪に機械的ブレーキを発生させるための機械ブレーキレバー２と、回転操作量に応じてアクセル量（ここでは速度の指令量とする）を指令するアクセルグリップ３を備え、他方側には、回生ブレーキの指令量を与える電気ブレーキレバー４を備える。アクセル量や回生ブレーキの指令量は、例えば、ポテンショメータ等の可変抵抗器の抵抗分割による可変電位として出力する。なお、回生ブレーキは省略されていても良い。

５は自転車の後輪を回転させる電動モータである。ドライバ６は、この電動モータ５に対し、アクセルグリップ３の回転操作によるアクセルの指令量に応じて速度制御したり、回生ブレーキの指令量に応じて回生ブレーキをかけたりする。ドライバ６の速度制御の方式としては、例えば、ブラシレス方式、ＰＷＭ方式、あるいはＰＡＭ方式などの種々の公知技術の方式が利用可能である。

７はドライバ６に電源を供給するバッテリー回路である。なお、電動モータ５の種類によっては、電動モータ５にも電源を供給する場合もある。バッテリー回路７は、シリーズ接続のセルが少ない複数のバッテリー、７１ａ、７１ｂ…７１ｘをパラレルに接続したバッテリー７１と、電動モータ５の回転速度を検出する速度検出センサ７２と、電動モータ５に対する速度の指令量と速度検出センサ７２からの速度検出量の差をバッテリー７１の電圧から高電圧まで昇圧するための制御量として出力する差動アンプ７３と、昇圧回路を構成するチョークコイルＬ_１、ＭＯＳＦＥＴ等のトランジスタＴｒ_１、ダイオードＤ_１、コンデンサＣ_１および差動アンプ７３からの制御量に応じてトランジスタＴｒ_１のオン／オフ時間を制御するゲート回路７４とから構成される。

バッテリー回路７において、パラレルに接続されたバッテリー７１ａ、７１ｂ…７１ｘは、一体に構成されていても良いし、それぞれが別体に構成されていても構わない。速度検出センサ７２としてはタコジェネレータ等が使用できるほか、パルスジェネレータやエンコーダ等を利用して得られる回転パルスをアナログ演算するなどして回転速度を検出するものでも良い。これらの速度検出センサは、速度制御に用いるものと兼用しても良い。差動アンプ７３は、電動モータ５に対する指令量と速度検出センサ７２からの検出量の差に応じた制御量を出力するものであるが、指令量と検出量の差が０もしくは負になる場合は、最低限の制御量を出力するように切替手段やクランプ回路などを有するものとする。ゲート回路７４は、発振回路を有し、少なくともトランジスタＴｒ_１のオン時間を制御量が大きいほど長くするように制御する。

以上の構成による動作例を述べる。

電動モータ５によって走行するためには、アクセルグリップ３を操作する。この操作量に応じた速度の指令量がドライバ６に入力され、ドライバ６により電動モータ５は指令量の速度になるように回転される。走行中に減速したり、停止したりするためには、機械ブレーキレバー２や電気ブレーキレバー４を操作する。電気ブレーキの指令量もドライバ６に入力されて電動モータ５を利用した回生ブレーキが作動される。

ここで、バッテリー回路７からドライバ６へ供給される電源電圧について説明する。まず、昇圧回路において、ゲート回路７４の制御によりトランジスタＴｒ_１がオンになると、チョークコイルＬ_１にエネルギーが蓄積される。続いて、トランジスタＴｒ_１がオフになると、チョークコイルＬ_１に蓄積されたエネルギーが放出され、チョークコイルＬ_１の電圧がバッテリー７１の電圧に加算されて、昇圧された電圧が出力される。差動アンプ７３からゲート回路７４に入力される制御量は、電動モータ５に対する速度の指令量と速度検出センサ７２からの速度検出量の差に応じたものであるから、その差が大きいほどトランジスタＴｒ_１のオン時間は長くなり、オフ時間が一定であるとすると、チョークコイルＬ_１に蓄積されるエネルギーも大きくなるので、高電圧がドライバ６へ供給される。逆に、その差が無くなるか負になる場合は、トランジスタＴｒ_１のオン時間は最低となり、ドライバ５が動作可能な最低限の昇圧電圧がドライバ６へ供給されることとなる。なお、ドライバ６は、バッテリー回路７から供給される電圧の変化とは独立に、または従属的に速度制御を行う。

