(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジン駆動式発電機によってバッテリーを充電する充電装置を備え、ペダルに加えられた踏力と、この踏力に比例して増減するように制御されたモータの動力との合力によって車輪を駆動して走行するシリーズハイブリッド式電動補助自転車であって、
前記モータの動力が前記踏力に比例して増減するように制御されることにより前記モータの電力消費量が増減変動する過程においてその電力消費量が減少する運転状態を検出するエンジン始動時期検出手段と、電力消費量が少ない運転状態を前記エンジン始動時期検出手段が検出しているときにエンジンを始動させる充電制御手段とを備えたことを特徴とするシリーズハイブリッド式電動補助自転車。
【請求項２】
請求項１記載のシリーズハイブリッド式電動補助自転車において、電力消費量が減少する運転状態を車速によって検出する構成としたことを特徴とするシリーズハイブリッド式電動補助自転車。
【請求項３】
請求項１または請求項２記載のシリーズハイブリッド式電動補助自転車において、バッテリーの残存容量を検出するバッテリー残存容量検出手段を備え、このバッテリー残存容量検出手段が検出した残存容量が予め定めた設定値より少ないときにも充電制御手段がエンジンを始動させる構成としたことを特徴とするシリーズハイブリッド式電動補助自転車。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、モータによって車輪を駆動し、エンジン駆動式発電機によってバッテリーを充電する充電装置を備えたシリーズハイブリッド式電動補助自転車に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、モータによって車輪を駆動し、エンジン駆動式発電機によってバッテリーを充電する充電装置を備えたシリーズハイブリッド式電動車両の充電装置は、バッテリーの残存容量が低下したときにスターターモータによってエンジンを始動し、このエンジンによって駆動される発電機の発電電力でバッテリーを充電している。すなわち、一つのバッテリーで走行用のモータと前記スターターモータとに給電している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように構成したシリーズハイブリッド式電動車両においては、バッテリーとして大型で容量が大きいものを搭載しなければならず、重量が重くなるとともにコストアップになってしまうという問題があった。大容量のバッテリーを搭載しなければならないのは、例えば発進時などで走行用モータの電力消費量が相対的に多くなるときに、エンジンを始動するためにスターターモータに給電することがあるからである。すなわち、走行用モータとスターターモータの両方に同時に給電できるように、バッテリーの最大放電電力を大きくしなければならないからである。
【０００４】
本発明はこのような問題点を解消するためになされたもので、搭載するバッテリーが小型でよいシリーズハイブリッド式電動補助自転車を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するため、本発明に係るシリーズハイブリッド式電動補助自転車は、エンジン駆動式発電機によってバッテリーを充電する充電装置を備え、ペダルに加えられた踏力と、この踏力に比例して増減するように制御されたモータの動力との合力によって車輪を駆動して走行するシリーズハイブリッド式電動補助自転車であって、前記モータの動力が前記踏力に比例して増減するように制御されることにより前記モータの電力消費量が増減変動する過程においてその電力消費量が減少する運転状態を検出するエンジン始動時期検出手段と、電力消費量が少ない運転状態を前記エンジン始動時期検出手段が検出しているときにエンジンを始動させる充電制御手段とを備えたものである。
本発明によれば、走行用モータの電力消費量が少ないときにスターターモータに給電されるから、バッテリーの最大放電電力を低減することができる。
【０００６】
