JP3849451B2

JP3849451B2 - 電動アシスト自転車の電源装置

Info

Publication number: JP3849451B2
Application number: JP2001128581A
Authority: JP
Inventors: 敏昭上符
Original assignee: Meidensha Corp
Current assignee: Meidensha Corp
Priority date: 2001-04-26
Filing date: 2001-04-26
Publication date: 2006-11-22
Anticipated expiration: 2021-04-26
Also published as: CN1190344C; TW528697B; CN1382609A; JP2002321678A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電動アシスト式自転車の電源装置に係わり、特に回生機能を有した電動アシスト式自転車に二重層コンデンサを使用した電源装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電動アシスト式自転車は２つの駆動力を備えており、その一つはペダルからの駆動力でチェーンを介してケーシングの回転側に伝達して車輪を回転させる駆動力と、他の一つは、ペダルにかかるトルクを検出し、そのトルクと同じ大きさのトルクでモータを回転し、減速機構を介して車輪を駆動するように構成されている。
このような電動アシスト式自転車は種々提案されているが、何れも駆動部にモータを配設することに伴ない、その構成の小形軽量化を図ることを目的として駆動モータを高速化し、ギヤーやプーリにより減速して必要とするトルクを得るようにしている。
更に、駆動部とタイヤ部をチェーンおよびワンウエクラッチを介して連結しているものと、タイヤ部に駆動モータを設けた場合でも減速機構を設けている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来の電動アシスト式自転車は、何れも減速機構を設けているためにコンパクトな機構にまとめることができず、通常の自転車の基本構造を大幅に変更する必要があってコスト的にも高価となっており、且つ、ギヤーなどの減速機構による損失が大きいためにバッテリー寿命が短くなっていると共に、バッテリーに充電された電圧がなくなった場合には自転車が重くなっている。
したがって、長距離走行を可能とするためにはバッテリー容量を大きくする必要がある等の問題を有している。
【０００４】
よって、本発明が目的とするところは、バッテリーを軽量に、しかも寿命が長く、短時間に充電を可能とした電源装置を提供することにある。
【０００５】
本発明は、電源と駆動モータとの間に電流方向が正逆方向に流れるよう構成された電力変換装置を備えた電動アシスト自転車において、
前記駆動モータをアウターロータータイプの永久磁石式同期モータを用い、且つ前記電源を電気二重層コンデンサとし、この電気二重層コンデンサと並列にこの電気二重層コンデンサに対するバックアップ用電源を接続し、このバックアップ用電源容量は電気二重層コンデンサ容量よりも小さい補助電源とし、この補助電源と前記電気二重層コンデンサとの間にリアクトルとスイッチング素子よりなる昇圧回路を設けると共に、更に、前記電気二重層コンデンサと並列に、リアクトルとスイッチング素子よりなる昇圧回路を有する電圧保持回路を設けたことを特徴としたものである。
【０００７】
また、本発明は、前記自転車の少なくとも５ｋｍ／ｈ以下の速度におけるアシスト率を１．０以上としたことを特徴としたものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施形態を示すものである。１は自転車の電源となる電気二重層コンデンサ、２は充電装置で、この充電装置２はダイオードＤ１〜Ｄ４よりなる整流器３、平滑用のコンデンサ４、スイッチング素子５、リアクトル６およびダイオード７より構成されている。充電時には、この充電装置２を商用の交流電源ＡＣと二重層コンデンサ１の両端Ｃ，Ｃ間に接続することによって、電気二重層コンデンサ１には整流器３、スイッチング素子５、リアクトル６を介して充電電流が流れ込みコンデンサ１は充電される。コンデンサ１の両端は、図示省略された電力変換装置を介してアシストモータに接続されている。
