JP2015098227A

JP2015098227A - 電動補助車両

Info

Publication number: JP2015098227A
Application number: JP2013238176A
Authority: JP
Inventors: 普田中; Hiroshi Tanaka; 史尚大林; Fuminao Obayashi; 中村　和人; Kazuto Nakamura; 和人中村
Original assignee: Yamaha Motor Co Ltd
Current assignee: Yamaha Motor Co Ltd
Priority date: 2013-11-18
Filing date: 2013-11-18
Publication date: 2015-05-28
Also published as: US20150136509A1; TW201524800A; US9376164B2; EP2873550A3; TWI560085B; EP2873550A2

Abstract

【課題】ペダルからの抗力の急減を抑制して、乗車フィーリングを向上する。
【解決手段】電動補助車両１は、フレームと、人力を入力するためのペダル２０と、ペダル２０に結合され、フレームに回転自在に支持されたクランク２３と、クランク２３の回転に応じて回転する前輪３および後輪４と、前輪３を駆動する前輪電動モータ１３と、後輪４を駆動する後輪電動モータ１４と、クランク２３にかかるトルク（踏力）を検出する踏力センサ４１と、踏力に応じて前輪電動モータ１３のための前輪トルク指令値および後輪電動モータ１４のための後輪トルク指令値をそれぞれ演算する前輪トルク指令値演算ユニット５３および後輪トルク指令値演算ユニット５４と、後輪トルク指令値に対する前輪トルク指令値の位相ずれを設定する位相差設定ユニット５０とを含む。
【選択図】図２

Description

この発明は、人力を入力するためのペダルと、車輪を駆動するための電動モータとを備えた電動補助車両に関する。

特許文献１は、前輪を駆動する前輪電気モータと、後輪を駆動する後輪電気モータと、ペダルとを備えた二輪車を開示している。車輪駆動モードは、両方のモータを作動させる一体形車輪駆動モード、後輪電気モータのみを作動させる後輪駆動モード、前輪電気モータのみを作動させる前輪駆動モード、ペダルおよび後輪電気モータで後輪を駆動するペダルこぎ支援とを含む。

特開２００７−２１０６０８号公報

電動補助車両の一例である電動補助自転車では、ペダルに加えられる踏力によってクランクが回転され、そのクランクの回転が後輪に伝達される。その一方で、クランクに加えられるトルクに比例する大きさの補助トルクが電動モータによって発生され、その電動モータが発生する補助トルクが後輪に伝達される。これにより、人力による車輪の駆動を、電動モータの発生トルクで補助することができる。

本願発明者は、このような構成の電動補助自転車の研究を行ってきた。その過程で、次に説明する一つの課題を見出し、本願発明の完成に至った。
従来からの電動補助自転車では、ペダルからクランクに加えられる踏力トルクに同期して、その踏力トルクに比例する補助トルクが電動モータから発生する。クランクに加えられる踏力トルクは、ペダルの上死点位置を少し超えたクランク角を起点に上昇し、極大値を経て、下死点に向かうに従って減少する。このとき、踏力トルクの極大値付近のタイミングで電動モータが発生する補助トルクが過大になって、クランクの回転速度に比較して車輪の回転速度が速くなる瞬間が生じ、クランクが一定時間空回りする場合がある。このとき、ペダルからの抗力が急減し、運転者は、踏力の抜け感を経験する。すなわち、運転者は、加えた踏力が後輪に有効に伝達されない感触を得る。このような踏力抜け感は、乗車フィーリングを損なう。

そこで、この発明の一実施形態は、ペダルからの抗力の急減を抑制して、乗車フィーリングを向上した電動補助車両を提供する。

この発明の一実施形態は、車体と、人力を入力するためのペダルと、前記ペダルに結合され、前記車体に回転自在に支持されたクランクと、前記車体に取り付けられ、前記クランクの回転に応じて回転する少なくとも一つの車輪と、前記車体に取り付けられ、前記一つの車輪を駆動する第１電動モータと、前記車体に取り付けられ、前記一つの車輪または別の車輪を駆動する第２電動モータと、前記クランクにかかるトルクを検出するトルク検出ユニットと、前記トルク検出ユニットによって検出されるトルクに応じて前記第１電動モータのための第１トルク指令値および前記第２電動モータのための第２トルク指令値を演算し、前記第１および第２トルク指令値の位相が互いにずれるように前記第１および第２トルク指令値を演算するトルク指令値演算ユニットと、前記トルク指令値演算ユニットによって演算された前記第１トルク指令値および第２トルク指令値にそれぞれ応じて前記第１電動モータおよび第２電動モータを駆動するモータ駆動ユニットとを含む、電動補助車両を提供する。

