JP2005297937A - 電動アシスト自転車 - Google Patents

Abstract

【課題】 従来の電動アシスト自転車の電池は大電流の供給を必要としており大容量電池を必要としており、また、電池残容量が少なくなると電池インピ−ダンスが増加し大電流時の電圧降下が大きく、必要なパワ−を供給できなくなる問題があった。これはモ−タ駆動電流を電池より変換装置のみを介して供給していた為、過大電流を供給できる電池が必要であったためである、
【解決手段】主回路を構成する変換装置と並列に電気二重層コンデンサ−を設け、モ−タ供給電流を電気二重層コンデンサから供給することで解決し、電池残容量が低下しても大電流が供給できると同時に、電池に過大なストレスを与えることがなく、延命効果が計るものであり、かつ、人力踏み力の小さな平地走行時などに電池残量が電池の安定動作できる範囲となるように走行充電制御し、電池の小型軽量化と走行中の安全確保、および、自転車に設けた太陽電池充電で商用電源による充電作業を無くすことを目的とするものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電動アシスト自転車の駆動電源構成ならびに電源電池残量とアシスト量制御方法に関する。

走行充電が出来る電動アシスト自転車の構成を図５に示す。（非特許文献１）

以下、図５に基づいて、従来構成の電動アシスト自転車について説明する。図５において（１）は駆動電源である電池、（２）はモ−タ駆動用変換装置、（３）はアシストモ−タ、（１４）の人力駆動力は（１５）の一方向クラッチを経て後輪（１７）へ伝達される。また、人力踏み力は踏み力検出部（１６）で検出し、この出力に応じて（２）のモ−タ駆動用変換装置の出力を制御する。

この結果、モ−タは人力駆動力（１４）に対応した動力を発生し後輪（１７）を駆動し、人力をアシストする。

また、走行充電時に本例では人力踏み力があらかじめ選択されたしきい値レベル以下になるとアシストモ−タを回生運転し電池に走行エネルギ−を吸収充電する。（特許文献１）
特願２００３−２０３３２０ 東部（（株））カタログ２００４年ＶＯ１．１

発明が解決しょうとする課題

以上述べた従来の電動アシスト自転車では電源電池とモ−タ間に変換装置を介在させ、電池とモ−タ間でエネルギ−授受は直接行われていた。

電動アシスト自転車においても、スタ−ト時や坂道走行では大きな駆動電流が必要となる。このため、電池特性としては１０Ｃ程度の過大電流が流せるものが要求される。

しかし、このような特性のものでも、残量電荷が少なくなるとインピ−ダンスが大きくなる結果、過大電流が流れると電圧ドロップが大きくなり、電源電圧降下に対する保護が働きなめらかな制御が出来なくなる。

また、特願２００３−２０３３２０記載の走行充電方法は充電開始レベルである人力トルクのしきい値を走行者が設定するため、電池残容量に関係なく選択され、商用電源からの充電レスを目的とする乗り方からは問題であり、また、走行中に残量確認をする必要があるなど安全走行の点からも問題があった。

本発明は、このような従来の構成が有していた問題を解決しようとするものであり、電池残容量が低下しても大電流が供給できると同時に、電池に過大なストレスを与えることがなく、延命効果を計るものであり、かつ、人力踏み力の小さな平地走行時などに電池残量が電池の安定動作できる範囲となるように走行充電制御し、電池の小型軽量化と走行中の安全確保を図ること、および自転車に設けた太陽電池充電によって、商用電源からの充電作業を無くすことを目的とするものである。

課題を解決するための手段

そして、本発明は上記目的を達成するために電気二重層コンデンサとアシストモ−タ駆動用の変換装置を並列に設け、電気二重層コンデンサにリアクトル、電流検出器および電流値に応じて開閉するスイッチを介して電池を接続した駆動システムの構成とする。

また、第２の課題解決手段は主回路を前述した構成からなる電動アシスト自転車とし、検出した人力踏み力から電池残容量に応じて減算したトルク値で、アシストモ−タを駆動、回生制御運転することにより、電池または、電気二重層コンデンサの電圧を設定された電圧範囲内に制御し、電池が安定動作する残容量範囲で動作させることで発熱を抑制し、電池寿命の延命を図る。

第３の課題解決手段は主回路を第１の構成とする電動アシスト自転車において、第２の解決手段の制御によって電池を小型軽量化し、ポケットサイズの大きさにし携帯出来る電池構成としたものである。

第４の解決手段は主回路を第１の構成とする電動アシスト自転車において、第２の解決手段の制御によって省電力化し、太陽電池を自転車に設け、商用電源による電池充電を無くしたものである。

