JP5631899B2 - 自転車変速システム - Google Patents

Description

本発明は、電気機械式駆動装置を有する自転車（pedal cycle）の動作方法に関する。

様々な形態の自転車が存在する。従来の自転車の形態の一つは、自転車のペダルに力を与えるサイクリストによってのみ駆動されるものである。このような自転車は「プッシュバイク（push bikes）」と呼ばれることもある。より最近の別の自転車の形態は、サイクリストが自転車をペダリングする労力を電力により補助する電動アシスト自転車（ＥＡＰＣ：electrically-assisted pedal cycle）である。従来の自転車およびＥＡＰＣのいずれも二つ、三つまたは四つの車輪（さらに多い場合もある）を持つ。本文書において、「自転車」という用語は、従来の自転車およびＥＡＰＣの両方を包含するように使用される。

上述のように、ＥＡＰＣでは、サイクリストの自転車のペダリング労力を補助するために電力が使用される。したがって、ＥＡＰＣは、電気エネルギーを貯蔵するバッテリーなどの手段と、自転車を推進させるかまたは少なくとも推進を補助するように構成された電気モータとを備える。主電源のコンセントなどの電気エネルギー源にバッテリーを接続することによって、および回生制動を用いて自転車の運動からエネルギーを回収することによって、通常はバッテリーを再充電することができる。回生制動の原理は、当業者にとって周知である。その結果、ＥＡＰＣをペダリングするためにサイクリストに要求される全体の労力は、従来の自転車よりも小さい。

通常、ＥＡＰＣは二つのグループのうちの一つに分類することができる。第１のグループは、サイクリストがペダリングしているか否かに関わらず、要求に応じていつでも電気的補助を与えることができる自転車である。このグループに属する自転車は「ｅバイク」と呼ばれることもあり、ペダリングがより容易ではあるが、電気原動機付き自転車（モペッド）と概して同等であるものと考えられる。第２のグループに属する自転車は、サイクリストがペダリングしているときにのみ電気的補助を与える。これらは「ペデレック（pedelec）」と呼ばれることもある。

ヨーロッパの大半の国では、ペデレックは少なくとも事実上は従来の自転車として分類されており、運転免許または保険なしで乗ることができる。少なくともイギリスでは、ｅバイクもこのように分類される。したがって、ＥＡＰＣの所有および運転における障壁はわずかである。

近年、ＥＡＰＣで使用される、電気機械式駆動装置および関連するエネルギー貯蔵・回収装置の技術が進歩してきている。これらの技術によって、ＥＡＰＣをさらに効率的に運転できるようになり、それゆえサイクリストによる取り扱いもさらに容易になっている。

上述した全ての理由のため、特にヨーロッパの一部の国では、ＥＡＰＣの人気が高まっている。

ＥＡＰＣを駆動する適切な電気機械式駆動装置がＷＯ−Ａ１−２００６／０３５２１５に記載されている。この内容は、その全体が本明細書に援用される。例えば、この先願は、図２を参照して自転車の後輪の従来のハブを代替するように搭載可能な装置を記載する。代替ハブは、第１および第２のモータ／発電機と、第１および第２の遊星歯車対とを含む。モータ／発電機と遊星歯車対は、（ａ）サイクリストからの入力と駆動輪への出力との間での可変変速比と（ｂ）電動アシストとを組み合わせた、コンパクトな駆動装置を提供するように動作する。

ＷＯ−Ａ１−２００６／０３５２１５に記載されているものを含め、ＥＡＰＣ用の様々な駆動装置が存在するものの、サイクリストの自転車の乗り方の特性が予測不可能であるため、このような装置の制御および動作が問題のあるものとなっている。この点において、サイクリストはエンジンとは全く異なっている。

本発明の少なくとも特定の実施形態の目的は、ＷＯ−Ａ１−２００６／０３５２１５に記載されているものと同様の自転車用の電気機械式駆動装置の動作方法を提供することにある。

本発明の一態様によると、入力電気機械と出力電気機械と入力遊星歯車対とを備える電気機械式駆動装置を有する自転車の動作方法が提供される。入力遊星歯車対において、第１部品は自転車のクランクアームによって駆動されるように結合され、第２部品は入力電気機械のロータおよびステータのうち一方に結合され、ロータおよびステータのうち他方は自転車に対して固定され、第３部品は自転車の車輪を駆動するように固定される。出力電気機械は、モータとして動作するとき、自転車の車輪または別の車輪の駆動を少なくとも補助するように構成される。この方法は、
ａ）モータとしての出力電気機械に少なくとも部分的に電力を供給する発電機として、入力電気機械を動作させるステップと、
ｂ）クランクアームの角度位置を決定するステップと、
ｃ）決定されたクランクアームの角度位置に対して、最大電流を上回らずかつ最小電流を下回らないように入力電気機械内の電流を制御するステップと、
を含む。

このように入力電気機械内の電流を制御することによって、電流に比例するその機械内のトルクも制御される。入力電気機械は第２の遊星歯車対によってクランクアームに結合されているので、入力電気機械内のトルクの制御はクランクアームのトルクを制御することにもなる（二つは比例している）。クランクアームのトルクはサイクリストが付加するトルクである。こうして、入力電気機械内の電流の制御は、サイクリストが付加するトルクを決定する。

このように電流を制御すると、装置が自動的に「ギアを変更する」ことになる。例えば、決定されたクランク位置に対する入力電気機械の最大電流に対応するトルクを超えるトルクをサイクリストが付加するようなより大きな力で、サイクリストがペダルを踏む場合、電気機械が「譲歩して」加速する。これは、入力遊星歯車対の変速比を変更して事実上より小さなギアにする。したがって、サイクリストの付加するトルクがある限界を超えると、装置は自動的に低速のギアに変更する。こうして、ヒルクライム時または急加速時などのギアの低速への切替が必要とされる条件で、装置は自動的にギアを低速に変更する。

同様に、入力電気機械の最小電流に対応するトルクよりも小さなトルクを付加するより小さな力でサイクリストがペダルを踏む場合、電気機械は減速して、サイクリストによるクランクアームの動きに抵抗を与える。入力電気機械のこの減速は、第２遊星歯車対の変速比を変更して、事実上高速のギアにする。したがって、サイクリストの付加するトルクがある限界を下回ると、装置は自動的に大きいギアに変更する。こうして、ダウンヒル時または加速期間から力を抜いて安定速度に向かうときなどの高速への切替が必要とされる条件で、装置は自動的にギアを高速に変更する。

このようにして、本発明の実施形態を使用して、従来の自転車およびＥＡＰＣに、自動変速ギア装置を提供することができる。

既存の電気部品を用いて電気機械の電流制御を容易に実現できることは、当業者であれば認められよう。したがって、本方法の実施形態を用いて、従来の自転車および／またはＥＡＰＣに、容易かつ安価に自動変速比制御を提供することができる。このように遊星歯車対を用いることで、自転車では普通の、高負荷下で頻繁にギアを変える階段状のギアではなく、無段変速機（ontinuously-variable transmission）が提供されることに注意すべきである。

本方法は、入力電気機械を発電機として動作させ、および／または出力電気機械をモータとして動作させ、および／または入力電気機械の電流を制御する制御手段を操作することを含んでもよい。制御手段は、一つ以上のモータコントローラおよび／または一つ以上の発電機コントローラを備えてもよい。

本装置は、自転車に対して固定される第１部品と、出力電気機械のロータに結合されステータは自転車に対して固定される第２部品と、自転車の上記車輪または別の車輪を駆動するように結合された第３部品と、を有する出力遊星歯車対を備えてもよい。

入力遊星歯車対の第３部品は、自転車の一つおよび同一の車輪を駆動しおよび車輪によって駆動されるように結合されてもよく、また出力電気機械は、自転車の一つおよび同一の車輪を駆動しおよび車輪によって駆動されるように構成されてもよい。二つはそれぞれ、自転車の異なる車輪を駆動するか車輪によって駆動されるように結合され構成されてもよい。

