JP6896600B2

JP6896600B2 - 電動アシスト自転車

Info

Publication number: JP6896600B2
Application number: JP2017246262A
Authority: JP
Inventors: 東　昇; 昇東; 憲志川野
Original assignee: Kurashiki Spinning Co Ltd
Current assignee: Kurashiki Spinning Co Ltd
Priority date: 2017-12-22
Filing date: 2017-12-22
Publication date: 2021-06-30
Anticipated expiration: 2037-12-22
Also published as: JP2019111906A

Description

本発明は、ペダルの踏力をモータの駆動力によって補助する電動アシスト自転車に関する。

上り坂や荷物を積載した状態での走行時の負担を軽減するために、ペダルの踏力に応じた補助駆動力をモータによって付与する電動アシスト自転車の普及が進んでいる。このモータに電力を供給する電池には、単位重量当たりの電池容量が大きいリチウムイオン二次電池が多く用いられている。

ところで、有機溶媒を電解質として用いるリチウムイオン二次電池では、充電時の過大な電流や過充電による異常発熱等を防止するために、充電器に多くの機能が求められ、充電器が重く嵩張ったものになる。また、実際の電池パックは複数の電池セルを直列・並列に接続して所定の電圧と容量を満たす必要があるが、一般的にこれらの電池セルは個々に内部抵抗や充放電容量が異なるのと、使用を重ねるに従って内部抵抗の増加割合に差が生じるため、各電池セルには常に容量のばらつきが発生する。この容量のばらつきを放置して使用すると、過充電、過放電を引き起こし、内部抵抗の大きい電池セルは有機溶媒の電解液の劣化が進んで寿命により使用できなくなったり、場合によっては異常発熱や発火の原因となることが知られている。そのため、これらの電池セルを統合した電池パックの使用や充電には、常に電源電圧を管理して過充電や過放電にならないように個々の電池セルの電圧を制御することが求められ、さらにはセル毎の温度を管理して劣化が進んだ電池セルに対してはその利用を制限するなど、充電器の機能が複雑化して大きなものになっている。

多くの電動アシスト自転車では、自転車に電池パックを着脱可能に装着して、充電器は自宅等に残しておき、電池を充電するには電池パックを自転車から外して自宅等に持ち帰って充電器に接続する。充電器を自宅に残しておくと、外出先で電池切れを起こしても充電ができないという不便がある。これに対して、特許文献１および２には電池パックおよび充電器の両方を着脱可能とした電動アシスト自転車が記載されている。これにより、充電器を自宅に残しておいて電池パックのみを車載することもできるし、充電器と電池パックの両方を車載すれば、外出先で交流１００Ｖコンセントに直接接続して充電できる。

特開２０００−０３３８９３号公報特開平１２−３２１８５３号公報

従来の電動アシスト自転車では、充電器を自転車から切り離して自宅に置いておくために、電池を着脱可能とする機構や電池の盗難防止機構が必要となり、電池装着部が重く嵩張ったものとなった。しかし、これらの機能は、充電器を常に自転車に搭載して交流１００Ｖコンセントに接続して充電を行う利用者にとっては無駄であった。また、電池装着部が嵩張ることやその着脱の利便性を確保する構造が、電動アシスト自転車のデザインを制約していた。この問題は特許文献１や特許文献２に記載された電動アシスト自転車によっても解決されない。また、充電器を車載する場合には、その嵩高さと重量を常に携行することになり、自転車の機能性やデザイン性をさらに阻害するという問題があった。

本発明は上記を考慮してなされたものであり、交流１００Ｖコンセントに直接接続して充電可能であり、なおかつ、デザインの自由度の高い電動アシスト自転車を提供することを目的とする。

本発明の電動アシスト自転車は、ペダルの踏力をモータの駆動力によって補助する電動アシスト自転車であって、前記モータに電力を供給する電池が、フィルム状の全固体リチウムイオン二次電池であり、前記電動アシスト自転車に組み込まれていることを特徴とする。

ここで電池が電動アシスト自転車に組み込まれているとは、電池が着脱可能でなく自転車と一体化していることをいい、より詳しくは、整備のために自転車を分解したときには電池を取り外せてもよいが、通常の使用環境では自転車から取り外せないことをいう。

