JP2007145279A - バッテリーユニットおよびそれを搭載した電動自転車ならびにバッテリーの制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電気回路の最大定格値が比較的低い電動自転車であっても定格値が比較的高い二次電池を使用することができ、かつ急激な放電電流の発生による二次電池の消耗を防止するとともに車輌の急発進等を防止して快適に走行できるようにする。
【解決手段】車輌走行本体部１は、人力駆動部２、補助駆動部３、制御部４、バッテリーユニット２０、操作スイッチ部１６を備え、バッテリーユニット２０は、電池部２４から放電される電流量を検出する放電電流検出部２１、放電電流検出部２１における検出結果としきい値とを比較して放電の状態を判別する放電停止状態判別部２３、放電停止状態判別部２３における比較結果にもとづき電池部２４から車輌走行本体部１へ放電される電流量を所定の制限値に制限する放電電流制限部２２、電池部２４、残量表示部２５を備えており、車輌走行本体部１に着脱可能に装着される。
【選択図】図２

Description

本発明は、バッテリーユニットおよびそのバッテリーユニットから供給される電力を動力源として人力による駆動を補助する補助動力装置を備えた電動自転車ならびにバッテリーの制御方法に関する。

近年、電動モータ（以下、「モータ」と略記する）等の一般に知られている駆動装置を補助動力装置として装備し、使用者の人力による駆動（以下、「人力駆動」という）を、モータによる動力で補助駆動する補助動力装置付き車輌（以下、「電動自転車」と記す）が一般に知られている。

この電動自転車は、ペダル、前輪、後輪、ハンドル、ブレーキ、チェーン等の一般的な自転車の構成要素に加え、使用者がペダルを踏み込む力（以下、「踏力」と略記する）を機械的ねじれ現象や非接触の磁歪を使って測定する一般に知られたトルクセンサや、補助駆動力を発生させるモータ、モータの出力を制御するモータ出力制御部、モータ等に電力を供給する二次電池からなるバッテリー等を備えている。

電動自転車では、使用者の踏力をトルクセンサで検出し、この踏力に応じた補助駆動力をモータで発生させるようにモータ出力制御部がモータの制御を行う。そして、電動自転車は、使用者のペダルの踏み込みによって発生する人力駆動力にモータから出力された補助駆動力が加えられて走行する。

このように、電動自転車では、使用者の踏力による人力駆動力を検出し、検出した人力駆動力にもとづきモータを制御することで、モータから人力駆動力に応じた補助駆動力を得ることができる。したがって、電動自転車の使用者は、一般の自転車と比較して走行に必要な踏力を低減することができる。また、一般の自転車では発進時や登坂走行時に比較的大きな力でペダルを踏み込むことが必要であるのに対し、電動自転車では、使用者は踏力を低減することができるので、比較的楽に発進や登坂走行等ができるようになり、快適に走行することが可能となる。

電動自転車では、電動自転車に着脱可能に搭載され充電により繰り返し使用が可能な二次電池からなるバッテリーからモータに電力が供給されている。そして、モータに供給される電力とモータから出力される動力とはモータの最大定格値の範囲内で実質的に比例し、バッテリーの電圧が一定であれば、バッテリーから供給される電流（以下、「放電電流」とも記す）が多いほどモータから出力される動力も大きくなる。

したがって、必要以上に多くの電流がモータに流れると、例えば発進時に電動自転車が急発進したり、あるいは走行時の速度が大きくなり過ぎたりする恐れがある。また、モータに過大な電流が流れるとモータが損傷することがあり、あるいは二次電池が過放電によって著しく消耗し容量が減少したり繰り返し充放電できる使用回数が少なくなって電池としての寿命が短くなるといった問題が生じる。

そこで、モータに流れる電流を制限する電流制限回路を電動自転車本体に設けて、例えば発進時等、使用者の踏力が急激に変化するような場合にモータの補助駆動力が急変化するのを防ぎ、急発進等を防止して乗り心地を向上させるとともに、モータ過大な電流が流れないように保護してモータの損傷やバッテリーの消耗を防止することができる技術が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。
特開平７−１８７０５４号公報

二次電池として代表的なものにはニッケルカドミウム電池やニッケル水素電池といったものがあり、広く一般に使用されている。そして、そういった二次電池からなるバッテリーが搭載されている電動自転車も多数ある。

二次電池は、充電と放電を繰り返すうちに徐々に性能が劣化し充放電できる容量が減少していく。そのため、一般に電動自転車本体に比べ、搭載されているバッテリーの方が寿命が短い。そして、バッテリーが劣化して容量が減少すれば、１回の充電で走行できる距離も短くなってしまうので、使用者はバッテリーを新しいものと交換する等の対応が必要となる。

近年、ニッケルカドミウム電池やニッケル水素電池と比較して高性能な二次電池が登場し、徐々に使用されるようになってきている。例えば、リチウムイオン電池は、ニッケル水素電池と比較して、小型で軽量である、単位体積または単位重量あたりの容量が大きく放電電流性能に優れている、高電圧を得ることができる、ニッケル水素電池が有するいわゆるメモリー効果（電池残量がある状態で充電すると性能劣化が生じる）がないのでリフレッシュ（電池残量を０にするための放電）が不要で、電池残量があっても継ぎ足し充電することができる、といった優れた特徴を有する。

