JP2015098252A

JP2015098252A - 同軸二輪車の制御方法

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Publication number: JP2015098252A
Application number: JP2013238672A
Authority: JP
Inventors: 平　哲也; Tetsuya Taira; 哲也平; 浩司尾藤; Koji Bito
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2013-11-19
Filing date: 2013-11-19
Publication date: 2015-05-28

Abstract

【課題】回生電力を効率的に利用することができる同軸二輪車の制御方法を提供することである。
【解決手段】本発明にかかる同軸二輪車の制御方法は、同軸上に配置された一対の車輪を駆動する一対のモータ２５と、バッテリ２１とキャパシタ２２と放電回路２３とモータ２５との接続を切り替える切替回路２６と、を備える同軸二輪車の制御方法であって、同軸二輪車の目標速度Ｖａに基づいてキャパシタ２２の目標容量Ｑｒｅｆを算出し、キャパシタの現在の容量Ｑｐｎｔが目標容量Ｑｒｅｆ以上の場合、キャパシタ２２の電力を用いてモータ２５を駆動するように切替回路２６を制御する。一方、キャパシタ２２の現在の容量Ｑｐｎｔが目標容量Ｑｒｅｆよりも小さい場合、モータ２５で発生した回生電力をキャパシタ２２に供給するように切替回路２６を制御する。
【選択図】図４

Description

本発明は同軸二輪車の制御方法に関する。

搭乗者が重心を前後あるいは左右へ移動させる走行操作に応じて、倒立状態を維持しつつ所望の走行を行う同軸二輪車が知られている（特許文献１参照）。同軸二輪車は、電動モータで駆動される一対の同軸車輪を有し、人が立位姿勢でステップに搭乗した状態でバランスを保ちながら走行する。

特開２０１０−２４７７４１号公報

背景技術で説明したように、同軸二輪車はモータを動力源とするため、モータを駆動するための電源を搭載する必要がある。同軸二輪車に搭載する電源として、例えばバッテリおよびキャパシタを用いることができる。ここで、同軸二輪車の小型・軽量化を実現するためには、搭載する電源の容量を可能な限り小さくする必要がある。このように、同軸二輪車に搭載する電源の容量を小さくするためには、ブレーキ動作時にモータで発生する回生電力を効率的に利用する必要がある。

上記課題に鑑み本発明の目的は、回生電力を効率的に利用することができる同軸二輪車の制御方法を提供することである。

本発明にかかる同軸二輪車の制御方法は、同軸上に配置された一対の車輪を駆動する一対のモータと、バッテリとキャパシタと放電回路と前記モータとの接続を切り替える切替回路と、を備える同軸二輪車の制御方法であって、前記同軸二輪車の目標速度に基づいて前記キャパシタの目標容量を算出し、前記キャパシタの現在の容量が前記算出された目標容量以上の場合、前記キャパシタの電力を用いて前記モータを駆動するように前記切替回路を制御し、前記キャパシタの現在の容量が前記算出された目標容量よりも小さい場合、前記モータで発生した回生電力を前記キャパシタに供給するように前記切替回路を制御する。

本発明により、回生電力を効率的に利用することができる同軸二輪車の制御方法を提供することができる。

実施の形態にかかる同軸二輪車の外観を示す図である。実施の形態にかかる同軸二輪車のシステム構成の概要を説明するためのブロック図である。実施の形態にかかる同軸二輪車の速度の絶対値とキャパシタの容量との関係を説明するための図である。実施の形態にかかる同軸二輪車の制御方法を説明するためのフローチャートである。キャパシタの容量を説明するための図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本実施の形態にかかる同軸二輪車の外観を示す図である。図１に示すように、本実施の形態にかかる同軸二輪車１０は、同軸上に配置された一対の車輪１１と、車両本体１２と、操作レバー１３と、を備える。一対の車輪１１は、車両本体１２の走行方向と直交する方向の両側において同軸上に配置されると共に、回転可能に車両本体１２に支持されている。一対の車輪１１はそれぞれ車軸を介して一対のモータに接続されている。

一対の車輪１１の車軸に相当する軸をピッチ軸とし、車両本体１２の中心を通って同軸二輪車１０の走行方向と平行をなす軸をロール軸とする。車両本体１２の上面には、搭乗者１５の足を夫々乗せるステップ部が設けられている。車両本体１２には、ロール軸回転方向へ回転自在に操作レバー１３が取り付けられている。操作レバー１３がピッチ軸回転方向（前後方向）へ傾斜すると同軸二輪車１０の前進又は後進操作が実行され、操作レバー１３がロール軸回転方向（左右方向）へ傾斜すると、同軸二輪車１０の旋回操作が実行される。

