JP2018138427A - 電動車両および電動車両の制御方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 搭乗者の踏力により発電機が発電した電力で電動機を駆動して走行する電動車両において、搭乗者が希望する踏力で走行するのを可能にする。【解決手段】 電動車両は、搭乗者の踏力により駆動される発電機駆動部材17と、発電機駆動部材17に接続された発電機18と、駆動輪16に接続されて発電機18の発電電力で作動する電動機15と、発電機18および電動機15の作動を制御する制御手段32とを備える。電動車両は、発電機駆動部材17を駆動するための踏力の大きさを選択する踏力選択手段Saを備え、制御手段32は、踏力選択手段Saで選択した踏力の大きさに相当する発電電流指令値で発電機18の発電を制御するので、低車速時には発電機駆動部材17を高速で駆動し、高車速時には発電機駆動部材17を低速で駆動することで、コストアップの要因となる機械的な変速機を必要とせずに、搭乗者の脚力や好みに応じた一定の踏力で走行することが可能となる。【選択図】 図4
Description
本発明は、搭乗者の踏力により駆動される発電機駆動部材と、前記発電機駆動部材に接続された発電機と、駆動輪に接続されて前記発電機の発電電力で作動する電動機と、前記発電機および前記電動機の作動を制御する制御手段とを備える電動車両に関する。また本発明は、搭乗者の踏力により駆動される発電機駆動部材で発電機を作動させ、前記発電機の発電電力で電動機を作動さて駆動輪を駆動する電動車両の制御方法に関する。
後輪に接続された電動機を備え、バッテリに蓄えられた電力で電動機を駆動して走行する二輪スケートボードが、下記特許文献1により公知である。
また搭乗者により踏まれるペダルに接続された発電機と、後輪に接続された電動機とをバッテリに接続し、搭乗者の踏力により発電機が発電した電力に応じて電動機を駆動して走行する動力自転車が、下記特許文献2により公知である。
図11(A)は、電動機の駆動トルクと電動機の回転数との積が一定になる定出力ラインを示し、図11(B)は、発電機の発電トルク(ペダル踏力)と発電機の回転数(ペダル踏み込み量)との積が一定になる定出力ラインを示している。
上記特許文献2に記載されたものは、搭乗者のペダル踏力およびペダル踏み込み量(踏み込み回数や踏み込みストローク)により決まる機械的エネルギーを発電機で電気エネルギーである電力に変換し、この電力を検出して、検出された電力に比例した電力を指令値として電動機を駆動している。
このように、上記従来のものは、発電機の定出力ライン上の例えばA点、B点、C点で示す運転状態(トルクおよび回転数)と、電動機の定出力ライン上のA′点、B′点、C′点で示す運転状態(トルクおよび回転数)とが一対一に対応しているため、動力自転車を停止状態から発進させるときや、発進後の比較的に低速の走行状態では、発電機を駆動するペダルを大きな踏力でゆっくりと踏む必要がある一方、希望する車速に達するまでの比較的に高速の走行状態や、希望する車速を維持する高速の走行状態では、発電機を駆動するペダルを小さい踏力で速く踏む必要があり、搭乗者の好みのペダル踏力を選択することができずに車速に応じたペダル踏力が一義的に課されてしまう問題があった。
この問題を回避する手段の一つとして、ペダルと発電機との間に機械的な変速機を配置し、搭乗者が希望するペダル踏力およびペダル踏み込み量で、所望の車速を得るために必要な電力を発電することが考えられる。しかしながら、上記手段を採用すると、機械的な変速機が必要になるために重量やコストが増加する問題がある。
本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、搭乗者の踏力により発電機が発電した電力で電動機を駆動して走行する電動車両において、搭乗者が希望する踏力で走行するのを可能にすることを目的とする。