この構成によれば、ペダルに人力を入力してクランクを回転させると、それに応じて車体に取り付けられた車輪が回転し、それによって、車両を走行させることができる。第１電動モータは、一つの車輪を駆動し、第２電動モータは同じ車輪または別の車輪を駆動する。これにより、第１電動モータおよび第２電動モータによって、人力駆動を補助する補助駆動力を発生し、その補助駆動力を車両に与えることができる。第１および第２電動モータのための第１および第２トルク指令値は、互いの位相がずらされる。それにより、車両に与えられる補助駆動力が時間的に平滑化されるので、補助駆動力が瞬間的に過大になることを回避できる。これにより、ペダルからの抗力が急減することを回避できるから、踏力抜け感を回避して、良好な乗車フィーリングの電動補助車両を提供できる。

加えて、第１および第２トルク指令値の位相が互いにずれているので、駆動電流のピーク値を小さくすることができる。これにより、出力の小さいバッテリで第１および第２電動モータを駆動することができるので、バッテリの小型化を図ることができ、それに応じて車両の軽量化を図ることができる。
この発明の一実施形態では、前記第１トルク指令値および前記第２トルク指令値のうちの一方は、前記トルク検出ユニットが検出するトルクと同期している。これにより、クランクに加えられる人力によるトルクと同期した駆動力を一つの電動モータから発生させる一方で、その駆動力とは位相のずれた駆動力を他の電動モータから発生させることができる。これにより、第１および第２電動モータが発生する補助駆動力は、踏力の時間変化に対応した補助駆動力成分を含むので、自然な乗車フィーリングを実現できる。

この発明の一実施形態では、前記少なくとも一つの車輪が、前輪および後輪を含み、前記クランクの回転力が前記後輪に伝達され、前記第１電動モータは前記後輪を駆動するように配置されており、前記第２電動モータは前記前輪を駆動するように配置されており、前記第１トルク指令値または第２トルク指令値は、前記トルク検出ユニットが検出するトルクと同期している。この構成によれば、第１および第２電動モータが後輪および前輪をそれぞれ駆動するので、二輪駆動式の電動補助車両を構成できる。そして、第１および第２電動モータの一方がペダルに加えられる踏力と同期した補助駆動力を発生するので、自然な乗車フィーリングを実現できる。

この発明の一実施形態では、前記少なくとも一つの車輪は、前記クランクの回転力が伝達される第１車輪と、前記クランクの回転力が伝達されない第２車輪とを含み、前記第１電動モータが前記第１車輪を駆動し、前記第１トルク指令値が、前記トルク検出ユニットが検出するトルクと同期している。この構成によれば、クランクの回転力が伝達される第１車輪を駆動する第１電動モータが発生する補助駆動力が、ペダルに加えられる踏力に同期する。これにより、一層自然な乗車フィーリングを実現できる。前記電動補助車両が前輪および後輪を有する場合に、前記第１車輪は、後輪であってもよい。

この発明の一実施形態では、前記第１トルク指令値および前記第２トルク指令値は、前記クランクの一回転を一周期としたときに、位相が９０度ずれている。この構成によれば、第１および第２電動モータが発生する駆動力の位相が、クランクの回転角に換算して、９０度ずれている。それによって、駆動力を効果的に平滑化できるので、優れた乗車フィーリングを実現できる。加えて、駆動電流のピークを最小化できるので、小電流出力のバッテリを用いることができ、それに応じて、車両を軽量化できる。

この発明の一実施形態に係る電動補助車両は、前記電動補助車両の車速を検出する車速検出ユニットをさらに含み、前記トルク指令値演算ユニットは、前記車速検出ユニットが検出する車速が第１速度以下のときには前記第１トルク指令値および前記第２トルク指令値の位相を整合させ、前記車速検出ユニットが検出する車速が前記第１速度を超えているときには前記第１トルク指令値および前記第２トルク指令値の位相をずらす。この構成によれば、第１速度以下のときには、第１および第２電動モータの駆動力の位相が整合しているので、発進時等の低速走行時には、大きな補助駆動力を車両に与えることができる。とくに、第１および第２電動モータの駆動力をペダルに加えられる踏力に同期（すなわち、クランクにかかるトルクに同期）させることによって、運転者の踏力に同期した大きな駆動補助力を発生させることができる。これにより発進時等の低速走行時に、大きな補助駆動力で車両の駆動を補助できる。一方、車速が第１速度を超えると、第１および第２電動モータの駆動力の位相がずらされるので、駆動力を平滑化して、踏力の抜け感を回避でき、かつピーク電流を小さくできる。

この発明の一実施形態では、前記トルク指令値演算ユニットは、前記車速検出ユニットが検出する車速が前記第１速度よりも大きい第２速度を超えているときには前記第１トルク指令値および第２トルク指令値の位相を９０度ずらし、前記車速検出ユニットが検出する車速が前記第１速度を超えており前記第２速度以下であるときには前記第１トルク指令値および第２トルク指令値の位相ずれが車速の増加に応じて０度から９０度まで増加する特性に従って前記第１および第２トルク指令値を演算する。車速が第１速度〜第２速度の範囲では、第１および第２トルク指令値の位相ずれが、車速の増加に応じて０度から９０度まで増加する特性に従って、第１および第２トルク指令値が求められる。したがって、車両が加速していくに従って、第１および第２電動モータの駆動力の位相ずれが徐々に拡大する。そのため、乗車フィーリングを損なうことなく、すなわち駆動特性の急変に伴う駆動力の不連続感を生じることなく、位相ずれの無い状態と９０度の位相ずれの状態との間でスムーズに状態遷移することができる。これにより、乗車フィーリングのよい電動補助車両を実現できる。

