JP5150317B2 - 電動自転車 - Google Patents

Description

この発明は、電動自転車に関し、特にバッテリーを適切に使用できる電動自転車に関する。

ペダルを人力回転することにより生じる駆動力に加え、モータにより補助駆動力を発生するようにした電動自転車が公知である（たとえば特許文献１参照）。
電動自転車には、一般に、補助駆動力を発生するためのモータと、そのモータに電力を供給するためのバッテリーとが搭載されている。バッテリーからモータに供給される電流値に応じてモータの発生する出力トルクが変化するから、適切な補助駆動力を発生させるためには、バッテリーからモータに与えられる電流値を制御する必要がある。

ところで、バッテリー電圧が低下し始めると、その電圧低下を防止するために、バッテリーからモータへの電力供給量を規制することは提案されている（たとえば特許文献２参照）。
特開２００４−１４９００１号公報 特開平８−２４４６７１号公報

電動自転車に搭載されるバッテリーとしては、通常、たとえばリチウムイオン電池、ニッケル水素電池などの充電可能な電池が用いられる。
ところで、このような充電可能なバッテリーには、出力電流の制限値が決められている。制限値には、数秒程度の瞬間的なピーク値に対する制限（すなわち瞬時電流制限値）と、ある程度長い期間における平均値に対する制限（すなわち平均電流制限値）とがある。バッテリーを使用する場合は、両方の制限下において使用しなければならず、その制限下で最大出力を取り出すことが必要である。

特に、リチウムイオン電池は、蓄電池やニッケル水素電池などに比べて電流値に対する制限が厳しく、その制限を守りながら出力電流を得なければならない。
従来の電動自転車は、バッテリーを出力電流値の制限下で適切に使用しながら、良好な補助駆動力を発生する構成は提案されていない。
そこでこの発明は、バッテリーの出力電流値の制限を守りながら使用し、しかも適切な補助駆動力をモータにより発生させることのできる電動自転車を提供することを主たる目的とする。

また、この発明は、電動自転車において、モータにより大きな補助駆動力を連続的に発生しなければならない状態が続いても、バッテリーにおけるピーク電流値に対する制限および平均電流値に対する制限が守られ、バッテリーを安全に使用することのできる電動自転車を提供することを他の目的とする。

請求項１記載の発明は、ペダルを人力回転することにより生じる駆動力に加えて、モータによる補助駆動力を発生することのできる電動自転車であって、前記ペダルに与えられる踏み力を検出する踏み力検出手段と、電力が蓄えられるバッテリーと、前記バッテリーの電力により駆動されるモータと、前記バッテリーとモータとの間に設けられ、前記バッテリーと前記モータとの間の電力の授受を制御する電力制御手段と、前記踏み力検出手段の検出値に基づいてペダルの漕ぎ出しおよび漕ぎ終わりを検出し、前記ペダルの漕ぎ出しから漕ぎ終わりまでの１回の漕ぎ動作の間に、前記モータに供給される電流量を積算する電流量積算手段と、前記電流量積算手段の積算結果に基づいて、次のペダルの漕ぎ出しから漕ぎ終わりまでの１回の漕ぎ動作の間に前記モータに供給される電流量を制限する電流規制手段と、を含み、前記電流量積算手段は、前記バッテリーに対して予め定められている平均電流制限値をしきい値として有しており、前記ペダルの漕ぎ出しから漕ぎ終わりまでの１回の漕ぎ動作の間に、前記モータに供給される平均電流制限値以下の電流の積算量をＡｎとし、平均電流制限値を超過した電流の積算量をＢｎとして積算し、前記電流規制手段は、前記電流量積算手段の積算結果がＢｎ＞Ａｎのときは、次のペダルの漕ぎ出しから漕ぎ終わりまでの１回の漕ぎ動作における瞬時電流制限値を一定値下げることを特徴とする電動自転車である。

請求項２記載の発明は、前記電流規制手段は、前記バッテリーに対して予め定められている瞬時電流制限値を比較値として有しており、前記ペダルの漕ぎ出しから漕ぎ終わりまでの漕ぎ動作の間に、前記モータに供給される電流値が前記瞬時電流制限値を超えないように制限することを特徴とする、請求項１記載の電動自転車である。

