JP5585659B2 - 負荷駆動装置及びそれを備えた倒立型移動体 - Google Patents

Description

本発明は負荷駆動装置及びそれを備えた倒立型移動体に関する。

電動車両の分野において、モータ（負荷）にブレーキをかけた際に発生する回生電力を回収してバッテリを充電する回生充電という手法が知られている。この手法を用いることによりバッテリの消費が抑えられる。この手法では、モータを駆動する場合、放電回路側の電力供給経路が切替手段によって選択され、バッテリから負荷に対して電力が供給される。一方、モータによって回生電力が発電された場合、切替手段によって放電回路側から充電回路側に電力供給経路が切り替えられ、当該回生電力によってバッテリが充電される。このように、切替手段によってバッテリとモータとの間の電力供給経路が切り替えられる。

一般的な電動二輪車や電動四輪車では、加速時にスロットル、減速時にブレーキが操作され、その切り替わりは比較的ゆっくりで滑らかである。そのため、従来の回生充電の手法をこれら電動車両に用いた場合、スロットルやブレーキの操作をトリガにして、バッテリとモータとの間の電力供給経路が能動的に切り替えられ、回生電力によるバッテリの充電が無駄なく行われる。

一方、同軸に二輪が配置され、倒立振子の理論によって制御される倒立二輪車は、二車輪を用いて常にバランスをとる必要がある。したがって、従来の回生充電の手法を倒立二輪車に用いた場合、バッテリがモータを駆動する駆動状態と、モータによって回生電力が発電される回生状態と、が非常に短い周期で切り替わる。そのため、従来の回生充電の手法では、倒立二輪車の高速な充放電に追従して電力供給経路を切り替えることができなかった。つまり、従来の倒立二輪車は、回生電力を効率よく回収してバッテリを充電することができなかった。

それに対し、回生電力によってバッテリを充電する制御装置であって、バッテリとモータとの間の電力供給経路を切り替える切替手段を有さない制御装置が特許文献１に開示されている（特許文献１の図４参照）。この制御装置は、バッテリとモータとの間の電力供給経路を切り替える切替手段を有さないため、上述のような問題は生じない。

特許第３２２６５９９号

しかし、特許文献１に開示されている制御装置（負荷駆動装置）は、バッテリが満充電に達すると、余分な回生電力を、放電抵抗を用いて熱エネルギーとして放出してしまう。つまり、従来技術の負荷駆動装置では、回生電力を効率よく回収して利用することができないという問題があった。

本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、回生電力を効率よく回収して利用することが可能な負荷駆動装置を提供することを主たる目的とする。

本発明にかかる負荷駆動装置は、負荷を駆動する場合には当該負荷に対して電力を供給し、当該負荷によって第１基準値以上の回生電力が発電された場合には当該回生電力の一部により充電されるバッテリと、前記負荷によって回生電力が発電された場合に、当該回生電力の少なくとも一部を消費する内部回路と、を備える。これにより、回生電力を効率よく回収して利用することができる。

前記内部回路は、前記負荷に対して前記バッテリと並列に接続されていること、が好ましい。

前記内部回路は、前記バッテリの充放電を制御する制御回路であること、が好ましい。

前記負荷に対して前記バッテリと並列に接続された抵抗素子と、前記抵抗素子に直列に接続され、前記回生電力に応じてオンオフが制御されるスイッチと、をさらに備えること、が好ましい。

前記スイッチは、前記負荷によって前記第１基準値よりも高い第２基準値以上の回生電力が発電された場合に、オンすること、が好ましい。

前記スイッチがオンしている場合には、当該回生電力による前記バッテリの充電は制限されること、が好ましい。

前記負荷に対して前記バッテリと並列に接続されたコンデンサをさらに有すること、が好ましい。

前記負荷によって回生電力が発電された場合において、前記コンデンサの充電電圧が前記第１基準値に対応する第１所定電圧以上である場合には、当該コンデンサからの電流により前記バッテリが充電されること、が好ましい。

前記負荷に対して前記バッテリと並列に接続された抵抗素子と、
前記抵抗素子に直列に接続され、前記回生電力に応じてオンオフが制御されるスイッチと、をさらに備えること、が好ましい。

前記スイッチは、
前記負荷によって回生電力が発電された場合において、前記コンデンサの充電電圧が前記第１基準値よりも高い第２基準値に対応する第２所定電圧以上である場合に、オンすること、が好ましい。

