JP4238979B2 - 電動車両 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、各種の駆動モータやセンサを搭載して構成される電動アシスト自転車、電動2輪車、電気自動車等の電動車両に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来より、例えば電動アシスト自転車において、制御系や駆動系を構成する各機能要素をモジュール化したものが提案されている(例えば、特許文献1〜4参照)。
これらの従来技術では、各機能要素のモジュール化によって、主に制御系や駆動系のシステムに柔軟性を持たせ、環境等の変化に適合できるようにしたものである。
【0003】
【特許文献1】
特開平11−89011号公報
【特許文献2】
特開2001−296905号公報
【特許文献3】
特開2001−306191号公報
【特許文献4】
特開2002−205683号公報
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した電動アシスト自転車において、高機能化が進むことにより、要求される制御が徐々に複雑化し、制御の中核となるコントローラ等として高級なマイクロプロセッサを搭載することが要求される傾向があり、装置の価格上昇を招いてしまう問題がある。
なお、このような問題は、電動アシスト自転車に限らず、電気自動車やスクータ等の電動2輪車等においても同様に生じするものである。
【0005】
そこで本発明の目的は、高級なマイクロプロセッサを用いることなく、高機能化を実現でき、全体として低廉化を図ることが可能な電動車両を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記目的を達成するため、それぞれ特定の機能を搭載した複数の機能モジュールと、前記複数の機能モジュールを接続するシリアルインタフェースと、前記複数の機能モジュールに電力供給を行う電源モジュールとを有し、前記複数の機能モジュール毎に制御回路と不揮発性メモリを設け、各機能モジュールの不揮発性メモリに格納した固有情報に基づいて各機能モジュールの制御回路が所定の機能動作を実行するようにし、前記機能モジュールには、車両走行のための駆動源となる駆動モータを含む少なくとも1つのモータモジュールと、車両の走行状態を検出するセンサを含む少なくとも1つのセンサモジュールと、車両の走行全体を制御するホストコントローラを含む少なくとも1つのコアモジュールとを含み、前記電源モジュールの電力はコアモジュールの電源回路を通して前記モータモジュール、及びセンサモジュールに供給されることを特徴とする。
【0007】
本発明の電動車両では、それぞれ特定の機能を搭載した複数の機能モジュール毎に制御回路と不揮発性メモリを設け、各機能モジュールの不揮発性メモリに格納した固有情報に基づいて各機能モジュールの制御回路が所定の機能動作を実行するようにしたことから、システム全体の処理負担を各機能モジュールの制御回路に分散することが可能となる。
したがって、システム全体の処理負担が特定の機能モジュールに集中することがなくなるため、システム全体の機能が複雑化し、高度化した場合でも、極端に複雑で高速な処理を行う必要がないので、高級なマイクロプロセッサを用いることなく、高機能化を実現でき、全体として低廉化を図ることが可能となる。
【0008】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による電動アシスト自転車及びその制御方法の実施の形態例について説明する。
図1は本発明の参考例による電動アシスト自転車の外観を示す側面図である。
本例の電動アシスト自転車は、折り畳み構造のものであり、メインパイプ1と、前輪部2を支持したフロントフォーク8と、後輪部3を支持したリヤフォーク9と、シート5を支持したシートポスト10と、ハンドル6を支持したスピンドル11と、スピンドル11を挿通支持したヘッドパイプ12と、ペダル部13と、電池ユニット14等を有している。
【0009】
そして、図1では図示を省略しているが、本例の電動アシスト自転車の各部には本例の制御を行うための以下のような各種部材が設けられている。
まず、メインパイプ1には、本例の電動アシスト自転車の状態を管理し、各種の制御を行うためのビークルコントローラが設けられている。また、メインパイプ1の折り畳み構造部には、折り畳みスイッチが設けられており、車体が折り畳まれたことを検出することによって折り畳み時にはモータ等の駆動を禁止し、安全を確保するようになっている。