上記第１の解決手段による作用は次の通りである。すなわち、従来の装置では電池からアシストモ−タへのパワ−授受は駆動用変換装置を介して行われるが、本発明では変換装置と並列に電気二重層コンデンサを設けることによって、電気二重層コンデンサとアシストモ−タ間のパワ−授受は駆動用変換装置を介して行われる。この場合、電気二重層コンデンサのインピ−ダンスが小さく、大電流による電圧降下も小さく、また、電池残量の影響を受けないことから制御も断続せずなめらかに行われる。

第２の課題解決手段による作用は電池残容量を一定の範囲内に納めるべく、人力踏み力から電池残容量に応じて設定されたアシスト減算値を減算し、アシストトルクを決定することで駆動から充電走行への連続走行により、電池を安定した状態で使用することが出来る。このことは電池インピ−ダンスも安定した状態で使用することになり、電池ロスも低下し、温度上昇も小さく劣化も少なくなり延命効果が得られる。

第３の課題解決手段による作用は停車状態で自転車より離脱する時、電池をポケットサイズにすることで手軽に持ち運べる事から、充電器の小型化とも併せて充電が簡単に行われ、パ−ク＆ライドなどの新たな用途を生み出す。また、小型化により、自転車への電池取り付け構造の簡易化が図られる。

第４の課題解決手段による作用は走行充電による省電効果とから一回の走行時の消費電力が少なくなる。この結果、自転車に設ける太陽電池容量も小さくて済み、自転車のタイヤカバ−や荷かごに設けた太陽電池による充電が可能となり面倒な充電作業から解放される。

発明の効果

上述したように本発明の電動アシスト自転車は、電池の小型化、電池寿命の延命化ならびに充電作業レス化による使用の簡易性能の向上ならびにアシスト自転車構造の簡易化によるコスト低減の効果が得られる。

また、充電作業を意識しなくても済むことは電動アシスト自転車の用途を拡大し環境改善効果が期待できる。

以下、本発明の実施の形態を図１〜図４に基づいて説明する。

図１において（１）は電池でプラス側の電極は（４）のリアクトルを経て、電気二重層コンデンサ（６）および変換装置（２）のプラス側に接続される。変換装置（２）、電気二重層コンデンサ（６）のマイナス側は電流センサ（５）、半導体スイッチ（７）をへて電池（１）のマイナス極に接続される。

通常スイッチ（７）は抵抗（１２）によりゲ−ト電圧を印可されていて、ＯＮ状態にあり、電池から電気二重扇コンデンサ（６）および変換装置（２）へパワ−供給しているが、過大電流が電池（１）より流れると電流センサ（５）の出力が（１０）のコンパレ−タの設定値を超えるとコンパレ−タ（１０）の出力は高レベルとなり抵抗（１１）をへてトランジスタ（９）をＯＮする。トランジスタ（９）がＯＮすると半導体スイッチ（７）がＯＦＦし、電池（１）からの電流が遮断される。電流が遮断されると電流センサ（５）を流れる電流はリアクトル（４）に蓄えられたエネルギ−で、電気二重層コンデンサ（６）電流センサ（５）ダイオ−ド（１３）の閉ル−プで減衰電流が流れる。この電流が減衰し、コンパレ−タ（１０）がＯＦＦすると再び半導体スイッチ（７）がＯＮし、電池（１）よりパワ−が供給される。ただし、スイッチ（７）がＯＦＦしている間もアシストモ−タ（３）には人力踏み力に応じたトルクが電気二重層コンデンサ（６）から変換装置（２）を通して供給される。

以上は、アシストモ−タ（３）が駆動状態にある場合であるが、アシストモ−タを回生動作させ、自転車の慣性エネルギ−を吸収する場合について述べる。

アシストモ−タ（３）が回生動作状態にあるときはモ−タエネルギ−は電気二重層コンデンサ（６）に一時蓄えられる。すなわち、電気二重層コンデンサ（６）の電圧が上昇し、電池（１）との間にリアクトル（４）ダイオ−ド（７）電流センサ（５）の閉ル−プで電流を流す事が出来る電位差が生じると、電気二重層コンデンサ（６）から電池（１）へ電流が流れ、電池（１）は充電される。

以上のように変換装置（２）と電気二重層コンデンサ（６）を並列に接続することによって、モ−タへ供給する大電流の授受での電池への影響を軽減できる。また、同時に電池容量を低減しても良いことになる。