図２は、本実施の形態にかかる同軸二輪車のシステム構成の概要を説明するためのブロック図である。図２に示すように、同軸二輪車は、バッテリ２１、キャパシタ２２、放電回路２３、モータ２５、切替回路２６、及び制御部２７を備える。

バッテリ２１は、切替回路２６を介してモータ２５に電力を供給することができる。キャパシタ２２は、切替回路２６を介してモータ２５に電力を供給することができる。また、キャパシタ２２は、同軸二輪車のブレーキ動作時にモータ２５で発生した回生電力を蓄積することができる。この場合、モータ２５で発生した回生電力は、切替回路２６を介してキャパシタ２２に供給される。

放電回路２３は、同軸二輪車のブレーキ動作時にモータ２５で発生した回生電力を熱エネルギーに変換することができる。モータ２５で発生した回生電力は、切替回路２６を介して放電回路１６に供給される。

モータ２５は、制御部２７から供給された制御信号に応じて車輪１１を駆動する。同軸二輪車は左側の車輪と右側の車輪を備えており、モータ２５も左側の車輪と右側の車輪のそれぞれに設けられている。モータ２５は、左側の車輪と右側の車輪を独立に駆動することができるように構成されている。例えば、制御部２７は、同軸二輪車が備える姿勢センサ、ハンドルセンサ、ロータリーセンサ等（不図示）で検出された各種情報に応じて、モータ２５を駆動するための制御信号を生成し、モータ２５に出力する。

切替回路２６は、バッテリ２１、キャパシタ２２、放電回路２３、及びモータ２５の接続を切り替える。具体的には、切替回路２６は、バッテリ２１とモータ２５との接続、キャパシタ２２とモータ２５との接続、放電回路２３とモータ２５との接続、キャパシタ２２と放電回路２３との接続、バッテリ２１とキャパシタ２２との接続、を切り替える。切替回路２６は、制御部２６から出力された制御信号に応じて動作する。

例えば、バッテリ２１の電力を用いてモータ２５を駆動する場合、切替回路２６はバッテリ２１とモータ２５とを接続する。また、キャパシタ２２の電力を用いてモータ２５を駆動する場合やモータ２５で発生した回生電力をキャパシタ２２に蓄積する場合、切替回路２６はキャパシタ２２とモータ２５とを接続する。また、モータ２５で発生した回生電力を放電回路２３において熱エネルギーに変換する場合、切替回路２６は放電回路２３とモータ２５とを接続する。

また、キャパシタ２２の容量（残量）を減らすために、キャパシタ２２に蓄積されている電力を放電回路２３において熱エネルギーに変換する場合、切替回路２６はキャパシタ２２と放電回路２３とを接続する。また、キャパシタ２２の容量（残量）を減らすために、キャパシタ２２に蓄積されている電力をバッテリ２１に供給する場合、切替回路２６はバッテリ２１とキャパシタ２２とを接続する。また、キャパシタ２２の容量（残量）を増加させるために、バッテリ２１に蓄積されている電力をキャパシタ２２に供給する場合も、切替回路２６はバッテリ２１とキャパシタ２２とを接続する。

また、本実施の形態にかかる同軸二輪車では、同軸二輪車の速度の絶対値に応じて、キャパシタ２２の容量（残量）を調整している。つまり、図３に示すように、同軸二輪車の速度が遅い場合（例えば、速度ｖ１）は、キャパシタ２２に蓄積されている電荷が多くなるようにしている。これにより、キャパシタ２２に蓄積さている電力を用いてモータ２５を駆動することができる。すなわち、同軸二輪車の速度が遅い場合は、同軸二輪車の加速に必要なエネルギーが大きいため、キャパシタ２２に蓄積されている電荷が多くなるようにしている。このとき、バッテリ２１及びキャパシタ２２を用いてモータ２５を駆動するようにしてもよい。この場合、切替回路２６は、バッテリ２１とモータ２５とを接続し、更にキャパシタ２２とモータ２５とを接続する。

一方、同軸二輪車の速度が速い場合（例えば、速度ｖ２）は、キャパシタ２２の容量（残量）が小さくなるように（つまり、キャパシタ２２の空き容量が大きくなるように）している。これにより、モータ２５で発生した回生電力をキャパシタ２２を用いて吸収することができる。すなわち、同軸二輪車の速度が速い場合は、同軸二輪車の減速に必要なエネルギーが大きい（つまり、モータ２５で発生する回生電力が大きい）ため、キャパシタ２２の空き容量が大きくなるようにしている。