請求項２に記載した発明に係るシリーズハイブリッド式電動補助自転車は、請求項１に記載した発明に係るシリーズハイブリッド式電動補助自転車において、電力消費量が減少する運転状態を車速によって検出する構成としたものである。
この発明によれば、発進時を避けてエンジンを始動できる。
請求項３に記載した発明に係るシリーズハイブリッド式電動補助自転車は、請求項１または請求項２に記載した発明に係るシリーズハイブリッド式電動補助自転車において、バッテリーの残存容量を検出するバッテリー残存容量検出手段を備え、このバッテリー残存容量検出手段が検出した残存容量が予め定めた設定値より少ないときにも充電制御手段がエンジンを始動させる構成としたものである。
この発明によれば、特にバッテリーの残存容量が少ないときに大きな放電電力を出力するとバッテリーが痛み易いが、これを防止できる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
第１の実施の形態
以下、本発明に係るシリーズハイブリッド式電動補助自転車の一実施の形態を図１ないし図８によって詳細に説明する。この実施の形態で説明するシリーズハイブリッド式電動補助自転車は、モータの動力で人力を助勢するものである。
図１は本発明に係るシリーズハイブリッド式電動補助自転車の充電系の構成を示すブロック図、図２は充電時の動作を説明するためのフローチャート、図３はモード判定時の動作を説明するためのフローチャート、図４は目標充電電力検出手段の動作を説明するためのフローチャート、図５は車速と発電量の関係を示すグラフである。図６は消費電力の変化を示すグラフ、図７は車速からエンジン回転数を求めるためのマップになるグラフ、図８はバッテリーの残存容量から最大発電電力を求めるためのマップになるグラフである。
【０００８】
これらの図において、符号１で示すものは、この実施の形態による電動補助自転車である。この電動補助自転車１は、ペダルを踏込む力（踏力）と、モータ２の駆動力の合力によって後輪３を駆動して走行するものである。モータ２の動力は、踏力に比例して増減させている。また、この電動補助自転車１は、前記モータ２に給電するバッテリー４をエンジン駆動式のモータ発電機５によって充電する充電装置６を装備し、シリーズハイブリッド式の構造を採っている。
【０００９】
前記モータ発電機５は、モータと発電機の両方の機能を有し、エンジン７を始動するときにスターターモータとして使用し、バッテリー４を充電するときに発電機として使用する。このモータ発電機５とバッテリー４との間にインバータ・コンバータ８を介装し、このインバータ・コンバータ８に接続した電流制御アンプ９と速度制御アンプ１０とによってモータ発電機５の使用形態を切替える回路を採っている。前記速度制御アンプ１０は、モータ発電機５の回転数を検出する回転数検出器１１の出力値（速度フィードバック値）が入力され、電流制御アンプ９にはモータ発電機５を流れる電流値（電流フィードバック値）が入力されるようにしている。これらのアンプ９，１０は、後述するモード判定部１２から送出された指令値に基づいてインバータ・コンバータ８を流れる電流を制御する。前記指令値は、エンジン始動時や停止時と、定常運転時とにそれぞれ送出される。エンジン始動用の指令値が速度制御アンプ１０に入力されると、インバータ・コンバータ８からモータ発電機５に電力を供給してモータ発電機５をスターターモータとして機能させる。このとき、電流制御アンプ９はモータ発電機５に流れる電流をフィードバック制御によって制御する。エンジン停止用の指令値が入力されたときには、インバータ・コンバータ８を流れる電流を遮断し、バッテリー電力でモータ発電機５が回転するのを阻止する。前記速度制御アンプ１０および電流制御アンプ９が本発明に係る充電制御手段を構成している。
【００１０】