上記目的を達成するために、請求項1に記載された発明によれば、搭乗者の踏力により駆動される発電機駆動部材と、前記発電機駆動部材に接続された発電機と、駆動輪に接続されて前記発電機の発電電力で作動する電動機と、前記発電機および前記電動機の作動を制御する制御手段とを備える電動車両であって、前記発電機駆動部材を駆動するための踏力の大きさを選択する踏力選択手段を備え、前記制御手段は、前記踏力選択手段で選択した踏力の大きさに相当する発電電流指令値で前記発電機の発電を制御することを特徴とする電動車両が提案される。
また請求項2に記載された発明によれば、請求項1の構成に加えて、前記電動機による搭乗者の踏力のアシスト量を選択するアシスト量選択手段を備え、前記制御手段は、前記アシスト量選択手段で選択した踏力のアシスト量に応じて前記電動機の目標駆動電力を変更することを特徴とする電動車両が提案される。
また請求項3に記載された発明によれば、搭乗者の踏力により駆動される発電機駆動部材で発電機を作動させ、前記発電機の発電電力で電動機を作動させて駆動輪を駆動する電動車両の制御方法であって、踏力選択手段で前記発電機駆動部材を駆動するための踏力の大きさを選択し、選択された踏力の大きさに相当する発電電流指令値で前記発電機の発電を制御することを特徴とする電動車両の制御方法が提案される。
また請求項4に記載された発明によれば、請求項3の構成に加えて、アシスト量選択手段で前記電動機による搭乗者の踏力のアシスト量を選択し、選択されたアシスト量に応じて前記電動機の目標駆動電力を変更することを特徴とする電動車両の制御方法が提案される。
なお、実施の形態のキックペダル17は本発明の発電機駆動部材およびアシスト量選択手段に対応し、実施の形態の制御器32は本発明の制御手段に対応し、実施の形態の推進スイッチSaは本発明の踏力選択手段に対応する。
請求項1の構成によれば、電動車両は、搭乗者の踏力により駆動される発電機駆動部材と、発電機駆動部材に接続された発電機と、駆動輪に接続されて発電機の発電電力で作動する電動機と、発電機および電動機の作動を制御する制御手段とを備える。また電動車両は、発電機駆動部材を駆動するための踏力の大きさを選択する踏力選択手段を備え、制御手段は、踏力選択手段で選択した踏力の大きさに相当する発電電流指令値で発電機の発電を制御するので、低車速時には発電機駆動部材を高速で駆動し、高車速時には発電機駆動部材を低速で駆動することで、コストアップの要因となる機械的な変速機を必要とせずに、搭乗者の脚力や好みに応じた一定の踏力で走行することが可能となる。
また請求項2の構成によれば、電動機による搭乗者の踏力のアシスト量を選択するアシスト量選択手段を備え、制御手段は、アシスト量選択手段で選択した踏力のアシスト量に応じて電動機の目標駆動電力を変更するので、一定の踏力で発電機駆動部材を駆動しながら、電動機の目標駆動電力を増加させて搭乗者の踏力を強くアシストしたり、電動機の目標駆動電力を減少させて搭乗者の踏力を弱くアシストしたりすることができる。
また請求項3の構成によれば、電動車両は、搭乗者の踏力により駆動される発電機駆動部材で発電機を作動させ、発電機の発電電力で電動機を作動させて駆動輪を駆動する。また電動車両は、踏力選択手段で発電機駆動部材を駆動するための踏力の大きさを選択し、選択された踏力の大きさに相当する発電電流指令値で発電機の発電を制御するので、低車速時には発電機駆動部材を高速で駆動し、高車速時には発電機駆動部材を低速で駆動することで、コストアップの要因となる機械的な変速機を必要とせずに、搭乗者の脚力や好みに応じた一定の踏力で走行することが可能となる。
また請求項4の構成によれば、アシスト量選択手段で電動機による搭乗者の踏力のアシスト量を選択し、選択されたアシスト量に応じて電動機の目標駆動電力を変更するので、一定の踏力で発電機駆動部材を駆動しながら、電動機の目標駆動電力を増加させて搭乗者の踏力を強くアシストしたり、電動機の目標駆動電力を減少させて搭乗者の踏力を弱くアシストしたりすることができる。
以下、図1〜図10に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
図1に示すように、電動スケートボードは、板状の車体11と、車体11の前部に立設したハンドルポスト12と、ハンドルポスト12の上端に設けたハンドル13と、車体11の前部に設けられてハンドル13により転舵される左右2個の転舵輪14と、車体11の後部に設けられて電動機15により駆動される1個の駆動輪16と、車体後部に上下揺動自在に枢支され、搭乗者の片脚で踏み込み操作されるキックペダル17と、キックペダル17により駆動される発電機18と、電動機15および発電機18に接続されたバッテリ19とを備える。
