JP4623864B2 - 電動アシスト自転車 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、人力駆動系を電動駆動系で補助する電動アシスト自転車に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来の電動アシスト自転車として、ペダルを踏む人の踏力により駆動される人力駆動系と、バッテリを電源とするモータにより駆動される電動駆動系とを並列に設け、踏力による人力トルクとモータトルクを検出し、踏力による人力トルクとモータトルクとのアシスト比率が1対1になる快走モードと、このアシスト比率を小さくした(例えば人力トルク1に対してモータトルクを0.4とする)省エネオートモードとを手動スイッチで切り替えるものが知られている。
【0003】
このアシスト自転車は、坂道等モータにより比較的大きな補助が必要な場合に手動スイッチで快走モードに切り替えることで、人力トルクを軽減して快適に走行でき、平地等モータによる補助が比較的小さくても走行できる場合に手動スイッチで省エネオートモードに切り替えることで、電動駆動系で補助して走行可能な距離を伸ばすことができる。
【0004】
しかしながら、運転者が走行路の状況に応じてその都度スイッチを切り替える必要があるため、面倒であり使い勝手が悪いものであった。
【0005】
また、アシスト比率が走行速度に関係なく一定のため、低速で走行している場合にはモータによる補助が不足して快適に走行できず、高速で走行している場合にはモータによる補助が過剰となり、電力の消費が大きくなっていた。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、使い勝手を損なうことなく、快適に、且つ、モータ補助が可能な走行距離を長くすることができる電動アシスト自転車を提供することを課題とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための手段は、人力により駆動される人力駆動系と電動駆動系を並列に設け、人力駆動系の負荷に応じて電動駆動系の出力を制御する電動アシスト自転車において、前記電動駆動系の出力増加時における電動駆動系出力の応答速度と、出力減少時における電動駆動系出力の応答速度とをそれぞれ制御可能な制御手段を設け、前記制御手段は、前記出力増加時の応答速度を減少時の応答速度より遅くする省エネ運転と、所定の条件で前記増加時の応答速度と減少時の応答速度とをほぼ同じとする快走運転とを切り替える省エネオートモードでの制御が可能とすると共に、前記負荷が第1の所定負荷以下の場合に前記省エネ運転で制御を行い、前記第1の所定負荷を越えた場合に前記省エネ運転から快走運転へ切り替えるものである。
【0008】
上記構成において、前記電動駆動系の出力増加時における電動駆動系出力の応答速度を、出力減少時における電動駆動系出力の応答速度より遅くしたものである。
【0011】
また、前記制御手段は、第2の所定負荷以下になった際に前記快走運転から省エネ運転へ切り替えられるものである。
【0012】
また、前記制御手段は、前記負荷が第2の所定負荷以下である状態が所定時間継続した際に前記快走運転から省エネ運転へ切り替えるものである。
【0013】
そして、前記第2の所定負荷を第1の所定負荷より小さくすることが望ましい。
【0014】
また、前記制御手段は、前記快走運転から省エネ運転へ切り替えた際に、前記電動駆動系の出力増加時の応答速度を、前記快走運転での応答速度から徐々に遅らせて前記省エネ運転での応答速度へ切り替えるものである。
【0015】
また、前記電動駆動系の出力増加時の応答速度と減少時の応答速度とを常時ほぼ同じとする快走快走モードを設け、該快走モードと前記省エネオートモードとを切り替える手段を設けたものである。
【0016】
【発明の実施の形態】
図1乃至図5に本発明の実施の形態の電動アシスト自転車を示し、以下、これらの図に基づき説明する。
【0017】
図1は後輪駆動タイプの電気アシスト自転車の全体図である。
【0018】
電気自転車本体1のフレーム2には前輪3、後輪4、ハンドル5及びサドル6が取付けてあり、前輪3はハンドル5によって操舵されるようになっている。
【0019】
7は人力駆動系としての人力駆動部で、ペダル8及びチェーン9を備えており、使用者がペダル8を踏むことで、チェーン9を介して後輪4を回転させる。この例ではチェーン9を人力の伝達部材としたが、これに限らずチェーン9の代わりにベルト、回転軸等によるものでも構わない。
【0020】
後輪4の回転軸の部分には電動駆動系としての電動駆動部10が設けられている。この電動駆動部10には後述するモータ19が内蔵されており、電動駆動が必要なときにモータ19を駆動して人力駆動部7と共に後輪4を回転させる。
【0021】