図１は、この発明の一実施形態に係る電動補助車両の構成を説明するための側面図である。図２は、前記電動補助車両の制御システムの構成を説明するためのブロック図である。図３は、後輪電動モータおよび前輪電動モータの制御に関するコントローラの処理例を説明するためのフローチャートである。図４は、踏力、後輪駆動力および前輪駆動力の位相関係の一例（実施例）を示す波形図である。図５は、比較例における踏力、後輪駆動力および前輪駆動力の位相関係を示す波形図である。

以下では、この発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、この発明の一実施形態に係る電動補助車両の構成を説明するための側面図である。この電動補助車両１は、前輪３および後輪４と、人力によって後輪４を駆動するための人力駆動系と、電動モータ１３，１４によって前輪３および後輪４をそれぞれ駆動する電動駆動系とを備えた二輪車両である。

電動補助車両１は、車体を構成するフレーム２と、フレーム２に取り付けられた前輪３と、同じくフレーム２に取り付けられた後輪４とを備えている。フレーム２は、ヘッドパイプ５、上部パイプ６、フロントパイプ７、シートパイプ８、左右一対のリヤパイプ９、および左右一対の下部パイプ１０を備えている。ヘッドパイプ５から後方に延びるように、上部パイプ６が設けられている。フロントパイプ７は、上部パイプ６の下方に配置され、ヘッドパイプ５から後方に向けて、斜め下方に延びている。フロントパイプ７の後端部から上方に延びるようにシートパイプ８が設けられている。上部パイプ６の後端部は、シートパイプ８に結合されている。シートパイプ８の上端部にサドル１１が取り付けられている。サドル１１の下方において、シートパイプ８にバッテリ１２が取り付けられている。

上部パイプ６の後端部から後方かつ斜め下方に延びるように、一対のリヤパイプ９が互いにほぼ平行に設けられている。一方、フロントパイプ７の後端部から後方にほぼ水平に延びるように一対の下部パイプ１０が互いにほぼ平行に設けられている。一対のリヤパイプ９の後端部と一対の下部パイプ１０の後端部とが、それぞれ互いに結合されている。リヤパイプ９と下部パイプ１０との結合部分に、後輪スプロケット１５および後輪４が回転自在に取り付けられている。後輪４のハブには、後輪電動モータ１４が組み込まれている。後輪電動モータ１４は、後輪４に駆動力を与えるように構成されている。

フロントパイプ７とシートパイプ８との結合部には、左右に水平に延びるようにクランク軸１６が回転自在に取り付けられている。クランク軸１６には、駆動スプロケット１７が取り付けられている。駆動スプロケット１７と後輪スプロケット１５とに、無端のチェーン１８が巻き掛けられている。したがって、クランク軸１６の回転は、駆動スプロケット１７からチェーン１８を介して後輪スプロケット１５に伝達される。クランク軸１６の両端部には、一対のクランクアーム１９がそれぞれ取り付けられている。クランク軸１６および一対のクランクアーム１９は、クランク２３を構成している。一対のクランクアーム１９に一対のペダル２０がそれぞれ取り付けられている。運転者２１がペダル２０を操作することにより、クランク軸１６を回転することができ、それによって、人力によって後輪４を駆動することができる。

ヘッドパイプ５には、ステアリング軸２５が回転自在に挿入されている。ステアリング軸２５の下端部には、一対のフロントフォーク２６が互いにほぼ平行に取り付けられている。一対のフロントフォーク２６の下端部には、前輪３が回転自在に取り付けられている。前輪３のハブには前輪電動モータ１３が組み込まれている。前輪電動モータ１３は、前輪３に駆動力を与えるように構成されている。ステアリング軸２５の上端にはハンドルバー２７が取り付けられている。ハンドルバー２７は、ほぼ水平に延びており、運転者２１の右手および左手によってそれぞれ握持される一対のグリップ２８を有している。運転者２１がハンドルバー２７を左右に回動操作することによって、ステアリング軸２５がヘッドパイプ５の軸心を中心に回動し、それに伴って、フロントフォーク２６および前輪３が一体的に左右に回動する。それによって、電動補助車両１が操舵される。

