JP2016020112A

JP2016020112A - 電動アシスト自転車の制御方法

Info

Publication number: JP2016020112A
Application number: JP2014143597A
Authority: JP
Inventors: 治明山岡; Haruaki Yamaoka
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2014-07-11
Filing date: 2014-07-11
Publication date: 2016-02-04

Abstract

【課題】回生状態とアシスト状態の切換えが頻発することを抑制することができ、乗り心地の良好な電動アシスト自転車の制御方法を提供する。
【解決手段】電動アシスト自転車１は、電気エネルギーを運動エネルギーに変換するとともに運動エネルギーを電気エネルギーに変換するエネルギー変換手段を有する。このような電動アシスト自転車１において、電動アシスト自転車１の加速度を閾値として電動アシスト自転車に運動エネルギーを与えるアシスト状態と電動アシスト自転車の運動エネルギーを電気エネルギーに変換する回生状態とを切り換えるための電動アシスト自転車の制御方法が使用される。この電動アシスト自転車の制御方法において、アシスト状態に切り換えるための閾値と回生状態に切り換えるための閾値とが異なる。
【選択図】図３

Description

この発明は、電動アシスト自転車の制御方法に関し、特にたとえば、上り坂においては運動エネルギーが与えられて軽くペダルを踏むことができるアシスト状態となり、下り坂においては運動エネルギーが電気エネルギーに変換されてバッテリに蓄えられる回生状態となる電動アシスト自転車に関する。

従来の電動アシスト自転車として、補助力を発生するためのモータとバッテリとを備えた補助動力付きの電動アシスト自転車の制御装置を有するものがある。このような電動アシスト自転車では、電動アシスト自転車の加速度が検出され、加速度の増減によって自転車の運動エネルギーが電気エネルギーに変換される回生状態と、蓄えられた電気エネルギーが運動エネルギーに変換されて自転車に運動エネルギーが与えられるアシスト状態とが切り換えられる（特許文献１参照）。

国際公開ＷＯ２０１４／００３０１７

しかしながら、このような電動アシスト自転車では、切り換え設定加速度付近で走行する場合、回生状態とアシスト状態とが頻繁に切り換わり、ペダルの負荷減少と負荷増大とが短時間で連続して発生する、いわゆるノッキング現象が生じて、乗り心地が悪くなる。また、このようなノッキング現象が生じると、回生状態とアシスト状態とが切り換わるときに、電力消費量が増加するという問題がある。

それゆえに、この発明の主たる目的は、回生状態とアシスト状態の切換えが頻発することを抑制することができ、良好な乗り心地を有する電動アシスト自転車の制御方法を提供することである。

この発明は、電気エネルギーを運動エネルギーに変換するとともに運動エネルギーを電気エネルギーに変換するエネルギー変換手段を有し、電動アシスト自転車の加速度を閾値として電動アシスト自転車に運動エネルギーを与えるアシスト状態と電動アシスト自転車の運動エネルギーを電気エネルギーに変換する回生状態とを切り換えるための電動アシスト自転車の制御方法であって、アシスト状態に切り換えるための閾値と回生状態に切り換えるための閾値とが異なることを特徴とする、電動アシスト自転車の制御方法である。
アシスト状態に切り換えるための閾値と回生状態に切り換えるための閾値とが異なるように設定されることにより、アシスト状態から回生状態に変換されるまでの時間が長くなり、回生状態からアシスト状態に変換されるまでの時間が長くなる。そのため、閾値付近の加速度で走行していても、アシスト状態と回生状態とが頻繁に入れ替わらず、ノッキング状態が発生しにくくなる。ノッキング状態の発生が少なくなると、ノッキング時における電力消費を抑えることができる。

このような電動アシスト自転車の制御方法において、電動アシスト自転車の複数の速度範囲において、それぞれアシスト状態に切り換えるための閾値と回生状態に切り換えるための閾値とが設定されることが好ましい。
電動アシスト自転車の複数の速度範囲において、アシスト状態に切り換えるための閾値と回生状態に切り換えるための閾値とが設定されることにより、複数の速度範囲においてアシスト状態と回生状態とが切り換えられる。したがって、複数の速度範囲において、適当な加速度を閾値として設定することにより、乗り心地の良好な電動アシスト自転車を得ることができる。