また、ペダル部13には、ペダルクランク13Aの周辺にトルクセンサ、クランク周波数発生器(FG)が設けられ、ペダルクランク13Aに発生するトルクの検出や回転数の検出を行うようになっている。
【0010】
また、ハンドル6には、LCD等による表示部、キー入力用の操作部、及びそれらを制御する表示部コントローラを有する表示部ユニット40が設けられ、ユーザに各種表示を提供するとともに、キー入力による各種モード設定や選択等を行えるようになっている。
また、ヘッドパイプ12には電池ユニット14の電源オン、オフを切り替えるキースイッチが設けられている。
また、前輪部2には、アシスト駆動用のモータと、このモータの駆動を制御するモータドライバと、このモータドライバを制御するモータコントローラが設けられている。
また、後輪部3には、自動変速ユニットが設けられている。
【0011】
図2は図1に示す電動アシスト自転車の制御系を示すブロック図である。
図示のように、本例の電動アシスト自転車は、ビークルコントローラユニット30、表示部ユニット40、モータユニット50、電池ユニット14の主要な4つのユニットを有している。
ビークルコントローラユニット30は、後述する各種制御を行うビークルコントローラ31と、ユーザが電源のオン・オフを行うキースイッチ32と、自転車が折り畳まれたことを検出する折り畳みスイッチ33と、自動変速を行う自動変速ユニット34と、ペダル部13で生じるトルクを検出するトルクセンサ35と、ペダル部13の回転数を検出するクランクFG36とを有する。
【0012】
また、表示部ユニット40は、LCD等の表示部41と、各種操作キーよりなる操作スイッチ42と、これらの制御を行う表示部コントローラ43とを有する。
また、モータユニット50は、前輪部2のアシスト駆動を行うモータ51と、このモータ51の駆動を制御するモータドライバ52と、このモータドライバ52を制御するモータコントローラ53とを有する。
また、電池ユニット14は、2次電池や大容量コンデンサ等による充電池部と、この充電池部の充放電を制御する電源コントローラとを有する。
【0013】
ビークルコントローラ31では、トルクセンサ35によりペダル部13からの踏力を検出して、それに応じたアシスト力をモータユニット50にシリアル通信ラインによって送出する。また、表示部ユニット40の操作スイッチ42からの入力によって、自転車のモードをさまざまに変えることが可能である。また、自転車の速度や電池の残量などのさまざまな情報を表示部41に表示することができる。
【0014】
図3は図2に示すビークルコントローラの構成例を示すブロック図である。
図示のように、このビークルコントローラ31は、マイコン311、RS232Cドライバ312、振動センサ313、XY2軸加速度センサ(加速度検出手段)314、アンプ315、モータドライバ316、2相カウンタ317、発振器318、RS422ドライバ319、DC/DCコンバータ320、EEPROM321、リセット回路322等を有している。
マイコン311は、例えば16ビットのMPUであり、全体の制御を行うものである。特に本例では傾斜角度やトルク量等の算出を行う算出手段として機能する。
RS232Cドライバ312は、RS232Cインタフェースを介して表示コントローラ40とマイコン311との間での各種データやコマンドのやりとりを制御するものである。
【0015】
振動センサ313は、本例の自転車に加わる振動を検出するものであり、検出信号をマイコン311に出力する。
XY2軸加速度センサ314は、自転車のX軸方向(前後方向)とY軸方向(左右方向)の加速度を検出するものであり、本例では、このXY2軸加速度センサ314によって検出した加速度に基づいて、自転車の前後方向と左右方向の傾斜を算出するものである。
このXY2軸加速度センサ314としては、例えばX軸方向及びY軸方向に弾性的に変位可能に支持された可動体の変位を静電容量の変化によって検出する静電検出型のものを用いることができるが、これに限定されるものではなく、種々の方式を用いることができ、基本的には市販されているものでよい。
また、振動センサ313についても、上述した加速度センサと同様の方式のものを用いることが可能であるが、その他にも種々の方式を用いることができ、例えば可動体の変位を光学的に検出するような方式のものなどであってもよい。