通常、電動自転車において用いられているモータ制御回路や上述した従来技術における電流制限回路等の電気回路は、その電動自転車に搭載されているバッテリーの性能に合わせて最大定格値等の仕様が定められ、回路設計されていることが一般的である。

したがって、定格値が比較的低いニッケルカドミウム電池やニッケル水素電池等がもともと搭載されており、モータ制御回路や電流制限回路等の最大定格値がその二次電池の定格値に合わせて設定されているような電動自転車では、劣化したバッテリーを新しいものと交換する場合に、その最大定格値を超えるような定格値を備えた高性能な二次電池からなるバッテリーに交換することができず、それまで使用していたものと同程度の定格値を有する二次電池を用いたバッテリーに交換せざるを得ず、選択の幅が狭められてしまう。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたもので、定格値が比較的低いニッケルカドミウム電池やニッケル水素電池等がもともと搭載されており、電気回路の最大定格値が比較的低い仕様になっている電動自転車であっても、定格値が比較的高いリチウムイオン電池等の二次電池を使用することができ、かつ急激な放電電流の発生による二次電池の消耗を防止するとともに車輌の急発進等を防止して快適に走行させることができるバッテリーユニットおよびそれを搭載した電動自転車ならびにバッテリーの制御方法を提供することを目的とする。

本発明のバッテリーユニットは、二次電池と、二次電池から放電される放電電流を検出する放電電流検出部と、予め設定されたしきい値と放電電流検出部の検出結果とを比較する比較部と、放電電流が予め設定された制限値を超えないように制限する放電電流制限部とを備え、放電電流制限部は、しきい値よりも値の大きい第１の制限値、および第１の制限値よりも値の大きい第２の制限値の少なくとも２つの制限値が設定可能に構成されていることを特徴とする。

この構成により、電気回路の最大定格値が比較的低い仕様になっている電動自転車であっても、定格値が比較的高いリチウムイオン電池等の二次電池を使用したバッテリーユニットを搭載することが可能となる。

また、放電電流制限部は、比較部において放電電流検出部の検出結果がしきい値より小さいと判断された場合には第１の制限値にもとづいて放電電流を制限し、放電電流検出部の検出結果がしきい値以上と判断された場合には第２の制限値にもとづいて放電電流を制限するように構成されていてもよい。この構成によれば、モータ過大な電流が流れないように保護してモータの損傷やバッテリーの消耗を防止することが可能となる。

また、放電電流制限部は、制限値が第１の制限値から第２の制限値に変更されるときに、第１の制限値から制限値を漸増させ、所定の時間経過後に第２の制限値にするように構成されていてもよい。この構成によれば、例えば発進時等、使用者の踏力が急激に変化するような場合にモータの補助駆動力が急変化するのを防いで急発進等を防止し乗り心地を向上させることが可能となる。

また、放電電流制限部は、制限値を第１の制限値から第２の制限値に変更するまでの時間を任意に設定できるように構成されていてもよい。この構成によれば、モータの補助駆動力の急変化の防止具合を任意に設定することが可能となる。

また、放電電流制限部は、比較部における放電電流検出部の検出結果が所定の時間継続してしきい値より小さい場合に、制限値を第２の制限値から第１の制限値へ変更するように構成されていてもよい。この構成によれば、電動自転車が進行しているのか停止しているのかを判別して、放電電流制限部の制限値を変更することが可能となる。

また、本発明の電動自転車は、上述したバッテリーユニットを着脱可能に搭載したことを特徴とする。

この構成により、バッテリーユニットに搭載された放電電流制限部の働きにより、例えば使用者の踏力が急激に変化するような発進時等にモータの補助駆動力が急変化するのを防いで急発進等を防止し乗り心地を向上させるとともに、モータに過大な電流が流れないように保護してモータの損傷やバッテリーの消耗を防止することが可能となる。

また、本発明のバッテリーの制御方法は、二次電池から放電される放電電流を検出し、その検出された放電電流と予め設定されたしきい値とを比較して、放電電流が予め設定された制限値を超えないように制限するバッテリーの制御方法において、しきい値よりも値の大きい第１の制限値、および第１の制限値よりも値の大きい第２の制限値の少なくとも２つの制限値を有することを特徴とする。

この方法により、電気回路の最大定格値が比較的低い仕様になっている電動自転車であっても、定格値が比較的高いリチウムイオン電池等の二次電池を使用したバッテリーユニットを搭載することが可能となる。

また、検出された放電電流がしきい値より小さいと判断された場合には第１の制限値にもとづいて放電電流を制限し、検出された放電電流がしきい値以上と判断された場合には第２の制限値にもとづいて放電電流を制限してもよい。この方法によれば、モータに過大な電流が流れないように保護してモータの損傷やバッテリーの消耗を防止することが可能となる。