また、時速１０ｋｍ以上のいずれかの速度領域において、アシスト状態に切り換えるための閾値および回生状態に切り換えるための閾値がともに０ｋｍ／ｓ²より大きく、かつアシスト状態に切り換えるための閾値が回生状態に切り換えるための閾値より小さくなるように設定されることが好ましい。
特に、上り坂を走行する際に速度が低下してノッキング状態が発生しやすくなるが、少なくとも時速１０ｋｍ以上の速度で上り坂を進行している状態において、アシスト状態に切り換えるための閾値を回生状態に切り換えるための閾値より小さくしておくことにより、アシスト状態に切り換わりやすくなる。そのため、上り坂において速度が低下しにくくなり、ノッキング状態が発生しにくくなる。

さらに、アシスト状態に切り換えるための閾値と回生状態に切り換えるための閾値との判定間隔は３３０〜６００ｍｓに設定されることが好ましい。
ペダルを踏み込む途中でアシスト状態と回生状態とが切り換えられると、ペダルの踏み込み時に違和感が感じられるため、ペダルを踏み込んだ時点でアシスト状態とすべきか回生状態とすべきかを判定することが好ましい。一般的な自転車のペダル回転数は５０〜７０ｒｐｍであり、この場合、ペダルの１回転に必要な時間は約１２００ｍｓ〜８６０ｍｓである。また、ロードレーサーであってもペダル回転数は９０ｒｐｍ程度であると考えられ、ペダルの１回転に必要な時間は約６６０ｍｓである。自転車に乗るときには、左右のペダルを交互に踏み込むため、一方のペダルを踏み込む時間は、３３０〜６００ｍｓであると考えられる。そこで、一方の脚で踏み込む時間と加速度の判定間隔とを一致させることにより、一方の脚による踏み込み時間と加速度の判定間隔とを合わせることができる。それにより、一方の脚による踏み込みの間にアシスト状態と回生状態とが切り換わることが少なくなり、電動アシスト自転車の乗り心地を良好に保つことができる。

この発明によれば、電動アシスト自転車による走行時に、回生状態とアシスト状態とが頻繁に切り換わるノッキング状態が発生しにくくなり、乗り心地の良好な電動アシスト自転車を得ることができる。
さらに、ノッキング状態の発生が少なくなることにより、ノッキングによる電力消費量の増大を抑制することができる。

この発明の上述の目的、その他の目的、特徴および利点は、図面を参照して行う以下の発明を実施するための形態の説明から一層明らかとなろう。

この発明の電動アシスト自転車の一例を示す図解図である。図１に示す電動アシスト自転車の制御装置の一例を示すブロック図である。回生閾値とアシスト閾値の関係を示すグラフである。この発明の電動アシスト自転車を用いて実走した走行コースと各走行箇所における速度を示す図解図である。（Ａ）はこの発明の電動アシスト自転車を用いて図４に示す走行コースを実走したときの回生状態とアシスト状態の状況を示す図解図であり、（Ｂ）は従来の電動アシスト自転車を用いて図４に示す走行コースを実走したときの回生状態とアシスト状態の状況を示す図解図である。この発明の電動アシスト自転車と従来の電動アシスト自転車の電力消費量とを示す図解図である。

図１は、この発明の電動アシスト自転車の一例を示す図解図である。電動アシスト自転車１は、自転車車体２と、自転車車体２に一体的に取り付けられた補助動力装置４と、クランク軸６と、クランク軸６に取り付けられたペダルアーム８と、ペダルアーム８の先端に回転自在に取り付けられたペダル１０とを含む。

補助動力装置４は、概略、補助動力装置カバー４０と、補助動力装置カバー４０内に収容された直流モータ４２と、バッテリ４４と、制御装置２０（図１において図示せず）とを備えている。補助動力装置カバー４０内に収容された直流モータ４２は、電動アシスト自転車１の後輪側に搭載される。直流モータ４２は、バッテリ４４から供給される電気エネルギーを運動エネルギーに変換して、電動アシスト自転車１の後輪に加えることができるとともに、電動アシスト自転車１の後輪の運動エネルギーを電気エネルギーに変換してバッテリ４４に蓄えることができる。

また、バッテリ４４は、サドルの下側において、サドルを支持するためのシートポストに沿って搭載されるが、電動アシスト自転車１が走行する際に支障がない限り、電動アシスト自転車１におけるいずれの場所に搭載されてもよい。本実施の形態におけるバッテリ４４は、電動アシスト自転車１のクランク軸６付近とハンドル側との間にわたって形成されているフレームに沿って搭載されている。