一実施形態では、入力遊星歯車対の第１部品はプラネタリーキャリアであってもよく、第２部品はサンギアであってもよく、第３部品は環であってもよい。同様に、一実施形態では、出力遊星歯車対の第１部品はプラネタリーキャリアであってもよく、第２部品はサンギアであってもよく、第３部品は環であってもよい。

最大電流と最小電流は異なる値であってもよいし、同一の値であってもよい。異なる値である場合、「ギアを変える」すなわち変速比を変える構成を用いずに、サイクリストの付加するトルクを変更することができる帯域を作り出す。このようにして、装置は、少なくともある程度、従来のギア付き自転車の挙動を模倣し、従来の自転車に慣れている一部サイクリストの支持を得ることができる。最大電流と最小電流が同一である場合、サイクリストにより付加されるトルクと、入力電気機械から引き出される電流に対応するトルクとが相違するときに変速比を変更する装置になる。この装置を使用して、最適なサイクリング効率に近いか一致するトルクでサイクリストに自転車を漕がせることができる。

クランクアームの決定された角度位置に対して、複数の最大電流および／または最小電流が存在してもよい。ステップ（ｃ）は、複数の最大電流および最小電流から一つの最大電流および最小電流を決定し、クランクアームの決定された角度位置に対してこの決定された最大電流を上回らないように、および／またはこの決定された最小電流を下回らないように入力電気機械内の電流を制御するステップを含んでもよい。この決定は、選択された最大電流および／または最小電流を表す入力をユーザから受け取り、これを用いて決定された最大電流および／または最小電流を設定することを含んでもよい。この決定は、クランクアームのケイデンスを決定し、これを用いて決定された最大電流および／または最小電流を設定することを含んでもよい。例えば、方法は、サイクリストのトルク出力がケイデンスとともにいかに変化するかを表す記録を参照し、決定されたケイデンスに対応するトルク、適切な最大電流および最小電流の指示をこの記録から取得することを含んでもよい。

サイクリストが操作可能な入力手段から入力を受け取ってもよい。

決定されたクランクアームの角度位置に対して、最大電流と最小電流の選択可能な組み合わせが複数存在してもよい。一つの選択可能な組の最大電流が別の選択可能な組の最小電流よりも大きい場合、一つの組の最小電流が別の組の最小電流よりも大きくてもよい。こうして、複数の異なる帯域が作られる。最大電流と最小電流が同一である場合、単独で選択可能な異なる電流が複数存在してもよい。

このようにして最大電流および／または最小電流を選択することで、サイクリストの個人的な嗜好と一致するように装置が変速比を変化させるトルクのレベルを、サイクリストが選択できるようになる。さらに、サイクリング中に異なる最大値および／または最小値を選択することによって、サイクリストは強制的に装置に変速比を変更させることができる。

クランクアームの異なる角度位置に対して、最大電流と最小電流が異なっていてもよい。これは、一回転にわたりサイクリストによってクランクアームに与えられるトルクの自然変動を少なくとも部分的に考慮するためである。最大電流と最小電流は、クランクアームの角度位置とともに正弦波状に変化してもよい。本方法は、クランクアームの角度位置とともに最大電流および最小電流を変化させるステップを含んでもよい。

本方法は、出力電気機械をモータとして動作させるために、入力電気機械によって発電される全ての電気エネルギーを出力電気機械に供給することを含んでもよい。

このようにして、電気機械式装置が搭載された従来の自転車に、ギアを自動的に変える装置を設けることができる。

本方法は、出力電気機械をモータとして動作させるために、電気エネルギーの貯蔵から出力電気機械に対して貯蔵された電気エネルギーを供給することを含んでもよい。本方法は、貯蔵された電気エネルギーをこのように供給し、出力電気機械に供給され入力電気機械により発電される電気エネルギーを補完することを含んでもよい。本方法は、貯蔵された電気エネルギーを出力電気機械に供給し、出力電気機械に供給され入力電気機械により発電される電気エネルギーを補完すべきことを表すアシスト入力を受け取ることを含んでもよい。本方法は、アシスト入力の受け取りに応じて、貯蔵された電気エネルギーを供給することを含んでもよい。本方法は、貯蔵された電気エネルギーをこのように供給するように制御手段を動作させることを含んでもよい。

サイクリストが操作可能なアシスト入力手段からアシスト入力を受け取ってもよい。

アシスト入力は、サイクリストに提供される、複数の選択可能なアシストレベルのうちの一つを表してもよい。アシスト入力は、電気エネルギーの貯蔵の放電によって出力電気機械に供給される電力により、サイクリストによるパワー入力を増加すべき割合を表すものであってもよい。本方法は、アシスト入力の受け取りに応答して、電気エネルギーの貯蔵を放電し、それによって出力電気機械を少なくとも部分的に動作させることを含んでもよい。

本方法は、発電される電気エネルギーを補完するために、貯蔵された電気エネルギーを出力電気機械に供給するのみであってもよく、また出力電気機械に実質的に全く電気エネルギーを供給しなくてもよい。入力電気機械によって電気エネルギーが発電されないとき、出力電気機械はモータとして動作しない。こうして、自転車はペデレックとして動作する。

本方法は、入力電気機械によって電気エネルギーが発電されているか否かに関わらず、貯蔵された電気エネルギーを出力電気機械に供給してもよい。本方法は、アシスト入力の受信に応答して、または別の入力の受信に応答してこれを行ってもよい。こうして、自転車はｅ−バイクとして動作することができる。別の入力は、電気機械に供給されるべき電力を可変的に表すスロットル入力であってもよい。

本方法は、クランクアームの一回転にわたり電力が変化するように、出力電気機械への電力の供給を制御するステップを含んでもよい。この変化は、クランクアームの一回転にわたる駆動輪への電力の変動を少なくとも軽減するものであってもよい。このような変動により、自転車に対してサイクリストにより入力される力の変動が生じる。このように、出力電気機械への電力は、クランクアームの一回転にわたり変化して、サイクリストによる装置への入力の自然な正弦波状の変動を少なくとも部分的に補償する。その結果、クランクアームの一回転にわたりより円滑に回転する。これをするとき、クランクアームの連続的な回転にわたり電気エネルギーの貯蔵を放電することによって、出力電気機械に電力を供給してもよいし、および／または、クランクアームの回転の一部で発電された電気エネルギーを一時的に貯蔵し、これを用いて回転の別の一部で出力電気機械に電力を供給してもよい。回転の一部は、サイクリストによる力の入力が比較的大きい部分であってもよいし、回転の別の部分は、サイクリストによる力の入力が比較的小さい部分であってもよい。一回の完全な回転にわたり、電気エネルギーの貯蔵が実質的に枯渇しないように、出力電気機械に電力を供給してもよい。こうすると、本方法は、電力入力の変動を「解決する（iron out）」ことができる。制御手段はこれにしたがって構成されてもよい。

本方法は、クランクアームが実質的に静止していることを決定し、これに応答して、入力電気機械を実質的に短絡するステップを含んでもよい。クランクアームの静止時に、入力電気機械を短絡することによって、入力電気機械は実質的にロックされ、サイクリストによる力の入力が入力遊星歯車対を経由して駆動輪に機械的に伝達される。これにより、サイクリストは静止状態から円滑に離脱することができる。本方法は、入力電気機械内の実電流が最大電流に到達するまで、入力電気機械の実質的な短絡を維持することを含んでもよい。短絡が半回転未満の間維持されてもよい。短絡が１／４回転未満の間維持されてもよい。短絡は、クランクアームの回転角度が約１０度から２０度の間維持されてもよい。短絡が約１５度の回転の間維持されてもよい。

本方法は、入力電気機械および／または出力電気機械を発電機として動作させて自転車を妨げることを含んでもよい。このようにして発電される電力を用いて、電気エネルギーの貯蔵を再充電してもよい。本方法は、例えば、電気機械の電流および／または電圧の位相シフトによって電気機械の一方または両方を非効率的に動作させて、発電された電気エネルギーを熱として放散させ、これによって自転車を妨げることを含んでもよい。本方法は、サイクリストにより操作されるブレーキ入力デバイスからの信号に応答して、入力電気機械および／または出力電気機械をこのように発電機として動作させることを含んでもよい。ブレーキ入力デバイスはブレーキレバーであってもよい。本方法は、クランクアームの逆方向への移動の検出に応答して、選択的には、自転車が平地にあるとき垂直に対してクランクアームが６０度から１２０度の間にあるときにクランクアームの逆方向への移動の検出に応答して、入力電気機械および／または出力電気機械をこのように動作させることを含んでもよい。