このようにバッテリー回路７を制御すると、速度の指令量に対して、実際の電動モータ５の回転が追いついていない場合には、ドライバ６に高電圧が供給されて電動モータ５には大電流が供給可能となり、はじめから高電圧のバッテリーで電源を供給する場合と変わりなく、円滑な速度制御を行うことができる。次に、速度の指令量に対して、実際の電動モータ５の回転が追いついて来ると、速度の指令量と検出量の差が小さくなり、電動モータ５に流す電流も少なくなるので、それに応じてゲート回路７４への制御量を小さくしてトランジスタＴｒ_１のオン時間を短くし、昇圧の程度を小さくしてドライバ６に供給する。このように、昇圧の程度を小さくすると、電圧の変換効率が向上するので、バッテリー７１の効率が向上する。

一方、バッテリー７１は、バッテリー７１ａ、７１ｂ…７１ｘがパラレルに接続されているので、バッテリーセルの一つが故障しても、一時的には正常な側のバッテリーで電源を供給することができ、信頼性が向上する。また、バッテリー電圧を昇圧して用いるので、バッテリー電圧は低電圧とすることができるため、シリーズ接続のセル数が減少して電圧チェック用の途中端子が減るか無くなって、バッテリー７１が簡素化できるとともに、バッテリー７１の低電圧化によって充電回路を簡素化することができる。

なお、上記昇圧回路は一例であり、種々の昇圧手段が利用可能である。また、本実施例は、トルク制御の場合にも同様に適用可能であるほか、電動アシスト自転車等にも同様に適用可能である。電動アシスト自転車に適用する場合、アクセルグリップ２の操作はペダル操作となり、アクセルグリップ２の操作によるアクセル量は、ペダル操作時の負荷量の検出手段による検出負荷量に応じたアシスト量となり、このアシスト量がドライバ６に入力され、電動モータ５がペダル操作をアシストするように回転される。

図２は、本発明の第２の実施例を示す構成図である。本実施例は、実施例１と同様に、後輪または前輪の回転を電動モータにより、アクセル量（ここでは速度の指令量とする）に応じて回転させて走行する電動モータ付き自転車、いわゆる電動バイクの速度制御に適用した場合であって、バンテリー回路にフライバック方式を用いてバッテリー電圧を昇降圧する例について説明する。

本実施例において、実施例１と同符号の部材は、実施例１と同様に構成されているので、ここでは説明を省略する。本実施例が実施例１と異なる点は、バッテリー回路にフライバックトランスを用いてバッテリー電圧を昇降圧することである。

８はドライバ６に電源を供給する本実施例のバッテリー回路である。なお、電動モータ５の種類によっては、電動モータ５にも電源を供給する場合もある。バッテリー回路８は、シリーズ接続のセルが少ない複数のバッテリー８１ａ、８１ｂ…８１ｘをパラレルに接続したバッテリー８１と、電動モータ５の回転速度を検出する速度検出センサ８２と、電動モータ５に対する速度の指令量と速度検出センサ８２からの速度検出量の差をバッテリー８１の電圧より高電圧からより低電圧まで昇降圧するための制御量として出力する差動アンプ８３と、昇降圧回路を構成するフライバックトランスＴ_１、ＭＯＳＦＥＴ等のトランジスタＴｒ_２ダイオードＤ_２、コンデンサＣ_２および差動アンプ８３からの制御量に応じてトランジスタＴｒ_２のオン／オフ時間を制御するゲート回路８４とから構成される。

バッテリー回路８において、パラレルに接続されたバッテリー８１ａ、８１ｂ…８１ｘは、一体に構成されていても良いし、それぞれが別体に構成されていても構わない。速度検出センサ８２としてはタコジェネレータ等が使用できるほか、パルスジェネレータやエンコーダ等を利用して得られる回転パルスをアナログ演算するなどして回転速度を検出するものでも良い。これらの速度検出センサは、速度制御に用いるものと兼用しても良い。差動アンプ８３は、電動モータ５に対する指令量と速度検出センサ８２からの検出量の差に応じた制御量を出力するが、指令量と検出量の差が０もしくは負になる場合は最低限の制御量を出力するように切替手段やクランプ回路などを有するものとする。ゲート回路８４は、発振回路を有し、トランジスタＴｒ_２のオン時間／オフ時間を、制御量が大きいほど大きくし、小さいほど最低限に近づけるように制御する。