図２は、電動補助車両１の制御システムの構成を説明するためのブロック図である。電動補助車両１は、運転者２１によりペダル２０に加えられた踏力を所定の変速比で変速して後輪４に供給する人力駆動系３１と、後輪電動モータ１４および前輪電動モータ１３の駆動力をそれぞれ後輪４および前輪３に供給する電動駆動系３２とを有している。
人力駆動系３１は、ペダル２０に加えられた踏力によって回転するクランク２３と、増速機構３５と、変速機構３６と、ワンウェイクラッチ３７とを含む。増速機構３５は、駆動スプロケット１７、チェーン１８および後輪スプロケット１５を含む。駆動スプロケット１７と後輪スプロケット１５との歯数比に応じて、クランク２３の回転が増速される。変速機構３６は、たとえば、後輪ハブ内に収容され、後輪スプロケット１５に結合された入力軸の回転を複数段（たとえば３段）の変速比のいずれかで変速して出力軸に出力するように構成されている。ワンウェイクラッチ３７は、変速機構３６の出力軸の一方向（前進方向）の回転力を後輪４に伝達し、他方向（後退方向）の回転は伝達しない。したがって、クランク２３に加えられる前進方向の回転力（人力トルク）が、増速機構３５によって増速された後、変速機構３６によって変速され、ワンウェイクラッチ３７を介して後輪４に伝達される。

電動駆動系３２は、踏力センサ４１の出力およびクランク角センサ４２の出力に応じて、後輪電動モータ１４および前輪電動モータ１３を駆動する。踏力センサ４１は、クランク２３に加えられる踏力（トルク）を検出し、その踏力に応じた踏力信号を出力する。踏力センサ４１は、クランク２３にかかるトルクを検出するためのトルク検出ユニットの例である。クランク角センサ４２は、クランク軸１６の回転角であるクランク角を検出する。クランク角の基準位置（クランク角＝０度の回転位置）は、運転者２１が加える踏力が零から立ち上がる位置に設定してもよい。このような基準位置は、たとえば、１つのクランクアーム１９がクランク軸１６から直上に向いた上死点位置と、当該１つのクランクアーム１９がクランク軸１６から水平に前方に向いた前方水平位置との間に設定できる。より具体的には、上死点位置から３０度程度前方にクランクアーム１９が傾斜した位置をクランク角の基準位置としてもよい。

電動駆動系３２は、踏力センサ４１、クランク角センサ４２、前輪電動モータ１３、後輪電動モータ１４、前輪減速機構４３、後輪減速機構４４、およびコントローラ４５を含む。コントローラ４５は、踏力センサ４１およびクランク角センサ４２の出力に応じて前輪電動モータ１３および後輪電動モータ１４を駆動する。前輪電動モータ１３の回転は、前輪減速機構４３によって減速されて、前輪３に伝達される。後輪電動モータ１４の回転は、後輪減速機構４４によって減速されて、後輪４に伝達される。

コントローラ４５は、踏力センサ４１およびクランク角センサ４２の出力に応じて、前輪トルク指令値および後輪トルク指令値をそれぞれ演算する前輪トルク指令値演算ユニット５３および後輪トルク指令値演算ユニット５４を備えている。さらに、コントローラ４５は、前輪トルク指令値に基づいて前輪電動モータ１３を駆動する前輪モータ駆動ユニット５５と、後輪トルク指令値に基づいて後輪電動モータ１４を駆動する後輪モータ駆動ユニット５６とを備えている。前輪トルク指令値は、前輪電動モータ１３が発生すべき駆動トルクの指令値である。後輪トルク指令値は、後輪電動モータ１４が発生すべき駆動トルクの指令値である。前輪モータ駆動ユニットと５５および後輪モータ駆動ユニット５６は、前輪トルク指令値および後輪トルク指令値にそれぞれ対応するデューティー比でバッテリ１２からの駆動電圧をＰＷＭ（パルス幅変調）制御する。このＰＷＭ制御された駆動電圧が前輪電動モータ１３および後輪電動モータ１４に印加される。それによって、前輪電動モータ１３および後輪電動モータ１４に、前輪トルク指令値および後輪トルク指令値にそれぞれ対応した駆動電流が流れる。

前輪トルク指令値演算ユニット５３および後輪トルク指令値演算ユニット５４は、この発明のトルク指令値演算ユニットの一例である。また、前輪モータ駆動ユニット５５および後輪モータ駆動ユニット５６は、この発明のモータ駆動ユニットの一例である。
コントローラ４５は、さらに、車速検出ユニット５８を備えている。車速検出ユニット５８は、電動補助車両１の車速を検出して車速情報を出力する。車速検出ユニット５８は、前輪３または後輪４の回転速度に基づいて車速を検出するように構成されていてもよい。より具体的には、車速検出ユニット５８は、前輪電動モータ１３または後輪電動モータ１４の回転速度に基づいて電動補助車両１の車速を検出してもよい。車速検出ユニット５８は、必ずしも電動補助車両１の車速を求める必要はなく、車速に対応している車速情報を出力すればよい。具体的には、前輪３または後輪４の回転速度は、車速に比例しているから、その回転速度を車速情報として出力してもよい。同様に、前輪電動モータ１３または後輪電動モータ１４の回転速度は車速に比例しているので、そのモータ回転速度を車速情報として出力してもよい。図２には、車速検出ユニット５８が、前輪電動モータ１３の回転速度に対応する車速情報を出力する例を示す。