図2に示すように、車体11に支点20を介してキックペダル17の中間部が上下揺動可能に枢支される。車体11の下面にブラケット11aを介してスプロケット21が回転自在に支持されており、一端がキックペダル17の下端に連結されてスプロケット21に巻き掛けられたチェーン22の他端が、コイルバネ23を介して車体11の下面のブラケット11bに連結される。車体11の下面にブラケット11cを介して回転自在に支持されたスプロケット24に、チェーン22の中間部が歯合する。スプロケット24にワンウェイクラッチ25を介して同軸に連結されたスプロケット26と、車体11の上面に設けた発電機18の回転軸に固定したスプロケット27とに無端チェーン28が巻き掛けられる。
従って、車体11上に一方の脚で立った搭乗者が他方の脚でキックペダル17を踏み込むと、コイルバネ23を引き延ばしながらチェーン22が一方向に駆動されてスプロケット24が一方向に回転し、そのスプロケット24の回転がワンウェイクラッチ25、スプロケット26、無端チェーン28およびスプロケット27を介して発電機18に伝達され、発電機18による発電が行われる。キックペダル17の踏み込みを解除すると、引き伸ばされたコイルバネ23が収縮する弾発力でチェーン22が他方向に駆動され、スプロケット26が他方向に回転するが、ワンウェイクラッチ25が係合解除することで、発電機18への駆動力の伝達が遮断される。このようにして、搭乗者が連続的にキックペダル17を踏み込むと、発電機18が一方向に間欠的に駆動されて発電する。
図3に示すように、車体11の下面に設けたブラケット11dに駆動輪16が回転自在に支持されており、駆動輪16の車軸に固定したスプロケット29と、車体の上面に設けた電動機15の回転軸に固定したスプロケット30とに無端チェーン31が巻き掛けられる。
従って、電動機15を一方向に駆動すると駆動輪16が回転して電動スケートボードが前進方向に走行する。また電動機15を回生制動し、あるいは電動機15に逆方向のトルクを発生させると、電動スケートボードが制動される。
図1および図4に示すように、車体11の下面にマイクロコンピュータを含むパワードライブユニットよりなる制御器32が搭載されており、ハンドル13には推進スイッチSaおよび制動スイッチSbが設けられる。推進スイッチSaは電動スケートボードの発進や加速を指令し、制動スイッチSbは電動スケートボードの制動を指令する。本実施の形態では、推進スイッチSaが、搭乗者がキックペダル17を踏むのに必要な踏力の大小を設定する踏力選択スイッチの機能を兼ねている。また本実施の形態では、キックペダル17が、電動機15の駆動力の大きさ、つまり搭乗者のキックペダル17の操作をアシストするアシスト量の大小を設定するアシスト量選択手段の機能を兼ねている。
制御器32には、推進スイッチSaおよび制動スイッチSbからの信号に加えて、電動機回転数センサSdで検出した電動機15の回転数信号(すなわち車速信号)と、発電電流センサSeで検出した発電機18の発電電流信号と、発電機回転数センサSfで検出した発電機18の回転数信号とが入力される。制御器32は、前記各スイッチSa,Sbおよび前記各センサSd〜Sfからの信号に基づいて、電動機15の駆動力指令信号および発電機18の発電電流指令信号を出力する。
次に、制御器32による発電機18および電動機15の制御を、図5〜図9のフローチャートに基づいて説明する。
図5は発電機18および電動機15の制御を開始する起動処理ルーチンのフローチャートであり、ステップS11でメイン電源(不図示)をオンすると、ステップS12で制御器32がオンし、ステップS13で制御器32が出力する発電機18の発電電流指令値および電動機15の駆動トルク指令値が初期値であるゼロに設定され、ステップS14で発電機18および電動機15に通電され、ステップS15で電動スケートボードが走行可能なスタンバイ状態になる。