また、放電電流の制限値を第１の制限値から第２の制限値に変更するときに、第１の制限値から制限値を漸増させ、所定の時間経過後に第２の制限値にしてもよい。この方法によれば、例えば使用者の踏力が急激に変化するような発進時等にモータの補助駆動力が急変化するのを防いで急発進等を防止し乗り心地を向上させることが可能となる。

また、第１の制限値から第２の制限値に変更するまでの時間を任意に設定できるようにしてもよい。この方法によれば、モータの補助駆動力の急変化の防止具合を任意に設定することが可能となる。

また、検出された放電電流がしきい値より小さいと判断された継続時間を計測し、その継続時間が所定の時間に達したときに、放電電流の制限値を第２の制限値から第１の制限値へ変更してもよい。この方法によれば、電動自転車が進行しているのか停止しているのかを判別して、放電電流制限部の制限値を変更することが可能となる。

本発明によれば、電気回路の最大定格値が比較的低い電動自転車であっても、定格値が比較的高いリチウムイオン電池等の二次電池を使用することができ、かつ急激な放電電流の発生による二次電池の消耗を防止するとともに車輌の急発進等を防止して快適に走行させることができるバッテリーユニットおよびそれを搭載した電動自転車ならびにバッテリーの制御方法を提供できる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。

（実施の形態１）
本発明の実施の形態１である電動自転車について、図１を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態１における電動自転車の概要を示す外観図である。

図１に示すように、本発明の実施の形態１における電動自転車は、車輌走行本体部１からなり、車輌走行本体部１は、基本構造を構成するフレーム１３と、フレーム１３に回動自在に取り付けれたフロントフォーク１４と、フロントフォーク１４の上部に固定されたハンドル１５と、支持部５１、５２にそれぞれ回転自在に取り付けられ路面と接して車輌走行本体部１を支持するとともに回転により車輌走行本体部１を走行させる前輪１１および後輪１２と、フレーム１３に固定され使用者を支持するサドル５３とを有する。

フロントフォーク１４には、夜間走行時等に照明用として点灯させるライト１７が取り付けられている。また、ハンドル１５には使用者がハンドル１５を操作する際の滑り止めとなるグリップ１８とブレーキ操作をするためのブレーキレバー１９とが装着されている。さらに、右側のブレーキレバー１９には、バッテリーユニット２０から各部への給電を開始させるメインスイッチおよびライト１７の点灯・消灯を手動で切り替えるライト操作スイッチ等が設けられた操作スイッチ部１６が装着されている。

また、車輌走行本体部１は、使用者の踏力により車輌走行本体部１を駆動するための人力駆動部２と、電力を動力源とし人力駆動を補助する補助駆動力を発生する補助駆動部と、補助駆動部の制御を行う制御部と、補助駆動部やライト１７等に電力を供給するバッテリーユニット２０と、人力駆動力および補助駆動力を後輪１２に伝達するチェーン５４等からなる駆動力伝達機構とを備えている。

人力駆動部２は、使用者の踏力（人力駆動力）が加えられるペダル２０１がクランク２０２を介して取り付けられたクランク軸２０３と、一方向性クラッチ（図示せず）および合力軸（図示せず）、複数の歯車（図示せず）等を有する。

補助駆動部および制御部は、モータ駆動ユニット１０内に備えられており、モータ駆動ユニット１０は、クランク軸２０３を回転自在に支持するとともに補助駆動部であるモータ（図示せず）、補助駆動力出力用の駆動スプロケット（図示せず）等を有する。

そして、使用者によるペダル２０１への踏力が人力駆動力としてクランク軸２０３を駆動する際に、モータ駆動ユニット１０からの補助駆動力が人力駆動力を補助し、人力駆動力に補助駆動力が加えられた駆動力がチェーン５４を介して後輪１２に伝達され、前輪１１および後輪１２が回転して車輌走行本体部１が走行する。これにより、車輌走行本体部１の使用者は、走行に必要な踏力を軽減することができ、例えば発進時や登坂時等の通常の自転車では大きな踏力が必要となる状況下にあっても楽に走行することができるようになる。

図２は、本発明の実施の形態１における電動自転車の主要な構成を示すブロック図である。図２に示すように、車輌走行本体部１は、人力駆動部２、補助駆動部３、制御部４、バッテリーユニット２０、操作スイッチ部１６を備えている。

操作スイッチ部１６は、メインスイッチやライト操作スイッチ等を備えている。そして、使用者がメインスイッチを操作して電源投入することで車輌走行本体部１は始動状態となり、バッテリーユニット２０から各部への給電を開始させることができる。また、ライト操作スイッチを手動操作することで、ライト１７の点灯・消灯を切り替えることができる。

人力駆動部２は、ペダル２０１、クランク２０２、クランク軸２０３、一方向性クラッチ、合力軸、複数の歯車等を有する。そして、使用者によってペダル２０１に踏力が加えられると、その踏力は人力駆動力としてクランク２０２を介してクランク軸２０３を回転させる。クランク軸２０３の回転は、一方向性クラッチおよび合力軸を介して歯車を回転させ、チェーン５４等の駆動力伝達機構を介して後輪１２に伝達されて、車輌走行本体部１を走行させる。