図２は、電動アシスト自転車１の制御装置の一例を示すブロック図である。

制御装置２０は、概略、コントローラ２２と、速度センサ２６と、加速度センサ２７と、ドライバ２８と、アシストスイッチ３０と、回生スイッチ３２と、昇圧回路３４と、逆流防止用ダイオード３６とを備えている。速度センサ２６は、電動アシスト自転車１の速度を検出することができる。加速度センサ２７は、電動アシスト自転車１の加速度を検出することができる。なお、加速度を検出する方法として、加速度センサ２７を別途備えることなく、速度センサ２６により検出された速度に基づいて加速度を算出するようにしてもよい。

コントローラ２２は、速度センサ２６および加速度センサ２７からの入力信号に基づいて、制御信号をドライバ２８に出力する。コントローラ２２は、速度センサ２６が検出した速度および加速度センサ２７が検出した加速度に基づき、直流モータ４２およびバッテリ４４を、アシスト状態、回生状態およびニュートラル状態のいずれか１つの状態に切り換えることができる。

コントローラ２２は、電動アシスト自転車１の速度に応じて、電動アシスト自転車１をアシスト状態に切り換えるためのアシスト閾値と回生状態に切り換えるための回生閾値とが予め設定されている制御プログラムとして記憶されている。そして、ある速度において加速度センサ２７が検出した加速度が回生閾値を超えた場合に、直流モータ４２およびバッテリ４４が回生状態に切り換えられる。また、ある速度において加速度センサ２７が検出した加速度がアシスト閾値を超えた場合に、直流モータ４２およびバッテリ４４がアシスト状態に切り換えられる。

回生閾値およびアシスト閾値は、複数の速度範囲において設定される。ここで、各速度範囲において、回生閾値とアシスト閾値とが異なる値となるように設定される。したがって、電動アシスト自転車１の加速度が回生閾値を超えるまで回生状態に切り換わることはなく、電動アシスト自転車１の加速度がアシスト閾値を超えるまでアシスト状態に切り換わることはない。したがって、回生閾値とアシスト閾値とが異なる値となるように設定することにより、急激に回生状態からアシスト状態に切り換わったり、アシスト状態から回生状態に切り換わったりすることがなく、いわゆるノッキング状態の発生を抑制することができる。

回生閾値およびアシスト閾値は、例えば表１に示すように、複数の速度範囲のそれぞれについて設定される。表１では、０〜１０（ｋｍ／ｈ）、１０〜１５（ｋｍ／ｈ）、１５〜２４（ｋｍ／ｈ）、２４（ｋｍ／ｈ）以上の速度範囲に分割して、各速度範囲において回生閾値とアシスト閾値とが設定されている。

表１に示すように、０〜１０（ｋｍ／ｈ）の速度範囲では、負の閾値が設定され、例えば、加速度が−１．０（ｍ／ｓ²）以下で回生状態に切り換わるように設定されている。これは、電動アシスト自転車１にブレーキをかけて停止する直前の状態を想定した設定である。また、この速度範囲で、例えば、加速度が−０．７（ｍ／ｓ²）以上でアシスト状態に切り換わるように設定されている。これは、電動アシスト自転車１が走行を始めて加速している状態を想定した設定である。ここで、アシスト状態に切り換えるための閾値が−０．７（ｍ／ｓ²）と負の値を有しているのは、電動アシスト自転車１のこぎ始めにおいて、一方のペダル１０を踏み込んだ後に他方のペダル１０を踏み込むまでの間に減速することがあることを考慮したものである。

１０〜１５（ｋｍ／ｈ）の速度範囲では、正の閾値が設定され、例えば、加速度が＋０．２（ｍ／ｓ²）以下でアシスト状態に切り換わるように設定されている。これは、電動アシスト自転車１が上り坂を上っている状態を想定した設定である。また、この速度範囲で、例えば、加速度が＋０．５（ｍ／ｓ²）以上で回生状態に切り換わるように設定されている。これは、電動アシスト自転車１のスタート時に平地を走行している状態を想定したものである。