電気二重層コンデンサ１は、例えば３００Ｆ，２．７Ｖのものを１２枚積層して２５Ｆ，３２．４Ｖで構成され、コンデンサに充電された直流電圧は、電力変換装置によって交流に変換された後に２４Ｖ交流電圧としてアシストモータに印加される。
【０００９】
８はバックアップ用電源で、この電源８は必ずしも必要とはしないが、コンデンサ１の電圧よりも小さい容量を有した鉛電池よりなる補助電源９、リアクトル１０、スイッチング素子１１，１２およびスイッチング素子１２と逆並列接続されたダイオードＤ、シャント抵抗ＳＨを有している。なお、このうちのリアクトル１０とスイッチング素子１１とで昇圧回路が形成されている。この昇圧回路は、補助電源９が２４Ｖ時には不要であるが、補助電源９の容量を小さくして軽量化を図るためには備えた方が有利である。
自転車には電気二重層コンデンサ１とこのバックアップ用電源８が後述するモータと共に搭載され、充電時にはコネクタＣ，Ｃの部分で充電装置２と接続して充電し、走行時にはこのコネクタＣ，Ｃの部分より分離される。
【００１０】
コンデンサ１が充電されている状態で電動アシスト自転車を運転走行すると、平地や登坂時等ではモータが駆動状態となり、モータ駆動時には電気二重層コンデンサ１よりモータに電力が供給される。コンデンサ１の電圧が低下すると、昇圧回路を形成するスイッチング素子１１をオンオフ制御することにより、２Ａ電流をバッテリー９からコンデンサ１に流し込んで充電し、コンデンサ１の電圧を２４〜３０Ｖに保持する。
自転車が坂道を下るときやブレーキをかけた状態となったときには、モータは発電機となって電圧を発生する。モータが回生状態となった時には、電流が電気二重層コンデンサ１に流れ込み、このコンデンサ１を充電する。
すなわち、電気二重層コンデンサ１はモータ駆動時にはパワーを供給し、回生時には充電されるが、一般には、供給状態がより多く継続されることから徐々にコンデンサ１の電圧が低下し、充電要求状態となる。
【００１１】
充電時にはコネクタＣ，Ｃを介して１００Ｖの交流電源ＡＣにコンデンサ１を接続し、スイッチング素子５をオンすることにより二重コンデンサ１は充電される。この時、コンデンサ１の容量が上記した２５Ｆ／３２．４Ｖであったとすると、１００Ｖ電圧を印加することにより、コンデンサには５Ａで充電し、スイッチング素子５のスイッチング周波数を略４０ｋＨｚで、充電電圧を３０Ｖにて充電するものとすると、３０Ｖへの到達時間は１５０ｓｅｃ程度の短時間にて充電が完了する。
【００１２】
ここで、バックアップ用電源８が接続されている場合には、電気二重層コンデンサ１の電圧が３０Ｖになったことを図示省略された検出器で検出し、スイッチング素子１２を制御することによりリアクトル１０を介して補助電源９を充電する。この時の充電電流は２Ａ程度の定電流充電とし、例えば２８Ｖに達した時に充電完了とする。
なお、補助電源８の充放電電流の積算は鉛電池に直列に接続されたシャント抵抗ＳＨにて検出して放電率監視を行う。
【００１３】
このバックアップ用電源８が接続されている場合、自転車の走行中において電気二重層コンデンサ１が放電してその電位が低下すると、リアクトル１０とともに昇圧回路を形成しているスイッチング素子１１をオン、オフ制御することによってコンデンサ１を充電し、このコンデンサ電圧を２４〜３０Ｖに保持する。
すなわち、スイッチング素子１１をオンすることにより補助電源９より、リアクトル１０、スイッチング素子１１およびシャント抵抗ＳＨのルートで電流が流れる。この放電途中にスイッチング素子１１をオフすることにより、リアクトル１０に蓄積されたエネルギーによって昇圧されてリアクトル１０、ダイオードＤ、電気二重層コンデンサ１、シャント抵抗ＳＨおよび補助電源９のルートで電流が流れ、コンデンサ１は充電される。
【００１４】
図２は他の実施形態を示したもので、図１の回路に電圧保持回路１３を追加したものである。電圧保持回路１３は、リアクトル１４、スイッチング素子１５，１６、スイッチング素子１６と逆並列接続されたダイオード１８およびコンデンサ１８を有している。