前記スイッチがオンしている場合には、当該回生電力による前記バッテリの充電は制限されること、が好ましい。

本発明にかかる倒立型移動体は、上記の負荷駆動装置を備える。これにより、回生電力を効率よく回収して利用することができる。

本発明によれば、回生電力を効率よく回収して利用することが可能な負荷駆動装置及びそれを備えた倒立型移動体を提供することができる。

本発明の実施の形態１にかかる負荷駆動装置を示すブロック図である。 回生電力の変化を示すタイミングチャートである。 本発明の実施の形態１にかかる負荷駆動装置を示すブロック図である。 電圧Ｖｍ及び電流Ｉｂの変化を示すタイミングチャートである。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。なお、図面は簡略的なものであるから、この図面の記載を根拠として本発明の技術的範囲を狭く解釈してはならない。また、同一の要素には、同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

実施の形態１
図１に、本発明の実施の形態１にかかる負荷駆動装置のブロック図を示す。図１に示す負荷駆動装置１は、モータ駆動回路１０と、ＣＣ回路（定電流回路）１１と、バッテリ１２と、回生抵抗（抵抗素子）１３と、スイッチ１４と、制御回路（内部回路）１５と、ダイオード１６と、ダイオード１７と、を備える。図１に示す負荷駆動装置１は、モータ駆動回路１０を介してモータ（負荷）３０に電力を供給する装置であって、モータ３０によって発電された回生電力を効率よく回収して利用することを特徴とする。この負荷駆動装置１は、例えば、倒立二輪車等の倒立型移動体に備えられる。本実施の形態では、負荷駆動装置１が倒立二輪車に備えられた場合を例に説明する。また、本実施の形態では、バッテリ１２がリチウムイオンバッテリである場合を例に説明する。

まず、負荷駆動装置１の回路構成について説明する。モータ駆動回路１０は、バッテリ１２の両端子間に直列に接続される。モータ３０は、モータ駆動回路１０の出力端子及び入力端子の間に直列に接続される。ダイオード１７は、バッテリ１２の正極とモータ駆動回路１０の高電位側電源端子との間に、当該バッテリ１２から見て順方向に接続される。ダイオード１６は、ダイオード１７と並列に、バッテリ１２から見て逆方向に接続される。ＣＣ回路１１は、ダイオード１６と直列に接続される。

さらに、制御回路（内部回路）１５は、モータ３０に対してバッテリ１２と並列に接続される。同様に、回生抵抗１３は、モータ３０に対してバッテリ１２と並列に接続される。スイッチ１４は、回生抵抗１３に直列に接続される。

より具体的には、バッテリ１２の正極は、ダイオード１６のカソード及びダイオード１７のアノードに接続される。ダイオード１６のアノードは、ＣＣ回路１１の出力端子に接続される。ＣＣ回路１１の入力端子及びダイオード１７のカソードは、ノードＮ１に接続される。ノードＮ１は、さらに、制御回路１５の高電位側電源端子及びノードＮ２に接続される。ノードＮ２は、さらに、回生抵抗１３の一端及びモータ駆動回路１０の高電位側電源端子（以下、ノードＮ３と称す）に接続される。回生抵抗１３の他端は、スイッチ１４の一端に接続される。バッテリ１２の負極は、制御回路１５の低電位側電源端子と、スイッチ１４の他端と、モータ駆動回路１０の低電位側電源端子と、に接続される。なお、ノードＮ３の電圧をＶｍとする。

次に、負荷駆動装置１の動作について説明する。まず、各ブロックの動作について簡単に説明した後、負荷駆動装置１の動作について詳細に説明する。

（モータ駆動回路１０）
モータ駆動回路１０は、モータ３０を駆動する場合に、バッテリ１２からの電力に応じた電流をモータ３０に対して供給する回路である。この電流の極性及び大きさは、倒立二輪車の加速及び減速の状況に応じて決定される。また、モータ駆動回路１０は、モータ３０によって回生電力が発電された場合に、当該回生電力に応じて電圧Ｖｍを上昇させる。回生電力が発電された場合、当該回生電力が制御回路１５によって消費されたり、当該回生電力によってバッテリ１２が充電されたりする。

（ＣＣ回路１１）
ＣＣ回路１１は、入力された直流電流を安定化して定電流を出力する回路である。つまり、ＣＣ回路１１は、回生電力に応じた定電流を生成し、ダイオード１６を介してバッテリ１２に供給する。さらに、ＣＣ回路１１は、バッテリ１２の残容量が設定値に達した場合や、モータ３０によって発電された回生電力が非常に大きい場合に、バッテリ１２に流れる電流を制限する。なお、ＣＣ回路１１には、リニアレギュレータやＤＣ−ＤＣコンバータ等のスイッチングレギュレータを用いることができる。