請求項３記載の発明は、前記電流規制手段は、前記電流量積算手段の積算結果がＢｎ≦Ａｎのときは、次のペダルの漕ぎ出しから漕ぎ終わりまでの１回の漕ぎ動作における瞬時電流制限値を一定値増加させることを特徴とする、請求項１または２に記載の電動自転車である。

請求項１記載の発明によれば、ペダルの漕ぎ出しから漕ぎ終わりまでの各漕ぎ動作の間に、モータに供給される電流量が積算され、その積算結果に基づいて、次の漕ぎ動作の間にモータに供給される電流量が制限される。たとえば、ある漕ぎ動作の間の電流量積算値が多い場合は、次の漕ぎ動作の間に供給される電流量が制限されるから、全漕ぎ動作の間の積算電流量を所定の範囲内に制限することができ、バッテリーに予め定められている平均電流制限値の制限下でバッテリーから効率良く電流を出力させることができる。

より具体的には、電流量積算手段が、平均電流制限値をしきい値として有していることにより、１回の漕ぎ動作の間に、モータに供給される平均電流制限値以下の電流の積算量Ａｎと、平均電流制限値を超過した電流の積算量Ｂｎとを積算することができる。
そして、Ｂｎ＞Ａｎのときは、次の１回の漕ぎ動作における瞬時電流制限値を一定値下げることにより、負荷が大きな状態（モータによる補助駆動力を多く必要とする状態）であっても、平均電流制限値に対する制限を守りながら、バッテリーから電流を出力させることができる。

また、請求項３記載のように、電流量積算手段の積算結果がＢｎ≦Ａｎのときは、次の１回の漕ぎ動作における瞬時電流制限値を一定値増加させてもよい。
なお、瞬時電流制限値を一定量増加させる場合は、最大値まで増加させたときの電流値が、瞬時電流制限値の標準値を超えないようにすれば、瞬時電流制限値の制限も守ることができる。

請求項２記載の発明によれば、ペダルの漕ぎ出しから漕ぎ終わりまでの各漕ぎ動作の間に、モータに供給される電流値が瞬時電流制限値を超えないように制限されるから、バッテリーに対して予め定められている瞬時電流制限値の制限下で、バッテリーから適切に最大出力を取り出すことができる。

以下には、図面を参照して、この発明の実施形態について具体的に説明をする。
図１は、この発明の一実施形態に係る電動自転車１０の左側面図である。
図１を参照して、電動自転車１０には、フレーム１、ハンドル２、前輪３、後輪４、サドル５、ペダル６、ブレーキレバー７といった自転車の基本構成要素が備えられている。さらに、電動自転車１０には、サドル５を保持するフレーム１に取り付けられたバッテリー１１と、このバッテリー１１からの電力により駆動されるモータ１８が備えられている。モータ１８は、前輪３のハブ８に組み込まれている。よって、この電動自転車１０は、モータ１８による駆動補助力により前輪３が回転され、ペダル６を回転させる人力により後輪４が駆動される両輪駆動方式となっている。

電動自転車１０には、さらに、ハンドル２に操作ユニット９が取り付けられている。操作ユニット９には、拡大平面視に示すように、電源入／切スイッチ９１、モード切り換えスイッチ９２、ライト入／切スイッチ（点灯スイッチ）２９が備えられるとともに、バッテリー残量やモードを確認するための表示ランプ９４が配置されている。
電動自転車１０には、バッテリー１１により電力が供給される前照灯２０および尾灯２２が備えられている。

さらに、ブレーキレバー７に関連して、ブレーキレバー７が操作されたことを検出するためのブレーキスイッチ３１が設けられている。また、ペダル６の踏み力を検出するためのペダルセンサ３９が、ペダルスプロケット（図示せず）に関連して設けられている。
なお、後述するインバータ１４、制御回路２４（マイコン２６）等の電気回路部品は、バッテリー１１の下方に設けられたコントロールユニット４１内に備えられている。

図２は、この発明の一実施形態に係る電動自転車１０の電気回路構成を示すブロック図である。
図２を参照して、電動自転車１０には、バッテリー１１として、たとえばリチウムイオン電池またはニッケル水素電池という充電可能な電池が用いられている。バッテリー１１の正側端子には電気配線１２、１３によりインバータ１４の一方接続端子が接続されている。また、インバータ１４の他方接続端子は電気配線１５、１６によりバッテリー１１の負側接続端子と接続されている。そしてインバータ１４には電気配線１７によってモータ１８が接続されている。