図6は発電機18および電動機15の制御を終了する終了処理ルーチンのフローチャートであり、ステップS21でメイン電源をオフすると、ステップS22で制御器32がオフして発電機18および電動機15への通電がオフすることで、ステップS23で終了処理が完了する。
図7は踏力モードを設定する踏力モード設定処理ルーチンのフローチャートである。踏力モードは、キックペダル17を踏み込むのに必要な踏力の指標、すなわち発電機18の発電電流指令置の指標であり、本実施の形態では搭乗者の体力や好みに応じて3段階に設定される。踏力モード1は、キックペダル17の踏込力を小さく(軽く)するもので、発電機18の発電電流指令値は10Aに設定される。踏力モード2は、キックペダル17aの踏込力を中程度にするもので、発電機18の発電電流指令値は20Aに設定される。踏力モード3は、キックペダル17の踏込力を大きく(重く)するもので、発電機18の発電電流指令値は30Aに設定される。これらの踏力モードは制御器32にテーブルとして記憶されている。
図7のフローチャートのステップS31でメイン電源がオンし、ステップS32で制御器32がオンすると、ステップS33で踏力モードを初期値(例えば踏力モード2)に設定する。続くステップS34で制動スイッチSbがオンしており、かつステップS35で電動機回転数センサSdで検出した電動機15の回転数(つまり車速)がゼロであり、車体が停止していることが確認されると、ステップS36で踏力選択スイッチを兼ねる推進スイッチSaがオンする回数を検出する。
すなわち、制動スイッチSbがオンされた状態で、ステップS37で所定時間内に推進スイッチSaがオンされた回数を検出する。回数が1回であると、ステップS38で踏力モード1が設定され、回数が2回であると、ステップS39で踏力モード2が設定され、回数が3回であると、ステップS40で踏力モード3が設定される。
図8はアシストモードを設定するアシストモード設定処理ルーチンのフローチャートである。アシストモードは、各踏力モードに対応する電動機15の駆動電力指令値を変更するもので、アシストモード1は各踏力モードの電動機15の駆動電力指令値に1よりも小さい係数(例えば、0.8)を乗算して減少方向に補正し、アシストモード2は各踏力モードの電動機15の駆動電力指令値に係数=1を乗算してそのまま使用し、アシストモード3は各踏力モードの電動機15の駆動電力指令値に1よりも大きい係数(例えば、2.0)を乗算して増加方向に補正する。
アシストモード2は、発電機18の発電効率が100%であると仮定すると、発電機18の発電電力に等しい駆動電力で電動機15を駆動するものであるが、アシストモード1は、発電機18の発電電力の0.8倍の駆動電力で電動機15を駆動するものであり、余剰となった電力はバッテリ19に充電される。よって、アシストモード1は、バッテリ19の容量確保を重視するモードと言える。またアシストモード3は、発電機18の発電電力の2.0倍の駆動電力で電動機15を駆動するものであり、不足する電力はバッテリ19から持ち出される。よって、アシストモード3は、搭乗者の踏力のアシストを重視するモードと言える。
図8のフローチャートのステップS41でメイン電源がオンし、ステップS42で制御器32がオンすると、ステップS43でアシストモードを初期値(例えばアシストモード2)に設定する。続くステップS44で制動スイッチSbがオンしており、かつステップS45で電動機回転数センサSdで検出した電動機15の回転数(つまり車速)がゼロであり、車体が停止していることが確認されると、ステップS46でアシスト量設定手段を兼ねるキックペダル17が踏まれた回数を検出する。
すなわち、制動スイッチSbをオンされた状態で、ステップS47で所定時間内にキックペダル17が踏まれた回数を検出する。回数が1回であれば、ステップS48でアシストモード1が設定され、回数が2回であれば、ステップS49でアシストモード2が設定され、回数が3回であれば、ステップS50でアシストモード3が設定される。