補助駆動部３は、一般に知られた電力を動力源とするモータを有し、バッテリーユニット２０から供給される電力によって動作する。そして、その出力軸の回転は補助駆動力として駆動スプロケットから出力され、一方向性クラッチを介して合力軸に連結されたクランク軸２０３の回転を補助し、車輌走行本体部１の走行を補助する。また、モータは、制御部４によりクランク軸２０３の回転速度と回転トルクに応じた電力制御がなされている。

なお、本実施の形態においては、補助駆動部３に備えられたモータへの印加電圧は２４Ｖで略一定とし、供給する電流の増減によってモータから出力されるトルクを制御している。したがって、モータに供給する電流を多くすれば出力されるトルクを大きくでき、供給する電流を少なくすれば出力されるトルクを小さくすることができる。

制御部４は、ペダル踏力検出部４１、補助駆動力制御部４３を備えている。そして、ペダル踏力検出部４１は、人力駆動部２における人力駆動力、すなわち使用者がペダル２０１に加える踏力を検出し、補助駆動力制御部４３は、検出された踏力にもとづき補助駆動部３を制御する。

ペダル踏力検出部４１としては、例えばクランク軸２０３の外周面にアモルファス合金製で所定のパターン形状のスリットを設けた帯状磁性膜を貼り付け、クランク２０２に掛かる人力駆動力の変化に応じてその帯状磁性膜の各部に生じるねじれ歪によって発生する透磁率の変化を２個以上のコイルによって検出するように構成した、一般に知られた磁歪式のトルクセンサを用いることができる。あるいは、一般に知られた機械的ねじれ現象を使って測定するトルクセンサ等を用いることもできる。

そして、ペダル踏力検出部４１は、このトルクセンサによって、例えば１ｍｓｅｃ程度の所定のサンプリング周期で人力駆動力を検出し、検出した人力駆動力のデータを補助駆動力制御部４３に出力する。

補助駆動力制御部４３は、ペダル踏力検出部４１において検出される人力駆動力と、人力駆動力に対する補助駆動力の割合である補助比率とにもとづいて、補助駆動部３の制御量、すなわちモータから出力させるトルクを決定し、モータを電流制御する。例えば、補助比率が１対１であれば、ペダル踏力検出部４１で検出された踏力と等しいトルクがモータから出力されるように、モータに供給する電流を決定する。これにより、使用者は、ペダル２０１に加える踏力の２倍の駆動力で車輌走行本体部１を走行させることができる。

なお、この補助比率は、上限が予め定められており、その上限までの範囲内で、車輌走行本体部１の走行速度やモータの回転数等にもとづき決定されている。

また、本実施の形態において、補助駆動力制御部４３は、１６ｋＨｚ程度で動作するスイッチング回路を用い、一般に知られたスイッチングデューティー（スイッチング回路の導通時間と遮断時間の割合）の制御によるＰＷＭ制御（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ パルス幅変調制御）によって、補助駆動部３へ供給する電流量を制御している。この制御では、印加電圧を一定としたままで、スイッチング回路の導通時間の割合を大きくすることで電流量を増加させ、スイッチング回路の遮断時間の割合を大きくすることで電流量を減少させることができる。

バッテリーユニット２０は、放電電流検出部２１、放電電流制限部２２、比較部である放電停止状態判別部２３、電池部２４、残量表示部２５を備えており、車輌走行本体部１に着脱可能に装着される。そして、電池部２４の蓄電量が減少してきたら、バッテリーユニット２０を車輌走行本体部１から取り外し、家庭用電源等に接続された充電装置（図示せず）に装着することで充電することができるように構成されている。

電池部２４は、高い出力電圧が得られる、小型かつ軽量であり単位体積または単位重量あたりの容量が大きい、メモリー効果がない、放電電流性能が高い、といった優れた特性を有する二次電池であるリチウムイオン電池からなる。また、本実施の形態では、電池部２４の出力電圧は２４Ｖ、容量は４Ａｈに設定されている。なお、本実施の形態は、電池部２４をリチウムイオン電池に限定するものではなく、例えばニッケルカドミウム電池やニッケル水素電池等のその他の二次電池であってもよく、あるいは燃料電池等であってもかまわない。

残量表示部２５は、電圧検出部（図示せず）と表示部（図示せず）とを備え、電圧検出部が電池部２４の電圧を検出し、その検出した電圧値にもとづき電池部２４の残量を表示部に表示する。また、その検出した電圧値を放電電流制限部２２に出力する。

放電電流検出部２１は、電池部２４から放電される電流量を検出し、その検出結果を放電停止状態判別部２３および放電電流制限部２２に出力する。

放電停止状態判別部２３は、例えば半導体記憶素子等からなる記憶装置を内部に有しており、そこには予め定められたしきい値が記憶されている。そして、放電電流検出部２１における検出結果とそのしきい値とを比較し、その結果を放電電流制限部２２に出力する。また、放電電流検出部２１における検出結果がそのしきい値よりも小さい場合は、その状態が継続された時間を計測し、その継続時間が予め定められた時間を超えた場合には車輌走行本体部１が停止していると判断し、車輌走行本体部１が停止していることを表す信号を、上述の比較結果と合わせて放電電流制限部２２に出力する。