（回生抵抗１３、スイッチ１４）
回生抵抗１３は、スイッチ１４がオンした場合に、回生電力を熱エネルギーとして放出する回路である。なお、スイッチ１４は、電圧Ｖｍが上昇して当該スイッチ１４の閾値電圧Ｖｌｉｍｉｔに達するとオンする。ここで、電圧Ｖｍは、上記のようにＣＣ回路１１がバッテリ１２に流れる電流を制限した場合に、さらに上昇する。したがって、回生抵抗１３は、バッテリ１２の残容量が設定値に達した場合や、モータ３０によって発電された回生電力が非常に大きい場合に、スイッチ１４がオンし、余分な回生電力を熱エネルギーとして放出する。

（制御回路１５）
制御回路１５は、負荷駆動装置１の動作を制御する回路である。例えば、制御回路１５は、バッテリ１２に流れる電流を検出し、その検出結果に基づいてバッテリ１２の残容量を算出することにより、バッテリ１２の充電を制限するか否かを制御する。また、制御回路１５は、電圧Ｖｍを検出し、その検出結果に基づいてスイッチ１４のオンオフを制御する。また、制御回路１５は、モータ駆動回路１０からモータ３０に対して供給される電流の極性及び大きさを制御する。

（負荷駆動装置１）
負荷駆動装置１は、倒立二輪車を加速させる場合、モータ駆動回路１０を用いてモータ３０を駆動する。このとき、負荷駆動装置１は、バッテリ１２からの電力を、ダイオード１７を介してモータ駆動回路１０に供給する。このとき、モータ駆動回路１０は、バッテリ１２からの電力に応じた電流をモータ３０に対して供給する。

一方、倒立二輪車を減速させた場合、モータ３０によって回生電力が発電される。このとき、回生電力の少なくとも一部の電力は制御回路１５によって消費される。つまり、当該回生電力の少なくとも一部の電力は制御回路１５を駆動するために用いられる。

具体的には、回生電力が予め設定された第１基準値より低い場合、当該回生電力の全部が制御回路１５によって消費される。回生電力が第１基準値以上の場合、当該回生電力の一部（第１基準値に相当する回生電力）が制御回路１５によって消費され、残りの回生電力によってバッテリ１２が充電される。さらに、回生電力が予め設定された第２基準値（第２基準値＞第１基準値）以上の場合、当該回生電力の一部（第１基準値に相当する回生電力）が制御回路１５によって消費され、当該回生電力の他の一部によってバッテリ１２が充電され、残りの回生電力は、スイッチ１４がオンするため回生抵抗１３によって熱エネルギーとして放出される。このとき、バッテリ１２に流れる電流はＣＣ回路１１によって制限されている。

言い換えると、回生電力が発電された場合において、電圧Ｖｍが予め設定された第１所定電圧より低い場合、回生電力の全部が制御回路１５によって消費される。なお、第１の所定電圧は、回生電力の第１基準値に対応する電圧値である。電圧Ｖｍが第１所定電圧以上の場合、回生電力の一部（第１基準値に相当する回生電力）が制御回路１５によって消費され、残りの回生電力によってバッテリ１２が充電される。電圧Ｖｍが予め設定された第２所定電圧（第２所定電圧＞第１所定電圧）以上の場合、回生電力の一部（第１基準値に相当する回生電力）が制御回路１５によって消費され、回生電力の他の一部によってバッテリ１２が充電され、残りの回生電力は、スイッチ１４がオンするため回生抵抗１３によって熱エネルギーとして放出される。このとき、バッテリ１２に流れる電流はＣＣ回路１１によって制限されている。なお、第２の所定電圧は、回生電力の第２基準値に対応する電圧値である。

（タイミングチャート）
負荷駆動装置１を備える倒立二輪車が動作した場合における回生電力の変化について、図２を用いて説明する。図２は、倒立二輪車が動作した場合における回生電力の変化を示すタイミングチャートである。縦軸は、バッテリ１２からモータ３０駆動用に放電された電力及びモータ３０によって発電された回生電力のいずれかを示し、横軸は、倒立二輪車の走行時刻を示す。