この構成によれば、電池がフィルム形状であるため、電池自体を種々の形状に巻いたり重ねたり折り畳むことが可能になり、自転車に組み込むことが容易となる。また、全固体リチウムイオン二次電池を用いることにより、過充電や過放電による個々の電池セルの劣化を抑制できるので、充電制御や電池残容量使用制御機能（一般にバッテリマネジメントシステムと言われる機能）を大幅に簡略化して小型軽量化でき、充電器を常時自転車に車載または内蔵して、外出先であっても自転車を交流１００Ｖコンセントに直接接続して簡便に電池を充電できる。結果として、デザイン上の制約をあまり受けずに簡便に充電可能な電動アシスト自転車を設計することが可能となる。

好ましくは、前記電池と該電池用の充電器が前記電動アシスト自転車のフレームに内蔵されている。これにより、電動アシスト機能を有しない通常の自転車と同様に、意匠性の高いデザインが実現できる。

好ましくは、上記電動アシスト自転車は、複数の利用者を対象とする自転車シェアリングシステムに用いられる。シェアリングシステムに供される自転車は、街中で短距離の移動に利用されることが多い。本発明の電動アシスト自転車によれば、街中の各所で交流１００Ｖコンセントから充電できるので容量を抑えて電池を小型化できる。また、貸出・返却を行う拠点に自転車毎の専用の充電設備を整備する必要がなく、拠点に長時間駐輪していても電池の盗難が起こりにくい。このように本発明の電動アシスト自転車はシェアリングシステム用の自転車として特に適する。

好ましくは、前記電池が、正極活物質粒子および正極内高分子固体電解質を含む正極と、無機固体電解質粒子およびセパレータ層内高分子固体電解質を含むセパレータ層と、負極活物質粒子および負極内高分子固体電解質を含む負極とを有する。このような構造の電池は、フィルム形状の電池として自転車に組み込むのに特に適している。

本発明の電動アシスト自転車によれば、交流１００Ｖコンセントに直接接続して充電可能であり、大きな制約を受けることなく意匠性の高いデザインを実現できる。

本発明の一実施形態の電動アシスト自転車を示す図である。本発明の一実施形態の電動アシスト自転車に組み込まれた電池の断面構造図である。本発明の一実施形態の電動アシスト自転車に組み込まれる電池の製造フロー図である。

本発明の一実施形態を図１〜図３に基づいて説明する。なお、本明細書中で「電動アシスト自転車」を単に「自転車」ということがある。

図１において、本実施形態の電動アシスト自転車１０は、電動アシスト機能を有しない通常の自転車と同様に、フレーム１１、前輪、後輪、フロントフォーク、ハンドル、シートポスト、サドル、クランク、ペダル、チェーン、チェーンカバー等を有する。フレーム１１は、ヘッドチューブ１２、トップチューブ１３、ダウンチューブ１４、シートチューブ１５、一対のシートステー１６および一対のチェーンステー１７から構成される。

ダウンチューブ１４には、補助駆動力を発生するためのモータ２１が固定されている。トップチューブ１３には、充電器２２および電池２３が内蔵されており、側面に交流１００Ｖコンセントから給電するための電源口２４が設けられている。

モータ２１は、図示しない駆動系がクランク軸１８に連係し、ペダル１９の踏力を検知して補助駆動力を伝達する。モータには、従来の電動アシスト自転車と同様に、各種の直流モータを用いることができる。

電池２３は、フィルム状の全固体リチウムイオン電池が筒状に巻かれて、トップチューブ１３に内蔵されている。電池は、トップチューブ内に限られず、ダウンチューブ１４やシートチューブ１５など、フレーム１１を構成する他のチューブに内蔵されていてもよい。あるいは、電池は通常の使用環境では自転車から取り外せないように、フレームを構成するチューブの外側や、チェーンカバー２０、図示しない荷台等のフレーム以外の部材に固定されていてもよい。電池は、好ましくはフレームに内蔵される。自転車のデザインの妨げとならないからである。電池の構造は後述する。

充電器２２は、電池２３に隣接してトップチューブ１３に内蔵され、電池および電源口２４に接続されている。充電器は、少なくとも交流／直流変換機能と降圧機能を備える。有機溶媒を電解質として用いるリチウムイオン二次電池では過熱による有機溶媒の分解を防止するために、充電器が電池から必要な情報を取得しながら、充電時の電流値を制御したり、満充電を検出するなどの機能を備える。本実施形態の電動アシスト自転車は全固体リチウムイオン電池を備えるので、多くの機能を省略または簡略化できる。充電器の位置は、電池同様特に限定されないが、好ましくはフレーム１１に内蔵される。

電源口２４は、トップチューブ１３の側面に設けられ、トップチューブ内で充電器２２に接続されている。電源口は、必要に応じて延長コードを介して、交流１００Ｖコンセントと接続される。電源口の位置は特に限定されない。電源口には図示しないキャップを付けるなどしてショート防止対策を講じることができる。