また、定常運転用の指令値が入力されたときには、図１において符号１３で示す車速−発電機回転数マップ参照部から送出される発電機回転数データに対応する回転数でモータ発電機５が回転し、モータ発電機５から発電電力がバッテリー４に供給されるように、インバータ・コンバータ８を制御する。前記車速−発電機回転数マップ参照部１３は、図７に示す車速−回転数指令値マップから現在の車速に対応するモータ発電機５の回転数を読出し、発電機回転数データとして速度制御アンプ１０に送出する。このマップは、車速が予め定めた速度に達するまではモータ発電機５の回転数（目標充電電力）が車速に比例して増大し、車速が前記設定車速を上回った後はモータ発電機５の回転数が一定になるように設定してある。また、車速が予め定めたエンジン始動・停止速度より低いときには、モータ発電機５を回転させない、言い換えればエンジン７を停止させるように設定している。このマップは予めメモリ１４に記憶させておく。車速は、車速センサ１５によって検出する。
【００１１】
前記エンジン７は、図示していない燃料供給弁とスロットル弁を電動式のアクチュエータ１６，１７によって駆動するようにしている。これらのアクチュエータ１６，１７とエンジンの点火装置（図示せず）は、図１中に符号１８で示す出力要求生成部が生成した出力要求値（目標充電電力）と、モータ発電機５の発電電力（バッテリー４に供給される充電電力）とが一致するように制御する。出力要求生成部１８は、図７に示す車速−発電機回転数マップから現在の車速に対応するモータ発電機５の回転数を読出し、この回転数に対応した目標充電電力を示す出力要求信号を発電量制御アンプ１９に送出する。発電量制御アンプ１９は、出力要求生成部１８から送出された出力要求値を指令値としてバッテリー出力フィードバック値の差がなくなるようにＰＩ制御を実施し、アクチュエータ駆動部２０に制御信号を送出する。アクチュエータ駆動部２０は、前記制御信号に従って前記両アクチュエータ１６，１７と点火装置を駆動する。前記バッテリー出力フィードバック値は、バッテリー４の端子間電圧と充放電電流とに基づいて出力計算部２１が算出し、発電量制御アンプ１９に送出する。すなわち、発電量制御アンプ１９は、充電電力が前記目標充電電力と一致するように充電装置６を制御する。
【００１２】
出力要求生成部１８が出力要求信号を生成するときには、この実施の形態では、バッテリー４が過充電になるのを阻止するために、バッテリー４の残存容量（ＳＯＣ）が７０％を保つようにしている。前記残存容量は、バッテリー残量検出部２２がバッテリー４の端子間電圧、充放電電流およびバッテリー温度に基づいて求める。このバッテリー残量検出部２２が本発明に係るバッテリー残存容量検出手段を構成している。残存容量が７０％に満たない場合には、図８に示すバッテリー残存容量−発電出力指令値マップに基づいて充電電力を設定する。このマップは、残存容量に対する充電可能電力量を示すもので、前記メモリ１４に予め記憶させておく。
【００１３】
前記モード判定部１２は、電動補助自転車１の運転状態を複数の運転モードに分けてモード毎に前記速度制御アンプ１０と出力要求生成部１８に各種の指令値を送出する。モード判定部１２に入力されるデータは、前記車速センサ１５が検出した車速データと、バッテリー残量検出部２２が検出したバッテリー４の残存容量と、モータ発電機５の回転数検出器１１が検出した回転数データと、スタンドセンサ２３が検出したスタンド位置データなどである。このモード判定部１２が本発明に係るエンジン始動時期検出手段を構成している。前記スタンドセンサ２３は、スタンド２４を使用している状態であるか否かを検出する。
【００１４】
次に、上述したように構成した電動補助自転車１の動作を前記モード判定部１２のさらに詳細な構成の説明と合わせて図２ないし図４に示すフローチャートによって説明する。
この電動補助自転車１の図示していないメインスイッチ（電源スイッチ）がＯＮ操作されると、先ず、図２に示すフローチャートのステップＳ１で初期設定を実施し、ステップＳ２で５ｍｓ待機した後にステップＳ３でモード判定部１２がモード判定を実施する。
【００１５】
モード判定は、図３のフローチャートに示すように実施する。先ず、同図のステップ１００で示すように、スタンド２４が使用状態であるか否かと、バッテリー４の残存容量が８０％を越えているか否かを判定する。これらの条件のうち何れか一方が満たされている場合には、ＹＥＳと判定されてステップ１０１に進む。