図２の例では、倒立二輪車は、時刻Ｔ１までは平地を走行し、時刻Ｔ１にて下り坂に差し掛かかり、時刻Ｔ１から時刻Ｔ３まで下り坂を走行している。そして、倒立二輪車は、時刻Ｔ３にて下り坂が終わったため、それ以降平地を走行している。なお、倒立二輪車は、時刻Ｔ２にて急減速しているが、停止するほどではなく走行し続けている。

時刻Ｔ１以前や時刻Ｔ３以降のように、電力がＥ１より低い場合、当該電力はバッテリ１２からモータ３０駆動用に放電された電力を示す。時刻Ｔ１〜時刻Ｔ３の間のように、電力がＥ１以上である場合、当該電力はモータ３０によって発電された回生電力を示す。なお、図２では、制御回路１５の消費電力が略一定である場合を例にしたため、Ｅ２は直線状に表されているが、制御回路１５の消費電力が変化する場合は、それに応じてＥ２も曲線状に表される。

ここで、発電された回生電力がＥ２（第１基準値）より低い場合、当該回生電力の全部は制御回路１５によって消費される。より具体的には、制御回路１５は、当該回生電力と、その不足分を補うためのバッテリ１２からの電力と、によって駆動される。

回生電力がＥ２以上であってＥ３（第２基準値）より低い場合、電力Ｅ２−Ｅ１に相当する回生電力は制御回路１５によって消費され、残りの回生電力によってバッテリ１２が充電される。

さらに、回生電力がＥ３以上である場合、電力Ｅ２−Ｅ１に相当する回生電力は制御回路１５によって消費され、回生電力の他の一部によってバッテリ１２が充電され、残りの回生電力は、スイッチ１４がオンするため回生抵抗１３によって熱エネルギーとして放出される。このとき、バッテリ１２に流れる電流はＣＣ回路１１によって制限されている。なお、スイッチ１４は、回生電力がＥ３に達したことに応答して、電圧Ｖｍがスイッチ１４の閾値電圧Ｖｌｉｍｉｔに達することにより、オンしている。スイッチ１４は、回生電力が制御回路１５による消費電力とバッテリ１２の充電可能電力との合計を超えた場合に、オンに制御される。

Ｅ２とＥ３の間の斜線で示した部分の面積は、バッテリ１２に充電できる電力量を示す。Ｅ３は、バッテリ１２の容量、バッテリ１２の充電許容速度、想定される下り坂の角度等を考慮して設定され、それに応じて、スイッチ１４のオンオフを制御する制御電圧が設定される。

回生電力が図２のように変化した場合における負荷駆動装置１の動作について、図１及び図２を用いてさらに具体的に説明する。なお、バッテリ１２の出力電圧をＶｂ、モータ３０によって発電された電力をＥとする。また、図１に示すように、バッテリ１２からダイオード１７を介してノードＮ１に流れる電流をＩ１とする。ノードＮ１からノードＮ２に流れる電流をＩ２とする。ノードＮ２からノードＮ３に流れる電流をＩ３とする。回生抵抗１３に流れる電流をＩ４とする。制御回路１５に流れる電流をＩ５とする。ノードＮ３からノードＮ２に流れる電流をＩ３Ｂとする。ノードＮ２からノードＮ１に流れる電流をＩ２Ｂとする。ノードＮ１からＣＣ回路１１に向けて流れる電流をＩ１Ｂとする。

時刻Ｔ１以前や時刻Ｔ３以降のように、倒立二輪車が平地（又は上り坂）を走行する場合、つまり、負荷駆動装置１が通常の駆動状態（Ｅ＜Ｅ１）である場合、Ｖｂ＞Ｖｍとなるため、電流はＩ１の方向に流れる。このとき、スイッチ１４はオフしているため、Ｉ４＝０、Ｉ３＝Ｉ２、Ｉ１＝Ｉ３＋Ｉ５となる。つまり、制御回路１５及びモータ駆動回路１０は、それぞれバッテリ１２からの電力により駆動される。

時刻Ｔ１〜時刻Ｔ３のように、倒立二輪車が下り坂を走行する場合、つまり、負荷駆動装置１がモータ３０を減速させる場合（Ｅ＞Ｅ１）、Ｖｂ＜Ｖｍとなるため、電流はＩ３Ｂの方向に流れる。ここで、回生電力がＥ２より低い場合（Ｅ２＞Ｅ＞Ｅ１）、制御回路１５は、当該回生電力と、その不足分を補うためのバッテリ１２からの電力と、によって駆動される。このとき、スイッチ１４はオフしているため、Ｉ２Ｂ＝Ｉ３Ｂ、Ｉ５＝Ｉ１＋Ｉ３Ｂとなる。Ｉ５は略一定であるため、Ｉ３Ｂが変化してもそれを打ち消すようにＩ１が変化する。

