JP2005145309A - 電動補助自転車のバッテリ放電制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 バッテリの劣化による放電容量の低下を判定し、これに応じてモータの駆動電流を制御することにより、走行距離の減少を抑えるとともに、適正なアシスト制御を長く維持できる電動補助自転車のバッテリ放電制御方法を提供する。
【解決手段】 踏力を補助するアシスト用モータ４２と、該モータ４２の電源であるバッテリ６０と、該モータを駆動制御するコントローラ４３とを有する電動補助自転車のバッテリ放電制御方法において、バッテリ６０の内部抵抗を計測し、この内部抵抗に基づいて前記モータ４２の駆動電流に対し制限値を設ける。
【選択図】 図４

Description

本発明は、電動補助自転車のバッテリ放電制御方法に関する。

電動補助自転車が特許文献１に開示されている。この電動補助自転車は、ペダルに踏み込まれる踏力をトルクセンサで検出し、アシストモードにおいてこの踏力に応じた補助動力をモータから付与する。このモータの駆動電流を算出する場合、まず、バッテリからの電源を投入し、モータによるアシスト制御を開始するときに、無踏力状態のトルクセンサのトルク値（ゼロ点）を計測する。続いて、ペダル回転に同期して最上点（上ピーク値）及び最下点（ボトム値）を繰り返して変動する踏力のトルクセンサ出力の検出データを読込み、このトルク検出データの値からゼロ点の値を差し引いて踏力を算出する。この踏力に基づいて前記モータの駆動電流指令値を算出する。モータはこの電流指令値に基づいて回転し、所定のアシスト比でペダル踏力を補助する。

モータの駆動電源となるバッテリは、経年劣化により内部抵抗が上昇すると放電容量が低下する。放電容量が低下すると、走行距離が減少し、また放電末期の電動アシストシステムのシステムダウン等の不具合が発生し適正なアシスト制御ができなくなる。

特開平１１−１７１０８１号公報

本発明は、上記従来技術を考慮したものであって、バッテリの劣化による放電容量の低下を判定し、これに応じてモータの駆動電流を制御することにより、走行距離の減少を抑えるとともに、適正なアシスト制御を長く維持できる電動補助自転車のバッテリ放電制御方法の提供を目的とする。

前記目的を達成するため、請求項１の発明では、踏力を補助するアシスト用モータと、該モータの電源であるバッテリと、該モータを駆動制御するコントローラとを有する電動補助自転車のバッテリ放電制御方法において、バッテリの内部抵抗を計測し、この内部抵抗に基づいて前記モータの駆動電流に対し制限値を設けることを特徴とする電動補助自転車のバッテリ放電制御方法を提供する。

請求項２の発明では、前記内部抵抗が所定時間に所定の閾値を越えた回数に応じて予め前記駆動電流の制限値を書き込んだマップを作成し、この内部抵抗に基づくマップを用いて前記モータを駆動制御することを特徴としている。

請求項３の発明では、前記バッテリの充放電履歴に基づくバッテリ履歴劣化度に応じて予め前記駆動電流の制限値を書き込んだマップを作成し、この履歴劣化度に基づくマップを用いて前記モータを駆動制御することを特徴としている。

請求項４の発明では、前記内部抵抗に基づくマップ及び前記履歴劣化度に基づくマップの両方を備え、両マップの制限値のうち低い方の制限値により前記モータを駆動制御することを特徴としている。

請求項１の発明によれば、バッテリの内部抵抗を計測し、バッテリ劣化によりこの内部抵抗が高くなっていた場合に、内部抵抗に応じてモータの駆動電流の上限値に制限を設けてバッテリ放電を抑制するため、バッテリ劣化判断を短時間で行い、バッテリの放電容量が減っている状態であっても、アシスト走行による走行距離を延ばすことができる。すなわち、従来のバッテリ管理では、バッテリ容量を出し切ったところで劣化判定しており、約３０〜６０分程度必要になっていたが、本発明では、約１０秒程度ごとに劣化判断ができる。また、アシスト制御用のコントローラを利用することができるため、構造を複雑にすることがなく、コストの上昇が抑えられる。

