JP2005075194A - 電動自転車 - Google Patents

Abstract

【課題】 走行時初期に発生する電力をも効率よく利用することができ、しかも、電動モーターによる走行支援時にも余力をエネルギー変換し、電力として蓄えることが可能なエネルギー利用効率のよい電動自転車を提供すること。
【解決手段】 Ｍ／Ｇユニット２０には、それぞれ後輪７の車軸に連結された発電機２１と電動モーター２２とが設けられている。パワーユニット３０内には、走行時に発電機２１により発生した電気を充電用バッテリー３１ｂに充電する充電用電気回路３１と、動力用バッテリー３２ａからの電力で電動モーター２２に電気を供給して走行を支援する動力用電気回路３２と、充電用電気回路３１の電圧を昇圧して動力用電気回路３２へ供給する昇圧器３３とが設けられている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、人力と電力とを推進力とする電動自転車に関する。

近年、人力による駆動に加え、蓄電池をエネルギー源とした電動モーターによる駆動力を補助的に用いることにより、坂道を上る際や、長時間の運転に際して乗員の肉体的ストレスを軽減することができる電動自転車が開発されている。

例えば、電動アシスト自転車と呼ばれる電動自転車は、平地や下り坂の走行で乗員の負担が小さい場合には、車軸に連結され車軸の回転に合わせて磁界を発生する電動モーターにより発電して蓄電池に充電し、逆に、上り坂など乗員の負担が大きくなる場合には、充電した電気を利用して電動モーターを回転させ、電動モーターにより得られる駆動力を車輪に伝え、人力による走行を支援(アシスト)する。

このような電動自転車の具体例は、特許文献１〜３に開示されている。
特開２００１−１１４１７９号公報（図１） 特開２０００−００６８７８号公報（図１、図２） 特開２０００−０１３９１６号公報（図１）

しかしながら、上述した従来の電動自転車では、予め充電された蓄電池を走行前に搭載するため、走行時初期に発生する電力を蓄電池に効率よく充電することができず、そのエネルギーはほとんどが発熱等により消費され、効率的なエネルギー変換が困難である。

また、従来の電動自転車は、トルクセンサー等の計器類や制御機器類を設けることで、人力や推進速度、充電率、電圧、電流をチェックし、電動走行や充電タイミングを設定しているが、電動モーターと蓄電池とはそれぞれ単一であるため、電動モーターによる発電と電動モーターによる駆動とを同時に行うことはできない。そのため、電動モーターの駆動時に発生する余力エネルギーは還元されることなく消費され、エネルギー利用効率が悪いという問題がある。

本発明は、従来の問題点に鑑みてなされたものであり、走行時初期に発生する電力をも効率よく利用することができ、しかも、電動モーターによる走行支援時にも余力をエネルギー変換し、電力として蓄えることが可能なエネルギー利用効率のよい電動自転車を提供することを目的とする。

本発明の請求項１にかかる電動自転車は、上記の目的を達成させるため、ペダルに加えられた乗員の踏力と、電動モーターによる回転力とを伝達して動輪を回転させることが可能な構成において、動輪の車軸に連結された発電機と、同様に車軸に連結された電動モーターと、発電機に電気的に接続された充電用バッテリーを有し、動輪の回転に伴って発電機により発生させた電気エネルギーを充電用バッテリーに充電する充電用電気回路と、電動モーターに電気的に接続された動力用バッテリーを有し、動力用バッテリーの電気エネルギーを電動モーターで運動エネルギーに変換して動輪を駆動する動力用電気回路とを備え、充電用電気回路と動力用電気回路とを電気的に接続し、充電用バッテリーから動力用バッテリーへの電気の伝達を可能としたことを特徴とする。

また、請求項２にかかる電動自転車は、動力用電気回路と充電用電気回路との間に、充電用バッテリーから動力用バッテリーへ単一方向にのみ電気を伝達させるために、充電用バッテリーから供給される電力を動力用バッテリーに必要な電圧より昇圧させて供給する昇圧器を備えることを特徴とする。

さらに、請求項３にかかる電動自転車は、動力用バッテリーの規定電圧が充電用バッテリーと同一であって、動力用バッテリーの充電容量が充電用バッテリーの約２倍であることを特徴とする。

請求項１の構成によれば、動力用バッテリーを予め充電して搭載し、必要に応じて電動モーターによる走行支援を受けることができ、かつ、走行時初期に発生する電力は充電用バッテリーに充電し、充電された電気を必要に応じて動力用バッテリーに伝達することにより、効率的な電力利用ができる。また、電動モーターと発電機とが別に設けられているため、電動モーターによる走行支援時にも余力を電気エネルギーに変換し、充電用バッテリーに電力として蓄えることができ、エネルギー利用効率のよい電動自転車を提供することができる。