【0016】
アンプ315には、自動変速ユニット34に設けられた位置検出用のポテンショメータからの検出信号が入力され、この検出信号を増幅してマイコン311に出力する。この信号は、マイコン311内のA/Dコンバータによって読み取られ、自動変速ユニット34の位置が判定され、その判定結果に応じて変速制御信号が生成される。モータドライバ316は、このマイコン311からの変速制御信号に基づいて自動変速ユニット34のアクチュエータを駆動制御し、変速動作を行う。
2相カウンタ317は、トルクセンサ35からの検出信号をカウントし、そのカウント値をマイコン311に供給するものである。これにより、ペダルの踏力が検出される。また、マイコン311からトルクセンサ35へは、温度補償動作等の命令を送ることもできる。
発振器318は、マイコン311にクロックを供給するものである。
RS422ドライバ319は、マイコン311とモータコントローラ53との間のRS422インタフェースを制御するものである。
DC/DCコンバータ320は、電池ユニット14からの電源電圧をDC/DC変換して所定の電圧に変換し、マイコン311に供給するものである。
EEPROM321は、例えば走行距離等のデータや各種の設定データを記憶する不揮発性メモリであり、リセット回路322は、電源投入時のマイコン311の初期化を行うものである。
【0017】
なお、表示部ユニット40とビークルコントローラユニット30との間のRS232Cインタフェースによる通信速度は、38.8kbps程度である。そして、信号ラインは電源とグランドを入れて4本である。
ビークルコントローラユニット30とモータユニット50との間のRS232Cインタフェースとその他の信号で繋がれており、やはり通信速度は38.8kbps程度である。また、信号ラインは電源とグランドその他を入れて10本程度となっている。
【0018】
また、図2では省略しているが、表示部ユニット40とモータユニット50にもビークルコントローラユニット30と同様のマイコンと不揮発性メモリ(EEPROM)が設けられている。
そして、各ユニット30、40、50の不揮発性メモリには、それぞれに固有の情報(パラメータ)が格納されており、ホストとなるユニット(例えば表示部ユニット)のマイコンが各ユニットの固有情報を読み取り、最適なソフトウエアを選択して実行するとともに、その処理の一部を3つのユニットのマイコンで分担して実行するような構成となっている。
【0019】
また、本例において、電池ユニット14は、ビークルコントローラユニット30とモータユニット50に並列に接続されており、表示部ユニット40へはビークルコントローラユニット30を通して電力供給されるようになっている。
そして、ビークルコントローラユニット30とモータユニット50は、互いに調停処理を行なうことにより、いずれか一方が選択的に電池ユニット14にアクセスし、電力供給を受けるようになっている。
【0020】
図4は、このような調停処理の動作例を示すタイミングチャートである。
本例は、電池ユニット14においてSMBus(System Management Bus )プロトコルを使用している。SMBusプロトコルでは複数のユニットによって共通のバスを利用する際のマルチバスマスタ処理が定義されており、この規定に基づいて、ビークルコントローラユニット30とモータユニット50との間で調停を行ない、電池ユニット14による電力を利用する。
すなわち、図4において、SMBCLKに同期して制御用のSMBDATと、調停用のDATA1、DATA2のパルスのオン・オフを選択的に切り替え、アクセスを許可するユニットを選択する。
このような動作により、共通の電池ユニット14を複数のユニット30、50間で効率的に利用することが可能となる。
なお、電池ユニット14自体にもマイコンと不揮発性メモリ(EEPROM)が設けられており、固有の動作を実行できる構成となっている。
【0021】
このように本例では、前輪部2に設けられるモータユニット50と、ハンドル6に設けられる表示部ユニット40と、ペダル部13に設けられるビークルコントローラユニット30をその配置場所に応じてモジュール化し、シリアルインタフェースで接続したことから、それぞれのユニットにおけるハーネス配線が短縮でき、各ユニット間はシリアルインタフェースで接続できるため、配線が極めて容易となる。