コントローラ４５は、さらに、クランク角センサ４２によって検出されるクランク角および車速検出ユニット５８によって検出される車速に基づいて、踏力の位相に対する後輪トルク指令値および前輪トルク指令値の位相差を設定する位相差設定ユニット５０を備えている。位相差設定ユニット５０は、車速検出ユニット５８によって検出される車速が所定の第１車速閾値（たとえば０km/h）以下のときには、踏力の位相に対する後輪トルク指令値の位相差を零に設定し、踏力の位相に対する前輪トルク指令値の位相差を零に設定する。したがって、前輪トルク指令値および後輪トルク指令値の位相ずれ角（相対位相差）は零となる。一方、位相差設定ユニット５０は、車速検出ユニット５８によって検出される車速が第１車速閾値よりも大きな所定の第２車速閾値（たとえば３０km/h）を超えているときには、踏力の位相に対する後輪トルク指令値の位相差を零に設定し、踏力の位相に対する前輪トルク指令値の位相差を９０度に設定する。したがって、前輪トルク指令値および後輪トルク指令値の位相ずれ角は９０度となる。車速検出ユニット５８によって検出される車速が第１車速閾値よりも大きく、かつ第２車速閾値以下のときには、位相差設定ユニット５０は、踏力の位相に対する後輪トルク指令値の位相差を零に保持する一方で、踏力の位相に対する前輪トルク指令値の位相差を、車速に応じて（たとえば車速に比例して）０度〜９０度の範囲の値に設定する。より具体的には、踏力の位相に対する前輪トルク指令値の位相差は、車速が大きいほど大きくなるように設定される。

クランク角の基準位置を前述のとおり、踏力の立ち上がり位置に設定しておけば、踏力の位相に対する前輪トルク指令値の位相差および後輪トルク指令値の位相差は、クランク角の位相に対する前輪トルク指令値の位相差および後輪トルク指令値の位相差と等価である。
図３は、後輪電動モータ１４および前輪電動モータ１３の制御に関するコントローラ４５の処理例を説明するためのフローチャートである。踏力センサ４１によって踏力が検出されると、コントローラ４５（後輪トルク指令値演算ユニット５４）は、たとえば、踏力センサ４１によって検出される踏力に比例する後輪トルク指令値を演算する（ステップＳ２）。この場合、後輪トルク指令値は、踏力に一定の後輪補助比率を乗じた値である。したがって、後輪トルク指令値の位相は、踏力の位相と一致する。

コントローラ４５は、クランク角センサ４２の出力信号および踏力センサ４１の出力信号を関連付けてメモリ４６（図２参照）に保存する（ステップＳ２）。すなわち、クランク角に対応する踏力をメモリ４６に保存する。
さらに、コントローラ４５（位相差設定ユニット５０）は、車速検出ユニット５８が生成する車速情報に基づいて、後輪トルク指令値と前輪トルク指令値との位相ずれ角を演算する（ステップＳ３）。この処理例では、踏力と後輪トルク指令値とが同位相であるので、位相差設定ユニット５０は、踏力に対する前輪トルク指令値の位相差を求めることになる。

コントローラ４５（前輪トルク指令値演算ユニット５３）は、現在のクランク角から当該位相ずれ角だけ位相のずれたクランク角に対応する踏力をメモリ４６から読み出し、その踏力に比例する前輪トルク指令値を演算する（ステップＳ４）。したがって、前輪トルク指令値の位相は、位相ずれ角だけ後輪トルク指令値からずれることになる。前輪トルク指令値の大きさは、位相がずれているものの、踏力に比例する値であり、踏力に一定の前輪補助比率を乗じた値である。換言すれば、前輪トルク指令値の大きさは、位相ずれ角だけ位相がずれた踏力に前輪補助比率を乗じた値である。

コントローラ４５（後輪モータ駆動ユニット５６）は、演算された後輪トルク指令値に応じた電流を後輪電動モータ１４に供給する（ステップＳ５）。したがって、後輪４には、運転者が加える踏力とともに、その踏力に同期した後輪補助力（後輪アシストトルク）が後輪電動モータ１４から供給される。したがって、後輪を駆動する後輪駆動力は、踏力および後輪補助力の合計値となる。一方、コントローラ４５（前輪モータ駆動ユニット５５）は、演算された前輪トルク指令値に応じた電流を前輪電動モータ１３に供給する（ステップＳ６）。その結果、前輪電動モータ１３が前輪３に供給する前輪補助力（前輪アシストトルク）の位相は、前記位相ずれ角だけ踏力からずれることになる。踏力と後輪補助力とが同位相であるので、それらの合計である後輪駆動力（＝踏力＋後輪補助力）に対して、前輪駆動力（＝前輪補助力）の位相が前記位相ずれ角だけずれることになる。