さらに、回生電力がＥ２以上に大きくなった場合（Ｅ３＞Ｅ＞Ｅ２）、Ｉ５＜Ｉ３Ｂとなるため、ＣＣ回路１１がバッテリ１２に対して定電流の供給を開始し、バッテリ１２が充電され始める。つまり、電力Ｅ２−Ｅ１に相当する回生電力が制御回路１５によって消費され、残りの回生電力によってバッテリ１２が充電される。このとき、スイッチ１４はオフしているため、Ｉ２Ｂ＝Ｉ３Ｂ、Ｉ３Ｂ＝Ｉ１Ｂ＋Ｉ５となる。

時刻Ｔ２の直前のように、倒立二輪車がさらに大きな下り坂を走行する場合、つまり、負荷駆動装置１がモータ３０を急減速させる場合（Ｅ＞Ｅ３）、モータ３０によって瞬間的に大きな回生電力が発電される。このとき、ＣＣ回路１１は、バッテリ１２に流れる電流を制限する。それにより、ＣＣ回路１１は、バッテリ１２に過電流が流れることを防ぐ。

ＣＣ回路１１によってバッテリ１２に流れる電流が制限されると、電圧Ｖｍは、さらに上昇して電圧Ｖｌｉｍｉｔに達する。それにより、スイッチ１４はオンし、回生抵抗１３に電流Ｉ４が流れ始める。つまり、電流Ｉ４に相当する回生電力は、回生抵抗１３によって熱エネルギーとして放出される。このとき、Ｉ３Ｂ＝Ｉ４＋Ｉ５＋Ｉ１Ｂとなる。ここで、回生抵抗１３の抵抗値は非常に小さいため、電圧Ｖｍは、急降下して電圧Ｖｌｉｍｉｔより低くなる。それにより、スイッチ１４はオフし、回生抵抗１３に電流Ｉ４は流れなくなる。スイッチ１４がオフすると、電圧Ｖｍは、再び上昇して電圧Ｖｌｉｍｉｔに達する。このように、スイッチ１４のオンオフが繰り返され、電圧Ｖｍは、最終的に電圧Ｖｌｉｍｉｔ程度に収束する。それにより、モータ駆動回路１０は、電圧Ｖｍの上昇による過電圧から保護される。

なお、スイッチ１４のオンオフを切り替える速度が遅いと、モータ駆動回路１０に過電圧や過電流が供給されてしまい、精度良く倒立制御されない可能性がある。したがって、スイッチ１４のオンオフの切り替えは、十分に早い周期にて制御されることが好ましい。

このように、負荷駆動装置１は、モータ３０によって回生電力が発電された場合、当該回生電力によってバッテリ１２を充電する代わりに、少なくともその回生電力の一部を制御回路１５等の内部回路に消費させる。そして、負荷駆動装置１は、バッテリ１２の充電や、内部回路による消費によってもなお、回生電力の全部を消費しきれない場合には、残りの回生電力を回生抵抗１３によって熱エネルギーとして放出する。つまり、負荷駆動装置１は、従来技術と異なり、バッテリ１２の充電だけでなく内部回路の駆動用に回生電力を用いており、回生電力を効率よく回収して利用することができる。

さらに、負荷駆動装置１は、モータ３０によって回生電力が発電された場合、少なくともその回生電力の一部を、バッテリ１２を経由することなく、直接内部回路に消費させている。それにより、負荷駆動装置１は、バッテリ１２の充放電によって回生電力を無駄に消費することなく、効率よく回収して利用することができる。

図３は、図１に示す負荷駆動装置１をさらに詳細に示したブロック図である。図３に示す負荷駆動装置１は、モータ駆動回路１０と、ＣＣ回路１１と、バッテリ１２と、回生抵抗１３と、スイッチ１４と、制御回路１５と、ダイオード１６と、ダイオード１７と、に加え、コンデンサ１８と、電源用コネクタ１９と、電圧検出回路２０と、電流検出回路２１と、スイッチ２２と、ダイオード２３と、ダイオード２４と、をさらに備え、より実設計に近い回路構成を表したブロック図である。