自転車は、ペダルに力を与えるサイクリストによってのみ駆動される従来の自転車であってもよい。この種の自転車は、「プッシュバイク」と呼ばれることもある。自転車は、例えばペデレックまたはｅ−バイクなどのＥＡＰＣであってもよい。自転車は、一つ、二つ、三つ、または四つ以上の車輪を有してもよい。自転車は、二輪自転車（一人用および二人用自転車を含む）、三輪自転車、またはサイクリストのペダリングによって少なくとも部分的に推進可能である想定可能な任意の形態の自転車であってもよい。

本発明の第２の態様によると、入力電気機械と出力電気機械と入力遊星歯車対とを備える電気機械式駆動装置を有する自転車の動作方法が提供される。入力遊星歯車対において、第１部品は自転車のクランクアームによって駆動されるように結合され、第２部品は入力電気機械のロータおよびステータのうち一方に結合され、ロータおよびステータのうち他方は自転車に対して固定され、第３部品は自転車の車輪を駆動するように固定される。出力電気機械は、自転車の車輪または別の車輪によって駆動されるとともに発電機として動作するように構成される。この方法は、
ａ）モータとしての入力電気機械に少なくとも部分的に電力を供給して、第３部品に結合された車輪の駆動を少なくとも補助する発電機として、出力電気機械を動作させるステップと、
ｂ）クランクアームの角度位置を決定するステップと、
ｃ）決定されたクランクアームの角度位置に対して、最大電流を上回らずかつ最小電流を下回らないように入力電気機械内の電流を制御するステップと、
を含む。

この第２態様の少なくとも特定の実施形態では、電気機械式装置は、第１の態様の少なくとも特定の実施形態の装置と同一であってもよいが、第２の態様の実施形態では、入力電気機械がモータとして動作し、発電機として動作する出力電気機械によって電力が供給される。第１態様と同様に、この第２態様の少なくとも特定の実施形態では、入力電気機械内の電流は、（入力電気機械がモータとして動作するにもかかわらず）駆動装置が自動的にギアを変更するように同様に制御される。以下の特定の例示実施形態の説明から理解されるように、電気機械式駆動装置は、後述する「節点」の一方の側では第２態様にしたがって自動的に動作し、「節点」の他方の側では第１態様にしたがって動作してもよい。例えば、入力電気機械において実質的に同一の電流を維持することによって、サイクリストが自転車を加速すると、第１の態様にしたがって動作が開始し、節点を超え、続いて、実質的にその電流を変更することなく、第２の態様にしたがって動作する。

第１態様の任意の特徴は、第２態様の任意の特徴であってもよい。

本発明の第３態様によると、以上で定義された方法を実行するように構成された自転車が提供される。

本発明の第３態様によると、以上で定義された方法を実行するようにプログラムされ動作可能である処理手段が提供される。

本発明の第４態様によると、以上で定義された方法を処理手段に実行させるように処理手段によって実行可能であるコード部を有するコンピュータプログラムが提供される。

本発明の第５態様によると、以上で定義された方法を処理手段に実行させるように実行可能であるコンピュータ可読命令の記録を有する記録担体が提供される。

記録担体は記憶手段を含んでもよい。記憶手段は、非揮発性メモリなどの固体記憶素段を含んでもよい。記憶手段は、ＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、フラッシュメモリのうちの一つまたは複数を含んでもよい。記憶手段は、光学ディスクおよび／または磁気ディスクを含んでもよい。記録担体は、電気信号、無線信号および／または電磁信号を含んでもよい。

以下、添付の図面を参照して、例示のみを目的として本発明の特定の実施形態を説明する。

本発明が具体化された自転車を示す図である。 電気機械式駆動装置の特定の部品が収納された自転車のホイールハブの半径方向断面図である。 駆動装置の動作を制御手段の模式図である。 「開始」ルーチンと「運転時」ルーチンとを含む、自転車の作動方法の一実施形態のステップのフロー図である。 サイクリストによってペダルのクランクアームに与えられるトルク対ケイデンスの変動を示すグラフの一例である。 本方法の代替実施形態に係る改良された動作時ルーチンのステップのフロー図である。 本方法の実施形態の一部を形成可能であるアシストルーチンのステップのフロー図である。 本方法の実施形態の制動ルーチンのステップのフロー図である。 本発明が具体化された代替的な自転車のクランクケースの半径方向断面図と模式図とを組み合わせた図である。 本発明が具体化された代替的な自転車のフロントハブおよびリアハブの半径方向断面図である。 本発明が具体化された四輪自転車の特定部品の配置を示す模式図である。

［構造］
図１は、二輪自転車１０の形態をとる電動アシスト自転車を示す。自転車１０は、前方に操舵輪２０を有し、後方に駆動輪３０を有する従来の自転車と同様である。自転車１０は、後輪３０と同軸に取り付けられたリアスプロケット８０とチェーン７０によって接続されたフロント歯付きコグ（toothed cog）６０を駆動するクランクアーム５０上にペダル４０がある従来の構成を有する。しかしながら、自転車１０は、リアスプロケット８０が、車輪を直接駆動するように後輪３０のハブ１００に固定取り付けされていない点で従来の自転車とは異なる。代わりに、リアスプロケット８０は、ハブ１００の内部に収納される電気機械式駆動装置の特定の部品を駆動する。

図２は、ハブ１００とその中身を詳細に示す。これらは、第１の径方向磁束モータ／発電機１１０の形態をとる第１電気機械と、第２の径方向磁束モータ／発電機１２０の形態をとる第２電気機械と、第１遊星歯車対１３０と、第２遊星歯車対１４０とを含む。参照しやすいように、第２モータ／発電機１２０および第２遊星歯車対１４０は、「入力モータ／発電機」１２０および「入力遊星歯車対」１４０と呼び（これらはリアスプロケット８０とより直接的に結合されているため）、第１モータ／発電機１１０および第１遊星歯車対１３０は、「出力モータ／発電機」１１０および「出力遊星歯車対」１３０と呼ぶ。

入力遊星歯車対および入力モータ／発電機の構成について最初に説明する。入力スプロケット８０は、入力遊星歯車対１４０のプラネタリーキャリア１４２を形成する襟部に固定取り付けされる。プラネタリーキャリア１４２は、自転車１０のフレームに固定される後輪軸１５０の周りに回転するようにベアリング１４３に取り付けられる。プラネットギア１４４は、プラネタリーキャリア１４２に回転可能に取り付けられ、サンギア１４６とかみ合う。サンギア１４６は、入力モータ／発電機１２０のロータ１２２に固定結合されてロータとともに回転し、後輪軸１５０の周りに回転可能に取り付けられる。入力モータ／発電機のステータ１２４は、後輪軸１５０に固定取り付けされる。プラネットギア１４４とかみ合う環１４８は、ハブ１００の内壁に固定される。図２から分かるように、プラネットギア１４４は段付き歯車であり、サンギア１４６とのかみ合い部よりも直径が小さい、環１４８とのかみ合い部を有する。

次に、出力遊星歯車対１３０および出力モータ／発電機１１０の構成について説明する。出力遊星歯車対１３０のプラネタリーキャリア１３２は後輪軸１５０に固定取り付けされる。プラネットギア１３４はプラネタリーキャリア１３２に回転可能に取り付けられるとともに、サンギア１３６とかみ合う。サンギア１３６は、出力モータ／発電機１１０のロータ１１２に固定結合されてロータとともに回転し、後輪軸１５０の周りに回転可能に取り付けられる。出力モータ／発電機１１０のステータ１１４は、後輪軸１５０に固定取り付けされる。プラネットギア１３４とかみ合う環１３８は、ハブ１００の内壁に固定される。出力遊星歯車対１３０のプラネットギア１３４も段付き歯車であり、サンギア１３６とのかみ合い部よりも直径が小さい、環１３８とのかみ合い部を有する。