また、請求項２の構成によれば、電動モーターを駆動するための充電用バッテリーから充電用の動力用バッテリーへの電流の逆流を防ぐことができる。
さらに、請求項３の構成によれば、充電用バッテリーの容量を小さくして軽量化が可能となる。すなわち、電力が充電用バッテリーに充電されるに伴い、昇圧器を介して動力用バッテリーに自動的に充電されるため、充電用バッテリーは動力用バッテリーより小容量のもので足りる。したがって、請求項３のように構成することで、充電用バッテリーとして十分な機能を持たせつつ、軽量化を図ることが可能となる。

以下、この発明にかかる電動自転車の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、本実施の形態にかかる電動自転車の電気系統の概要を示すブロック図、図２は、本実施の形態にかかる電動自転車の全体図である。最初に、図２に基づいて本発明の電動自転車の全体構成を説明する。

図２に示すように、電動自転車１は、フレーム２の先端に、ハンドルステム３を回動可能に取り付け、ハンドルステム３に連結するフロントフォーク４により前輪５を回転可能に支持している。ハンドルステム３の中間部には、表示器１０が固定され、上端にはハンドル６が取り付けられている。また、ハンドル６の右手部分には、後に説明するスイッチノブ１１と動力制御グリップ１２とが設けられている。

フレーム２の後端には、動輪である後輪７が取り付けられている。後輪７は、ペダル８を踏むことによりチェーン９を介して駆動される。また、後輪７の中心部には、後述する発電機と電動モーターとが組み込まれたＭ／Ｇユニット２０が設けられている。すなわち、電動自転車１は、ペダル８に加えられた乗員の踏力と、電動モーターによる回転力とを伝達して後輪７を回転させることが可能である。

また、フレーム２には、パワーユニット３０が設けられている。パワーユニット３０は、表示器１０、およびＭ／Ｇユニット２０に接続されている。次に、これらの接続関係を図１に基づいて説明する。

図１に示すように、Ｍ／Ｇユニット２０には、それぞれ後輪７の車軸７ａに連結された発電機２１と電動モーター２２とが設けられている。発電機２１は、３相交流を発生する交流発電機であり、電動モーター２２は交流電力により駆動されるＤＣブラシレスモータである。また、パワーユニット３０内には、走行時に発電機２１により発生した電気を受ける充電用電気回路３１と、電動モーター２２に電気を供給して走行を支援する動力用電気回路３２と、充電用電気回路３１の電圧を昇圧して動力用電気回路３２へ供給する昇圧器３３とが設けられている。

充電用電気回路３１は、自転車の走行に伴って発電機２１により発電された３相交流を直流に変換する整流器３１ａと、この整流器３１ａに接続された充電用バッテリー３１ｂとを有し、後輪７の回転に伴って発電機２１により発生させた電気エネルギーを充電用バッテリー３１ｂに充電する。

一方、動力用電気回路３２は、電動モーター２２に駆動用の電力を供給する動力用バッテリー３２ａと、動力制御グリップ１２に連動するアクセレータ３２ｂによる制御を受けて電動モーター２２の回転を制御する動力パワー制御回路３２ｃとを有し、動力用バッテリー３２ａの電気エネルギーを電動モーター２２で運動エネルギーに変換して後輪７を駆動する。動力パワー制御回路３２ｃは、動力用バッテリー３２ａから供給される直流電力の電圧をアクセレータ３２ｂの設定に応じて変更し、これにより内蔵する図示せぬトランジスタインバータの直流入力電圧を変更して電動モーター２２の回転速度を制御する。
表示器１０は、動力用バッテリー３２ａの充電電圧を表示するためのアナログ式のメーターを備える。

図３は、図１に示される電気系統の構成をより具体的に示す回路図である。すなわち、三相交流発電機である発電機２１からの配線G1、G1′、G1″は整流器３１ａに接続され、発電機２１により発電された電力は三相の交流から直流電流に整流される。整流された直流電流は、スイッチSW2あるいは、スイッチSW1-1がオンの時に充電用バッテリー３１ｂに充電される。

電動モーター２２には、動力パワー制御回路３２ｃを介して配線M1、M1′、M1″が接続され、スイッチSW1-2がオンの時、アクセレータ３２ｂの設定に応じた電力が電動モーター２２に供給されて電動モーター２２を回転させる。

なお、充電用バッテリー３１ｂは、規定電圧１２Ｖの単一のバッテリーであり、動力用バッテリー３２ａは、規定電圧１２Ｖのバッテリーを２つ直列に接続して構成されている。したがって、動力用バッテリー３２ａは、規定電圧が充電用バッテリー３１ｂと同一であって、充電容量が充電用バッテリー３１ｂの約２倍である。