特に、電動アシスト自転車１で、時速１０ｋｍ以上の速度で上り坂を走行している場合、アシスト状態に切り換えるための閾値および回生状態に切り換えるための閾値がともに０ｋｍ／ｓ²より大きく、かつアシスト状態に切り換えるための閾値が回生状態に切り換えるための閾値より小さくなるように設定されることが好ましい。アシスト状態に切り換えるための閾値および回生状態に切り換えるための閾値が同じである場合は、電動アシスト自転車１で上り坂を走行する際に、加速度が低下してアシスト状態に切り換わったとしても、アシスト走行により加速度が上がって閾値をすぐに上回ってしまい、さらに回生走行により加速度が下がって閾値をすぐに下回ってしまうという状態を繰り返すことになる。したがって、ノッキング状態が発生しやすくなるが、少なくとも時速１０ｋｍ以上の速度で上り坂を進行している状態において、アシスト状態に切り換えるための閾値を回生状態に切り換えるための閾値より小さくしておくことにより、アシスト状態に切り換わることにより加速度が多少大きくなったとしても、すぐに回生状態に切り換わりにくくなる。そのため、上り坂においてアシスト状態と回生状態との間の切り換えが頻繁に行われなくなり、ノッキング状態が発生しにくくなる。

１５〜２４（ｋｍ／ｈ）の速度範囲では、負の閾値が設定され、例えば、加速度が−１．３（ｍ／ｓ²）以下でニュートラル状態に切り換わるように設定される。１５（ｋｍ／ｈ）以上の範囲は、十分な速度が得られている範囲であり、基本的には回生状態にすることが好ましいと考えられるが、加速度が−１．３（ｍ／ｓ²）以下という減速状態の場合には、上り坂に差し掛かったなどの負荷がかかっていると判断してニュートラル状態に切り換えるように設定されている。また、この速度範囲において、加速度が−１．０（ｍ／ｓ²）以上である場合、１５（ｋｍ／ｈ）以上の速度範囲における原則通り、回生状態に切り換わるように設定されている。

２４（ｋｍ／ｈ）以上の速度範囲では、負の閾値が設定され、例えば、加速度が−２．３（ｍ／ｓ²）以下でニュートラル状態に切り換わるように設定される。２４（ｋｍ／ｈ）以上の速度範囲は、基本的に回生状態にするのが適当な範囲であり、日本国において、このような速度範囲で自転車にアシスト機能を取り付けることが禁止されていることによる。また、この速度範囲において、加速度が−２．０（ｍ／ｓ²）以上で回生状態に切り換わるように設定されている。このような速度範囲は、電動アシスト自転車１が下り坂を下っている状態を想定している。

なお、これらの速度範囲は、様々な状況を想定して自由に設定することができ、速度範囲の数も自由に設定することができる。さらに、各速度範囲の中の回生閾値およびアシスト閾値についても、様々な状況を想定して自由に設定することができる。たとえば、日本国以外の国で走行する場合を考えれば、２４（ｋｍ／ｈ）以上の速度範囲において、アシスト機能を取り付けることができるように閾値を設定することができる。ただし、電動アシスト自転車１を使用する際に、いわゆるノッキング現象を抑制するためには、各速度範囲において、回生閾値とアシスト閾値とが異なる値となるように設定する必要がある。

ここで、閾値を超えたかどうかを判定するための加速度判定間隔について説明する。一般的な自転車のペダル回転数は５０〜７０ｒｐｍであると考えられ、この場合、ペダルの１回転に必要な時間は、約１２００ｍｓ〜８６０ｍｓであり、ロードレーサーであってもペダル回転数を９０ｒｐｍ程度であると考えると、ペダルの１回転に必要な時間は、約６６０ｍｓである。自転車に乗るときには、左右のペダルを交互に踏み込むため、一方のペダルを踏み込む時間は、３３０〜６００ｍｓであると考えられる。そこで、このような数値範囲を加速度判定間隔として選択しておくことにより、ペダルの踏み込み感覚と加速度判定間隔を合わせることができ、ペダルの踏み込み以外の加減速要因の影響を少なくすることができる。

なお、回生閾値とアシスト閾値との間の幅は、図３に示すように、０．３（ｍ／ｓ²）程度に設定される。自転車の走行時に、いわゆるノッキング現象が現れやすいのは、１０（ｋｍ／ｈ）程度の速度で走行しているときである。このような速度で走行しているときに、１（ｋｍ／ｈ）より小さい範囲の速度変化で回生状態とアシスト状態とが切り換えられると、回生状態とアシスト状態との間のノッキング状態を起こしやすくなる。また、１（ｋｍ／ｈ）より大きい範囲の速度変化で回生状態とアシスト状態とが切り換えられると、アシスト状態への切換えが遅くなって、ペダルの踏み込みが重く感じられる場合がある。そこで、１（ｋｍ／ｈ）の速度変化が行われる回生閾値とアシスト閾値の幅として、０．２８（ｍ／ｓ²）が得られるが、その近傍の値として、回生閾値とアシスト閾値との間の設定幅は、０．３（ｍ／ｓ²）に設定される。