また、各モジュール毎にマイコンと不揮発性メモリ(EEPROM)を設け、それぞれの動作を分散して行なうことから、煩雑な処理を1個所に集中せずに分散できるため、高級なマイコンを用いることなく、廉価なマイコンで構成でき、高機能化に対してコストパフォーマンスの向上を図ることが可能となる。
また、電池ユニット14を調停機能によって複数のユニットで共用でき、1つの電源から効率の良い電力供給を行なうことが可能となる。
【0022】
次に、本発明の第1の実施の形態例について説明する。
図5は本発明の第1の実施の形態例による電動アシスト自転車をモジュール化した構成例を概念的に示すブロック図である。なお、上述した参考例と共通する一部の構成については同一の符号を用いて説明する。
図示のように、本例では図2及び図3に示した各機能要素をモータモジュール110と、センサモジュール120と、コアモジュール130にモジュール化し、各モジュール110、120、130をUSBのシリアルインタフェース140によって接続したものである。
上述した参考例では、RS232Cインタフェースによって各ユニットを1対1で接続しているが、本例では、USBインタフェースを用いて1対複数の接続構造を採用したものである。
また、電池ユニット14は、各モジュール110、120、130と分離して設けられ、コアモジュール130から電源ライン141を通して他の2つのモジュール110、120に電力供給を行なうようになっている。
【0023】
モータモジュール110は、図2に示すモータユニット50に対応しており、上述したモータ51、モータドライバ52、モータコントローラ53が含まれており、さらに、このモータモジュール110の制御を行なうマイコン111と、固有情報を格納する不揮発性メモリであるEEPROM112と、モータの温度管理を行なうための温度センサ113と、USBインタフェース140との接続を制御するUSBデバイスコントローラ114が設けられている。
センサモジュール120は、図2に示すビークルコントローラユニット30に対応しており、上述した自動変速機34、トルクセンサ35、クランクFG36が含まれており、さらに、このセンサモジュール120の制御を行なうマイコン121と、固有情報を格納する不揮発性メモリであるEEPROM122と、モータの制御を行なうための各種スイッチ123と、USBインタフェース140との接続を制御するUSBデバイスコントローラ124が設けられている。
【0024】
コアモジュール(ホストモジュール)130は、図2に示す表示部ユニット40に対応しており、上述した表示部ユニット40の表示部41、操作部42が含まれており、さらに、このコアモジュール130の制御を行なうマイコン131と、固有情報を格納する不揮発性メモリであるEEPROM132と、この電動アシスト自転車における各種の状態を管理するための各種センサ133と、USBインタフェース140との接続を制御するUSBデバイスコントローラ134と、電池ユニット14からの電力を分配する電源コントローラ135と、フロントライト等の各種ライト136が設けられている。
また、電池ユニット14にも、同様にマイコン及びEEPROMが設けられ、電池ユニット14に固有の動作を行なえるようになっている。
なお、各モジュール間はUSBのデータ線が2本と電源とグランドで最小4本のみで構成することが可能である。
【0025】
このように本例では、前輪部2に設けられるモータモジュール110と、ハンドル6に設けられるコアモジュール130と、ペダル部13に設けられるセンサモジュール120をその配置場所に応じてモジュール化し、シリアルインタフェースで接続したことから、それぞれのユニットにおけるハーネス配線が短縮でき、各ユニット間はシリアルインタフェースで接続できるため、配線が極めて容易となる。
また、各モジュール毎にマイコンと不揮発性メモリ(EEPROM)を設け、上述した参考例と同様にして、それぞれの動作を分散して行なうことから、煩雑な処理を1個所に集中せずに分散できるため、高級なマイコンを用いることなく、廉価なマイコンで構成でき、高機能化に対してコストパフォーマンスの向上を図ることが可能となる。
【0026】
次に、上述した各ユニット(モジュール)の不揮発性メモリに格納する固有情報の具体例について説明する。
図6は固有情報の一例を示す説明図である。まず、コア(表示)モジュールのメモリには、入力キー数、出力LED数、出力スピーカ及びブザー数、表示LCDサイズ、USBによるデバイススクリプタ(仕様情報)、ファームウエアバージョン等の各情報が格納されている。