ハブ１００は、一端ではベアリング１０２によって後輪軸１５０上に、他端ではベアリング１０４によって入力遊星歯車対１４０のプラネタリーキャリア１４２である襟部上に、回転可能に取り付けられる。ハブ１００は、ホイールリムを支持するスポークを従来通り支持し、ハブがトルクをリムに伝達して自転車１０を駆動できるようにする。

このように、本装置は、ＷＯ２００６／０３５２１５にその公報の図２を参照して記載された装置と非常に似通っている。実際、当該公報に開示された装置のそれぞれは、本発明の代替実施形態において、図１を参照して述べた自転車１０の電気機械式駆動装置を提供してもよいと考えられる。

本実施形態では、遊星歯車対１３０、１４０の両方がかみ合い歯車を有しているが、他の実施形態では、かみ合いせず接触のみである遊星歯車対でそれらを置き換えてもよいと考えられる。

本実施形態に戻り図３を参照すると、自転車１０は、入力モータ／発電機１２０および出力モータ／発電機１１０に接続され、入力手段から受け取る入力に応答してこれらを制御するように構成された制御手段２００を備える。制御手段２００は、電気制御ユニット（ＥＣＵ）２０５、バッテリー管理ユニット２０７、および二つのモータ／発電機コントローラの形態をとる。コントローラの一方は「入力コントローラ」２１０と呼ばれ、入力モータ／発電機１３０を制御する。コントローラの他方は「出力コントローラ」２２０と呼ばれ、出力モータ／発電機１１０を制御する。ＥＣＵ２０５は、本発明を具現化する方法ステップを実行するようにプログラム可能かつ動作可能であるマイクロプロセッサを備える。その方法は、図３および図５を参照して後述される。ＥＣＵ２０５は、入力コントローラ２１０、出力コントローラ２２０およびバッテリー管理ユニット２０７に接続され、これら三つのユニットの動作を制御する。

制御手段２００に入力を与える入力手段は、ユーザ入力手段２５０と、クランク速度および位置センサ２６０を含む。この実施形態では、ユーザ入力手段２５０は、ユーザの操作可能なパワー入力デバイスおよびユーザが操作可能なブレーキ入力デバイス（いずれも図示せず）を含む。パワー入力デバイスは、ユーザにより操作され自分がペダリングしたいと望むパワー（すなわち、作業の比率）を指示するように構成される。ブレーキ入力デバイスは、ユーザにより操作され、自転車１０を減速すべき割合を指示するように構成される。

この実施形態では、パワー入力デバイスは、複数の異なる位置のそれぞれの間で位置決め（index）するユーザ操作可能なセレクタであると想定される。このようなセレクタスイッチの例は、従来の自転車のギアチェンジ機構でよく使用されるツイスト可能なグリップシフトおよびサムシフター（thumb shifter）である。ブレーキ入力デバイスは、従来のブレーキレバーと同様であってよいと想定される。しかしながら、本実施形態では、ユーザの選択した位置を表す電気信号を生成できるように、そのようなセレクタスイッチおよびブレーキレバーの電気版を用いることが想定されている。クランク速度・位置センサ２６０は、クランクアーム５０の速度および角度位置を検出し、これを表す電気信号を出力するように構成された従来のデバイスである。各入力手段はＥＣＵ２０５に接続され、それぞれの電気信号をＥＣＵ２０５に提供するように構成される。

制御手段２００からの別の出力は、計器パネル２７０に接続される。

バッテリー管理ユニット２０７は、再充電可能なバッテリー２０８の形態をとる電気エネルギー貯蔵手段に接続される。

再び図１を参照して、入力コントローラ２１０、出力コントローラ２２０およびバッテリー管理ユニットは、自転車１０のフレームに固定されたコントロールハウジング９０の内部に収納される。バッテリー２０８は、同じくフレームに固定されたバッテリーハウジング９２の内部に収納される。

［作用］
自転車１０の作用について説明する。この説明は、プログラミングされたコンピュータプログラムに含まれる命令の実行時にＥＣＵ２０５によって実行される方法ステップを説明する形で行われる。図４を参照して、方法は自転車の速度が検出されるステップ３００で開始する。これは、出力モータ／発電機１１０の速度を検出するＥＣＵ２０によって行われる。出力モータ／発電機１１０の速度は自転車１０の速度に比例する。ＥＣＵ２０５は、これを表す信号をモータ整流センサから受け取ることによって、出力モータ／発電機１１０の速度を検出する（他の実施形態では、電圧または電圧ピークの周波数が代わりに測定されてもよい）。

ステップ１３０で、ＥＣＵ２０５は、自転車１０が静止しているか否かを、ステップ３１０で検出された速度から決定する。静止していない場合（すなわち、自転車１０が動いている場合）、本方法はステップ３２１で始まる「動作時」ルーチンを実行する。自転車が静止している場合、本方法はステップ３３１で始まる「開始時」ルーチン３３０を実行する。開始時ルーチン３３０については後述する。最初に、動作時ルーチン３２０を説明する。

［動作時ルーチン］
動作時ルーチン３２０は、ＥＣＵ２０５がクランク速度・位置センサ２６０からの出力を検出し、その出力からサイクリストがペダリングしているクランク速度を決定するステップ３２１で開始する。

続いて、動作時ルーチン３２０はステップ３２２に進む。このステップでは、ＥＣＵ２０５はパワー入力デバイスからの信号を検出する。この信号は、サイクリストがペダリングしたいと望むパワーを示すものである。上述のように、パワー入力デバイスは、複数のセッティングから一つを選択するようにサイクリストによって操作可能である。各セッティングは、サイクリストがペダリングしたいパワーに概ね対応している。

ステップ３２３で、ＥＣＵ２０５はクランク速度・位置センサ２６０からの出力を検出し、その出力からクランクアーム５０の現在位置を決定する。

続いて、方法は、発電機として動作する入力モータ／発電機１２０から引き込まれるべき電流を決定するステップ３２４に進む。このように入力モータ／発電機１２０内の電流を制御することによって、電流に比例するその機械のトルクも制御されることを理解すべきである。入力モータ／発電機１２０は入力遊星歯車対１４０によってクランクアーム５０に結合しているので、入力モータ／発電機１２０のトルクの制御は、クランクアーム５０のトルクを制御することになり（二つのトルクは比例する）、これはサイクリストがペダル４０を介してクランクアーム５０に与えるトルクである。こうして、入力モータ／発電機１２０内の電流の制御が、サイクリストがペダル４０に与えなければならない力を決定する。ステップ３２４で、ＥＣＵ２０５は、パワー入力デバイスの位置によってサイクリストがペダリングしたいと指示したパワーでサイクリストにペダリングさせる力で、ペダル４０をサイクリストに対して反抗させるように、入力モータ／発電機１２０から引き込むべき電流を制御する。こうすることで、ＥＣＵ２０５は、前もって決定されたクランク速度（ステップ３２１で決定）および前もって決定されたクランク位置（ステップ３２３で決定）を利用して、クランク速度とクランク位置の関数として電流を決定する。これについて以下でさらに詳細に説明する。