前輪3の操舵をするハンドル5の左右両端にはブレーキレバ11がそれぞれ取付けており、前輪3及び後輪4のブレーキ装置12、13とワイヤ14、15によってそれぞれ連結されている。このワイヤ14、15の途中には図示しないブレーキスイッチが設けてあり、ブレーキレバ11を操作したときにモータ19への通電が停止する機構になっている。
【0022】
ハンドル5の前方にはかご16が設けられており、このかご16の下にモータ19の電源となるバッテリ部17が着脱自在に取付けている。このバッテリ部17の電源電圧は略24ボルトである。尚、バッテリ部17はフレーム2の他の場所に設けてもよい。
【0023】
次に、電動駆動部10の制御装置18の構成を図2に基づいて説明する。
【0024】
制御装置18は制御回路30とモータ19と電源としてのバッテリ部17で構成されており、バッテリ部17は降圧回路20を介してマイコン21に給電すると共にモータ駆動回路22にも給電する。
【0025】
23は電動駆動部10内に内蔵された人力トルクセンサで、人力駆動部7の負荷としての踏力による人力トルクTcを検出し、マイコン21に出力する。
【0026】
24はモータ19のトルクTmを検出するモータトルクセンサで、検出されたモータトルクTmがマイコン21に出力される。
【0027】
前記マイコン21は人力トルクセンサ23からの出力とモータトルクセンサ24からの出力に基づいてモータ駆動回路22を制御する。モータ駆動回路22はパルス変調(PWM)によりモータ19へ供給する駆動電流を制御する。
【0028】
モータ19はDCブラシレスモータを使用しており、ホールIC25によりモータ19の回転位置が逐次マイコン21に出力され、その信号を基に通電が切り替えられて駆動するようになっている。
【0029】
上記電動アシスト自転車1はアシスト比率が1対1の快走モードでの制御と、以下に説明する図3のフローチャートに基づく省エネオートモードでの制御とが図示しないモード切替スイッチにて切り替えられる。
【0030】
ここで、前記省エネオートモードはモータ19の出力増加時の応答速度を遅くしてモータトルクTmが人力トルクTcに遅れて追従する省エネ運転と、モータ出力の増加時の応答速度も速くしてモータトルクTmが人力トルクTcに速く追従する快走運転から構成されている。
【0031】
次に、図3のフローチャートに基づいて省エネオートモードの動作を説明する。
【0032】
ステップS1において、応答速度を変化させる係数としての応答速度調整値aに省エネ運転時の初期値a1(ここではa1=0.2)を代入する。ステップS2において人力トルクセンサ23により人力トルクTcを検出し、ステップS3においてモータトルクセンサ24によりモータトルクTmを検出する。
【0033】
ステップS4において人力トルクTcが第1の所定トルクT1より大きいかどうかを判断し、大きい場合にはステップS5において応答速度調整値aに快走運転時の最大値a2(ここではa2=1.0)を代入してステップS6に移行し、T1以下の場合には応答速度調整値aはそのままの状態でステップS6に移行する。
【0034】
ステップS6において人力トルクTcが第2の所定トルクT2より小さいかどうかが判断され、T2より小さい場合にはステップS7でマイコン21のタイマーのカウントが開始され、T2以上であればタイマーを初期化して後述するステップS12に移行する。
【0035】
ステップS9においてタイマーの時間が所定時間t1経過したかどうか、即ち、人力トルクTcが第2の所定トルクT2より小さい状態が所定時間t1続いたかどうかが判断され、所定時間t1経過している場合にはステップS10に移行し、経過していない場合にはステップS12に移行する。
【0036】
ステップS10において応答速度調整値aが初期値a1以下かどうかが判断され、初期値a1より大きい場合には、ステップS11において新たな応答速度調整値aに現在の応答速度調整値aから所定値a3(ここでは0.1)を引いた値が代入される。
【0037】
また、初期値a1以下の場合には、応答速度調整値aの値は変更されずにステップS12に移行する。これにより、応答速度調整値aが初期値a1より小さくならないようにしている。
【0038】
ステップS12においてモータトルクTmが人力トルクTcより小さいかどうか、即ち、モータ19の出力が増加中かどうかが判断される。小さい場合、ステップS13に示す式でパルス変調制御における新たなデューティが決定され、応答速度調整値aに応じた応答速度でモータトルクTmが人力トルクTcに追従するようにモータへの出力が増加され、ステップS2に戻る。ここで、Kは定数である。
【0039】
この際、詳述すれば、応答速度調整値aが大きいほど新たなデューティが速く大きくなって応答速度が速くなり、モータトルクTmが人力トルクTcに速く追従し、小さいほど新たなデューティがゆっくり増加して応答速度が遅くなり、モータトルクTmが人力トルクTcに遅れて追従する。
【0040】