コンデンサ１８は、電圧Ｖｍの平滑化の働きをする。コンデンサ１８は、モータ３０に対してバッテリ１２と並列に接続される。

電源用コネクタ１９では、正極側端子がダイオード２３を介してＣＣ回路１１の入力端子に接続され、負極側端子がバッテリ１２の負極側に接続される。ノードＮ１とＣＣ回路１１との間にはダイオード２４が接続される。ダイオード１７とバッテリ１２との間には、スイッチ２２が直列に接続される。なお、スイッチ２２のオンオフは電源スイッチ及び制御回路１５によって制御される。

電源用コネクタ１９が外部充電器（不図示）に接続されると、外部充電器から電源用コネクタ１９を介して供給される電力によってバッテリ１２が充電される。バッテリ１２の充電中、スイッチ２２は制御回路１５によってオフに制御され、モータ駆動回路１０が駆動しないようにする。電源用コネクタ１９が外部充電器から切り離された場合、つまり、バッテリ１２の充電が完了した場合、スイッチ２２はオンに制御されるため、負荷駆動装置１は通常動作が可能となる。

電圧検出回路２０は、ノードＮ１とノードＮ２との間に接続され、電圧Ｖｍを検出する。制御回路１５は、電圧検出回路２０による検出結果に基づいてスイッチ１４のオンオフを制御する。例えば、制御回路１５は、電圧検出回路２０によって電圧Ｖｍが電圧Ｖｌｉｍｉｔに達したことを検出した場合には、スイッチ１４をオンに制御する。

電流検出回路２１は、バッテリ１２の負極側に接続され、バッテリ１２に流れる電流Ｉｂを検出する。制御回路１５は、一定周期にて検出される電流Ｉｂを積算してバッテリ１２の残容量を算出することにより、バッテリ１２の充電を制限するか否かを制御する。例えば、制御回路１５は、バッテリ１２の残容量が８０％であること算出した場合には、バッテリ１２に流れる電流を制限するようにＣＣ回路１１を制御する。なお、電流検出回路２１は、バッテリ１２の負極側に接続されることにより、バッテリ１２の近傍に配置されることができ、高精度に電流を検出することができる。また、正確なバッテリ１２の残容量を把握するため、電流検出回路２１による電流検出は十分に早い周期にて行われることが好ましい。あるいは、クーロンカウンタ等の高精度な測定方法を用いることが好ましい。

制御回路１５は、さらに、モータ駆動回路１０からモータ３０に対して供給される電流の極性及び大きさを制御する。その他の回路構成及び動作は、図１に示す負荷駆動装置１にて既に説明されているため、その説明を省略する。

図３に示す負荷駆動装置１を備える倒立二輪車が動作した場合における回生電力の変化について、図４を用いて説明する。図４は、倒立二輪車が動作した場合における電圧Ｖｍ及び電流Ｉｂの変化を示すタイミングチャートである。図４の上段が電圧検出回路２０によって検出された電圧Ｖｍの変化を示し、図４の下段が電流検出回路２１によって検出された電流Ｉｂの変化を示す。縦軸は、上段が電圧Ｖｍの電圧値、下段が電流Ｉｂの電流値を示し、横軸は、倒立二輪車の走行時刻を示す。なお、電流Ｉｂが正の値である場合には、バッテリ１２は回生電力により充電されており、電流Ｉｂが負の値である場合には、バッテリ１２はモータ３０を駆動するために放電されている。

図４の例では、倒立二輪車は、時刻Ｔ１から時刻Ｔ２にかけて緩やかに加速し、減速した後、停止している。その後、倒立二輪車は、時刻Ｔ２から時刻Ｔ３にかけて急加速し、急減速した後、停止している。

時刻Ｔ１の直後、倒立二輪車が加速したため、バッテリ１２は放電されている。時刻Ｔ１の直前、倒立二輪車が減速して停止したため、モータ３０によって回生電力が発電され、電圧Ｖｍは上昇している。このとき、回生電力によってバッテリ１２が充電されるまでには至っていないが、当該回生電力は制御回路１５によって消費されている。これは、バッテリ１２の放電電流が小さくなっていることからも明らかである。それにより、消費電力が低減されている。