ステップ１０１では、モータ発電機５の回転速度（回転数）を０に設定し、エンジン７の燃料供給弁とスロットル弁の開度を全閉に設定するとともに、点火装置をＯＦＦに設定する。そして、ステップ１０２に進んで現在のモードをエンジン停止モードに設定する。前記ステップ１００でＮＯと判定された場合には、ステップ１０３で現在のモードがエンジン停止モードであるか否かを判定し、ＹＥＳと判定された場合にはステップ１０４に進み、ＮＯと判定された場合にはステップ１０５へ進む。ステップ１０４では、モータ発電機５の回転速度を０に設定し、エンジン７の燃料供給弁とスロットル弁の開度を全閉に設定するとともに、点火装置をＯＦＦに設定する。そして、ステップ１０６で現在の車速がエンジン始動速度を上回っているか否かを判定する。ＹＥＳと判定された場合にはステップ１０７へ進み、ＮＯと判定された場合にはステップ１０２に進む。
【００１６】
前記エンジン始動速度は、走行用モータ２の電力消費量が少なくなるときの速度に設定している。この実施の形態では、発進時において車輪が停止状態から回転を開始し、車速が０から徐々に上昇するような運転域での車速より高い車速であって、走行開始後にモータ４の電力消費量が一時的に減少するときの車速に設定している。発進直後はモータ２の電力消費量が著しく増加しているから、エンジン始動のためにモータ発電機５（スターターモータ）に給電するとバッテリー４の放電電流が過大になってしまうが、上述したように制御することによって、バッテリー４の放電電流を必要最小限度に抑えることができる。
【００１７】
前記ステップ１０５では、現在のモードがエンジン始動中モードであるか否かを判定する。ステップ１０５でＹＥＳと判定された場合にはステップ１０７へ進み、ＮＯと判定された場合にはステップ１０８に進む。ステップ１０７では、モータ発電機５の回転数をエンジン始動時の回転数に設定し、エンジン７の燃料供給弁と点火装置をＯＮ状態に設定するとともに、スロットル弁の開度を始動時の開度に設定する。その後、ステップ１０９に進み、モータ発電機５を流れる電流を検出して発電しているか否かを判定する。モータ発電機５が発電している場合にはステップ１１０に進み、モータ発電機５がスターターモータとして機能している場合には、ステップ１１１に進んで現在のモードをエンジン始動中モードに設定する。
【００１８】
前記ステップ１０８では、現在のモードがエンジン定常モードであるか否かを判定し、ＹＥＳと判定された場合にはステップ１１０に進み、ＮＯと判定された場合にはステップ１１２に進む。ステップ１１０では、モータ発電機５の回転数を図７に示す車速−モータ回転数マップに基づく回転数に設定し、エンジン７の燃料供給弁と点火装置をＯＮ状態に設定するとともに、スロットル弁の開度を出力要求値に対応する開度に設定する。その後、ステップ１１３で現在の車速がエンジン停止速度を下回っているか否かを判定する。ステップ１１３でＹＥＳと判定された場合にはステップ１１４に進み、ＮＯと判定された場合にはステップ１１５に進んで現在のモードを定常モードに設定する。
【００１９】
前記ステップ１１２では、現在のモードがエンジン停止中モードであるか否かを判定する。この判定結果がＹＥＳの場合にはステップ１１４に進み、ＮＯの場合にはステップ１１６に進む。ステップ１１４では、モータ発電機５の回転数を０に設定し、燃料供給弁とスロットル弁の開度を全閉に設定するとともに点火装置をＯＦＦに設定する。そして、ステップ１１７に進んで現在のモードをエンジン停止中モードに設定する。
前記ステップ１１６では異常処理を実施する。この異常処理は、充電装置６の全てのアクチュエータと点火装置をＯＦＦにするとともに、車体に設けたアラームランプ（図示せず）を点灯させる。このように異常処理制御を実施した後、ステップ１１８で現在のモードを異常モードに設定する。
【００２０】