よって、バッテリー１１の電力がインバータ１４を介してモータ１８に供給され、モータ１８が回転される。そしてモータ１８の回転により補助駆動力が発生される。
バッテリー１１の正側接続端子には電気配線１２、１９を介して前照灯２０の一方接続端子が接続され、前照灯２０の他方接続端子は電気配線２１、１５、１６を介してバッテリー１１の負側接続端子と接続されている。

よって、前照灯２０はバッテリー１１の電力により点灯され得る。
さらに、バッテリー１１の正側接続端子には、電気配線１２を介して尾灯（テールランプ）２２の一方接続端子が接続されている。尾灯２２の他方接続端子は電気配線１６を介してバッテリー１１の負側接続端子と接続されている。
よって、尾灯２２は、バッテリー１１の電力により点灯され得る。

また、バッテリー１１の正側接続端子には、電気配線１２、２３を介して制御回路２４の一方接続端子が接続されており、制御回路２４の他方接続端子は電気配線２５、１６を介してバッテリー１１の負側接続端子と接続されている。
よって、マイクロコンピュータ（マイコン）２６を含む制御回路２４には、バッテリー１１からの電力が供給され、制御回路２４はこの電力により駆動される。

制御回路２４は、インバータ１４と信号配線（たとえばバスライン）２７で接続されており、制御回路２４はインバータ１４の動作モードを切り換えたり、動作を制御したりする。その際に、モータ１８の回転状態は信号配線２８により制御回路２４へ与えられる。 さらに、点灯スイッチ２９は、信号配線３０によって制御回路２４と接続されていて、点灯スイッチ２９によるライトの入／切信号は信号配線３０を介して制御回路２４へ与えられる。

ブレーキスイッチ（ブレーキ検出センサ）３１も、信号配線３２によって制御回路２４と接続されていて、ブレーキによる制動力が加えられたブレーキ状態信号は、信号配線３２を介して制御回路２４へ与えられる。
制御回路２４は、信号配線３３によって前照灯２０と接続されているとともに、信号配線３４によって尾灯２２と接続されている。よって、制御回路２４は、前照灯２０および尾灯２２の点灯、点滅等を制御する。

さらに、バッテリー１１の正側接続端子に接続された電気配線１２には電流センサ３５が挿入されている。電流センサ３５によりバッテリー１１の出力電流が検出され、その値は信号線３６により制御回路２４へ与えられる。
また、バッテリー１１には、温度センサ３７が備えられている。温度センサ３７は、バッテリー１１自体の温度、またはバッテリー１１の周囲温度等を検出するセンサである。温度センサ３７の検出温度は信号線３８により制御回路２４へ与えられる。

さらに、電動自転車１０にはペダルセンサ３９が備えられている。ペダルセンサ３９の検出信号は信号線４０により制御回路２４へ与えられるようになっている。ペダルセンサ３９は、前述したように、ペダルの踏み力を検出するためのセンサであり、たとえば特許文献１に開示されているような磁歪素子を利用した圧力センサや変位センサにより実現することができる。

図３は、点灯スイッチ２９の切り換えに応じ、制御回路２４による行われる前照灯２０および尾灯２２の点灯および点滅制御動作を説明するためのフローチャートである。
制御回路２４は、所定の制御周期（割込ルーチン）で、点灯スイッチ２９の状態をモニタし、点灯スイッチ２９がオンされたか否かの判別をする（ステップＳ１）。
そして、点灯スイッチ２９がオンされたときには、前照灯２０を点灯させるとともに、尾灯２２を相対的に遅い速度で点滅（遅点滅）させる（ステップＳ２）。尾灯２２の遅点滅の速度は、たとえば０．２秒点灯、１秒消灯の繰り返しを例示できる。

一方、制御回路２４は、点灯スイッチ２９がオンでないと判別したときには、前照灯２０を消灯状態に保つとともに、尾灯２２も消灯状態に保つ（ステップＳ３）。
図４は、制御回路２４により行われるブレーキ状態検出制御動作を示すフローチャートである。
図４の流れに従って、図２を参照して説明すると、制御回路２４は、所定の制御周期（割込ルーチン）でブレーキスイッチ３１の状態をモニタしている。そして、運転者によりブレーキレバー７が操作されたブレーキ状態か否かが、ブレーキスイッチ３１がオンしたか否かにより判別される（ステップＳ１１）。