次に、本実施の形態にかかる同軸二輪車の制御方法について、図４に示すフローチャートを用いて説明する。まず、制御部２７は、同軸二輪車の目標速度ｖａ（絶対値）を取得する（ステップＳ１）。ここで目標速度Ｖａは、同軸二輪車のモータ２５を制御する際の指令値（つまり、制御目標値）に対応している。次に、目標速度ｖａに基づいてキャパシタ２２の目標容量Ｑｒｅｆを算出する（ステップＳ２）。例えば、キャパシタ２２の標準容量をＱｓｔｄ（図５参照）、同軸二輪車の重量をＭ、調整係数をＫｃ（Ｋｃ＞０）とした場合、目標容量Ｑｒｅｆは次の式を用いて求めることができる。

Ｑｒｅｆ＝Ｑｓｔｄ−Ｋｃ×｛（１／２）×Ｍ×ｖａ^２｝

なお、上記式の「（１／２）×Ｍ×ｖａ^２」は、同軸二輪車の運動エネルギーＥｍに対応している。また、キャパシタ２２のエネルギーＥｃは、キャパシタ２２の容量をＣ、電圧をＶとした場合、Ｅｃ＝（１／２）×Ｃ×Ｖ^２と表すことができる。

次に、キャパシタ２２の偏差Ｅｒｒを算出する（ステップＳ３）。例えば、キャパシタ２２の現在の容量をＱｐｎｔとすると、偏差Ｅｒｒは次の式を用いて求めることができる。

Ｅｒｒ＝Ｑｐｎｔ−Ｑｒｅｆ

すなわち、キャパシタ２２の偏差Ｅｒｒは、キャパシタ２２の現在の容量Ｑｐｎｔとキャパシタ２２の目標容量Ｑｒｅｆとの差に対応している（図５参照）。

そして、キャパシタ２２の偏差Ｅｒｒが０以上の場合、換言すると、キャパシタ２２の現在の容量Ｑｐｎｔがキャパシタ２２の目標容量Ｑｒｅｆ以上の場合（ステップＳ４：Ｙｅｓ）、キャパシタ２２の容量（残量）が減少するように、制御部２７は切替回路２６を制御する（ステップＳ５）。例えば、同軸二輪車の速度が遅い状態から速い状態に遷移する際、キャパシタ２２の偏差Ｅｒｒが０以上となる。この場合、キャパシタ２２の容量（残量）が減少するように切替回路２６を制御することで、同軸二輪車の速度が速くなった時点において、キャパシタ２２の容量（残量）が少なくなるようにすることができる（図３参照）。

キャパシタ２２の容量（残量）を減少させるには、例えば、切替回路２６を用いてキャパシタ２２とモータ２５とを接続し、キャパシタ２２の電力を用いてモータ２５を駆動する。このとき、切替回路２６を用いてキャパシタ２２と放電回路２３とを接続し、キャパシタ２２に蓄積されている電力を放電回路２３を用いて放電してもよい。また、切替回路２６を用いてバッテリ２１とキャパシタ２２とを接続し、キャパシタ２２に蓄積されている電力をバッテリ２１に移動するようにしてもよい（つまり、キャパシタ２２を用いてバッテリ２１を充電してもよい）。

一方、キャパシタ２２の偏差Ｅｒｒが０よりも小さい場合、換言すると、キャパシタ２２の現在の容量Ｑｐｎｔがキャパシタ２２の目標容量Ｑｒｅｆよりも小さい場合（ステップＳ４：Ｎｏ）、キャパシタ２２の容量（残量）が増加するように、制御部２７は切替回路２６を制御する（ステップＳ６）。例えば、同軸二輪車の速度が速い状態から遅い状態に遷移する際、キャパシタ２２の偏差Ｅｒｒが０よりも小さくなる。この場合、キャパシタ２２の容量（残量）が増加するように切替回路２６を制御することで、同軸二輪車の速度が遅くなった時点において、キャパシタ２２の容量（残量）が多くなるようにすることができる（図３参照）。

キャパシタ２２の容量（残量）を増加させるには、例えば、切替回路２６を用いてキャパシタ２２とモータ２５とを接続し、モータ２５で発生した回生電力がキャパシタ２２に供給されるようにする。このとき、切替回路２６を用いてバッテリ２１とキャパシタ２２とを接続し、バッテリ２１の電力をキャパシタ２２に供給するようにしてもよい（つまり、バッテリ２１を用いてキャパシタ２２を充電してもよい）。