次に、電池２３の構造を図２に基づいて説明する。

図２を参照して、電池２３は、第１耐熱樹脂層４１、第１金属箔４２、正極活物質粒子４４と高分子固体電解質４５を含む正極４３、無機固体電解質粒子４７と高分子固体電解質４８を含むセパレータ層４６、負極活物質粒子５０と高分子固体電解質５１を含む負極４９、第２金属箔５２、および第２耐熱樹脂層５３がこの順に積層されている。そして、正極、セパレータ層および負極の外周を囲って、第１金属箔と第２金属箔を結合する熱融着性樹脂枠５４を有する。

第１耐熱樹脂層４１および第２耐熱樹脂層５３は、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）等の単層または積層フィルムからなり、外部と電流の授受を行うための金属箔露出部５５、５６が設けられている。第１金属箔４２は、アルミニウム箔等の金属箔からなる。正極４３は、正極活物質粒子４４と高分子固体電解質４５を含む。正極活物質粒子としてはＬｉＣｏＯ_２等を用いることができる。セパレータ層４６は無機固体電解質粒子４７と高分子固体電解質４８を含む。無機固体電解質粒子としては、高いＬｉイオン伝導度を持つＬｉ_１＋ｘＡｌ_ｙＧｅ_２−ｙ（ＰＯ_４）_３（ＬＡＧＰ）等を用いることができる。負極４９は、負極活物質粒子５０と高分子固体電解質５１を含む。負極活物質粒子としては黒鉛、コークス等を用いることができる。第２金属箔５２は銅箔等の金属箔からなる。熱融着性樹脂枠５４はポリプロピレン（ＰＰ）等の各種熱融着性樹脂からなる。

正極４３、セパレータ層４６および負極４９に含まれる高分子固体電解質４５、４８、５１はポリマー中にリチウム塩を含有する。ポリマーとしては、ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）、ポリプロピレンオキシド（ＰＰＯ）等を用いることができ、好ましくは、ポリマー分子間が架橋されているか、あるいは、ポリマーの主骨格に他のポリマーやオリゴマーがグラフト重合されている。ポリマーの結晶化によりイオン伝導度が低下するのを抑止するためである。リチウム塩としては、過塩素酸リチウム（ＬｉＣｌＯ_４）、ヘキサフルオロリン酸リチウム（ＬｉＰＦ_６）、リチウムビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミド（ＬｉＮ（ＣＦ_３ＳＯ_２）_２、ＬｉＴＦＳＩ）などを用いることができる。

電池２３の厚さは、第１金属箔４２から第２金属箔５２までの厚さが好ましくは１００μｍ以下である。各層の厚さは、一例として、第１金属箔であるアルミニウム箔４２が１０〜２５μｍ、正極４３が１０〜３０μｍ、セパレータ層４６が５〜１５μｍ、負極４９が１０〜３０μｍ、第２金属箔である銅箔５２が１０〜２０μｍとすることができる。また、熱融着性樹脂枠５４の枠の幅は好ましくは５〜２０ｍｍである。第１耐熱樹脂層４１および第２耐熱樹脂層５３は、電池の外装材の機能を備え、要求される強度特性等に応じて厚さ決定できるが、好ましくはそれぞれの厚さが１０〜１００μｍである。

次に、電池２３の製造方法の一例を図３に基づいて説明する。

アルミニウム箔（第１金属箔４２）とＰＥＴ層（第１耐熱樹脂層４１）が積層されたフィルムを準備し、ＰＥＴ層の一部を切り欠いて金属箔露出部５５を形成し、アルミニウム箔側の周縁部にポリプロピレン（ＰＰ）枠を形成する。ＬｉＣｏＯ_２粒子に導電助剤としてカーボンブラック（ＣＢ）、結着剤としてポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）を混合し、Ｎメチル２ピロリドン（ＮＭＰ）を加えてペースト化してスクリーン印刷法によりＰＰ枠内に塗工し、乾燥する。その上にＬＡＧＰ粒子にＰＶｄＦを混合し、ＮＭＰを加えてペースト化してスクリーン印刷により塗工し、乾燥する。高分子化合物であるＰＥＯ、光重合開始剤、リチウム塩であるＬｉＴＦＳＩを混合し、ＮＭＰを加えて粘度を調整し、インクジェット法によりＬＡＧＰ層上に供給してＬｉＣｏＯ_２粒子間およびＬＡＧＰ粒子間に浸透させ、紫外線（ＵＶ）を照射して、正極内高分子固体電解質４５およびセパレータ層内高分子固体電解質４８を形成する。以上により正極４３およびセパレータ層４６を備えた正極シートが作製できる。