そして、ブレーキスイッチ３１がオンすると、制御回路２４はインバータ１４を回生モードにする（ステップＳ１２）。インバータ１４が回生モードにされると、インバータ１４からモータ１８へ電力が供給されるのではなく、モータ１８が発電機として機能し、モータ１８の生じる逆起電力によりモータ１８からインバータ１４へ回生電流が流れる。この回生電流はバッテリー１１を充電するとともに、尾灯２２がオンしているときには、尾灯２２を点灯するのにも使用される。

制御回路２４は、インバータ２４を回生モードにするとともに、尾灯２２を所定の態様、より具体的には相対的に速い速度で点滅（速点滅）させる（ステップＳ１３）。相対的に速い速度とは、たとえば尾灯２２を０．２秒点灯、０．２秒消灯の繰り返しを例示できる。
一方、制御回路２４は、ブレーキスイッチ３１がオンでないと判別したときには、インバータ１４を駆動モードとする（ステップＳ１４）。インバータ１４が駆動モードでは、バッテリー１１の電力はインバータ１４からバッテリー１８へと与えられ、モータ１８を必要に応じて駆動させることができる。

さらに、制御回路２４は、尾灯２２を遅点滅させるか、またはオフにする（ステップＳ１５）。ステップＳ１５における尾灯２２のオン／オフの制御は、図３で説明したように、点灯スイッチ２９がオンされているか否かにより切り換えられる。
図４に示すブレーキ状態の検出制御によれば、ブレーキスイッチ３１がオンされると、尾灯２２を速点滅して、尾灯２２によりブレーキ状態であることをわかり易く報知できる。また、尾灯２２の速点滅に必要な電力をモータ１８からの回生電力により供給することができるので、バッテリー１１の電力消費を抑制することができる。

次に、バッテリー１１の出力電流値の制限制御について説明をする。
通常、バッテリー１１には出力電流の制限値が決められている。制限値には、数秒程度の瞬間的なピーク値に対する制限（すなわち瞬間電流制限値）と、ある程度長い期間における平均値に対する制限（すなわち平均電流制限値）があり、電動自転車１０では、両方の制限下で、バッテリー１１から最大電力を取り出すことが必要である。

このため、この実施形態に係る電動自転車１０では、図５に示すような出力電流の制限値制御を行っている。
図５において、縦軸は瞬間電流制御値および平均電流制御値を示しており、瞬間電流制御値＞平均電流制御値である。横軸は、複数回数分の漕ぎ動作を示している。１回の漕ぎ動作は、漕ぎ出しから漕ぎ終わりまでである。この１回の漕ぎ動作は、片方のペダル６（たとえば右ペダル）が半回転することにより行われ、次の１回の漕ぎ動作は、他方のペダル６（たとえば左ペダル）が半回転することにより行われる。

電動自転車１０では、ペダル６に加わる踏み力がペダルセンサ３９で検出される。制御回路２４は、ペダルセンサ３９の検出した踏み力に応じてインバータ１４を制御し、モータ１８に供給するバッテリー１１の出力電流を増減させる。バッテリー１１の出力電流の増減に応じ、モータ１８の出力トルクが増減する。
制御回路２４では、ペダルセンサ３９で検出される踏み力に応じ、モータ１８の生じる補助駆動力（出力トルク）を増減する。大まかに言えば、ペダルセンサ３９で検出される踏み力が大きければ、モータ１８の生じる補助駆動力を大きくし、踏み力が小さければ、補助駆動力を小さくする。

補助駆動力の大きさは、モータ１８に供給されるバッテリー１１からの電流値と比例する。そこで、制御回路２４では、ペダルセンサ３９から得られる踏み力に応じて増減するバッテリー１１の出力電流値（電流センサ３５で検知される電流値）をモニタし、出力電流値が予め定められたバッテリー１１の平均電流制限値を超過している分（図５におけるＢ１）と、平均電流制限値内に収まっている分（図５におけるＡ１）とを、１回の漕ぎ動作中積算する。