時刻Ｔ２の直後、倒立二輪車が急加速したため、バッテリ１２は急激に放電されている。なお、このときの電流Ｉｂは、計測範囲を超えたため図示されていない。時刻Ｔ３の直前、倒立二輪車が急減速して停止したため、モータ３０によって回生電力が発電され、電圧Ｖｍは上昇している。このとき、回生電力の一部が制御回路１５によって消費されるとともに、残りの回生電力によってバッテリ１２が充電されている。しかし、回生電力がさらに大きくなり、バッテリ１２が単位時間当たりに充電可能な電力の限界を超えると、ＣＣ回路１１はバッテリ１２に流れる電流を制限する。その結果、電圧Ｖｍがさらに上昇して電圧Ｖｌｉｍｉｔに達するため、スイッチ１４はオンする。それにより、余分な回生電力は、回生抵抗１３によって熱エネルギーとして放出される。ここで、回生抵抗１３の抵抗値は非常に小さいため、電圧Ｖｍは、急降下して電圧Ｖｌｉｍｉｔより低くなる。それにより、スイッチ１４が再びオフするため、電圧Ｖｍは、再び上昇して電圧Ｖｌｉｍｉｔに達する。このように、スイッチ１４のオンオフが繰り返されるため、図４の○の部分では、電圧Ｖｍ及び電流Ｉｂが細かく変動しているのがわかる。

以上のように、本実施の形態にかかる負荷駆動装置は、モータによって回生電力が発電された場合、当該回生電力によってバッテリを充電する代わりに、少なくともその回生電力の一部を制御回路等の内部回路に消費させる。そして、本実施の形態にかかる負荷駆動装置は、バッテリの充電や、内部回路による消費によってもなお、回生電力の全部を消費しきれない場合には、残りの回生電力を回生抵抗によって熱エネルギーとして放出する。つまり、本実施の形態にかかる負荷駆動装置は、従来技術と異なり、バッテリの充電だけでなく内部回路の駆動用に回生電力を用いており、回生電力を効率よく回収して利用することができる。

さらに、本実施の形態にかかる負荷駆動装置は、モータによって回生電力が発電された場合、少なくともその回生電力の一部を、バッテリを経由することなく、直接内部回路に消費させている。それにより、本実施の形態にかかる負荷駆動装置は、バッテリの充放電によって回生電力を無駄に消費することなく、効率よく回収して利用することができる。

さらに、本実施の形態にかかる負荷駆動装置は、バッテリとモータとの間の電力供給経路を切り替える切替手段を有しない。したがって、バッテリがモータを駆動する駆動状態と、モータによって回生電力が発電される回生状態と、が非常に短い周期で切り替わった場合でも、本実施の形態にかかる負荷駆動装置は、それに追従して精度良く動作することができる。

なお、本発明は上記実施形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。本実施の形態では、制御回路１５によって回生電力の少なくとも一部が消費される場合を例に説明したが、これに限られない。制御回路１５に代えて、図示しない他の内部回路によって回生電力の少なくとも一部が消費される回路構成にも適宜変更可能である。また、複数の内部回路が負荷に対してバッテリと並列に接続された回路構成にも適宜変更可能である。

また、本実施の形態では、バッテリ１２の残容量が８０％に達するとバッテリ１２の充電が制限される場合を例に説明したが、これに限られない。バッテリ１２の充電が制限されるか否かの閾値としてのバッテリ１２の残容量は、任意に設定可能である。したがって、バッテリ１２の残容量が１００％付近に達するとバッテリ１２の充電が制限される回路構成にも適宜変更可能である。この場合、負荷駆動装置１は、ＣＣ回路１１に代えてＣＣ・ＣＶ回路を備える必要がある。ＣＣ・ＣＶ回路は、例えば、バッテリ１２の残容量が８０％に達すると、定電流から定電圧に切り替えて出力する。

なお、リチウムイオンバッテリにおいて、最大容量（残容量１００％）までの充電を繰り返した場合と、残容量８０％までの充電を繰り返した場合とでは、そのバッテリの寿命が異なり、後者の方が寿命が長い、という事例が報告されている。

また、本実施の形態では、バッテリ１２がリチウムイオンバッテリである場合を例に説明したが、これに限られない。バッテリ１２が通常の充電可能なバッテリである回路構成にも適宜変更可能である。なお、リチウムイオンバッテリを含むこれらのバッテリは化学反応によって電力を貯蔵しており、その反応速度に上限が設けられている。これらのバッテリを、定められた反応速度を超えて、高電圧、高電流にて短時間に充電することは、これらのバッテリの破損や性能の劣化を引き起こす可能性がある。したがって、バッテリ１２に流れる電流はＣＣ回路１１によって制御される必要がある。