次に電池を安定状態で使用するには電池残容量をある範囲内で使用する事が望まれる。例えばマンガンリチュムイオン電池では３０〜８０％の残容量状態で使用することによって、充放電電流の需給がイオン交換のみで行われ劣化がほとんどなく、長寿命化が図られる。

電池をこのような状態で使用するために、本発明では、図２に示したように検出された人力踏み力から電池残容量で選択された固定値を減算して、アシストトルクとして制御することで得ている。すなわち、残容量が上限を示すＨレベルに有るときは選択スイッチＳ１が閉路し減算アシスト値Ｌとなる。この結果アシスト量は踏み力に対応したアシスト値となり電池からの放電量が増え、残容量がレベルＭとなるように制御する。

また、逆に電池の残容量が下限レベルＬに有るときは選択スイッチＳ３が閉路し、減算するアシスト値をＨに増加する結果アシストトルクは駆動トルク量に対し回生トルク量が大きくなり走行充電状態となる。すなわち、走行充電することによって電池残容量がＭとなるように制御する。

電池残容量が中位のレベルＭに有るときは減算アシスト値もレベルＭを選択しアシストトルク値は駆動量と回生量が等しくなる設定となり残容量が変化しないよう制御するものである。

以上、残容量制御の概念を図２に基づいて説明したが図３は電池残容量が電池電圧から推定される場合の制御方法を示したものである。すなわち、図３に於いて目標電圧（２０）と電池（１）又は電気二重層コンデンサ（６）の電圧を加算器（２２）で加算し、比例積分器（２３）にて誤差増幅した出力を減算アシストトルクとして、リミッタ（２４）切換スイッチ（２５）を経て加算器（２６）で踏み力検出値（１６）に対応したアシストトルクより減算した最終トルク値で変換装置（２）を制御し、アシストモ−タ（３）を駆動又は回生運転することで電池残容量を制御している。

図４はこのような制御をしたときのアシストモ−タトルクを示している。図４で（Ｆ）は人力踏み力で、これに対し（Ｌ）、（Ｍ），（Ｈ）は電池残量がレベルＨ，Ｍ、Ｌの時のアシストモ−タトルクを示している。

図４は平地走行時の踏み力の小さな状態を示したものであるが、坂道走行などでは踏み力（Ｆ）が大きくなり、減算アシスト値は電池残量に対して決定されているので、踏み力（Ｆ）が大きくなった分アシストトルクも大きくなり、坂道走行時の人力負担が増大することは無い。

以上述べてきたようなパワ−回路構成と制御によれば電池の瞬間的な負担が大幅に軽減され、また、電池の安定化制御を取り入れることにより小容量化が計られる。この結果ポケットサイズの小型化された電池でのアシスト走行や太陽電池での充電が可能となる。

本発明の主回路構成を示す。 本発明の電池残容量に対する減算アシスト量選択概念図。 本発明の制御ブロック図 本発明適用後の踏み力と電池残容量に対するアシストモ−タトルクの関係を示す状態図 従来の回生充電型電動アシスト自転車の構成図

符号の説明

１ 電池
２ 変換装置
３ モ−タ
４ リアクトル
５ 電流センサ
６ 電気二重層コンデンサ
７ 半導体スイッチ
８ ダイオ−ド
９ トランジスタ
１０ コンパレ−タ
１１ 抵抗
１２ 抵抗
１３ ダイオ−ド
１４ 人力駆動部
１５ 一方向クラッチ
１６ 踏み力検出
１７ 後輪
１８ 速度検出器
１９ 比率計算器
２０ 目標電圧
２１ 電圧検出
２２ 加算器
２３ 比例積分器
２４ リミッタ
２５ 切換スイッチ
２６ 加算器
２７ 掛算器

Claims (4)

1. 電気二重層コンデンサとアシストモ−タ駆動用の駆動用変換装置を並列に設け、電気二重層コンデンサにリアクトル、電流検出器および電流値に応じて開閉するスイッチを介して電池を接続した駆動システムの構成を特徴とする電動アシスト自転車。
2. 請求項１の構成の電動アシスト自転車で、検出した人力踏み力から電池残容量に応じて減算した値で、アシストモ−タを駆動、回生制御する運転により、電気二重層コンデンサの電圧を設定された電圧範囲に制御することを特徴とする電動アシスト自転車。
3. 請求項１の構成の電動アシスト自転車において、電池をポケットサイズに小型軽量化し、携帯出来る電池構成としたことを特徴とする電動アシスト自転車。
4. 請求項１の構成の電動アシスト自転車において、自転車に太陽電池を設けたことを特徴とする電動アシスト自転車。

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