絶縁型の昇圧器３３は、充電用バッテリー３１ｂから動力用バッテリー３２ａへ単一方向にのみ電気を伝達させるために、充電用バッテリー３１ｂから供給される電力を動力用バッテリー３２ａに必要な電圧２４Ｖより昇圧させて動力用電気回路３２に送る。
動力用電気回路３２には、ダイオードＤおよび抵抗Ｒ１を直列に接続して構成される逆流防止回路３２ｄが動力用バッテリー３２ａと並列に接続されており、電流の逆流を防いでいる。

動力用バッテリー３２ａからの電流は、ヒューズ３２ｅを介して動力パワー制御回路３２ｃに供給される。なお、スイッチSW1-1、SW1-2は、一つの操作で同時にオンオフされるメインスイッチである。一方、スイッチSW2は、充電用電気回路３１の専用スイッチであり、スイッチSW1-1、SW1-2がオフの時にも充電、すなわち回生による制動を可能とするために設けられている。
本実施の形態では、スイッチSW1-1、SW1-2、SW2は、３段階選択可能なスイッチノブ１１に接続され、１段階で全線オフ、２段階でSW2のみオン、３段階で全線オンとなるよう構成されている。
このような構成に代えて、スイッチSW1-1とSW1-2とをキースイッチに連動して同時にオンオフするメインスイッチとし、スイッチSW2をブレーキレバーに連動させて、ブレーキ作動時に回生による制動をかけるようにしてもよい。

図４は、ハンドル６の右手部分を拡大して示す斜視図である。図３も参照して説明すると、スイッチノブ１１は、上記のような３段階のスイッチであり、スイッチSW1-1、SW1-2用の配線G3、G3′、M2、M2′が接続されると共に、スイッチSW2用の配線G2、 G2’が接続されている。一方、動力制御グリップ１２、すなわちアクセレータ３２ｂには、動力パワー制御回路３２ｃに接続される配線M3、M3′、M1、M1′、 M1″が接続されている。動力制御グリップ１２は、オートバイクのスロットルグリップと同様の構成であり、電動モーター２２の駆動時、手前に回転させるほど電動モーター２２の回転数を上昇させることができる。

図５は、Ｍ／Ｇユニット２０の構造を示す断面図である。フレーム２に固定された後輪７の車軸７ａには、軸方向の両サイドに配置されたベアリング４０、４１を介してローター４３が回転自在に取り付けられている。このローター４３の図中右端には、チェーンスプロケット４４が備えられ、図２に示すチェーン９はこのチェーンスプロケット４４に係合しており、乗員がペダル８を踏むことにより、ローター４３と後輪７とが一体に回転する。

ローター４３は、一対のカップ状部材４３ａ、４３ｂを向かい合わせに接合して構成され、その内部に発電機２１と電動モーター２２とを内蔵している。ローター４３の円筒状の内周壁には、円周方向に沿ってＮ極とＳ極とが交互に配置された永久磁石２３が固定され、車軸７ａには、図中左側に発電機用コイル２４が装着されると共に、図中右側に電動モーター用コイル２５が装着されている。これらのコイル２４、２５は、車軸７ａの中央部分に軸方向に対して垂直に形成された隔壁７ｂを境として両側に配置されている。なお、隔壁７ｂには配線用の穴が形成されており、この穴と車軸７ａの中空部を通して発電機用コイル２４からは配線G1、G1′、G1″が引き出され、電動モーター用コイル２５からは配線M1、M1′、M1″が引き出されている。

上記の構成により、配線M1、M1′、M1″に電流が流されると、電動モーター用コイル２５に発生する磁力と永久磁石２３の磁力との相互作用により、ローター４３に回転力が発生する。また、ローター４３の回転時には、回転する永久磁石２３の磁界により発電機用コイル２４に電気エネルギーが発生する。

次に、本実施の形態の電動自転車１について、実際の走行に照らし合わせ、その作動を説明する。使用前に、動力用バッテリー３２ａを予め充電して搭載する。走行をはじめる際には、乗員がペダル８を踏むことによる人力による始動のほか、右ハンドル部に装備されたスイッチノブ１１を操作して、予めスイッチSW1-1、SW1-2、SW2を全てオンとした上で、動力制御グリップ１２を手前に回転させると、電動モーター２２による推進力を補助動力として電動自転車を始動することが可能である。

上り坂などで動力モーター２２による走行支援が必要な場合にも同様に操作すればよい。動力モーター２２による走行支援を受ける際にも、発電機２１により発電された電力は充電用バッテリー３１ｂに充電される。