なお、リアクトル１４とスイッチング素子１５とによって昇圧回路を構成してバックアップ用電源８の昇圧回路と同様の機能を有している。
【００１５】
この実施形態においては、電気二重層コンデンサ１の充電時には、スイッチング素子１６を制御することによって行われる。
電気二重層コンデンサ１およびコンデンサ１８が充電されている状態で電動アシストモータへ電力が供給されると、コンデンサ１８より電荷が放電されてコンデンサ１８の電圧が低下する。この時、コンデンサ１８の電圧を一定に保持すべくスイッチング素子１５をオン制御することによりリアクトル１４には、コンデンサ１、リアクトル１４、スイッチング素子１５経路で電流が流れる。この電流が流れている状態でスイッチング素子１５をオフすると、リアクトルに蓄えられたエネルギーでリアクトル１４、ダイオード１７、コンデンサ１８、コンデンサ１の経路でコンデンサ１８を充電してこのコンデンサ１８の電圧を高めて一定値に保つ。この動作はアシストモータが駆動している間行われる。
【００１６】
いま、自転車が下り坂となり、その走行速度が自転車の設定速度以上に加速されると、アシストモータを発電機として動作させるべく電力変換装置はコンバータとして動作し、交流を直流に変換してコンデンサ１８を充電し、コンデンサ電圧を上昇させる。
コンデンサ電圧が上昇するとスイッチング素子１６がオン動作し、リアクトル１４を介して電気二重層コンデンサ１を充電する。この動作はコンデンサ１８の電圧が設定値になるまで行われ、コンデンサ１の充電電力は電動自転車の制動力として働く。
【００１７】
ところで、電気二重層コンデンサ１の充電電圧のみでコンデンサ１８の電圧を保てない場合が想定される。例えば、自転車が長い坂道を登坂走行するような場合には、コンデンサ１の電圧が極端に低下することになり、駆動力を保つことが出来なくなる。このような場合には、図１と同様にスイッチング素子１１を制御することによってコンデンサ１を充電する。
【００１８】
図３は電動アシスト自転車におけるアシスト率と走行速度との関係を示したものである。点線で示すように時速１５ｋｍまでのアシスト率は１となっており、１５〜２４Ｋｍまでは暫減し、２４ｋｍ以上はアシスト率は零となっている。
【００１９】
図４は体重６０ｋｇの人が自転車で坂道走行したときの必要駆動力を、平坦路を走行したときの必要駆動力との比で示したもので、坂道走行時の必要駆動力が大きく人の負担が大きいことが理解できる。
電動アシスト自転車では、この負担を軽減し、且つ、効率的なバッテリーエネルギーの消費を図らなければならない。ここで、総合駆動力は、
総合駆動力＝人力駆動力＋アシスト駆動力＝人力駆動力（１＋アシスト率）
で表せる。
アシストモータの駆動力を、平坦路走行駆動力の６倍とした場合のアシスト率を示したものが図５である。この場合、最大総合駆動力は人力駆動力を平坦路駆動力の倍としたときであるから、最大駆動力＝２（１＋３）＝８倍となる。
図４から７．３度の坂道走行を平坦路走行時の倍の踏み込み力で走行できることになる。
【００２０】
一方、バッテリーの消費量でみると、モータ消費エネルギーＰは、モータ発生トルクをτ、モータ回転数をＮとすると
Ｐ＝ｋτＮ
となる。すなわち、回転数が低いと消費エネルギーも小さくなる。この点を考慮して制御しようとしたものが図３の実線で示すアシスト率の制御で、バッテリーの消費エネルギーを効率的にしながら、特に登坂路よりの自転車スタート時のような場合には、楽な走行を可能としたものである。
ここで、アシスト率３の範囲を５ｋｍ／ｈ以下とした理由は、自転車の適用範囲を確保することを考慮することと、平坦路を１５ｋｍ／ｈの速度で走行した時の消費エネルギーで７．３度の坂道を５ｋｍ／ｈの速度で登坂できることによる。更に、走行速度が１５ｋｍ／ｈ以上の減アシスト領域では人力駆動力が零でブレーキ操作が行われると、その速度を保持すべく回生運転して制動エネルギーをバッテリーで吸収充電し、下り坂での高速走行を防止して安全の確保を図るものである。
【００２１】
図６は回生制動可能なアシストモータを含む駆動部を示したもので、この駆動部は自転車の後輪に設置される。