放電電流制限部２２は、電池部２４から車輌走行本体部１へ放電される電流量を予め定められた所定の制限値に制限する。また、放電電流制限部２２は、半導体記憶素子等からなる記憶素子を内部に有しており、その所定の制限値として、放電停止状態判別部２３におけるしきい値よりも値の大きい第１の制限値および第１の制限値よりも値の大きい第２の制限値を記憶している。さらに、過放電防止用の比較値等も記憶している。そして、放電停止状態判別部２３から出力されてくる放電電流検出部２１の検出結果としきい値との比較結果にもとづき、電池部２４から車輌走行本体部１へ放電される電流量を第１の制限値または第２の制限値に制限する。

このとき、放電電流制限部２２は、電池部２４から車輌走行本体部１へ放電される電流量を、放電電流検出部２１の検出結果がしきい値より小さい場合には第１の制限値に制限し、放電電流検出部２１の検出結果がしきい値以上の場合には第２の制限値に制限する。なお、この動作の詳細については後述する。

また、放電電流制限部２２は、残量表示部２５において検出された電圧値が予め定めた過放電防止用の比較値より小さくなった場合には、過放電による容量低下を防止するために、電池部２４の放電を停止する。

なお、本実施の形態において、放電電流制限部２２は、１６ｋＨｚ程度で動作するスイッチング回路を用い、一般に知られたスイッチングデューティーの制御によるＰＷＭ制御によって、電池部２４から車輌走行本体部１へ放電される電流量を制御している。

図３は、本発明の実施の形態１における電動自転車にバッテリーユニット２０が装着された状態を示す概略図である。

図３に示すように、バッテリーユニット２０における車輌走行本体部１側との着脱箇所には１対の放電端子２１Ａ、２１Ｂが設けられ、この放電端子２１Ａ、２１Ｂには、電池部２４の陽極部と陰極部とが接続されている。また、車輌走行本体部１におけるバッテリーユニット２０との着脱箇所には、バッテリーユニット２０を装着した際に放電端子２１Ａ、２１Ｂに接触して接続される受電端子２Ａ、２Ｂが設けられている。

また、バッテリーユニット２０には、電池部２４を充電する充電装置に接続するための被充電端子２３Ａ、２３Ｂが設けられている。また、図示はしていないが、バッテリーユニット２０を充電する充電装置には、バッテリーユニット２０の被充電端子２３Ａ、２３Ｂと接続される充電端子が設けられている。なお、バッテリーユニット２０の放電端子２１Ａ、２１Ｂが、充電装置からの被充電端子として兼用される構成であってもかまわない。

次に、バッテリーユニット２０の放電電流制限部２２における動作について説明する。

図４は、本発明の実施の形態１における電動自転車に搭載されたバッテリーユニット２０の主要な動作を示すフローチャートである。

まず、操作スイッチ部１６のメインスイッチの操作によって電源が投入され車輌走行本体部１が始動状態になると、バッテリーユニット２０から各部への給電が開始される。

放電停止状態判別部２３では、放電電流検出部２１における電池部２４からの放電電流の検出結果と、予め定められたしきい値とが比較される（Ｓ２２１）。なお、本実施の形態では、車輌走行本体部１が停止している状態で流れる待機電流を考慮し、しきい値を０．５Ａに設定している。

そして、放電電流制限部２２は、検出された放電電流の電流量がそのしきい値よりも小さい場合は、電池部２４から車輌走行本体部１へ放電される電流を第１の制限値に制限する（Ｓ２２６）。

ステップＳ２２１において、検出された放電電流の電流量がそのしきい値以上と判断された場合には、放電電流制限部２２は、現在の制限値（例えば、第１の制限値）に所定値を加算したものを新たな制限値とし、電池部２４から車輌走行本体部１へ放電される電流をその新たな制限値に制限する（Ｓ２２２）。

そして、所定値を加算された後の新たな制限値が第２の制限値と等しい（または、以上）かどうかを判断し（Ｓ２２３）、所定値を加算された後の新たな制限値が第２の制限値に達していなければステップＳ２２１に戻る。また、所定値を加算された後の新たな制限値が第２の制限値と等しければ（または以上であれば）、その制限値への新たな所定値の加算を止めて次のステップに進む。

このように、本実施の形態においては、電池部２４から車輌走行本体部１へ放電される電流が予め定められたしきい値以上となった時点から、放電電流制限部２２における制限値を第１の制限値から所定値ずつ漸増させて第２の制限値にするまでの期間（初期電流制限期間）を設けている。これは、車輌走行本体部１の発進時に、電池部２４から大量の電流が急激に放電されて、車輌走行本体部１が急発進したり、電池部２４が消耗したりすることを防止するためである。

そして、この所定値は、第２の制限値から第１の制限値を引いた値を、予め定めた初期電流制限期間における所定値の加算回数で割った値とする。例えば、第１の制限値を８Ａ、第２の制限値を１５Ａ、初期電流制限期間を２秒間とし、所定値を１０ｍ秒間隔で加算する場合には、所定値は、初期電流制限期間である２秒間に２００回加算されることになる。したがって、この場合の所定値は、１５から８を引いた７を２００で割った０．０３５Ａとなる。