その後、ステップＳ１〜Ｓ６の動作を繰り返す。なお、上記では、ステップＳ１において、制御部２７が同軸二輪車の目標速度ｖａ（絶対値）を取得する場合について説明したが、目標速度ｖａの代わりに同軸二輪車の現在の速度を取得するようにしてもよい。同軸二輪車の現在の速度は、例えばモータの回転数から求めることができる。

このように、本実施の形態にかかる同軸二輪車の制御方法では、同軸二輪車の速度の絶対値に応じて、キャパシタ２２の容量（残量）を調整している。つまり、図３に示すように、同軸二輪車の速度が遅い場合（例えば、速度ｖ１）は、キャパシタ２２に蓄積されている電荷が多くなるようにしている。これにより、同軸二輪車が加速する際に、キャパシタ２２に蓄積さている多くの電力を用いてモータ２５を駆動することができる。一方、同軸二輪車の速度が速い場合（例えば、速度ｖ２）は、キャパシタ２２の容量（残量）が小さくなるように（つまり、キャパシタ２２の空き容量が大きくなるように）している。これにより、モータ２５で発生した回生電力を、キャパシタ２２を用いて吸収することができる。つまり、キャパシタ２２の空き容量が大きいので、多くの回生電力を吸収することができる。

よって、本実施の形態にかかる発明により、モータで発生した回生電力を効率的に利用することができる同軸二輪車の制御方法を提供することができる。また、同軸二輪車に搭載する電源（キャパシタ）の容量を小さくすることができ、同軸二輪車の小型・軽量化を実現することができる。

また、本実施の形態にかかる同軸二輪車は、バッテリ２１とキャパシタ２２と放電回路２３とを備えている。このような構成とすることで、例えばバッテリ２１が故障した場合は、キャパシタ２２（電荷が蓄積されている必要がある）を用いてモータ２５を駆動することができる。また、この場合は、キャパシタ２２（容量が空いている必要がある）および放電回路２３を用いて、モータ２５で発生した回生電力を吸収することができる。

また、キャパシタ２２が故障した場合は、バッテリ２１を用いてモータ２５を駆動することができる。また、この場合は、放電回路２３を用いて、モータ２５で発生した回生電力を吸収することができる。放電回路２３が故障した場合は、キャパシタ２２（容量が空いている必要がある）を用いて、モータ２５で発生した回生電力を吸収することができる。このように、バッテリ２１、キャパシタ２２、及び放電回路２３を備える構成とすることで、これらのうちのいずれかが故障した場合であっても、他の構成要素で故障した構成要素の機能を代替することができ、同軸二輪車の安全性を向上させることができる。

このとき、同軸二輪車の速度が遅い場合には、キャパシタ２２に蓄積されている電荷が多くなるようにすることで、仮にバッテリ２１が故障した場合であっても、キャパシタ２２に蓄積さている電力を用いてモータ２５を駆動することができる。一方、同軸二輪車の速度が速い場合には、キャパシタ２２の容量（残量）が小さくなるように（つまり、キャパシタ２２の空き容量が大きくなるように）することで、仮に放電回路２３が故障した場合であっても、キャパシタ２２を用いて、モータ２５で発生した回生電力を吸収することができる。

以上、本発明を上記実施形態に即して説明したが、本発明は上記実施の形態の構成にのみ限定されるものではなく、本願特許請求の範囲の請求項の発明の範囲内で当業者であればなし得る各種変形、修正、組み合わせを含むことは勿論である。

１０同軸二輪車
１１車輪
１２車両本体
１３操作レバー
１５搭乗者
２１バッテリ
２２キャパシタ
２３放電回路
２５モータ
２６切替回路
２７制御部

Claims

同軸上に配置された一対の車輪を駆動する一対のモータと、
バッテリとキャパシタと放電回路と前記モータとの接続を切り替える切替回路と、を備える同軸二輪車の制御方法であって、
前記同軸二輪車の目標速度に基づいて前記キャパシタの目標容量を算出し、
前記キャパシタの現在の容量が前記算出された目標容量以上の場合、前記キャパシタの電力を用いて前記モータを駆動するように前記切替回路を制御し、
前記キャパシタの現在の容量が前記算出された目標容量よりも小さい場合、前記モータで発生した回生電力を前記キャパシタに供給するように前記切替回路を制御する、
同軸二輪車の制御方法。