人力による走行時、余力がない場合には、スイッチノブ１１を操作してスイッチSW1-1、SW1-2、SW2を全てオフにする。この場合には、動力モーター２２による走行支援がなく、かつ、充電も行われないため、乗員に対する余分な負荷がかからない。下り坂などで余力がある場合には、スイッチノブ１１を操作して、スイッチSW2のみをオンさせる。これにより、発電機２１が発電した電力が充電用バッテリー３１ｂに充電され、かつ、回生に伴う制動力が後輪７に作用し、下り坂での加速を抑制することができる。

なお、発電された電力は、動力用バッテリー３２ａが十分に充電されている走行時初期にも、充電用バッテリー３１ｂに充電されるため、電力を効率よく利用することができる。また、発電された電力は、充電用バッテリー３１ｂに充電されるほか、自動的に昇圧器３３にも伝達されるが、昇圧器３３から動力用電気回路３２側への電気の伝達は、動力用バッテリー３２ａで用意された電力総容量ＤＣ２４Ｖを満たす条件下で可能なように、昇圧器３３の昇圧レベルもＤＣ２４Ｖ以上に設定してある。このため、動力用バッテリー３２ａが許容容量ＤＣ２４Ｖに近く充電されている場合、および、昇圧器３３側での電力の昇圧レベルが規定電圧に達するまでは、充電用電気回路３１側から動力用電気回路３２側への電力の供給はされない仕組みとなっている。これは、動力用電気回路３２に設置された動力用バッテリー３２ａに過度な電力が供給されることにより、バッテリーが破損し、あるいは、寿命が短縮するのを防ぐためであり、さらには、過度の吸引により、充電用バッテリー３１ｂの充電・消費が頻繁になり、充電用バッテリー３１ｂが消耗し、または破損し、あるいは、蓄電能力が低下するのを防ぐためである。

本発明の範囲は、以上説明した実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された範囲内で種々の変形が可能である。
例えば、実施の形態では充電、走行支援の切り替え等をすべて乗員のスイッチ操作で行うようにしているが、マイコンを利用し、速度や踏力に応じて自動的に切り替えるようにしてもよい。また、発電機と電動モーターとは、直流式でも交流式でもよく、例えば発電機を直流式とした場合には整流器は不要となる。

本発明の実施の形態にかかる電気自転車の電気系統の概要を示すブロック図である。 本発明の実施の形態にかかる電動自転車の全体図である。 図１に示される電気系統の構成をより具体的に示す回路図である。 図２に示す電動自転車のハンドルの右手部分を拡大して示す斜視図である。 図２に示す電動自転車のＭ／Ｇユニット２０の構造を示す断面図である。

符号の説明

１：電動自転車
２：フレーム
６：ハンドル
７：後輪
８：ペダル
１０：表示器
１１：スイッチノブ
１２：動力制御グリップ
２０：Ｍ／Ｇユニット
２１：発電機
２２：電動モーター
３１：充電用電気回路
３１ａ：整流器
３１ｂ：充電用バッテリー
３２：動力用電気回路
３２ａ：動力用バッテリー
３２ｂ：アクセレータ
３２ｃ：動力パワー制御回路
３３：昇圧器

Claims (3)

1. ペダルに加えられた乗員の踏力と、電動モーターによる回転力とを伝達して動輪を回転させることが可能な電動自転車において、
   前記動輪の車軸に連結された発電機と、
   同様に該車軸に連結された電動モーターと、
   前記発電機に電気的に接続された充電用バッテリーを有し、前記動輪の回転に伴って前記発電機により発生させた電気エネルギーを前記充電用バッテリーに充電する充電用電気回路と、
   前記電動モーターに電気的に接続された動力用バッテリーを有し、該動力用バッテリーの電気エネルギーを前記電動モーターで運動エネルギーに変換して前記動輪を駆動する動力用電気回路とを備え、
   前記充電用電気回路と前記動力用電気回路とを電気的に接続し、前記充電用バッテリーから前記動力用バッテリーへの電気の伝達を可能としたことを特徴とする電動自転車。
2. 前記充電用電気回路と前記動力用電気回路との間に、前記充電用バッテリーから前記動力用バッテリーへ単一方向にのみ電気を伝達させるために、前記充電用バッテリーから供給される電力を前記動力用バッテリーに必要な電圧より昇圧させて供給する昇圧器を備えることを特徴とする請求項１に記載の電動自転車。
3. 前記動力用バッテリーは、規定電圧が前記充電用バッテリーと同一であって、充電容量が前記充電用バッテリーの約２倍であることを特徴とする請求項２に記載の電動自転車。

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