最初に、クランク速度の関数としての電流の変化について説明する。パワー入力デバイスのユーザが選択可能なセッティングのそれぞれについて、ＥＣＵ２０５は、それぞれのグラフ、より正確には参照テーブルの形をとる実質的にグラフを表す情報へのアクセスを有する。参照テーブルは、サイクリストが典型的に自転車のクランクアーム５０に与えるトルクがクランク速度（「ケイデンス」と呼ばれることもある）によっていかに変化するかを示す。このようなグラフの一例を図４ａに示す。図４ａから分かるように、ケイデンスが増加するにつれてトルクは減少する傾向にある（したがって、このようなグラフが、サイクリストのパワー出力がケイデンスによっていかに変化するかについても表していることが理解されるだろう）。グラフはそれぞれ、概して互いに同様の形状であるが、同一軸上に表す場合、ｙ軸すなわちトルク軸に沿って各グラフの間隔が空いている。パワー入力デバイスによって与えられる入力を前もって検出しておくことで、ＥＣＵ２０５は、その入力によって表される、パワー入力デバイスのユーザ選択可能なセッティングに対応するグラフ（というよりは参照テーブル）を参照する。これから、ＥＣＵ２０５は、サイクリストがペダリングすべきトルクを決定する。既に述べたように、クランクアーム５０のトルクは入力モータ／発電機１２０のトルクと正比例し、入力モータ／発電機１２０のトルクはその機械内の電流に正比例する。したがって、ＥＣＵ２０５は、簡単な変換係数を適用して入力モータ／発電機１２０内に存在すべきである「概念上の」電流を取得し、ユーザの選択したパワーレベルに対する検出されたクランク速度に対応するトルクを参照テーブルから検索する。

次に、クランク位置の関数としての電流の変化を説明する。クランク周期にわたりサイクリストがペダル４０を踏む力には自然変動がある（例えば、クランク周期の上死点および下死点では、サイクリストはペダル４０に有用な力をほとんど与えない）。したがって、ＥＣＵ２０５は「概念」を修正して、この自然変動を考慮した入力モータ／発電機１２０から引き出すべき実電流を与える。この実電流は、連続クランク周期における同一のクランク角度に対して一定である。これは各周期における同一のクランク角度でペダル４０に同一の反力を与える。しかしながら、各クランク角度にわたり、クランク角度によって電流は正弦波状に変化する。これを行う様々な方法が存在する。本実施形態では、ＥＣＵ２０５は、概念電流に対してアルゴリズムを適用して、クランク角度とともに変化し入力モータ／発電機１２０から引き出されるべき実電流を決定する。

それがステップ３２４を完了させる。

ステップ３２５で、ＥＣＵ２０５は、ステップ３２４で決定された電流がその中に存在するように入力モータ／発電機１２０が動作するように入力コントローラ２２０を制御する。少なくとも自転車速度が低速のとき、これは入力モータ／発電機１２０を発電機として動作させることに対応する。ステップ３２５で動作時ルーチン３２０が終了する。

このように電流を制御することで、自転車１０は、クランクアーム５０と後輪との間の変速比を自動的に変更する。例えば、所定のクランク位置に対して入力モータ／発電機１２０から引き出される電流に対応するトルクを超えてサイクリストがトルクを付加するようなより大きな力でサイクリストがペダル４０を踏むと、モータ／発電機が「譲歩して」加速する。これは、入力遊星歯車対１４０の変速比をより小さな変速比に変更する。こうして、サイクリストの付加するトルクがある限界を超えると、駆動装置が自動的に小さな変速比に変更する。駆動装置は、ヒルクライム時または急加速時などのギアの低速への切替が必要とされる条件で、自動的にギアを低速に切り替える。

同様に、サイクリストがより小さな力でペダル４０を踏み、入力モータ／発電機１２０から引き出されるべき所定の電流に対応するトルクよりも小さなトルクを付加する場合、モータ／発電機１２０は減速し、サイクリストによるクランクアーム５０の動きに抵抗する。入力モータ／発電機１２０のこの減速は、第２遊星歯車対の変速比をより高い変速比に変更する。こうして、サイクリストの付加するトルクがある限界を下回ると、装置が自動的に高い変速比に変更する。ダウンヒル時、または加速期間から力を弱め安定速度に向かうときなどのギアの高速への切替が必要とされる条件で、自動的にギアを高速に切り替える。

それぞれがトルク対ケイデンスのグラフの一つに対応する、パワー入力デバイスの複数のユーザが選択可能なセッティングをサイクリストに提供することによって、サイクリストは、自分が回転させたいと望む力を大まかに選択することができる。したがって、サイクリストは走行中にその力を変更することができ、概してよりハードにまたはより容易に自転車を走行させることができる。

動作時ルーチン３２０の後、ステップ３００に戻る前に、方法はアシストルーチン３４０を実行する。アシストルーチン３４０は、図６を参照してさらに後述される。しかしながら、最初に上述の開始時ルーチン３３０を説明する。

［開始時ルーチン］
上述した開始時ルーチン３３０について以下で説明する。ＥＣＵ２０５がステップ３１０で自転車１０が静止していると決定した場合、方法は開始時ルーチン３３０を実行し、ステップ３３１に進む。

ステップ３３１で、ＥＣＵ２０５は、動作時ルーチン３２０のステップ３２２と同じ方法で、パワー入力デバイスからの信号を検出する。

ステップ３３２で、ＥＣＵ２０５は、動作時ルーチン３２０のステップ３２３と同じ方法で、現在のクランク角度を検出し決定する。

ステップ３３２で、ＥＣＵ２０５は、動作時ルーチン３２０のステップ３２４と同様にして、パワー入力デバイスからの信号、現在のクランク角度、およびケイデンスがほぼゼロである（トルク対ケイデンスを表す上述のグラフは、ケイデンスがほぼゼロのときにサイクリストにより付加されるトルクを表している）ことに基づき、入力モータ／発電機１２０から引き出されるべき電流を決定する。

続いて、開始時ルーチン３３０は、ＥＣＵ２０５が入力コントローラ２１０を制御して、第１モータ／発電機１１０をほとんど短絡させるステップ３３４に進む（第１モータ／発電機１１０と入力コントローラ２１０の間には常にある程度の電流が流れる必要があるので、第１モータ／発電機を完全に短絡することは困難である）。

この事実上の短絡は、入力モータ／発電機１２０において回転に対する反作用トルクを迅速に構築する（この構築は、クランク角度が約５度から１０度の間に起こる）。この反作用は、入力遊星歯車対１４０を介してクランクアーム５０およびペダル４０に伝達され、自転車を漕ぎ出すときに押し込むものをサイクリストに与える。事実上の短絡は、サイクリストがペダル４０に力を与えて、クランクアーム５０、チェーン、リアスプロケット８０、プラネタリーキャリア１４２およびプラネットギア１４４を介して、ロータ１２２に結合されたサンギア１４６にトルクを伝達するときに、ロータ１２２が回転しないように、入力モータ／発電機１２０をロックする傾向がある。その結果、サイクリストにより与えられたトルクが、ハブ１００に結合された環１４８に伝達される。これにより、ハブおよびこれに接続された車輪が回転し、自転車が静止状態から前方に駆動される。

ステップ３３５で、ＥＣＵ２０５は、入力モータ／発電機１２０内の実電流を検出する。

ステップ３３６で、検出された実電流とステップ３３３で決定された電流とが比較され、決定された電流よりも実電流が小さい限り、開始時ルーチンはステップ３３１に戻りルーチンを繰り返す。実電流が決定された電流に到達すると、ステップ３３６でＥＣＵ２０５は開始時ルーチン３３０を抜けて、上述した動作時ルーチン３２０を開始する。

［最大ケイデンス制御を有する代替例］
第１の代替実施形態では、以下の変更点を除いて、図１ないし４を参照して上述した自転車１０と同じ自転車である。

第１に、ユーザ入力手段２５０が変更される。ユーザ操作可能なパワー入力デバイスを備える代わりに、入力手段２５０は、ユーザ操作可能なトルク入力デバイスと、ユーザ操作可能が最大ケイデンス入力デバイス（いずれも図示せず）とを備える。トルク入力デバイスは、サイクリストが伝達したいトルクをクランクアーム５０を介して指示するために、すなわち、サイクリストがペダリングしたい力を指示するために、サイクリストによって操作されるように構成される。最大ケイデンス入力デバイスは、トルク入力デバイスと組み合わせて、サイクリストがペダリングしたい最大パワーを指示するように、サイクルストによって操作されるように構成される。ここでも、入力デバイスは、複数の異なる位置のそれぞれで位置決めするユーザ操作可能なセレクタスイッチであってもよい。

この実施形態の作用は、図４を参照して述べたものとほぼ同じである。しかしながら、図４を参照して説明した動作時ルーチン３２０が、わずかに変更された動作時ルーチン３２０’で置き換えられる。この変更動作時ルーチン３２０’について、図５を参照して説明する。