このフローチャートの処理例は、踏力に対して、後輪トルク指令値が同位相であり、前輪トルク指令値が異なる位相である場合を示している。前輪トルク指令値だけでなく後輪トルク指令値の位相も踏力の位相からずらす場合には、コントローラ４５は、車速情報に基づいて、踏力に対する前輪位相ずれ角および後輪位相ずれ角をそれぞれ演算する。そして、コントローラ４５は、現在のクランク角から前輪位相ずれ角および後輪位相ずれ角だけそれぞれ位相のずれたクランク角に対する踏力をメモリ４６から読み出し、それらの踏力にそれぞれ比例する前輪トルク指令値および後輪トルク指令値を演算する。これにより、前輪トルク指令値の位相は前輪位相ずれ角だけ踏力からずれ、後輪トルク指令値の位相は後輪位相ずれ角だけ踏力からずれる。前輪位相ずれ角と後輪位相ずれ角とを異なる値に設定することにより、前輪トルク指令値と後輪トルク指令値との互いの位相がずれることになる。

図４は、踏力、後輪駆動力および前輪駆動力の位相の関係の一例を示す波形図である。踏力は、正弦波の絶対値波形に近似した波形に従う変化を示す。踏力と後輪トルク指令値とが同位相であり、したがって、踏力と、後輪駆動力（＝踏力＋後輪補助力）とは同位相となっている。前輪駆動力は、踏力に対して９０度位相がずれている。そして、前輪駆動力の大きさは、この例では、後輪駆動力に等しく設定されている。よって、後輪駆動力および前輪駆動力（＝前進補助力）は、互いに９０度位相がずれており、ピーク値が等しい。これにより、違和感の少ない電動アシストが実現されている。電動補助車両１に加えられる全駆動力（後輪駆動力＋前輪駆動力）は、後輪駆動力および前輪駆動力の各ピーク位置で極小値をとり、それらのピーク位置間で極大値をとる波形を呈する。後輪駆動力の変動は、位相のずれた前輪駆動力によって補償されており、その結果、全駆動力の変動は、後輪駆動力または前輪駆動力の変動に比較して充分に小さくなっている。

図５は、比較例を示しており、後輪トルク指令値および前輪トルク指令値の位相をいずれも踏力の位相に一致させた例を示す。この場合、全駆動力の位相も踏力の位相に一致する。後輪駆動力および前輪駆動力は、同時にピーク値をとり、それと同時に全駆動力が極大値をとる。その極大値は、後輪駆動力および前輪駆動力のピーク値の和となる。そのため、全駆動力が大きく変動することになる。すなわち、全駆動力は、急増および急減を繰り返す。全駆動力が急増するとき、電動モータ１３，１４が急加速する。このとき、運転者が大きな踏力を加えることができるクランク角領域でアシスト過剰が生じると、踏力抜け感が生じるおそれがある。この問題が、後輪駆動力および前輪駆動力の位相をずらした前記実施形態の構成によって解決される。

以上のように、この実施形態によれば、ペダル２０に人力を入力してクランク２３を回転させると、それに応じて後輪４が回転し、それによって、電動補助車両１を走行させることができる。後輪電動モータ１４は後輪４を駆動して後輪補助力を後輪４に与え、前輪電動モータ１３は前輪３を駆動して前輪３に前輪補助力を与える。これにより、後輪補助力および前輪補助力によって、人力駆動を補助できる。後輪電動モータ１４および前輪電動モータ１３のための後輪トルク指令値および前輪トルク指令値は、互いの位相がずらされる。それにより、電動補助車両１に与えられる補助力が時間的に平滑化されるので、補助力が瞬間的に過大になることを回避できる。これにより、ペダル２０に踏力を加えたときの抗力が急減することを回避できるから、踏力抜け感を回避して、良好な乗車フィーリングの電動補助車両１を提供できる。

加えて、後輪トルク指令値および前輪トルク指令値の位相が互いにずれているので、後輪電動モータ１４および前輪電動モータ１３に供給される全駆動電流のピーク値を小さくすることができる。これにより、出力の小さいバッテリ１２で後輪電動モータ１４および前輪電動モータ１３を駆動することができるので、バッテリ１２の小型化を図ることができ、それに応じて電動補助車両１の軽量化を図ることができる。

踏力抜け感を回避するために、後輪トルク指令値および前輪トルク指令値の位相を異ならせる代わりに、それらの位相を同位相とし、たとえば前輪トルク指令値を一定の上限値以下に制限する制御を行うことが考えられる。しかし、このような制御は、踏力に対する補助駆動力の比率の変動を生むため、別の違和感を生じるおそれがあるうえに、補助力が不足するおそれがある。後輪トルク指令値と前輪トルク指令値との間に位相差を設ける前述の実施形態では、このような違和感や補助力不足を生じるおそれがない。