そして、急な上り坂などの高負荷時に、求めた電流積算値がＢ１＞Ａ１となった場合は、次の１回の漕ぎ動作においては、瞬間電流制限値を一定値減らす。これにより、たとえば次の１回の漕ぎ動作（第２漕ぎ動作）においては、第１漕ぎ動作と同様な踏み力が検出されても、第２漕ぎ動作中の瞬間電流制限値が第１漕ぎ動作の時より低いため、電流平均値は第１漕ぎ動作の間の電流平均値よりも小さくなる。

第２漕ぎ動作においても、平均電流制限値を超過している分（図５のＢ２）および平均電流制限値以内に収まっている分（図５のＡ２）が積算され、依然として電流積算値がＢ２＞Ａ２であれば、第３漕ぎ動作の瞬時電流制限値をさらに一定値減らす。このようにして、瞬時電流制限値は、平均電流制限値に至るまで可変させる。
瞬時電流制限値を平均電流制限値に至るまで下げれば、平均電流制限値は許容値内に収まるはずである。

逆に、ある漕ぎ動作（第Ｎ漕ぎ動作）における平均電流制限値を超過している分Ｂｎと、平均電流制限値以内に収まっている分Ａｎとの関係が、Ｂｎ≦Ａｎとなっていれば、瞬時電流制限値を予め定められている標準値（最大値）に至るまで増やしていく。
このような制御を継続することにより、負荷が大きな状態が続いても、ピーク電流値に対する制限（瞬時電流制限値の制限）および平均電流値に対する制限（平均電流制限値の制限）が守られ、バッテリー１１を安全にかつ効果的に使用することができる。

なお、瞬時電流制限値および平均電流制限値は、バッテリー１１の使用による温度変化に応じて変化する。よつて、この実施形態では、温度センサ３７によりバッテリー１１の温度を検出し、その検出温度を予め設定された電流制限値テーブルに照らし、瞬時電流制限値（標準値）および平均電流制限値が決められている。
次に、図５を参照して説明した制御回路２４において実行される制御動作を、図６および図７のフローチャートの流れに沿って説明をする。

まず、図６の流れに従って説明すると、制御回路２４は、ペダルセンサ３９から与えられる踏み力に基づいて漕ぎ出しか否かの判別をする（ステップＳ２１）。そして漕ぎ出しを検知すると、１回の漕ぎ動作の間の電流積算を開始し、平均電流制限値以下の部分をＡｎとし、平均電流制限値を超えた部分をＢｎとする。なお、ｎはｎ＝１，２，３…で、各漕ぎ動作の順位を表わす。そして１回の漕ぎ動作の終了、すなわち漕ぎ終わりが検知されるまでの電流積算値ＡｎおよびＢｎが求められる（ステップＳ２２、Ｓ２３）。

漕ぎ終わり検知後、電流積算値ＢｎとＡｎの大小が比較される（ステップＳ２４）。
比較の結果、Ｂｎ＞Ａｎの場合には、瞬時電流制限値の現在値を所定の値だけ低減させる（ステップＳ２５）。
逆に、Ｂｎ≦Ａｎであれば、瞬時電流制限値の現在値が瞬時電流制限値の標準値（最大値）になっていないことを確認し（ステップＳ２６）、瞬時電流制限値の現在値を一定値増加させる（ステップＳ２７）。

制御回路２４では、図６に示す制御動作を実行しながら、並行して、漕ぎ出し検知から漕ぎ終わり検知までの間に、図７に示す瞬時電流制限値を超えないように電流制御を実行する。
すなわち、図７の流れに従って、漕ぎ出しの検知を判別し（ステップＳ３１）、ペダルセンサ３９の出力に基づいて漕ぎ出しを検知した場合には、電流センサ３５から入力される電流瞬時値と、瞬時電流制限値の大小を比較する（ステップＳ３２）。そして電流瞬時値が瞬時電流制限値よりも大きい場合には、インバータ１４を制御して、モータ１８の駆動デューティを低減させる（ステップＳ３３）。