図３のフローチャートのステップ１０２，１１１，１１５，１１７，１１８においてそれぞれ現在のモードを設定した後、図２のフローチャートのステップＳ４に進み、速度制御アンプ１０と電流制御アンプ９がモータ発電機５の速度（充電電力）を制御する。次に、ステップＳ５で出力要求生成部１８が出力要求値を求める。出力要求値は、図４に示すフローチャートに示すように求める。先ず、図４に示すフローチャートのステップ２００でエンジン７を停止させる指令が発生しているか否かを判定する。ＹＥＳと判定された場合には、ステップ２０１に進んでモータ発電機５の出力要求値を０に設定し、ＮＯと判定された場合には、ステップ２０２に進んでバッテリー温度が上限値と下限値の間の温度であるか否かを判定する。
【００２１】
ステップ２０２でＮＯと判定された場合にはステップ２０１に進み、ＹＥＳと判定された場合には、ステップ２０３に進んでバッテリー４の残存容量が７０％を上回っているか否かを判定する。この判定結果がＹＥＳである場合にはステップ２０１に進み、ＮＯである場合にはステップ２０４に進む。ステップ２０４では、モータ発電機５の出力要求値を図７に示す車速−モータ発電機回転数マップに基づいて決まる値と、図８に示すバッテリー残存容量−発電出力指令値マップに基づいて決まる値のうち小さい方に設定する。
【００２２】
このように出力要求値を設定した後、図２に示すフローチャートのステップＳ６において、前記出力要求値を目標として発電量制御アンプ１９がエンジンの燃料供給弁、スロットル弁の開度と、点火装置での点火時期などの制御値を求め、ステップＳ７でアクチュエータ駆動部２０に制御信号を送出してアクチュエータ１６，１７と点火装置を制御する。そして、ステップＳ２に戻り、上述した制御を繰返す。
【００２３】
上述したように充電装置６を制御することによって、エンジン回転数と発電量は図５に示すように変化する。図５は、横軸に時間をとるとともに縦軸にエンジン回転数、車速、発電量、電力消費量をとっている。同図から分かるように、車速がエンジン始動・停止速度を上回っている状態でエンジン７が運転され、エンジン回転数が車速に対応して増減する。車速がエンジン始動・停止速度に達したときのモータ２の電力消費量は一時的に低下しており、このときにエンジン７を始動することによって、バッテリー４の放電電流が過度に大きくなるのを阻止することができる。発進後にエンジンを始動するときの消費電力は、図６に示すように、車速がエンジン始動速度に達する以前でモータ２の電力消費量が急増するときの最大値に較べて小さくなる。
エンジン始動後のエンジン回転数は、低速で走行しているときには、相対的に減少し、高速で走行しているときには、相対的に増大する。このエンジン回転数の変化に対応するように、モータ発電機５での発電量が増減する。図５において電力消費量を示す曲線が波状になっているのは、ペダルを踏込むときにモータ２の動力で助勢しており、モータ２の出力が脈動するように増減するからである。
【００２４】
したがって、この電動補助自転車１は、電力消費量が少ない運転状態のときにエンジン７を始動させる構成を採っているから、モータ２の電力消費量が少ないときにモータ発電機５（スターターモータ）に給電され、バッテリー４の最大放電電力を低減することができる。このため、バッテリー４として容量が少なく小型のものを用いることができる。
また、電力消費量が少ない運転状態を車速によって検出しているから、発進時を避けてエンジン７を始動できる。このため、小容量のバッテリー４でも過放電になるのを確実に阻止することができる。
【００２５】
この実施の形態では、車速が大きくなるにしたがって増大するように設定した目標充電電力と、モータ発電機５が発電する充電電力とが一致するようにエンジン駆動式の充電装置６を制御しているから、停車時や低速走行時にエンジン回転数が低減し、高速で走行するときにエンジン７が運転されてバッテリー４が充電される。このため、停車時や低速走行時のエンジン音や振動を低減することができる。
また、車速が予め定めたエンジン始動速度を上回ったときにエンジン７を始動し、車速が予め定めたエンジン停止速度を下回ったときにエンジン７を停止させる構成を採っているから、停止時や、車速が設定車速より下回る徐行時には、エンジン７が停止してエンジン音や振動が発生することがなくなる。
【００２６】
第２の実施の形態