ステップ３２１’で、ＥＣＵ２０５は、上述のステップ３２１と同様にクランク速度を検出し決定する。

ステップ３２２’は、この変更動作時ルーチン３２０’で新たに表れるステップである。このステップでは、ＥＣＵ２０５は、トルク入力デバイスによって与えられる入力を検出する。これは、パワー入力デバイスによって与えられる入力を検出するステップを置換する。

ステップ３２３’で、ＥＣＵ２０５は、上述のステップ３２３と同様にクランク角度を検出し決定する。

ステップ３２６は、この変更動作時ルーチン３２０’で新たに表れるステップである。このステップでは、ＥＣＵ２０５は、最大ケイデンス入力デバイスによって与えられる入力を検出する。

ステップ３２４’で、ＥＣＵ２０５は、入力モータ／発電機１２０内に電流が存在するかを判定する。このステップは上述のステップ３２４と似ているが、トルク対ケイデンスのグラフ（または参照テーブル）が参照されない点で相違する。代わりに、ＥＣＵ２０５は、トルク入力デバイスから受け取る入力のみに基づき、「概念的な（notional）」電流を決定する。そして、上述のように、各クランク位置において入力モータ／発電機１２０内に存在すべき実電流を与えるクランク角度の関数として、これを修正する。しかしながら、ステップ３２４’において、ＥＣＵ２０５は、最大ケイデンス入力デバイスから受け取った入力と、実クランク速度（すなわち実ケイデンス）とを比較する。最大ケイデンス入力デバイスから受け取った入力によって表されるケイデンスを実ケイデンスが超えている場合、ＥＣＵ２０５は、入力モータ／発電機１２０内の電流を所定の係数だけ（他の実施形態では、所定の量だけ）減少させるように入力コントローラ２１０を制御する。理解されるように、これが入力モータ／発電機１２０内のトルクを減少させ、サイクリストに伝達されるトルク反作用を減少させ、したがってサイクリストはより小さなパワー出力でペダリングすることができる。言い換えると、この第１の代替実施形態で説明された変更構成によって、サイクリストは、好ましいサイクリングトルクおよび好ましい最大サイクリングパワーを設定することができる。この変更構成も、上述のように変速比を自動的に変更できることは理解されるだろう。

この代替実施形態は、トルク対ケイデンスの参照テーブルが存在しないことを考慮するために、開始時ルーチン３３０のステップ３３３に対して対応する変更を加えたものと考えられる。

［電気アシスト］
図１ないし４を参照して説明した第１実施形態と、図５を参照して説明した第１の代替実施形態の両方において、自転車１０はサイクリストに電動アシスト（電気的補助）を与えるように構成される。これについて以下で説明する。

最初に、ユーザ入力手段２５０は、ユーザ操作可能なアシスト入力デバイスと、ユーザ操作可能なブレーキ入力デバイス（図示せず）とをさらに備える。アシスト入力デバイスは、サイクリストがペダリングによって駆動装置に与えたい力がバッテリーからの電力を用いて補完される係数を示すように、サイクリストによって操作されるように構成される。ここでも、アシスト入力デバイスは、複数の異なる位置のそれぞれで位置決めするユーザ操作可能なセレクタであると想定されている。

第１実施形態および第１の代替実施形態における動作方法は、簡単のために図４および図５からは省略されたが、図６のステップ３４０で示す「アシスト」モードを含む。このアシストモード３４０は、動作時モード３２０（または３２０’）の後の、方法がステップ３００に戻る前に挿入される。

続けて図６を参照すると、アシストモード３４０は、アシスト入力デバイスから提供される入力をＥＣＵ２０５が検出するステップ３４１で開始する。上述したように、この入力は、サイクリストがペダリングによって駆動装置に与えたい力がバッテリー２０８からの電力を用いて補完される係数を表す。この実施形態では、この入力は三つの設定を表すことができる。すなわち、サイクリストによって与えられる力を補完するためにバッテリー２０８から電力が供給されるべきではないこと（すなわち、電動アシストを提供すべきでないこと）、サイクリストによって与えられる力と一致する電力がバッテリー２０８から供給されるべきであること（例えば、１００％の電動アシストを提供すべきこと）、およびサイクリストによって与えられる力の２倍の電力がバッテリー２０８から供給されるべきであること（例えば、２００％の電動アシストを提供すべきこと）、の三つである。他の実施形態では、いくつかの異なる絶対量の電力がバッテリー２０８から供給されるべきであることのそれぞれを、入力が表してもよい。

ステップ３４２で、ＥＣＵ２０５は、クランク速度（クランク速度・位置センサ２６０からの入力の検出によって検出される）と、ステップ３２４（または３２４’）で決定されステップ３２５で設定される電流（上述のように、この電流は、入力モータ／発電機１２０内のトルクと比例しており、したがってサイクリストによって与えられるトルクと比例している）との組み合わせから、サイクリストによって現在供給されている電力を決定する。

続いて、方法は、ＥＣＵ２０５がそれに応じてバッテリー管理ユニット２０７と出力コントローラ２１０とを制御するステップ３４３に進む。

具体的には、電動アシストを提供すべきでないことを表す入力をアシスト入力デバイスから受け取る場合、ＥＣＵ２０５は、バッテリー２０８から電力が供給されないようにバッテリー管理ユニット２０７を制御し、入力モータ／発電機１２０により発電された電力のみで駆動されるモータとして出力モータ／発電機１２０を動作させるように出力コントローラ２１０を制御する。こうすると、サイクリストによって与えられる純粋な力で、後輪が機械的および電気機械的に駆動される。後輪は、クランクアーム５０、リアスプロケット８０、入力遊星歯車対１４０のプラネタリーキャリア１４２、プラネットギア１４４および環１４８を介してサイクリストによって機械的に駆動され、ハブ１００を駆動する。また、後輪は、クランクアーム５０、リアスプロケット８０、入力遊星歯車対１４０のプラネタリーキャリア１４２、プラネットギア１４４およびサンギア１４６を介して電気機械的に駆動され、入力モータ／発電機１２０を発電機として駆動し、モータとしての出力モータ／発電機１１０に電力を供給する。そして、出力モータ／発電機１１０は、出力遊星歯車対１３０のサンギア１３６、プラネットギア１３４および環１３８を介してハブ１００を駆動する。

しかしながら、アシスト入力デバイスから受け取る入力が、電動アシストを提供すべきでないことを表す場合、ＥＣＵ２０５は、バッテリー２０８から出力電気機械１１０に電力が供給され、入力電気機械１２０により発電される電力を補完するように、バッテリー管理ユニット２０７を制御する。ＥＣＵ２０５は、アシスト入力デバイスから受け取る入力と、サイクリストによる入力としてステップ３３０で計算される電力とによって求められる電力レベルを供給するように動作する。このようにして、サイクリストによって選択される電動アシストの係数が与えられる。他の点については、電動アシストがない場合について説明したものと同様の動作である。

［ブレーキ］
上述した実施形態では、自転車は、サイクリストによって可変操作され、サイクリストが自転車を制動したい割合を表す信号を生成するブレーキ入力デバイスを有する。上述の各実施形態の方法は、サイクリストが自転車の制動を望んでいることを表す入力をブレーキ入力デバイスから受け取ると、図７の３５０で示す制動ルーチンをＥＣＵ２０５が実行する。制動ルーチン３５０は、ＥＣＵ２０５がブレーキ入力デバイスからの入力を検出するステップ３５１で始まる。ステップ３５２で、発電機として動作する出力モータ／発電機１１０から引き出され、ブレーキ入力デバイスからの入力によって示される制動率で自転車を減速させる制動トルクを後輪３０に作用させる出力電流を決定する。ステップ３５３で、ＥＣＵ２０５は、出力モータ／発電機１１０が、前のステップで決定された引き出される電流をもつ発電機として動作するように出力コントローラ２２０を制御する。