請求項２の発明によれば、走行中のバッテリ内部抵抗の計測データがペダル駆動に同期して脈動する場合に、所定時間（例えば数１０秒）内に内部抵抗が所定の閾値を越えた回数に基づくマップを用いることにより、劣化に基づく放電容量の低下を確実に判定して放電を抑制し、適正なアシスト制御による走行を長く継続することができる。

請求項３の発明によれば、過去のバッテリの充放電回数や充放電量などのバッテリ履歴により劣化度を判定し、この劣化度に基づくマップを用いることにより、バッテリの放電容量の低下を確実に判定して適正なアシスト制御による走行を長く継続することができる。

請求項４の発明によれば、内部抵抗に基づくマップと履歴劣化度に基づくマップのいずれか低い方の電流制限値を用いてアシスト用モータを駆動制御するため、バッテリの放電容量が低下している場合の放電量を確実に抑えることができる。

図１は、本発明が適用される電動補助自転車の側面図である。
電動補助自転車１は、左右のハンドル２の中央のステアリング軸３が挿通するヘッドパイプ４を有し、ステアリング軸３が左右のフロントフォーク５に連結され前輪６の方向を操作する。ヘッドパイプ４にはダウンチューブ７が接合され、サドル８の下方のシートチューブ９に連結される。これらのダウンチューブ７およびシートチューブ９の下端部にカバー１０に上部を覆われた走行用電動モータ３７等の電気駆動系とペダルクランク軸１２等の人力駆動系とを一体化したパワーユニット１１が支持される。このパワーユニット１１において、ペダルクランク軸１２と同軸的に配置された合力機構（図示しない）により、ペダル１５からの踏力とモータ力が融合される。この合力機構は例えば遊星歯車機構からなり、この遊星歯車機構に連結してペダル１５からの踏力に応じて変位するトルクセンサ（図示しない）が設けられる。

パワーユニット１１の後部には補助動力制御用コントローラ１３が設けられる。このコントローラ１３は、後述の車速計算手段（図２）で求めた車速に基づいて、速度に応じたアシスト比となるようにモータ３７を駆動制御するためのマイクロコンピュータにより構成される。このようなコントローラ１３の設置位置は、図の例に限らず、ダウンチューブ７の途中あるいはカバー１０の内部、フロントフォーク５、チェーンステー３８、シートステー３９の途中その他の適当な位置であってもよい。

サドル８の下部のシートチューブ９の後方にはバッテリケース１４が上方に着脱自在に設けられ内部にモータ３７駆動用のバッテリが収納される。ペダルクランク軸１２上で合力機構により融合された踏力と補助動力は、チェーン１６により後輪１７に伝達されこれを回転駆動する。後輪１７のハブ１８には、チェーン１６の回転を伝達するスプロケット（図示しない）及びロータリ式またはスライド式の変速ギヤ機構（図示しない）が設けられ、これに近接したフレーム側にはこの変速ギヤ機構を駆動するモータあるいはソレノイドからなるアクチュエータが装着される。

図２は本発明の実施形態に係る電動補助自転車のバッテリ放電制御を行うアシスト制御装置のブロック構成図である。
このアシスト制御装置は、ペダル踏力を検出するトルクセンサ４１と、このトルクセンサ４１の検出トルクに基づいてパルスモータからなる電動モータ４２の駆動電流を算出してこれを駆動制御するためのコントローラ４３と、コントローラ４３からの駆動信号により電動モータ４２を駆動するためのモータ駆動回路４４と、モータ４２の電流を検出するための電流検出回路（電流計）４５と、モータ４２の回転を検出するためのエンコーダ４６とにより構成される。