なお、回生状態とアシスト状態とが切り換わる際に、閾値を超えた瞬間に１００％の切換えがあると、急激にペダルの踏み込みに負荷がかかったり、急激にペダルの踏み込みが軽くなったりして、ノッキング状態を感じやすくなる。そこで、閾値を超えてから１００％の回生状態になるまでの出力変化、あるいは、閾値を超えてから１００％のアシスト状態になるまでの出力変化は、０．５〜１．５秒間の範囲で時間をかけて単調に増加することが好ましい。

通常、ペダルを漕ぐスピードは、０．５秒に１回程度であり、１回ペダルを漕ぐ時間より長い時間をかけて回生状態への切換えあるいはアシスト状態への切換えを行うことにより、体感的なノッキング現象を効果的に減少させることができる。また、その切換えを１．５秒（３漕ぎ分）以内に完了させることによって、運転者が負荷を感じ始めてからアシストが開始されるまでのタイムラグをそれほど感じさせないようにすることができる。それにより、回生状態への切換え時およびアシスト状態への切換え時に、いわゆるノッキング状態を感じにくくさせることができる。

このような制御を行う電動アシスト自転車を用いて、図４に示すように、距離１．２９ｋｍ、高低差１６ｍのコースを往復して実験したところ、図４の曲線で示されるような速度で走行することができた。そして、そのときの回生状態とアシスト状態とを示すグラフが、図５（Ａ）（Ｂ）に示される。図５（Ａ）は、本発明の制御方式を用いた場合を示し、図５（Ｂ）は従来の発明の制御方式を用いた場合を示している。

特に、図５（Ａ）と図５（Ｂ）の楕円で囲んだ部分の比較からわかるように、この発明の制御方法を採用することにより、上り坂における回生状態とアシスト状態との変化割合の変化、つまりノッキング状態が解消されていることがわかる。また、ノッキング状態の減少により、それに伴う電力使用が減少し、上述の実走実験においても、図６に示すように、電力消費量を減らすことができた。

このように、電動アシスト自転車を回生状態に切り換えるための閾値とアシスト状態に切り換えるための閾値とを異なる値となるように設定することにより、回生状態とアシスト状態に切り換わるときのノッキング現象を抑制することができる。また、このようなノッキング現象を抑制することにより、図６に示すように、それに伴う電力使用を減少させることができる。

１電動アシスト自転車
２自転車車体
４補助動力装置
６クランク軸
８ペダルアーム
１０ペダル
２０制御装置
２２コントローラ
２６速度センサ
２７加速度センサ
２８ドライバ
３０アシストスイッチ
３４昇圧回路
３６逆流防止用ダイオード
４０補助動力装置カバー
４２直流モータ
４４バッテリ

Claims

電気エネルギーを運動エネルギーに変換するとともに運動エネルギーを電気エネルギーに変換するエネルギー変換手段を有し、
前記電動アシスト自転車の加速度を閾値として前記電動アシスト自転車に運動エネルギーを与えるアシスト状態と前記電動アシスト自転車の運動エネルギーを電気エネルギーに変換する回生状態とを切り換えるための電動アシスト自転車の制御方法であって、
前記アシスト状態に切り換えるための閾値と前記回生状態に切り換えるための閾値とが異なることを特徴とする、電動アシスト自転車の制御方法。
前記電動アシスト自転車の複数の速度範囲において、それぞれ前記アシスト状態に切り換えるための閾値と前記回生状態に切り換えるための閾値とが設定される、請求項１に記載の電動アシスト自転車の制御方法。
時速１０ｋｍ以上のいずれかの速度領域において、前記アシスト状態に切り換えるための閾値および前記回生状態に切り換えるための閾値がともに０ｋｍ／ｓ²より大きく、かつ前記アシスト状態に切り換えるための閾値が前記回生状態に切り換えるための閾値より小さくなるように設定される、請求項２に記載の電動アシスト自転車の制御方法。
前記アシスト状態に切り換えるための閾値と前記回生状態に切り換えるための閾値との判定間隔が３３０〜６００ｍｓに設定される、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の電動アシスト自転車の制御方法。