また、センサモジュールのメモリには、センサの種類と数、データの形式、出力デバイスの種類と数、トータル使用時間、変速ギアの段数、変速ポジション、キャリブレーション情報等の各情報が格納されている。
さらに、モータモジュールのメモリには、タイヤ数、モータトルク定数、モータDC抵抗、モータマグネット極数、最大力行電流、最大回生電流、最大目標トルク、最大トルク変化量、最大電流変化量等の情報が格納されている。
システムの起動時に、これらの情報をホストとなるモジュールのマイコンが読み取って、適切なソフトウエアを選択して走らせ、各モジュールのマイコンで処理を分散して実行する。
【0027】
例えば電源投入・リセット解除後、ホストモジュールがバストポロジーを調べ、それぞれのデバイスにアドレスを設定する。そして、各デバイスのデバイススクリプタを取得し、3モジュール構成で前輪駆動の自転車であることを知る。そして、ホストモジュールから各モジュールの不揮発性メモリに格納されている固有情報を読み出し、ホストモジュール内のアプリケーションで使うパラメータを初期化する。
そして、アイソクロナス転送をスタートし、通常処理を開始する。
ここでアイソクロナス転送で各モジュール間で通信される情報例としては、以下のようなものが挙げられる。
まず、コアモジュールからモータモジュールには、目標トルクや目標電流が含まれる。また、センサモジュールからコアモジュールには、トルクセンサ値、加速度センサ値、現在の変速ギア値等が含まれる。さらに、コアモジュールからセンサモジュールには、目標変速ギア値が含まれる。
【0028】
次に、上述したビークルコントローラユニットとモータユニットとの間のソフトウエア上のやりとりの具体例について説明する。
まず、起動時にビークルコントローラユニットはモータユニットからトルク定数を取得する。また、通常動作時に、ビークルコントローラユニットはペダル踏力をトルクセンサから取得する。
そして、アシスト比1対1の場合は、目標トルク=ペダル踏力なので次式から目標電流計算を行なう。
目標電流 = 目標トルク / トルク定数
そして、この計算で求めた目標電流をモータコントローラに送信し、モータコントローラは電流フィードバックにより、モータの電流を制御する。
【0029】
次に、本例の拡張例について説明する。
上述した例では、本発明を電動アシスト自転車について説明したが、上述したモジュール構成をそのまま電気自動車や電動2輪車等の電動車両に用いることが可能である。すなわち、電動車両では、駆動源が電動モータであるので、全体のシステム構成や馬力等の差異(例えば、4輪駆動車と2輪駆動車では、モータモジュールの数が異なる)はあっても、個々の機能要素としては、上述した例と同様に、基本的にはセンサモジュール、表示モジュール、モータモジュールによって構成することが可能である。
そこで、上述したモジュール構成をそのまま自転車以外の車両に適用することができる。
また、図5に示すようなコアモジュールとその他のモジュールを1対多で並列に接続する構成では、センサモジュールやモータモジュールを車両の駆動方式等に合わせて増減することも容易に行なえる。そこで、適用する車両に応じてモジュールの数を増減し、各モジュール毎に適切な固有情報を選択し、さらにシステムのソフトウエアを適切に選択することで、本発明を容易に電動自動車や電動2輪車に適用できる。
【0030】
図7はこのようなシステム構成例を示すブロック図である。
まず、図7(A)はモータモジュールが1つの前輪駆動式または後輪駆動式の2輪車の例である。
また、図7(B)はモータモジュールが2つの2輪駆動式の4輪車の例であり、図7(C)はモータモジュールが4つの全輪駆動式の4輪車の例である。
このようなシステムにより、モータモジュールとしては同じものが使え、コアモジュールのアプリケーションソフトのみを変更することで、それぞれのビークルが動作できる。もちろん、さらに多数のモータモジュールやセンサモジュールを有する構成も可能である。
また、同じ前輪駆動の自転車でも、高出力のモータに変更する場合などは、モータモジュールの不揮発性メモリの内のトルク定数等のパラメータを変えることで、他のモジュールは全く変更なしにモータ変更が可能である。