上述の実施形態では、ＥＣＵ２０５は、制動中に出力モータ／発電機１１０によって発電される電力を用いてバッテリー２０８を再充電するように、出力コントローラ２２０とバッテリー管理ユニット２０７とを操作する。このようにして、回生制動が実現される。バッテリー２０８が完全に充電されると、駆動装置は、出力モータ／発電機１１０に抵抗（図示せず）を接続して、発電される電力が抵抗から熱として放散されるようにする。代替実施形態では、ＥＣＵ２０５は、例えば各発電機の回転に抵抗が加わるように電流および／または電圧の位相をシフトすることで、出力モータ／発電機１１０および／または入力モータ／発電機１２０を発電機として非効率に動作させ、後輪３０にブレーキをかける。このような構成では、巻線および金属構造（「鉄」と呼ばれることもある）でエネルギーが放散される。

上述の実施形態では、自転車はその前輪に従来のブレーキを備える。

［フリーホイールルーチン］
自転車がフリーホイール状態になるように、方法は「フリーホイール」ルーチンを含む。このルーチンは図示されないが、毎分１０回転よりも小さなケイデンスでクランクアーム５０が回転しており自転車１０が動いていることをＥＣＵ２０５が検出するステップと、それに応答して、毎分１０回転よりも小さなケイデンスでクランクアーム５０が回転している限り、入力モータ／発電機１２０と出力モータ／発電機１１０に電流を存在させることを停止するステップとを含む。このようにして、入力モータ／発電機１２０は自由に回転することができ、クランクアーム５０を介してサイクリストにトルクが伝達されることがなく、または入力遊星歯車対１４０を介して後輪３０にトルクが伝達されることもなくなる。同様に、出力モータ／発電機１１０および前輪２０も自由に回転する。こうして、自転車１０はフリーホイール状態になることができる。

［プッシュバイクの代替例］
第２の代替実施形態では、バッテリー２０８およびバッテリー管理ユニット２０７を省略するように自転車１０が改良される。こうすると、改良された自転車（図示せず、しかし図１に示した自転車１０と他の点では同様である）は、アシストモード３４０を有しておらず、したがって、発電機として動作する入力モータ／発電機１２０によって発電される全ての電力が出力モータ／発電機１１０に伝達され、自転車の駆動をアシストするモータとしてこの機械を動作させる。同じ電力を用いて制御電子装置を駆動することができるが、そうでない場合、実質的に全ての発電された電力が、改良された自転車の駆動に用いられる。このようにして、無段変速式（continuously variable transmission）で比率を自動的に変更する従来の自転車（「プッシュバイク」と呼ばれることもある）を提供することができる。上述したように、この代替実施形態における改良された自転車はバッテリー２０８を省略しているので、この実施形態ではバッテリー等を再充電するための回生制動が存在しないことは理解されるだろう。

［バックペダルブレーキ］
上述の実施形態のいずれにおいても、バックペダルブレーキを追加的に提供するように自転車１０を改良することができる。ペダルサイクル技術の当業者は、クランクをほぼ水平にする逆方向へのペダリングをサイクリストが試みることで、後輪スプロケットに逆向きのトルクが作用するとき、部品がハブを制動するように作用する特別に調整された後輪ハブを導入することによって、同じ自転車にバックペダルブレーキが提供されることを理解するだろう。ハブに付加される制動力は、概して、後輪スプロケットに作用する逆向きトルクによって決まる。本発明の実施形態にこのような機能を電気機械的に与える改良について以下で説明する。

この改良は、上述の方法のいずれかまたは全てに「バックペダルブレーキ」ルーチン（図示せず）を含めることを含む。ＥＣＵ２０５は、垂直から約６０度〜１２０度の間にクランクアーム５０があるとき、すなわちほとんど水平であるときにクランクアーム５０の逆方向の動きを検出すると、方法がこのルーチンに入るようにする。ルーチンに入ると、ＥＣＵ２０５は、電流をそこから引き出すことによって、入力モータ／発電機１２０を発電機として動作させる。この結果、後輪３０の回転により入力遊星歯車対１４０を介して入力モータ／発電機１２０が駆動され、後輪３０の回転が入力モータ／発電機１２０による抵抗を受けるようになる。こうして、後輪３０にブレーキトルクが付加される。入力モータ／発電機１２０をこのように発電機として動作させて後輪３０にブレーキトルクを与えると、逆向きのペダリングに対抗するトルクがクランクアーム５０を介してサイクリストに伝達される。サイクリストに対するこの反作用は、自転車１０が制動中であることのフィードバックを与える。

バックペダルブレーキルーチンは、クランクアーム５０のさらなる逆向き移動の検出に応答して、入力モータ／発電機１２０から引き出される電流をＥＣＵ２０５が増加させるステップをさらに含む。電流の引き出し、およびこれにより付加されるブレーキトルクは、クランクアームが約１０度移動する間、最大値まで増加することが想定されている。付加される最大ブレーキトルクは、後輪３０がロックしスリップする傾向になるおおよその値に制限される。

さらなる改良形態では、バックペダルブレーキルーチンは、入力モータ／発電機１２０がこのルーチン内で発電機として動作するのと同様に、ＥＣＵ２０５が出力モータ／発電機１１０を発電機として動作させるステップを含む。これによって、前輪２０にブレーキトルクを付加することができる。このさらなる改良形態では、上述のブレーキ入力デバイスが省略される。

上述の回生制動と同様に、バックペダリングに応答してこのように動作するとき、入力モータ／発電機１２０（および出力モータ／発電機１１０）によって発電される電力を用いてバッテリー２０９を再充電することができる。

［スポーティバックペダルブレーキ］
上述の実施形態のいずれにおいても、自転車は、上述のバックペダルブレーキの形態に対する代替例を含むことができる。この代替例では、ＥＣＵ２０５は、クランクアーム５０が逆向きに動いていることを検出すると、方法を「スポーティバックペダルブレーキ」ルーチンに進める。このルーチンでは、ＥＣＵ２０５は、そこから引き出される電流が所定値になるように、入力モータ／発電機１２０を発電機として動作させる。既に説明したように、これは後輪３０にブレーキをかける。逆向きのペダリングによって、入力モータ／発電機１２０を発電機として回すのを補助し、かつ後輪３０のブレーキを補助するトルクをサイクリストが提供する。こうして、自転車が制動され、バッテリー２０８の再充電に使用可能な電力が発電される。このルーチンにおいて入力モータ／発電機１２０から引き出される電流は、図４を参照して上述した動作時ルーチンにおいて存在する電流とは逆方向であることは認められよう。

［アンチロックブレーキ］
上述の任意の実施形態において、アンチロックブレーキシステム（ＡＢＳ）を含むように自転車をさらに改良することができる。このような改良形態では、従来の手段によって、入力モータ／発電機１２０および／または出力モータ／発電機１１０の速度をＥＣＵ２０５が検出する。モータ／発電機１１０、１２０の一方または両方の所定の割合を超えた減速の判定に応答して、またはモータ／発電機１１０、１２０の一方または両方の突然の停止の判定に応答して、ＥＣＵ２０５は、急速に減速しているモータ／発電機、場合によっては突然停止したモータ／発電機から引き出す電流を減少させるように動作する。この方法は、モータ／発電機１１０、１２０が所定の割合を超えてはもはや減速していないこと、場合によってはもはや停止していないことを一旦判定すると、ＥＣＵ２０５が、関連する電流を再び増加させることを含んでもよい。

［トラクションコントロール］
一つまたは複数の実施形態において、ＥＣＵ２０５が入力モータ／発電機および／または出力モータ／発電機の電流を制御して、前輪および／または後輪のトラクション制御を提供することも同様に想定される。