逆に、電流瞬時値が瞬時電流制限値以下の場合には、モータ１８に与えるべきトルク指示値とモータ１８のトルク出力値の大小が比較され、モータトルク指示値がモータトルク出力値以上であれば、インバータ１４を制御してモータ１８の駆動デューティを増加させる（ステップＳ３５）。
逆に、モータトルク指示値がモータトルク出力値以下であれば、インバータ１４を制御してモータ１８の駆動デューティを低減させる（ステップＳ３６）。

そして漕ぎ終わりが検知されるまで、ステップＳ３２〜Ｓ３６の制御が行われる。（ステップＳ３７）。
以上の動作が行われることにより、ペダルセンサ３９により検出される踏み力が大きいほどモータ１８のトルク出力値を大きくして大きな補助駆動力を発生させ、踏み力に応じた適切な補助駆動力が発生される。しかも、補助駆動力を発生させるためにモータ１８に与える電流値が、瞬時電流制限値および平均電流制限値のいずれの制限をも満たすように制御することができる。

この発明は、以上説明した実施形態に限定されるものではなく、請求項記載の範囲内において種々の変更が可能である。

この発明の一実施形態に係る電動自転車１０の左側面図である。 この発明の一実施形態に係る電動自転車１０の電気回路構成を示すブロック図である。 点灯スイッチ２９の切り換えに応じ、制御回路２４により行われる前照灯２０および尾灯２２の点灯および点滅制御動作を説明するためのフローチャートである。 制御回路２４により行われるブレーキ状態検出制御動作を示すフローチャートである。 出力電流の制限値制御を説明するためのグラフである。 制御回路２４において実行される平均電流制限値の制限下の制御動作を示すフローチャートである。 制御回路２４において実行される瞬時電流制限値の制御下の制御動作を示すフローチャートである。

符号の説明

１０ 電動自転車
１１ バッテリー
１４ インバータ
１８ モータ
２０ 前照灯
２２ 尾灯
２４ 制御回路
２６ マイクロコンピュータ（マイコン）
２９ 点灯スイッチ
３１ ブレーキスイッチ
３５ 電流センサ
３７ 温度センサ
３９ ペダルセンサ

Claims (3)

1. ペダルを人力回転することにより生じる駆動力に加えて、モータによる補助駆動力を発生することのできる電動自転車であって、
   前記ペダルに与えられる踏み力を検出する踏み力検出手段と、
   電力が蓄えられるバッテリーと、
   前記バッテリーの電力により駆動されるモータと、
   前記バッテリーとモータとの間に設けられ、前記バッテリーと前記モータとの間の電力の授受を制御する電力制御手段と、
   前記踏み力検出手段の検出値に基づいてペダルの漕ぎ出しおよび漕ぎ終わりを検出し、前記ペダルの漕ぎ出しから漕ぎ終わりまでの１回の漕ぎ動作の間に、前記モータに供給される電流量を積算する電流量積算手段と、
   前記電流量積算手段の積算結果に基づいて、次のペダルの漕ぎ出しから漕ぎ終わりまでの１回の漕ぎ動作の間に前記モータに供給される電流量を制限する電流規制手段と、
   を含み、
   前記電流量積算手段は、前記バッテリーに対して予め定められている平均電流制限値をしきい値として有しており、
   前記ペダルの漕ぎ出しから漕ぎ終わりまでの１回の漕ぎ動作の間に、前記モータに供給される平均電流制限値以下の電流の積算量をＡｎとし、平均電流制限値を超過した電流の積算量をＢｎとして積算し、
   前記電流規制手段は、前記電流量積算手段の積算結果がＢｎ＞Ａｎのときは、次のペダルの漕ぎ出しから漕ぎ終わりまでの１回の漕ぎ動作における瞬時電流制限値を一定値下げることを特徴とする電動自転車。
2. 前記電流規制手段は、前記バッテリーに対して予め定められている瞬時電流制限値を比較値として有しており、
   前記ペダルの漕ぎ出しから漕ぎ終わりまでの漕ぎ動作の間に、前記モータに供給される電流値が前記瞬時電流制限値を超えないように制限することを特徴とする、請求項１記載の電動自転車。
3. 前記電流規制手段は、前記電流量積算手段の積算結果がＢｎ≦Ａｎのときは、次のペダルの漕ぎ出しから漕ぎ終わりまでの１回の漕ぎ動作における瞬時電流制限値を一定値増加させることを特徴とする、請求項１または２に記載の電動自転車。

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