コントローラ４３は、例えばＣＰＵからなり、予め設定されたソフトプログラム又はハード回路によるモータ回転数計算手段４７、車速計算手段４８、トルクセンサ値加工フィルタ手段４９、トルク−電流計算手段５０、デューティ計算手段５１とを備える。トルクセンサ値加工フィルタ手段４９の出力側は、トルクセンサ異常判別手段５２に接続される。このトルクセンサ異常判別手段５２の出力側は、異常表示用のＬＥＤ５３に接続される。

電源スイッチがオンにされると、トルクセンサ４１によるペダル踏力検出動作が開始される。トルクセンサ４１で検出されたペダル踏力は、トルクセンサ値加工フィルタ手段４９でノイズ等を除去されるとともに、検出トルク及び車速に基づいて演算加工され、ペダル踏力に応じた出力電圧（加工トルク値）が得られる。車速は、コントローラ４３内で、エンコーダ４６からのパルス信号に基づいて、モータ回転数計算手段４７及び車速計算手段４８により演算され、トルクセンサ値加工フィルタ手段４９に入力される。

加工された後の加工トルク値はトルク−電流計算手段５０に入力され、加工トルクに応じた電流指令値が算出される。この電流指令値に基づき、デューティ計算手段５１で駆動パルスのデューティ比が算出され、ＰＷＭ出力としてモータ駆動回路４４に入力され、駆動電流に応じてバッテリ６０から放電電流が供給されモータ４２を駆動する。モータ４２の駆動電流は電流検出回路４５で検出されデューティ計算回路５１に戻されてフィードバック制御される。

図３は本発明に係るバッテリの内部抵抗計測値のグラフであり、（Ａ）は新品バッテリ、（Ｂ）は劣化したバッテリを示す。各図において、ａは電圧、ｂは内部抵抗、ｃは電流のグラフである。内部抵抗ｂは、バッテリのシャント抵抗を計測したものであって、電圧ａ及び電流ｃを測定し、それらの検出値から抵抗値を演算したものである。

図示したように、各グラフａ，ｂ，ｃは、脈動するペダル踏力の周期に同期して脈動している。バッテリは、劣化すると内部抵抗が上昇する。本発明は、この内部抵抗の上ピーク値が所定時間内に所定の閾値を何回越えたかにより劣化の度合いを判定し、これに基づいて放電制御するものである。

新品バッテリの場合、（Ａ）に示すように、閾値を例えば２６Ωとすると、この閾値を越える回数は１回である（丸印）。これに対し劣化したバッテリの場合、（Ｂ）に示すように、閾値２６Ωを越える回数は４回である。

本発明では、このような閾値を越える回数に応じて、前述の図２に示したトルク−電流計算手段５０で演算されるモータの駆動電流指令値の上限に対し制限値を設け、一定以上の電流指令値をカットする。したがって、モータ４２（図２）は、常にこの制限値以下の電流で駆動されるため、バッテリ６０からの放電電流が抑えられる。

このような制限値は、前述のように閾値を越えた回数に基づくマップに予め書き込んでおいて、このマップをコントローラ内に準備しておき、このマップに基づいて電流指令値を制限する。このマップはバッテリの種類に応じて作成しておき、使用しているバッテリに応じて選択する。

別の実施例として、このような内部抵抗に基づくマップの他に、バッテリの充放電履歴に基づくマップを備えてもよい。すなわち、バッテリの過去の充放電回数や充放電量に対応してバッテリが劣化するため、この充放電履歴を記憶させ、これに基づいてバッテリの劣化度を判定する。この劣化度に基づいて前述のようにモータの駆動電流に対する制限値を設ける。これにより、各製品ごとに、多岐に渡る過去のバッテリ使用条件に応じてバッテリ劣化度を的確に判定して、その判定に基づいて駆動電流を制限し、バッテリの放電量を抑えて劣化したバッテリによる走行距離を延ばすことができる。