銅箔（第２金属箔５２）とＰＥＴ層（第２耐熱樹脂層５３）が積層されたフィルムを準備し、ＰＥＴ層の一部を切り欠いて金属箔露出部５６を形成し、銅箔側の周縁部にＰＰ枠を形成する。人造黒鉛粒子に導電助剤としてＣＢ、結着剤としてＰＶｄＦを混合し、ＮＭＰを加えてペースト化してスクリーン印刷法によりＰＰ枠内に塗工し、乾燥する。ＰＥＯ、光重合開始剤、ＬｉＴＦＳを混合し、インクジェット法により人造黒鉛層上に供給して人造黒鉛粒子間に浸透させ、ＵＶを照射して、負極内の高分子固体電解質５１を形成する。以上により負極４９を備えた負極シートが作製できる。

正極シートと負極シートをそれぞれの耐熱樹脂層４１、５３を外側にして重ね合わせ、両シートのＰＰ枠を熱融着により接合して熱融着性樹脂枠５４を完成させて、正極４３、セパレータ層４６および負極４９の外周を囲って封止する。以上によりフィルム状の全固体リチウムイオン二次電池２３が作製できる。

この製造方法によれば、セパレータ層内の高分子固体電解質４８は、正極内の高分子固体電解質４５と一体に形成されている。セパレータ層内の高分子固体電解質は、正極内および／または負極内の高分子固体電解質と一体に形成されていることが好ましい。界面での電気抵抗を低くできるからである。

本実施形態のフィルム状全固体リチウムイオン二次電池２３は、耐久性の面からも、電動アシスト自転車に組み込むのに適する。電動アシスト自転車に搭載する電池には、寒暖の変化、高い湿度、走行時の振動など過酷な環境での耐久性が求められ、フレームに内蔵する場合は特に優れた可撓性が求められる。固体リチウムイオン二次電池には、高分子のネットワーク中に電解質塩を含む有機溶媒が保持されたゲル状の固体電解質を用いるものがあるが、かかる高分子ゲル状固体電解質はＬｉイオンの移動度が高いものの強度が低く、フィルム状電池のセパレータ層に用いると、電池の変形により損壊して内部短絡を生じやすい。また、発熱によって有機溶媒が熱分解する可能性が残されている。これに対して本実施形態の全固体リチウムイオン二次電池では、イオン導電性を示すポリマーを用いるので強度に優れ、有機溶媒の熱分解の可能性がない。また、セパレータ層に硬度の高い無機固体電解質粒子を含むので、電池を筒状に巻いたり折り畳んだ状態で、繰り返し振動を受けてもセパレータ層が損壊しにくく、内部短絡が起こりにくい。

本発明は上記の実施形態に限られるものではなく、その技術的思想の範囲内で種々の変形が可能である。

１０電動アシスト自転車
１２ヘッドチューブ
１３トップチューブ
１４ダウンチューブ
１５シートチューブ
１６シートステー
１７チェーンステー
１８クランク軸
１９ペダル
２０チェーンカバー
２１モータ
２２充電器
２３フィルム状全固体リチウムイオン電池
２４電源口
４１第１耐熱樹脂層
４２第１金属箔
４３正極
４４正極活物質粒子
４５正極内高分子固体電解質
４６セパレータ層
４７無機固体電解質粒子
４８セパレータ層内高分子固体電解質
４９負極
５０負極活物質粒子
５１負極内高分子固体電解質
５２第２金属箔
５３第２耐熱樹脂層
５４熱融着樹脂枠
５５、５６金属箔露出部

Claims

ペダルの踏力をモータの駆動力によって補助する電動アシスト自転車であって、
前記モータに電力を供給する電池が、フィルム状の全固体リチウムイオン二次電池であり、前記電動アシスト自転車に組み込まれており、
前記電池が、正極活物質粒子および正極内高分子固体電解質を含む正極と、無機固体電解質粒子およびセパレータ層内高分子固体電解質を含むセパレータ層と、負極活物質粒子および負極内高分子固体電解質を含む負極とを有する、
電動アシスト自転車。
前記電池と該電池用の充電器が前記電動アシスト自転車のフレームに内蔵されている、
請求項１に記載の電動アシスト自転車。
複数の利用者を対象とする自転車シェアリングシステムに用いられる、
請求項１または２に記載の電動アシスト自転車。