この実施形態では、後輪トルク指令値は、踏力と同期しているので、クランク２３に加えられる人力によるトルク（踏力）と同期した補助力を後輪電動モータ１４から発生させる一方で、その補助力とは位相のずれた補助力を前輪電動モータ１３から発生させることができる。これにより、電動モータ１３，１４が発生する補助力は、踏力の時間変化に対応した補助力成分（後輪補助力）を含むので、自然な乗車フィーリングを実現できる。しかも、この実施形態では、クランク２３に加えられる踏力が伝達される後輪４に与えられる後輪補助力が、踏力に同期する。これにより、一層自然な乗車フィーリングを実現できる。

また、この実施形態では、車速が充分に大きいときには、後輪トルク指令値および前輪トルク指令値は、クランク２３の一回転を一周期としたときに、位相が９０度ずれている。これにより、補助力を効果的に平滑化できるので、優れた乗車フィーリングを実現できる。加えて、駆動電流のピークを最小化できるので、小電流出力のバッテリ１２を用いることができ、それに応じて、電動補助車両１を軽量化できる。

さらに、この実施形態では、車速が第１車速閾値以下のときには後輪トルク指令値および前輪トルク指令値の位相を整合させ、車速が第１車速閾値を超えているときには後輪トルク指令値および前輪トルク指令値の位相がずらされる。これにより、発進時等の低速走行時には、大きな補助力を電動補助車両１に与えることができる。とくに、後輪電動モータ１４および前輪電動モータ１３の両方が発生する補助力をペダル２０に加えられる踏力に同期させることによって、運転者の踏力に同期した大きな補助力を発生させることができる。これにより発進時等の低速走行時に、大きな補助力で電動補助車両１の駆動を補助できる。一方、車速が第１車速閾値を超えると、後輪電動モータ１４および前輪電動モータ１３が発生する補助力の位相がずらされるので、補助力を平滑化して、踏力の抜け感を回避でき、かつピーク電流を小さくできる。

さらに、この実施形態では、車速が第２車速閾値を超えているときには後輪トルク指令値および前輪トルク指令値の位相を９０度ずらし、車速が第１車速閾値を超えており第２車速閾値以下であるときには、後輪トルク指令値および前輪トルク指令値の位相ずれが車速の増加に応じて０度から９０度まで増加する特性に従って位相ずれが設定される。したがって、電動補助車両１が加速していくに従って、後輪電動モータ１４および前輪電動モータ１３が発生する補助力の位相ずれが徐々に拡大する。そのため、乗車フィーリングを損なうことなく、すなわち駆動特性の急変に伴う補助力の不連続感を生じることなく、位相ずれの無い状態と９０度の位相ずれの状態との間でスムーズに状態遷移することができる。これにより、乗車フィーリングのよい電動補助車両１を実現できる。

以上、この発明の一実施形態について説明してきたが、この発明は、以下に例示的に列挙するように、さらに他の形態で実施することもできる。
１．前述の実施形態では、２つの駆動車輪３，４を備えた車両を示したけれども、駆動車輪の数は２つでなくてもよい。すなわち、この発明に係る電動補助車両には、駆動車輪が１つだけ備えられていてもよいし、３つ以上の駆動車輪が備えられていてもよい。また、この発明に係る電動補助車両には、車両の走行に伴って従動する従動車輪が備えられていてもよいし、備えられていなくてもよい。たとえば、前輪および後輪を有する二輪車においては、前輪および後輪のいずれか一方が駆動車輪であって、それらの他方が従動車輪であってもよい。また、前輪および後輪のいずれか一方に人力駆動系の駆動力のみが供給され、それらの他方に電動駆動系の駆動力のみが供給されてもよい。より一般化すれば、複数の駆動車輪は、人力駆動系の駆動力のみが供給される少なくとも１つの車輪と、電動駆動系の駆動力のみが供給される少なくとも１つの車輪とを含んでいてもよい。車輪の総数は２つでなくてもよく、１つであってもよいし、３つ以上であってもよい。

２．前述の実施形態では、２つの電動モータ１３，１４が前輪３および後輪４にそれぞれ補助力を供給しているけれども、２つの電動モータが１つの車輪（前輪３または後輪４）に補助力を供給する構成としてもよい。この場合、その２つの電動モータが発生する補助力の位相をずらすことによって、踏力抜け感を回避できる。
３．３つ以上の電動モータが備えられてもよい。この場合、それらのうちの少なくとも２つの電動モータが発生する補助力の位相をずらせばよい。３つ以上の電動モータは、それぞれ異なる車輪に補助力を与えてもよいし、少なくとも２つの電動モータが共通の１つの車輪に補助力を与えてもよい。ｎ個（ｎは２以上の自然数）の電動モータが発生する補助力の位相をずらす場合には、それらの電動モータのトルク指令値間の位相差を１８０度／ｎずつに設定することが好ましい。いずれの場合にも、トルク指令値間の位相差は９０度以下となる。