モータトルクTmが人力トルクTc以上の場合には、ステップS14に示す式によりパルス変調制御における新たなデューティが決定され、速い応答速度で人力トルクTcに速く追従するように制御されてステップS2に戻る。
【0041】
図4は省エネオートモードで走行中の人力トルクTcとモータトルクTmとの関係の一例を示すものである。
【0042】
OA間は人力トルクTcの最大値X1が第1の所定トルクT1以下で走行されている。この間、応答速度調整値aは初期値a1に設定され(ステップS1)、省エネ運転が行われる。この運転中、モータ19の出力増加時の応答速度が遅く、人力トルクTcに対して遅れてモータトルクTmが上昇し、モータトルクTmが人力トルクTcより大きくなった(図中のY)後は、モータトルクTmはステップS14に示す式により応答速度が速くなり、人力トルクTcに速く追従して減少する。この結果モータトルクTmの最大値Yが小さくなり、見かけ上のアシスト比率が減少する。これにより、モータ19による消費電力を抑えて、モータ19で補助して走行可能な距離を長くすることができる。
【0043】
AB間は周期的に変化する人力トルクTcの最大値X2が第1の所定トルクT1以上である区間で、人力トルクTcが第1の所定トルクT1を越える図中のAにおいて、応答速度調整値aに最大値a2の値が代入されて(ステップS5)快走運転に切り替わる。快走運転に切り替わると、速い応答速度でモータ19の出力上昇時でもモータトルクTmが人力トルクTcに速く追従するようになり、アシスト比率が大きく(ほぼ1対1)になる。
【0044】
これにより、省エネオートモードで走行中に坂道等の大きな補助が必要な箇所にさしかかっても、自動的にモータ19によるアシスト比率が大きくなり、人力トルクTcを軽減して快適に走行できる。
【0045】
また、この区間において、周期的に変化する人力トルクTcが第2の所定トルクT2よりも小さくなってタイマーのカウントが開始(ステップS7)されても所定時間t1時間以内に第2の所定トルク以上T2になってタイマーがクリア(ステップS8)される。これにより、快走運転で走行中に、人力トルクTcが周期的な変化により一時的に第2の所定トルクT2以下になった際に省エネ運転に切り替わるのを防止でき、快適運転と省エネ運転が短時間で繰り返されることなく、快適に走行できる。
【0046】
快走運転から省エネ運転へ切り替える基準となる第2の所定トルクT2を、省エネ運転から快走運転へ切り替える第1の所定トルクT1より小さい値に設定したことで、人力トルクT1の最大値が第1の所定トルクT1付近でばらついた際に、省エネ運転と快走運転とが短時間の内に繰り返し切り替えられるのを防止でき、快適に走行できる。
【0047】
BD間は人力トルクTcの最大値X3が再び第2の所定トルクT2より小さくなった区間で、人力トルクが第2の所定トルクT2以下となったBから所定時間t1この状態が維持された点(図中のC)で省エネ運転へ再び切り替えられる。そして、応答速度調整値aは快走運転時の最大値a2から省エネ運転時の初期値a1まで徐々に小さくされ(ステップS11)、省エネ運転時の初期値a1に達した後は初期値a1となる。
【0048】
このように、快走運転から省エネ運転への切り替えの際に応答速度を、快走運転時の応答速度から省エネ運転時の応答速度へすぐに切り替えるのではなく、徐々に小さくして切り替えるようにしたので、モータトルクTmが急に減少して乗り心地が損なわれるのを防止できる。
【0049】
また、省エネ運転において走行速度が図4のOA間より遅い(人力トルクTcの周期が長い)場合には図5に示すように人力トルクTcの最大値Xが同一であってもモータトルクTmの最大値は大きく(Y2>Y1)なり、見かけ上のアシスト比率が大きくなる。
【0050】
これにより、同一トルクでも速度の遅い場合に見かけ上のアシスト比率を大きくして快適に走行でき、低速の場合に比べてモータ19による補助を必要としない高速の場合にアシスト比率を小さくして消費電力を小さくできる。
【0051】
尚、上記実施の形態では、人力トルクTcを検出し、この人力トルクTcに応じてモータトルクTmを制御したが、ペダルを踏む踏力を検出し、この踏力に応じてモータトルクTmを制御してもよい。また、人力トルクTcや踏力等の人力による負荷を検出する代わりに、人力駆動部7による仕事率(人力トルクとペダルの回転数の積等)を検出し、この仕事率に基づいてモータトルクTmを制御するようにしてもよい。
【0052】
【発明の効果】
本発明の請求項1によれば、電動駆動系の出力増加時の応答速度と減少時の応答速度をそれぞれ変更可能とすることで、見かけのアシスト比率を変更して走行状況に適した電動駆動系の出力で人力駆動系を補助することができる。また、電動駆動系の出力増加時の応答速度を変えることで、省エネ運転と快走運転を自動的に切り替えることができ、電動駆動系の補助が大きい快適モードにより快適に走行できると共に、電動駆動系の補助が比較的少なくてもいい場合には省エネ運転を行い、電力の消費を抑えて電動駆動系で補助して走行可能な距離を伸ばすことができる。人力駆動系の負荷が第1の所定負荷より大きくなった場合に省エネ運転から快走運転に自動的に切り替えられるので、省エネオートモードで走行中に坂道等の電動駆動系で比較的大きな補助が必要な場所を走行した場合でも、快適に走行できる。