【0031】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の電動車両によれば、それぞれ特定の機能を搭載した複数の機能モジュール毎に制御回路と不揮発性メモリを設け、各機能モジュールの不揮発性メモリに格納した固有情報に基づいて各機能モジュールの制御回路が所定の機能動作を実行するようにしたことから、システム全体の処理負担を各機能モジュールの制御回路に分散することが可能となる。
したがって、システム全体の処理負担が特定の機能モジュールに集中することがなくなるため、システム全体の機能が複雑化し、高度化した場合でも、極端に複雑で高速な処理を行う必要がないので、高級なマイクロプロセッサを用いることなく、高機能化を実現でき、全体として低廉化を図ることができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の参考例における電動アシスト自転車の外観を示す側面図である。
【図2】 図1に示す電動アシスト自転車の制御系の構成例を示すブロック図である。
【図3】 図2に示す制御系に設けられるビークルコントローラの構成例を示すブロック図である。
【図4】 図2に示す制御系の電池ユニット使用時における調停処理の動作例を示すタイミングチャートである。
【図5】 本発明の第1の実施の形態例による電動アシスト自転車の制御系の構成例を示すブロック図である。
【図6】 参考例および本発明の第1の実施の形態例による電動アシスト自転車の各モジュールで記憶した固有情報の具体例を示す説明図である。
【図7】 本発明の実施の形態例による電動車両のシステム拡張例を示すブロック図である。
【符号の説明】
1……メインパイプ、2……前輪部、3……後輪部、5……シート、6……ハンドル、8……フロントフォーク、9……リヤフォーク、10……シートポスト、11……スピンドル、12……ヘッドパイプ、13……ペダル部、14……電池ユニット、30……ビークルコントローラユニット、31……ビークルコントローラ、32……キースイッチ、33……折り畳みスイッチ、34……自動変速ユニット、35……トルクセンサ、36……クランクFG、40……表示部ユニット、41……表示部、42……操作スイッチ、43……表示部コントローラ、50……モータユニット、51……モータ、52……モータドライバ、53……モータコントローラ。
Claims (8)
- それぞれ特定の機能を搭載した複数の機能モジュールと、
前記複数の機能モジュールを接続するシリアルインタフェースと、
前記複数の機能モジュールに電力供給を行う電源モジュールとを有し、
前記複数の機能モジュール毎に制御回路と不揮発性メモリを設け、各機能モジュールの不揮発性メモリに格納した固有情報に基づいて各機能モジュールの制御回路が所定の機能動作を実行するようにし、
前記機能モジュールには、車両走行のための駆動源となる駆動モータを含む少なくとも1つのモータモジュールと、車両の走行状態を検出するセンサを含む少なくとも1つのセンサモジュールと、車両の走行全体を制御するホストコントローラを含む少なくとも1つのコアモジュールとを含み、
前記電源モジュールの電力はコアモジュールの電源回路を通して前記モータモジュール、及びセンサモジュールに供給される、
ことを特徴とする電動車両。 - 前記センサモジュールは、車両の走行状態を検出するセンサを含むことを特徴とする請求項1記載の電動車両。
- 前記モータモジュール、及びセンサモジュールは、それぞれインタフェースデバイスコントローラを有し、各インタフェースデバイスコントローラが前記コアモジュールに設けられたインタフェースホストコントローラに並列に接続されていることを特徴とする請求項1記載の電動車両。
- 前記電源モジュールはコアモジュール、モータモジュール、及びセンサモジュールに並列に接続され、各モジュール間で調停を行い、前記電源モジュールにアクセスして電力供給を受けるようにしたことを特徴とする請求項1記載の電動車両。
- 前記コアモジュールは表示部及び操作部を含むユニットであることを特徴とする請求項1記載の電動車両。
- 前記駆動モータによってアシスト駆動を行う電動アシスト自転車であることを特徴とする請求項2記載の電動車両。
- 前記駆動モータによって4輪車の走行を行う電気自動車であることを特徴とする請求項1記載の電動車両。
- 前記駆動モータによって2輪車の走行を行う自動2輪車であることを特徴とする請求項1記載の電動車両。
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