図9は電動機15を駆動して電動スケートボードを走行させる推進処理ルーチンのフローチャートであり、ステップS51で制動スイッチSbがオフしており、ステップS52で推進スイッチSaがオンしているときに、ステップS53で発電機回転数センサSfの出力に基づいて搭乗者がキックペダル17を踏み込んだことが検出されると、ステップS54で初期値=0Aに設定されていた発電電流指令値を既に設定されている踏力モードに応じた電流値、すなわち踏力モード1が設定されている場合には10A、踏力モード2が設定されている場合には20A、踏力モード3が設定されている場合には30Aに設定する。
そしてキックペダル17の踏み込みにより発電機18が設定された発電電流指令値に対応する電流を出力すると、ステップS55で発電電流センサSeで検出した発電電流に発電機回転数センサSfで検出した発電機回転数を乗算して発電機18の発電電力を算出する。続くステップS56で発電電力に既に設定されているアシストモードに応じた係数、すなわちアシストモード1が設定されている場合には係数=0.8、アシストモード2が設定されている場合には係数=1.0、アシストモード3が設定されている場合には係数=2.0を乗算することで、電動機15の目標駆動電力を算出する。
このようにして電動機15の目標駆動電力が算出されると、ステップS57で電動機回転数センサSdが出力する電動機15の回転数を検出し、ステップS58で電動機15の目標駆動電力を電動機15の回転数で除算することで、電動機15の駆動電流を算出する。そしてステップS59で電動機回転数センサSdが出力する電動機15の回転数から算出した車速が規定の最高速未満であれば、ステップS60で電動機15の駆動電流を前記ステップS58で算出した算出値に設定するとともに、前記ステップS59で車速が規定の最高速以上であれば、ステップS61で電動機15の駆動電流を前回値に保持する。
発電機18は往復揺動するキックペダル17を踏み込んだときだけ発電し、キックペダル17を戻すときには発電しないため、キックペダル17を戻すときにも電動機15を継続的に駆動する必要がある。そこで前記ステップS53でキックペダル17の踏み込みがないときにも、前記ステップS61で電動機15の駆動電流を前回値に保持し、電動機15を継続的に駆動する。
また前記ステップS51で制動スイッチSbがオフし、かつ前記ステップS52で推進スイッチSaがオフしており、搭乗者が電動スケートボードを加速する意思がないと判断されたとき、ステップS62で電動機15の駆動電流を0Aに設定し、電動スケートボードが惰性を走行することを可能にする。そして、この状態で発電機回転数センサSfの出力に基づいて搭乗者がキックペダル17を踏み込んだことが検出されると、ステップ63で発電機18の発電電流指令値を既に設定されている踏力モードに応じた電流値に設定する。その結果、発電機18が発電した電力によりバッテリ19が充電される。
キックペダル17を戻すときには発電機18は発電しないにも関わらず、電動機15は基本的に継続的に駆動されるため、持ち出し電力が過剰になってバッテリ19の容量は次第に減少するが、電動スケートボードの惰性での走行中にキックペダル17を踏むことで、バッテリの充電を図ることができる。
また前記ステップS51で制動スイッチSbがオンして搭乗者が制動意思を持つと判断されると、ステップS65で電動機15による制動が実行される。具体的には、優先的に電動機15を回生制動して回生電力でバッテリ19を充電し、回生制動では制動力が不足する場合には、バッテリ19に蓄電された電力で電動機15に逆転方向のトルクを発生させて制動を行う。
以上のように、本実施の形態によれば、キックペダル17の踏み込みにより発電機18を駆動して発電し、その発電電力で電動機15を駆動して電動スケートボードを走行させる際に、電動機15の駆動に必要なキックペダル17の踏力の大小(踏力モード)を搭乗者が選択可能であるため、電動スケートボードの発進時や低速走行時であってもキックペダル17を大きな踏力で踏み込む必要がなくなり、非力な搭乗者であっても容易に走行を楽しむことができる。