これにより、放電電流制限部２２における制限値は、電池部２４から車輌走行本体部１へ供給される放電電流がしきい値以上となった時点から、例えば、第１の制限値８Ａから１０ｍ秒間隔で所定値０．０３５Ａずつ漸増していき、初期電流制限期間である２秒間の経過後に第２の制限値１５Ａになる。制限値が第２の制限値に達してから以降は、通常電流制限期間となり、車輌走行本体部１は通常の走行状態となる。

次に、放電停止状態判別部２３では、通常の走行状態において、放電電流検出部２１における電池部２４からの放電電流の検出結果が予め定められたしきい値よりも小さくなっていないかどうかを判断する（Ｓ２２４）。なお、本実施の形態では、ステップＳ２２４におけるしきい値をステップＳ２２１におけるしきい値と同じ値としているが、異なる値にしてヒステリシス特性を持たせるように構成してもかまわない。

そして、ステップＳ２２４において電池部２４からの放電電流が予め定められたしきい値よりも小さくなったと判断された場合には、放電停止状態判別部２３は、その状態の継続時間を計測し、その継続時間と予め定められた所定の時間である放電停止状態判別時間とを比較する（Ｓ２２５）。なお、本実施の形態では、この時間を２秒間としているが、車輌走行本体部１の仕様や電池部２４に使用している二次電池の定格値等にもとづき適宜最適値に設定することが望ましい。

ステップＳ２２５において、その継続時間が予め定められた放電停止状態判別時間に達したと判断された場合は、放電電流制限部２２は、制限値を第１の制限値に変更する（Ｓ２２６）。また、その継続時間が放電停止状態判別時間に達していないと判断された場合には、その継続時間の計測を継続しつつ、ステップＳ２２４に戻る。

また、ステップＳ２２４において、電池部２４からの放電電流が予め定められたしきい値以上であると判断された場合には、ステップＳ２２５における継続時間は０に戻され（Ｓ２２７）、再びステップＳ２２４に戻る。

以上が、本実施の形態における車輌走行本体部１に搭載されたバッテリーユニット２０の動作である。次に、電池部２４への電流制限と電池部２４から放電される電流量の変化について一例を挙げて説明する。

図５は、本発明の実施の形態１における電動自転車の電池部２４への電流制限と電池部２４から放電される電流量の変化の一例を示す図である。図５において、横軸は時間を、縦軸は電流量を表す。また、一点鎖線は放電電流制限部２２における制限値を、実線は電池部２４から車輌走行本体部１に供給される放電電流を表す。また、図５において、電池部２４から車輌走行本体部１に供給される放電電流の波形が略正弦波となっているが、これは、使用者のペダル２０１への踏み込みに合わせて補助駆動力が発生されるように補助駆動力制御部４３が補助駆動部３を制御しているためである。

図５に示すように、操作スイッチ部１６のメインスイッチの操作によって電源が投入され車輌走行本体部１が始動状態になると、バッテリーユニット２０から各部への給電が開始される。このとき、車輌走行本体部１が停止している状態であれば、走行に使用される電流は０なので、待機電流分だけが電池部２４から放電される。本実施の形態では、しきい値を０．５Ａに設定しており、待機電流はこのしきい値よりも小さい。したがって、放電停止状態判別部２３は、電池部２４からの放電電流が予め定められたしきい値よりも小さいと判断し、それにより、放電電流制限部２２は制限値を第１の制限値にしている。

続いて、使用者がペダル２０１に踏力を加えると、その踏力は人力駆動力としてクランク２０２およびクランク軸２０３やチェーン５４等の駆動力伝達機構を介して後輪１２に伝達されて、車輌走行本体部１が発進する。同時に、ペダル踏力検出部４１では踏力が検出され、その踏力による人力駆動力を補助するように補助駆動力制御部４３から補助駆動部３に電流が供給される。

例えば、人力駆動力に対する補助駆動力の比率である補助比率が１対１であれば、ペダル踏力検出部４１で検出された踏力と等しいトルクがモータから出力されるように、モータに電流が供給される。この場合、使用者は、ペダル２０１に加える踏力の２倍の駆動力で車輌走行本体部１を走行させることができる。しかし、発進時等の停止状態から走行状態への移行期間では、走行を安定させるために強い踏力がペダル２０１に加えられることが多い。このとき、ペダル２０１に加えられる踏力に合わせて、補助駆動部３から大きい補助駆動力が出力されると、車輌走行本体部１が急発進したり、また、電池部２４から急激に大量の電流が流れ出して電池部２４の消耗が大きくなる等の問題が発生する恐れがある。

そこで、本実施の形態におけるバッテリーユニット２０に備えられた放電電流制限部２２は、そのような問題の発生を防止するために、車輌走行本体部１が発進した時点での電池部２４から放電される電流を第１の制限値に制限する。なお、本実施の形態では、それらの防止効果が得られ、かつ使用者が楽に発進できる程度の電流量である８Ａに第１の制限値を設定している。