【0053】
本発明の請求項2によれば、電動駆動系の出力増加時の応答速度を遅らすことで、見かけのアシスト比率を小さくして電力の消費を抑えることができる。更に、低速で走行中の場合には見かけのアシスト比率が自動的に大きくなり、高速で走行中には見かけのアシスト比率が自動的に小さくなるので、電力の消費を抑えて快適に走行できる。
【0056】
本発明の請求項3によれば、省エネモードで走行中に、人力駆動系の負荷が第2の所定負荷より小さくなると、自動的に快走運転から省エネ運転に切り替わるので、無駄な電力の消費を抑えて電動駆動系で補助して走行可能な距離を伸ばすことができる。
【0057】
本発明の請求項4によれば、省エネモード走行中に、周期的に変動する人力駆動系の負荷が一時的に第2の所定負荷を下回っても快走運転が維持されるので、短時間の間に快走運転と省エネ運転が繰り返し切り替えられるのを防止でき、快適な走行を行うことができる。
【0058】
本発明の請求項5によれば、人力駆動系の負荷の最大値が第1の所定負荷付近でばらついた際に、省エネ運転と快走運転とが短時間の内に繰り返し切り替えられるのを防止でき、快適に走行できる。
【0059】
本発明の請求項6によれば、快走運転から省エネ運転へ切り替わる際に、電動駆動系による補助を徐々に小さくできるので、乗り心地を損なうことなく快適に走行できる。
【0060】
本発明の請求項7によれば、使用者の好みに応じてモードを切り替えて走行できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態を示す電動アシスト自転車の側面図である。
【図2】同電動アシスト自転車の制御装置の回路図である。
【図3】同電動アシスト自転車の平省エネオートモードでのフローチャートである。
【図4】同電動アシスト自転車の省エネオートモード時の人力トルクとモータトルクとの関係を示す一例である。
【図5】同電動アシスト自転車の省エネ運転時の走行速度が遅い場合の人力トルクとモータトルクの関係を示す図である。
【符号の説明】
7 人力駆動系
10 電動駆動部(電動駆動系)
21 マイコン(制御手段)
Tc 人力トルク(人力による負荷)
Tm モータトルク(電動駆動系の出力)
T1 第1の所定のトルク(第1の所定負荷)
T2 第2の所定のトルク(第2の所定負荷)
t1 所定時間
Claims (7)
- 人力により駆動される人力駆動系と電動駆動系を並列に設け、人力駆動系の負荷に応じて電動駆動系の出力を制御する電動アシスト自転車において、前記電動駆動系の出力増加時における電動駆動系出力の応答速度と、出力減少時における電動駆動系出力の応答速度とをそれぞれ制御可能な制御手段を設け、前記制御手段は、前記出力増加時の応答速度を減少時の応答速度より遅くする省エネ運転と、所定の条件で前記増加時の応答速度と減少時の応答速度とをほぼ同じとする快走運転とを切り替える省エネオートモードでの制御が可能とすると共に、前記負荷が第1の所定負荷以下の場合に前記省エネ運転で制御を行い、前記第1の所定負荷を越えた場合に前記省エネ運転から快走運転へ切り替えることを特徴とする電動アシスト自転車。
- 前記電動駆動系の出力増加時における電動駆動系出力の応答速度を、出力減少時における電動駆動系出力の応答速度より遅くしたことを特徴とする請求項1に記載の電動アシスト自転車。
- 前記制御手段は、第2の所定負荷以下になった際に前記快走運転から省エネ運転へ切り替えられることを特徴とする請求項1に記載の電動アシスト自転車。
- 前記制御手段は、前記負荷が第2の所定負荷以下である状態が所定時間継続した際に前記快走運転から省エネ運転へ切り替えることを特徴とする請求項1に記載の電動アシスト自転車。
- 前記第2の所定負荷を第1の所定負荷より小さくしたことを特徴とする請求項3又は請求項4に記載の電動アシスト自転車。
- 前記制御手段は、前記快走運転から省エネ運転へ切り替えた際に、前記電動駆動系の出力増加時の応答速度を、前記快走運転での応答速度から徐々に遅らせて前記省エネ運転での応答速度へ切り替えることを特徴とする請求項1又は請求項3又は請求項4又は請求項5のいずれかに記載の電動アシスト自転車。
- 前記電動駆動系の出力増加時の応答速度と減少時の応答速度とを常時ほぼ同じとする快走モードを設け、該快走モードと前記省エネオートモードとを手動で切り替える手段を設けたことを特徴とする請求項1乃至請求項6に記載の電動アシスト自転車。
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