また、負荷駆動装置１の電源オフ時、スイッチ１４はオンするように設計されることが好ましい。それにより、負荷駆動装置１の電源オフ時、コンデンサ１８に電荷が蓄積されないため、負荷駆動装置１を直接触れることによる感電の心配はない。さらに、負荷駆動装置１の電源オフ時、外部の力によってモータ３０が回転し回生電力が発生したとしても、スイッチ１４がオンしていれば、当該回生電力は回生抵抗１３によって消費される。それにより、モータ駆動回路１０は、電圧Ｖｍの上昇による過電圧から保護される。

また、従来技術では、外部充電器がＣＣ回路を備えていた。一方、本発明では、外部充電器ではなく負荷駆動装置がＣＣ回路を備えるため、外部充電器の小型化が可能である。さらに、本実施の形態にかかる負荷駆動装置は、バッテリを外部充電器を用いて充電する場合、ＣＣ回路を備えた外部充電器を用いる必要がないため、一般的な商用電源を外部充電器として用いることができる。

本発明の負荷駆動装置及びそれを備えた倒立型移動体は、回生電力を効率よく回収して利用することが可能な負荷駆動装置及びそれを備えた倒立型移動体として用いられる。

１ 負荷駆動装置
１０ モータ駆動回路
１１ ＣＣ回路
１２ バッテリ
１３ 回生抵抗
１４ スイッチ
１５ 制御回路
１６ ダイオード
１７ ダイオード
１８ コンデンサ
１９ 電源用コネクタ
２０ 電圧検出回路
２１ 電流検出回路
２２ スイッチ
２３ ダイオード
２４ ダイオード
３０ モータ

Claims (9)

1. 倒立型移動体に設けられ、負荷を駆動する場合には当該負荷に対して電力を供給し、当該負荷によって第１基準値以上の回生電力が発電された場合には当該回生電力の一部により充電されるバッテリと、
   前記負荷に対して前記バッテリと並列に接続され、前記負荷によって回生電力が発電された場合に、当該回生電力の少なくとも一部を消費する制御回路と、
   前記負荷に対して前記バッテリと並列に接続された抵抗素子と、前記抵抗素子に直列に接続され、前記回生電力に応じてオンオフが制御されるスイッチと、を備え、
   前記負荷によって発電される回生電力が前記第１基準値よりも低い場合、該回生電力の全部が前記制御回路により消費され、
   前記負荷によって発電される回生電力が前記第１基準値以上であって該第１基準値よりも高い第２基準値より低い場合、前記第１基準値に相当する前記回生電力が前記制御回路により消費され、残りの前記回生電力が前記バッテリに充電され、
   前記負荷によって発電される回生電力が前記第２基準値以上となる場合、前記第１基準値に相当する前記回生電力が前記制御回路により消費され、残りの前記回生電力が前記バッテリに充電されると共に前記抵抗素子によって熱エネルギーとして放出される、
   ことを特徴とする負荷駆動装置。
2. 前記制御回路は、前記バッテリの充放電を制御することを特徴とする請求項１に記載の負荷駆動装置。
3. 前記スイッチがオンしている場合には、当該回生電力による前記バッテリの充電は制限さることを特徴とする請求項１に記載の負荷駆動装置。
4. 前記負荷に対して前記バッテリと並列に接続されたコンデンサをさらに有することを特徴とする請求項１記載の負荷駆動装置。
5. 前記負荷によって回生電力が発電された場合において、前記コンデンサの充電電圧が前記第１基準値に対応する第１所定電圧以上である場合には、当該コンデンサからの電流により前記バッテリが充電されることを特徴とする請求項４に記載の負荷駆動装置。
6. 前記負荷に対して前記バッテリと並列に接続された抵抗素子と、
   前記抵抗素子に直列に接続され、前記回生電力に応じてオンオフが制御されるスイッチと、をさらに備えることを特徴とする請求項４又は５に記載の負荷駆動装置。
7. 前記スイッチは、前記負荷によって回生電力が発電された場合において、前記コンデンサの充電電圧が前記第１基準値よりも高い第２基準値に対応する第２所定電圧以上である場合に、オンすることを特徴とする請求項４に記載の負荷駆動装置。
8. 前記スイッチがオンしている場合には、当該回生電力による前記バッテリの充電は制限されることを特徴とする請求項７に記載の負荷駆動装置。
9. 請求項１〜８のいずれか一項に記載の負荷駆動装置を備えた倒立型移動体。

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