４．前述の実施形態では、後輪トルク指令値が踏力に同期し、前輪トルク指令値の位相が踏力の位相からずらされている。しかし、前輪トルク指令値の位相を踏力に同期させ、後輪トルク指令値の位相を踏力の位相からずらしてもよい。さらに、前述のとおり、前輪トルク指令値および後輪トルク指令値の両方の位相を踏力の位相からずらしてもよい。この場合でも、前輪トルク指令値および後輪トルク指令値の位相は互いにずらされていることが好ましい。

５．前述の実施形態では、クランク角を基準に前輪トルク指令値および後輪トルク指令値の位相がずらされている。しかし、踏力の位相に基づいて前輪トルク指令値および後輪トルク指令値の位相をずらしてもよいし、前輪トルク指令値の位相と後輪トルク指令値の位相とを時間的にずらすことによって、それらの間の位相差を確保してもよい。
６．図１には電動補助自転車の形態の電動補助車両を例示したけれども、この発明に係る電動補助車両は、モペットの形態を有していてもよい。

その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。

１電動補助車両
２フレーム
３前輪
４後輪
１２バッテリ
１３前輪電動モータ
１４後輪電動モータ
１６クランク軸
２０ペダル
２３クランク
３１人力駆動系
３２電動駆動系
４１踏力センサ
４２クランク角センサ
４３前輪減速機構
４４後輪減速機構
４５コントローラ
４６メモリ
５０位相差設定ユニット
５３前輪トルク指令値演算ユニット
５４後輪トルク指令値演算ユニット
５５前輪モータ駆動ユニット
５６後輪モータ駆動ユニット
５８車速検出ユニット

Claims

車体と、
人力を入力するためのペダルと、
前記ペダルに結合され、前記車体に回転自在に支持されたクランクと、
前記車体に取り付けられ、前記クランクの回転に応じて回転する少なくとも一つの車輪と、
前記車体に取り付けられ、前記一つの車輪を駆動する第１電動モータと、
前記車体に取り付けられ、前記一つの車輪または別の車輪を駆動する第２電動モータと、
前記クランクにかかるトルクを検出するトルク検出ユニットと、
前記トルク検出ユニットによって検出されるトルクに応じて前記第１電動モータのための第１トルク指令値および前記第２電動モータのための第２トルク指令値を演算し、前記第１および第２トルク指令値の位相が互いにずれるように前記第１および第２トルク指令値を演算するトルク指令値演算ユニットと、
前記トルク指令値演算ユニットによって演算された前記第１トルク指令値および第２トルク指令値にそれぞれ応じて前記第１電動モータおよび第２電動モータを駆動するモータ駆動ユニットとを含む、電動補助車両。
前記第１トルク指令値および前記第２トルク指令値のうちの一方は、前記トルク検出ユニットが検出するトルクと同期している、請求項１に記載の電動補助車両。
前記少なくとも一つの車輪が、前輪および後輪を含み、
前記クランクの回転力が前記後輪に伝達され、
前記第１電動モータは前記後輪を駆動するように配置されており、
前記第２電動モータは前記前輪を駆動するように配置されており、
前記第１トルク指令値または第２トルク指令値は、前記トルク検出ユニットが検出するトルクと同期している、請求項１に記載の電動補助車両。
前記少なくとも一つの車輪は、前記クランクの回転力が伝達される第１車輪と、前記クランクの回転力が伝達されない第２車輪とを含み、
前記第１電動モータが前記第１車輪を駆動し、
前記第１トルク指令値が、前記トルク検出ユニットが検出するトルクと同期している、請求項１に記載の電動補助車両。
前記第１トルク指令値および前記第２トルク指令値は、前記クランクの一回転を一周期としたときに、位相が９０度ずれている、請求項１〜４のいずれか一項に記載の電動補助車両。
前記電動補助車両の車速を検出する車速検出ユニットをさらに含み、
前記トルク指令値演算ユニットは、前記車速検出ユニットが検出する車速が第１速度以下のときには前記第１トルク指令値および前記第２トルク指令値の位相を整合させ、前記車速検出ユニットが検出する車速が前記第１速度を超えているときには前記第１トルク指令値および前記第２トルク指令値の位相をずらす、請求項１〜５のいずれか一項に記載の電動補助車両。
前記トルク指令値演算ユニットは、前記車速検出ユニットが検出する車速が前記第１速度よりも大きい第２速度を超えているときには前記第１トルク指令値および第２トルク指令値の位相を９０度ずらし、前記車速検出ユニットが検出する車速が前記第１速度を超えており前記第２速度以下であるときには前記第１トルク指令値および第２トルク指令値の位相ずれが車速の増加に応じて０度から９０度まで増加する特性に従って前記第１および第２トルク指令値を演算する、請求項６に記載の電動補助車両。