さらに、本実施の形態では、放電停止状態判別部２３が電池部２４からの放電電流がしきい値以上となったことを検出した時点、すなわち車輌走行本体部１の発進時から走行が安定すると考えられるまで（ここでは、約２秒間）を初期電流制限期間とし、その期間で、放電電流制限部２２における制限値を、第１の制限値から漸増させて第２の制限値にしている。これにより、電池部２４からの放電電流の最大値を車輌走行本体部１の発進時から漸増させることができ、それに伴い、補助駆動部３から出力される補助駆動力を徐々に大きくしていくことができる。

したがって、使用者からペダル２０１に加えられる踏力が大きい発進時において、その踏力にもとづく補助駆動力を発生させるために必要な電流が制限値を超えてしまうような場合には、電池部２４からの放電電流は図面中右上がりの波形となる制限値に制限される。これにより、補助駆動部３に急激に大電流が供給されることを防止でき、使用者は車輌走行本体部１を急発進させることなく快適に走行させることができるようになる。さらに、急激に大電流が放電されて電池部２４が消耗することを防止できるようになる。

なお、初期電流制限期間において制限値を漸増させるために制限値に加算する所定値は、図４で説明したとおり、第２の制限値から第１の制限値を引いた値を、初期電流制限期間における所定値の加算回数で割った値とする。これにより、制限値への所定値の加算の繰り返しを初期電流制限期間継続することで、制限値を第１の制限値から第２の制限値に漸増させることができる。

発進から初期電流制限期間が経過した後は通常電流制限期間となり、放電電流制限部２２における制限値は第２の制限値に維持されて、通常の走行状態となる。なお、本実施の形態では、第２の制限値を、使用者が速度超過等の危険を感じることなく十分な補助駆動力を得ることができる程度の電流量である１５Ａに設定している。

続いて、放電停止状態判別部２３は、電池部２４からの放電電流がしきい値より小さくなったことを検出した場合には、その状態の継続時間を計測する。そして、その継続時間が予め定められた放電停止状態判別時間（例えば２秒程度）を超えた場合には、その時点で、車輌走行本体部が停止されたと判断し、放電電流制限部２２における制限値を第２の制限値から第１の制限値に変更する。これにより、次の発進時における補助駆動部３への急激な大電流の供給を防止して、車輌走行本体部１の急発進や電池部２４の消耗等を防止する。

以上述べたように、本発明の実施の形態１において、バッテリーユニット２０は、電池部２４、残量表示部２５といった通常の電動自転車搭載用のバッテリーの構成要素に加え、電池部２４から車輌走行本体部１に供給される放電電流の電流量を検出する放電電流検出部２１と、放電電流検出部２１における検出結果と予め定められたしきい値とを比較する放電停止状態判別部２３と、放電停止状態判別部２３における比較結果を受けて電池部２４から車輌走行本体部１へ放電される電流を予め定められた所定の制限値に制限する放電電流制限部２２とを備えた構成としている。

これにより、発進時においては補助駆動部３への急激な大電流の供給を防止して、車輌走行本体部１の急発進や電池部２４の消耗等を防止するとともに、通常の走行状態においては、使用者が速度超過等の危険を感じることなく十分な補助駆動力を得るだけの電流を供給して、車輌走行本体部１を快適に走行させることができるようになる。

さらに、定格値が比較的低いニッケルカドミウム電池やニッケル水素電池等の二次電池を用いたバッテリーがもともと搭載されており、補助動力装置（モータ）の制御回路の最大定格値もその二次電池に合わせて比較的低い仕様で設計されているような電動自転車であっても、経時劣化等でバッテリー交換が必要になった場合に、本発明の実施の形態１におけるバッテリーユニット２０であれば、バッテリーユニット２０内部に放電電流制限部２２を備えているため、リチウムイオン電池等の比較的定格値の高い二次電池を使用することができるようになる。

さらに、本発明の実施の形態１におけるバッテリーユニット２０を用いれば、バッテリーユニット２０内部に放電電流制限部２２を備えているので、バッテリーユニット２０を搭載する電動自転車の本体側に過電流保護回路を設けなくともよくなる。

なお、本発明の実施の形態１では、しきい値、第１の制限値、第２の制限値、初期電流制限期間、放電停止状態判別時間等をそれぞれ数値例を挙げて説明したが、何らそれらの数値に限定されるものではなく、車輌走行本体部１の仕様、および補助駆動部３に使用しているモータや電池部２４に使用している二次電池の定格値等にもとづき適宜最適値に設定することが望ましい。

また、本発明の実施の形態１では、バッテリーユニット２０を搭載した車輌走行本体部１の構成を説明したが、何らこの構成に限定されるものではなく、例えば、バッテリーユニット２０単体の構成とし、交換用バッテリーユニット等の目的に用いてもよい。あるいは、電動自転車以外の、電力を動力源とした駆動装置を搭載した車輌、例えばカート等のいわゆるバッテリーカー等であっても、本発明の実施の形態１におけるバッテリーユニット２０を用いて同様の効果を得ることが可能である。