以上の構成による動作例を述べる。

ここで、バッテリー回路８からドライバ６へ供給される電源電圧について説明する。まず、昇降圧回路において、ゲート回路８４の制御によりトランジスタＴｒ_２がオンになると、フライバックトランスＴ_１の一次巻線ｌ_１に電流が流れ、トランジスタＴｒ_２がオフになると、その二次巻線ｌ_２に電流が流れて、二次巻線ｌ_２の電圧がコンデンサＣ_２を充電しつつ出力される。この時の出力電圧は、フライバックトランスＴ_１の一次巻線数と二次巻線数が同じであるとすると、（トランジスタＴｒ_２のオン時間／オフ時間）×（バッテリー電圧）となる。差動アンプ８３からゲート回路８４に入力されるの制御量は、電動モータ５に対する速度の指令量と速度検出センサ８２からの速度検出量の差に応じたものであり、その差が大きいほど大きく、速度の指令量と検出量の差が無くなるか負になる場合は最低限となる。そこでゲート回路８４は、制御量が大きいほど（トランジスタＴｒ_２のオン時間／オフ時間）を大きくし、小さいほど最低限に近づけるように制御する。その結果、制御量が大きいときはバッテリー電圧よりも高電圧がドライバ６へ供給されるとともに、制御量が最低限である場合は、（トランジスタＴｒ_２のオン時間／オフ時間）は最低となり、バッテリー電圧よりも低い最低限（ドライバ６が動作可能な電圧）の降圧電圧がドライバ６へ供給されることとなる。なお、ドライバ６は、バッテリー回路７から供給される電圧の変化とは独立に、または従属的に速度制御を行う。

このようにバッテリー回路８を制御すると、速度の指令量に対して、実際の電動モータ５の回転が追いついていない場合には、ドライバ６に高電圧が供給されて電動モータ５には大電流が供給可能となり、はじめから高電圧のバッテリーで電源を供給する場合と変わりなく、円滑な速度制御を行うことができる。次に、速度の指令量に対して、実際の電動モータ５の回転が追いついて来ると、速度の指令量と検出量に差が小さくなり、電動モータ５に流す電流も少なくなるので、それに応じて制御量を小さくしてトランジスタＴｒ_２のオン時間／オフ時間を小さくすることによりバッテリー電圧より低電圧に近づけて行き、ドライバ６に供給する。このように、出力をバッテリー電圧より低電圧にすると、電圧の変換効率がより一層向上するので、バッテリー８１の効率がより一層向上する。

一方、バッテリー８１は、バッテリー８１ａ、８１ｂ…８１ｘがパラレルに接続されているので、バッテリーセルの一つが故障しても、一時的には正常な側のバッテリーで電源を供給することができ、信頼性が向上する。また、バッテリー電圧を昇降圧して用いるので、バッテリー電圧は低電圧とすることができるため、シリーズ接続のセル数が減少して電圧チェック用の途中端子が減るか無くなって、バッテリー７１が簡素化できるとともに、バッテリー８１の充電回路を簡素化することができる。

なお、上記昇降圧回路は一例であり、種々の昇降圧手段が利用可能である。また、本実施例は、トルク制御の場合にも同様に適用可能であるほか、電動アシスト自転車にも同様に適用可能である。電動アシスト自転車に適用する場合、アクセルグリップ２の操作はペダル操作となり、アクセルグリップ２の操作によるアクセル量は、ペダル操作時の負荷量の検出手段による検出負荷量に応じたアシスト量となり、このアシスト量がドライバ６に入力され、電動モータ５がペダル操作をアシストするように回転される。

本発明の第１の実施例を示す構成図である。本発明の第２の実施例を示す構成図である。

符号の説明

１…ハンドル
２…機械ブレーキレバー
３…アクセルグリップ
４…電気ブレーキレバー
５…電動モータ
６…ドライバ
７…バッテリー回路
７１…バッテリー
７２…速度検出センサ
７３…差動アンプ
７４…ゲート回路
Ｌ_１…チョークコイル
Ｔｒ_１…トランジスタ
Ｄ_１…ダイオード
Ｃ_１…コンデンサ
８…バッテリー回路
８１…バッテリー
８２…速度検出センサ
８３…差動アンプ
８４…ゲート回路
Ｔ_１…フライバックトランス
ｌ_１…一次巻線
ｌ_２…二次巻線
Ｔｒ_２…トランジスタ
Ｄ_２…ダイオード
Ｃ_２…コンデンサ

Claims

パラレルに接続したバッテリーと、
電動モータの速度もしくはトルクを検出する検出手段と、
前記電動モータの速度制御もしくはトルク制御に対する指令量と前記検出手段からの検出量の差に応じて前記バッテリーの電圧を高電圧に昇圧して前記速度制御もしくはトルク制御を行う電動モータの駆動手段に供給する昇圧手段と、を具備する
ことを特徴とする電動モータのバッテリー回路。
パラレルに接続したバッテリーと、
電動モータの速度もしくはトルクを検出する検出手段と、
前記電動モータの速度制御もしくはトルク制御に対する指令量と前記検出手段からの検出量の差に応じて前記バッテリーの電圧を該バッテリーの電圧より低電圧から高電圧まで降圧もしくは昇圧して前記速度制御もしくはトルク制御を行う電動モータの駆動手段に供給する昇降圧手段と、を具備する
ことを特徴とする電動モータのバッテリー回路。