エンジンの始動は走行を開始する以前に実施することができる。このように制御する場合の一実施の形態を図９によって詳細に説明する。図９は発進前にエンジンを始動する他の実施の形態の一例を示すフローチャートである。この実施の形態において前記第１の実施の形態で説明した部材と同一もしくは同等の部材については、同一符号を示し詳細な説明は省略する。
【００２７】
走行を開始する以前にエンジンを始動するシリーズハイブリッド式電動補助自転車は、前記第１の実施の形態を採るときのモード判定部１２の構成を僅かに変更することによって実現できる。すなわち、車体が停止しているときにエンジン７を始動するようにモード判定部１２の構成を変更する。また、図１中に二点鎖線で示すようにモード判定部１２とモータ２（モータ用コントローラ）とを接続するとともに、モード判定部１２にエンジン始動が完了するまでの間はモータ２に給電する電力を制限する機能をもたせ、電力消費量が増大することがないようにする。
【００２８】
この形態を採るときのモード判定部１２は、図９に示すように、ステップ１０４でモータ発電機５の回転速度を０に設定し、エンジン７の燃料供給弁とスロットル弁の開度を全閉に設定するとともに、点火装置をＯＦＦに設定した後に、ステップ１０６ａで車体が停止しているか否かを判定する。停車中である場合には、ステップ１０６ｂでモータ２に給電する電力を制限する。その後の制御は第１の実施の形態を採るときと同等である。
このように停車時にエンジン７を始動することによって、バッテリー４の放電電流が過大になるのを確実に阻止することができる。
【００２９】
上述した第１および第２の実施の形態で示した電動補助自転車１において、電力消費量が少ない運転状態は、車速によって検出することに限定されることはなく、例えばバッテリー４の放電電力やモータ２の出力などによって検出してもよい。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、走行用モータの電力消費量が少ないときにスターターモータに給電されるから、バッテリーの最大放電電力を低減することができる。したがって、バッテリーとして容量が少なく小型のものを用いることができるから、重量低減およびコストダウンを図ることができる。また、バッテリーが小型になるため、バッテリーを搭載する位置の自由度が増大する。しかも、バッテリーに接続する配線も相対的に細くすることができる。
【００３１】
請求項２記載の発明によれば、走行用モータの電力消費量が多くなる発進時を避けてスターターモータを作動させることができるから、小容量のバッテリーでも過放電になるのを確実に阻止することができる。
請求項３記載の発明によれば、特にバッテリーの残存容量が少ないときに大きな放電電力を出力するとバッテリーが痛み易いが、これを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係るシリーズハイブリッド式電動補助自転車の充電系の構成を示すブロック図である。
【図２】  充電時の動作を説明するためのフローチャートである。
【図３】  モード判定時の動作を説明するためのフローチャートである。
【図４】  目標充電電力検出手段の動作を説明するためのフローチャートである。
【図５】  車速と発電量の関係を示すグラフである。
【図６】  消費電力の変化を示すグラフである。
【図７】  車速からエンジン回転数を求めるためのマップになるグラフである。
【図８】  バッテリーの残存容量から最大発電電力を求めるためのマップになるグラフである。
【図９】  発進前にエンジンを始動する他の実施の形態の一例を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１…電動補助自転車、２…モータ、４…バッテリー、５…モータ発電機、６…充電装置、７…エンジン、９…電流制御アンプ、１０…速度制御アンプ、１２…モード判定部、１５…車速センサ、２２…バッテリー残量検出部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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