この充放電履歴に基づくマップは、さらに劣化度の判断基準としてバッテリが放電可能な電流容量を検出してこの電流容量をマップのパラメータとして用いてもよい。これにより、バッテリ劣化度がさらに確実に判定できる。

このような充放電履歴に基づくマップと、前述の内部抵抗に基づくマップを併用した場合、両方のマップからモータの駆動電流制限値が算出されるため、いずれか低い方の制限値により駆動電流を制限する。これにより、劣化したバッテリの放電電流を確実に抑え、走行距離を延ばすことができる。

図４は、本発明に係るバッテリ放電制御方法を実施するアシスト制御装置（図２）の要部構成を示すブロック図である。
コントローラ４３は、ＣＰＵ６２及びメモリ６１を備える。メモリ６１には内部抵抗に基づくマップ６３及び履歴に基づくマップ６４が格納される。メモリ６１にはさらにバッテリ６０の過去の充放電回数や充放電量等の履歴が書き込まれ記憶されている。ＣＰＵ６２は、バッテリ６０のシャント抵抗から演算した内部抵抗及び過去の履歴データに基づき、各マップ６３，６４からそれぞれ電流制限値を読み込む。各マップ６３，６４のうち小さい方の電流制限値を用いてモータ駆動電流を算出し、モータ駆動回路４４を介してモータ４２を駆動する。

本発明が適用される電動補助自転車の側面図。 本発明に係る電動補助自転車のアシスト制御装置の構成図。 バッテリ内部抵抗の測定グラフ。 本発明の実施例のブロック図。

符号の説明

１：電動補助自転車、２：ハンドル、３：ステアリング軸、
４：ヘッドパイプ、５：フロントフォーク、６：前輪、７：ダウンチューブ、
８：サドル、９：シートチューブ、１０：カバー、１１：パワーユニット、
１２：ペダルクランク軸、１３：コントローラ、１４：バッテリケース、
１５：ペダル、１６：チェーン、１７：後輪、１８：ハブ、
３７：電動モータ、３８：チェーンステー、
３９：シートステー、４１：トルクセンサ、４２：電動モータ、
４３：コントローラ、４４：モータ駆動回路、
４５：電流検出回路（電流計）、４６：エンコーダ、
４７：モータ回転数計算手段、４８：車速計算手段、
４９：トルクセンサ値加工手段、５０：トルク−電流計算手段、
５１：デューティ計算手段、５２：トルクセンサ異常判別手段、
５３：ＬＥＤ、６０：バッテリ、６１：メモリ、６２：ＣＰＵ、
６３：内部抵抗に基づくマップ、６４：履歴に基づくマップ。

Claims (4)

1. 踏力を補助するアシスト用モータと、該モータの電源であるバッテリと、該モータを駆動制御するコントローラとを有する電動補助自転車のバッテリ放電制御方法において、
   バッテリの内部抵抗を検出し、この内部抵抗に基づいて前記モータの駆動電流に対し制限値を設けることを特徴とする電動補助自転車のバッテリ放電制御方法。
2. 前記内部抵抗が所定時間に所定の閾値を越えた回数に応じて予め前記駆動電流の制限値を書き込んだマップを作成し、この内部抵抗に基づくマップを用いて前記モータを駆動制御することを特徴とする請求項１に記載の電動補助自転車のバッテリ放電制御方法。
3. 前記バッテリの充放電履歴に基づくバッテリ劣化度に応じて予め前記駆動電流の制限値を書き込んだマップを作成し、この履歴劣化度に基づくマップを用いて前記モータを駆動制御することを特徴とする請求項１又は２に記載の電動補助自転車のバッテリ放電制御方法。
4. 前記内部抵抗に基づくマップ及び前記履歴劣化度に基づくマップの両方を備え、両マップの制限値のうち低い方の制限値により前記モータを駆動制御することを特徴とする請求項３に記載の電動補助自転車のバッテリ放電制御方法。
   

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