同図において、２０は車軸、２１は車軸に嵌合されたベアリングで、その外側にはクラッチ２２を介して一体的にスプロケット２３が回動自在に取り付けられている。このスプロケット２３には、図示省略されているが、ペダルに連設されるチェーンが張られる。２４は第２の継ぎ手で、円盤状で且つ中空部を有するように形成され、その一部はクラッチ２２に連結されており、その外側には車輪のスポークが取り付けられるスポーク孔２５が設けられている。継ぎ手２４の中空部内には、車軸２０に固着された支柱板２６が延伸して配設されており、その先端円周に沿って固定子鉄心２７が配設され、この固定子鉄心２７には巻線２８が巻装されている。固定子鉄心２７とはギャップＧを介して永久磁石２９が円周に沿ってＮ，Ｓ極交互に配設されて回転子となっている。この２７〜２９によってアウタロータータイプの永久磁石式同期モータが構成されている。
【００２２】
３０はプリント板で、このプリント板３０には図１又は図２で示すバックアップ用電源や電圧保持回路および電力変換装置の電子部品が実装されていて支柱板２６にボルト等によって固定されている。３１は第１の継ぎ手で、クラッチ２２の側面に固着され、且つ、第２の継ぎ手２４との間に撓み継ぎ手３２を介在させている。３３は支柱板２６に配設されたホール素子で、このホール素子３３と対向した面の第１継ぎ手３１には磁石が配設されてＡ相用の位置検出が行われる。３４はＢ相用位置検出の磁石である。３５，３６はそれぞれベアリングである。
【００２３】
図６のように構成された駆動部は、ペダルを踏み込むことによりスプロケット２３、クラッチ２２および第２の継ぎ手２４に駆動力が伝達され、それらは各ベアリング２１、３５、３６によって支承されながら回転する。この回転によって継ぎ手２４に固着された永久磁石２９も回転し、回転する永久磁石２９と固定子巻線２８との間で発生する吸引力と反発力を利用して回転子位置によって固定子巻線２８に流れる電流方向を切り替えることにより回転を継続させる。
【００２４】
【発明の効果】
以上のとおり、本発明によれば、電動アシスト自転車の主電源として電気二重層コンデンサを使用することにより、軽量で寿命が長く、且つ、短時間で充電が可能なアシスト自転車が得られるものである。
主電源である二重層コンデンサと共に補助電源を用いることにより、この補助電源は容量の小さいものでよく、その際には充電装置による充電間隔が長くなり、且つ、駆動モータをアウターロータータイプの永久磁石式同期モータとすることにより減速機構がなくなり、極めて少ない損失で駆動力をタイヤに伝達でき、しかも回生制動が可能となって電源が充電されるので、小さい容量でも長距離走行が可能となる。
また、自転車の低走行範囲（少なくとも５ｋｍ／ｈ以下）のアシスト率を通常アシスト率１．０以上とすることにより、低消費エネルギーで登坂路などのスタートが可能となるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態を示す回路構成図。
【図２】本発明の他の実施形態を示す回路構成図。
【図３】アシスト率ー速度特性図。
【図４】対平坦路駆動力比ー勾配特性図。
【図５】アシスト率ー対平坦路駆動力比特性図。
【図６】駆動部の構成図。
【符号の説明】
１…電気二重層コンデンサ
２…充電装置
３…整流器
４，１８…コンデンサ
５，１１，１２，１５，１６…スイッチング素子
６，１０，１４…リアクトル
７…ダイオード
８…バックアップ用電源
９…補助電源
１３…電圧保持回路

Claims

電源と駆動モータとの間に電流方向が正逆方向に流れるよう構成された電力変換装置を備えた電動アシスト自転車において、
前記駆動モータをアウターロータータイプの永久磁石式同期モータを用い、且つ前記電源を電気二重層コンデンサとし、この電気二重層コンデンサと並列にこの電気二重層コンデンサに対するバックアップ用電源を接続し、このバックアップ用電源容量は電気二重層コンデンサ容量よりも小さい補助電源とし、この補助電源と前記電気二重層コンデンサとの間にリアクトルとスイッチング素子よりなる昇圧回路を設けると共に、更に、前記電気二重層コンデンサと並列に、リアクトルとスイッチング素子よりなる昇圧回路を有する電圧保持回路を設けたことを特徴とした電動アシスト自転車の電源装置。
前記自転車の少なくとも５ｋｍ／ｈ以下の速度におけるアシスト率を１．０以上としたことを特徴とした請求項１記載の電動アシスト自転車の電源装置。