上記作用を更に説明すると、図10(A)の電動機15の定出力ライン上のD点で電動機15を駆動するには、図10(B)の発電機18の定出力ライン上の任意の点で発電機18を駆動すれば良い。その場合、A点で発電機18を駆動しようとすると、キックペダル17の踏力は大きくなるがが、キックペダル17を踏む回数(踏む速度)は小さくて済む。またC点で発電機18を駆動しようとすると、キックペダル17の踏力は小さくて済むが、キックペダル17踏む回数(踏む速度)が大きくなる。またB点で発電機18を駆動しようとすると、キックペダル17の踏力および踏む回数(踏む速度)は、A点およびC点の中間になる。
本実施の形態によれば、推進スイッチSaで必要な踏力が異なるA点、B点、C点の何れを選択して発電機18を駆動しても、キックペダル17を踏む回数(踏む速度)を変えて同じ発電電力を得ることで、電動機15を所望のトルクおよび回転数(例えば、図10(A)の電動機15の定出力ライン上のD点)で駆動することが可能となり、利便性が大幅に向上する。
しかも、アシスト量選択手段(すなわちキックペダル17)でアシストモード1、アシストモード2、アシストモード3を選択することで、発電機18の発電電力よりも大きい駆動電力で電動機15を駆動したり、発電機18の発電電力よりも小さい駆動電力で電動機15を駆動したりできるため、非力な搭乗者でも一層小さい踏力で走行を楽しむことができ、また体力のある搭乗者は踏力をわざと大きくして脚力を鍛えることができる。
以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行うことが可能である。
例えば、本発明の電動車両は実施の形態の電動スケートボードに限定されず、電動アシスト自転車等の他種の電動車両であっても良い。電動車両が電動アシスト自転車である場合、その回転式のペダルが本発明の駆動力入力部材に相当する。
また実施の形態の電動スケートボードは2個の転舵輪および1個の駆動輪を備えているが、転舵輪および駆動輪の数は任意である。
また実施の形態では推進スイッチSaが踏力選択スイッチの機能を兼ねているが、推進スイッチSaとは別個に踏力選択スイッチを備えていても良い。
また実施の形態ではキックペダル17がアシスト量選択手段の機能を兼ねているが、アシスト量選択スイッチを別個に備えていても良い。
15 電動機
16 駆動輪
17 キックペダル(発電機駆動部材、アシスト量選択手段)
18 発電機
32 制御器(制御手段)
Sa 推進スイッチ(踏力選択手段)
16 駆動輪
17 キックペダル(発電機駆動部材、アシスト量選択手段)
18 発電機
32 制御器(制御手段)
Sa 推進スイッチ(踏力選択手段)
Claims (4)
- 搭乗者の踏力により駆動される発電機駆動部材(17)と、前記発電機駆動部材(17)に接続された発電機(18)と、駆動輪(16)に接続されて前記発電機(18)の発電電力で作動する電動機(15)と、前記発電機(18)および前記電動機(15)の作動を制御する制御手段(32)とを備える電動車両であって、
前記発電機駆動部材(17)を駆動するための踏力の大きさを選択する踏力選択手段(Sa)を備え、前記制御手段(32)は、前記踏力選択手段(Sa)で選択した踏力の大きさに相当する発電電流指令値で前記発電機(18)の発電を制御することを特徴とする電動車両。 - 前記電動機(15)による搭乗者の踏力のアシスト量を選択するアシスト量選択手段(17)を備え、前記制御手段(32)は、前記アシスト量選択手段(17)で選択した踏力のアシスト量に応じて前記電動機(15)の目標駆動電力を変更することを特徴とする、請求項1に記載の電動車両。
- 搭乗者の踏力により駆動される発電機駆動部材(17)で発電機(18)を作動させ、前記発電機(18)の発電電力で電動機(15)を作動させて駆動輪(16)を駆動する電動車両の制御方法であって、
踏力選択手段(Sa)で前記発電機駆動部材(17)を駆動するための踏力の大きさを選択し、選択された踏力の大きさに相当する発電電流指令値で前記発電機(18)の発電を制御することを特徴とする電動車両の制御方法。 - アシスト量選択手段(17)で前記電動機(15)による搭乗者の踏力のアシスト量を選択し、選択されたアシスト量に応じて前記電動機(15)の目標駆動電力を変更することを特徴とする、請求項3に記載の電動車両の制御方法。
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