本発明に係るバッテリーユニットおよびそれを搭載した電動自転車ならびにバッテリーの制御方法によれば、電気回路の最大定格値が比較的低い電動自転車であっても、定格値が比較的高いリチウムイオン電池等の二次電池を使用することができ、かつ急激な放電電流の発生による二次電池の消耗を防止するとともに車輌の急発進等を防止して快適に走行させることができるようになるので、バッテリーユニットおよびそれを搭載した電動自転車ならびにバッテリーの制御方法として有用である。

本発明の実施の形態１における電動自転車の概要を示す外観図 同電動自転車の主要な構成を示すブロック図 同電動自転車にバッテリーユニットが装着された状態を示す概略図 同電動自転車に搭載されたバッテリーユニットの主要な動作を示すフローチャート 同電動自転車の電池部への電流制限と電池部から放電される電流量の変化の一例を示す図

符号の説明

１ 車輌走行本体部
２ 人力駆動部
２Ａ，２Ｂ 受電端子
３ 補助駆動部
４ 制御部
１０ モータ駆動ユニット
１１ 前輪
１２ 後輪
１３ フレーム
１４ フロントフォーク
１５ ハンドル
１６ 操作スイッチ部
１７ ライト
１８ グリップ
１９ ブレーキレバー
２０ バッテリーユニット
２１ 放電電流検出部
２１Ａ，２１Ｂ 放電端子
２２ 放電電流制限部
２３ 放電停止状態判別部
２３Ａ，２３Ｂ 被充電端子
２４ 電池部
２５ 残量表示部
４１ ペダル踏力検出部
４３ 補助駆動力制御部
５１，５２ 支持部
５３ サドル
５４ チェーン
２０１ ペダル
２０２ クランク
２０３ クランク軸

Claims (11)

1. 二次電池と、
   前記二次電池から放電される放電電流を検出する放電電流検出部と、
   予め設定されたしきい値と前記放電電流検出部の検出結果とを比較する比較部と、
   前記放電電流が予め設定された制限値を超えないように制限する放電電流制限部とを備え、
   前記放電電流制限部は、前記しきい値よりも値の大きい第１の制限値、および前記第１の制限値よりも値の大きい第２の制限値の少なくとも２つの制限値が設定可能に構成されていること
   を特徴とするバッテリーユニット。
2. 前記放電電流制限部は、前記比較部において前記放電電流検出部の検出結果が前記しきい値より小さいと判断された場合には前記第１の制限値にもとづいて前記放電電流を制限し、前記放電電流検出部の検出結果が前記しきい値以上と判断された場合には前記第２の制限値にもとづいて前記放電電流を制限するように構成されたこと
   を特徴とする請求項１記載のバッテリーユニット。
3. 前記放電電流制限部は、制限値が前記第１の制限値から前記第２の制限値に変更されるときに、前記第１の制限値から制限値を漸増させ、所定の時間経過後に前記第２の制限値にするように構成されたこと
   を特徴とする請求項２記載のバッテリーユニット。
4. 前記放電電流制限部は、制限値を前記第１の制限値から前記第２の制限値に変更するまでの時間を任意に設定できるように構成されたこと
   を特徴とする請求項３記載のバッテリーユニット。
5. 前記放電電流制限部は、前記比較部における前記放電電流検出部の検出結果が所定の時間継続して前記しきい値より小さい場合に、制限値を前記第２の制限値から前記第１の制限値へ変更するように構成されたこと
   を特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のバッテリーユニット。
6. 請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のバッテリーユニットを着脱可能に搭載したこと
   を特徴とする電動自転車。
7. 二次電池から放電される放電電流を検出し、その検出された放電電流と予め設定されたしきい値とを比較して、前記放電電流が予め設定された制限値を超えないように制限するバッテリーの制御方法において、
   前記しきい値よりも値の大きい第１の制限値、および前記第１の制限値よりも値の大きい第２の制限値の少なくとも２つの制限値を有すること
   を特徴とするバッテリーの制御方法。
8. 前記検出された放電電流が前記しきい値より小さいと判断された場合には前記第１の制限値にもとづいて前記放電電流を制限し、
   前記検出された放電電流が前記しきい値以上と判断された場合には前記第２の制限値にもとづいて前記放電電流を制限すること
   を特徴とする請求項７記載のバッテリーの制御方法。
9. 前記放電電流の制限値を前記第１の制限値から前記第２の制限値に変更するときに、前記第１の制限値から制限値を漸増させ、所定の時間経過後に前記第２の制限値にすること
   を特徴とする請求項８記載のバッテリーの制御方法。
10. 前記第１の制限値から前記第２の制限値に変更するまでの時間を任意に設定できるようにしたこと
    を特徴とする請求項９記載のバッテリーの制御方法。
11. 前記検出された放電電流が前記しきい値より小さいと判断された継続時間を計測し、その継続時間が所定の時間に達したときに、前記放電電流の制限値を前記第２の制限値から前記第１の制限値へ変更すること
    を特徴とする請求項７から請求項１０のいずれか１項に記載のバッテリーの制御方法。

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