［節点］
「節点」について上述した。低速では、入力モータ／発電機１２０は、ステップ３２４（または３２４’）で決定されたそこから引き出される電流をもつ発電機として動作する。したがって、出力モータ／発電機１１０はモータとして動作し、入力モータ／発電機１２０によって少なくとも部分的に電力が供給される。サイクリストがより速くペダリングして自転車を加速し、上述のように駆動装置が変速比を自動的に変更すると、入力モータ／発電機１２０から引き出される電流が同じままであっても（というよりは同じままであるので）、入力モータ／発電機１２０の速度が低下する。サイクリストが自転車を加速し続けると、動作の一点で入力モータ／発電機１２０が停止し、別の方向に回り始めるが、その中の電流は依然として一定を維持する。いまや入力モータ／発電機が反対方向に回転しているが、電流は依然として同一であるように制御されるので、入力モータ／発電機はモータとして動作している。したがって、入力モータ／発電機１２０を出力モータ／発電機１１０に接続すると、その出力機械１２０は発電機として動作する。入力モータ／発電機１２０が回転方向を変える点が「節点（node point）」である。これは上述の実施形態の自然現象であり、入力電気機械１１０内で一定の電流を維持するようにＥＣＵ２０５が第１コントローラ２１０を制御する結果として自動的に発生する。これにより、装置はより広範囲の変速比を提供することができ、これは装置によって自動的に選択可能な異なる「ギア」である。図４ないし７を参照して上述した動作方法では、説明を簡単にするために、入力モータ／発電機１２０が発電機として動作するものとして主に説明した（サイクリストが節点を下回る速度で自転車を運転している場合）。しかしながら、上述の電流制御方法の結果、節点を上回ると、入力モータ／発電機１２０がモータとして動作し、出力モータ／発電機１１０が発電機として動作することが理解されるだろう。

［代替パッケージング］
図３を参照して上述した制御手段２００、および図４ないし７を参照して上述した動作方法を用いて、他の自転車の類似するが異なった構成の電気機械装置を動作させることができる。

例えば、制御手段および方法を使用して、図８に示す４００のような第１の代替装置を制御することができる。この第１の代替装置では、自転車のクランクケースの中に、遊星歯車対とともに、入力モータ／発電機４７４および出力モータ／発電機４７６が設けられている。二つのクランクアーム４５０は、クランク軸４５２によって互いに接続されている。クランク軸４５２は、プラネットギア４７２を有するプラネタリーキャリア４７１と結合され、これを回転させる。プラネットギア４７２は、サンギア４７３の半径方向内側の一組の歯と係合し、同一のサンギア４７３の半径方向外側の一組の歯は、入力モータ／発電機４７４のロータと結合されたピニオンギア４７８と係合している。プラネットギア４７２は、環状ギア４７５の半径方向内側の一組の歯とも係合し、環状ギア４７５の半径方向外側の一組の歯は、出力モータ／発電機４７６のロータと結合されたもう一つのピニオンギア４７７と係合している。環状ギア４７５は、クランク軸４５２と同心である通常の大きな歯付きコグ４６０を駆動するように結合されるが、この装置ではクランクアーム４５０に結合されていない。歯付きコグ４６０は、後輪に取り付けられたスプロケットを従来の方法で駆動するチェーン（図示せず）を受け入れる。言い換えると、この第１代替装置の電気機械的な構成は、欧州特許出願０９２５１１８３．１の図面を参照して説明されているものと同様であり、本方法を使用してこのような装置を制御することができると想定される。

代替的に、制御手段および方法を使用して、図９に示す５００のような第２の代替装置を制御することができる。これは、図２を参照して上述した第１の装置と同様であるが、入力モータ／発電機１２０と入力遊星歯車対１４０のみが後輪３０のハブ１００内に収められており、出力モータ／発電機１１０と出力遊星歯車対１３０が前輪２０のハブ内に取り付けられている点で相違する。これ以外は、この装置５００は上述のものと実質的に同一である。

図１０は、四輪自転車に対して実質的に同様の制御を与える別の装置６００を示す。四輪自転車は、ペダルがその上にある二組のクランクアーム６１０を有しており、クランクアームの各組は、比較的大きな歯付きコグと従来の方法で結合されている。各後輪は、図２を参照して上述したハブ取り付け装置のうちの一つを備える。二つの装置の間には、二つの入力遊星歯車対１４０のプラネタリーキャリア１４２を結合するドライブシャフトが設けられる。ドライブシャフトには二つのスプロケットが設けられこれに結合される。各スプロケットは、それぞれ大きな歯付きコグに連結されたチェーンを受け入れ、チェーンにより駆動される。このようなハブ取り付け装置を各後輪に設けることで、差動装置の必要性が排除される。特に電動アシストされるような四輪自転車で差動装置を含めると問題が多いことが分かっている。

［エクササイズサイクルとしての使用］
上述した実施形態のいずれも、静止したエクササイズ自転車として使用するように構成することが想定されている。このように使用する場合、自転車は後輪が固定されるように支持され、サイクリストによりペダリングされて入力モータ／発電機が回転する。このような自転車は、各入力モータ／発電機から引き出される電流を決定し、サイクリストのペダリングに対する抵抗を決定するためのユーザ操作可能なコントロールを備えることが想定されている。このような自転車の使用時にサイクリストによって発電される電力を用いてバッテリーを再充電することが想定されている。

Claims (21)

1. 入力電気機械と出力電気機械と入力遊星歯車対とを備える電気機械式駆動装置を有する自転車の動作方法であって、
   前記入力遊星歯車対において、第１部品は前記自転車のクランクアームによって駆動されるように結合され、第２部品は前記入力電気機械のロータおよびステータのうち一方に結合され、ロータおよびステータのうち他方は前記自転車に対して固定され、第３部品は前記自転車の車輪を機械的に駆動するように機械的に結合されており、
   前記出力電気機械は、モータとして動作するとき、自転車の前記車輪または別の車輪の駆動を少なくとも補助するように構成されており、
   ａ）モータとしての前記出力電気機械に少なくとも部分的に電力を供給する発電機として、前記入力電気機械を動作させるステップと、
   ｂ）前記クランクアームの角度位置を決定するステップと、
   ｃ）決定された前記クランクアームの角度位置に対して、最大電流を上回らずかつ最小電流を下回らないように前記入力電気機械内の電流を制御するステップと、
   を含む方法。
2. 入力電気機械と出力電気機械と入力遊星歯車対とを備える電気機械式駆動装置を有する自転車の動作方法であって、
   前記入力遊星歯車対において、第１部品は前記自転車のクランクアームによって駆動されるように結合され、第２部品は前記入力電気機械のロータおよびステータのうち一方に結合され、ロータおよびステータのうち他方は前記自転車に対して固定され、第３部品は前記自転車の車輪を機械的に駆動するように機械的に結合されており、
   前記出力電気機械は、自転車の前記車輪または別の車輪によって駆動されるとともに発電機として動作するように構成されており、
   ａ）モータとしての前記入力電気機械に少なくとも部分的に電力を供給して、前記第３部品に結合された車輪の駆動を少なくとも補助する発電機として、前記出力電気機械を動作させるステップと、
   ｂ）前記クランクアームの角度位置を決定するステップと、
   ｃ）決定された前記クランクアームの角度位置に対して、最大電流を上回らずかつ最小電流を下回らないように前記入力電気機械内の電流を制御するステップと、
   を含む方法。
3. 前記駆動装置は、自転車に対して固定される第１部品と、前記出力電気機械のロータに結合され前記ステータは自転車に対して固定される第２部品と、自転車の前記車輪または別の車輪を駆動するように結合された第３部品と、を有する出力遊星歯車対を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
4. 前記最大電流と前記最小電流が同一であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の方法。
5. 前記クランクアームの決定された角度位置に対して複数の最大電流および最小電流が存在し、
   前記ステップｃ）は、前記複数の最大電流および最小電流から一つの最大電流および最小電流を決定し、前記クランクアームの決定された角度位置に対してこの決定された最大電流を上回らないように、および／またはこの決定された最小電流を下回らないように前記入力電気機械内の電流を制御するステップを含むことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の方法。
6. 前記決定するステップは、選択された最大電流および／または最小電流を表す入力をユーザから受け取り、これを用いて前記決定された最大電流および／または最小電流を設定することをさらに含む、請求項５に記載の方法。
7. 前記決定するステップは、前記クランクアームのケイデンスを決定し、これを用いて前記決定された最大電流および／または最小電流を設定することをさらに含む、請求項６に記載の方法。
8. サイクリストのトルク出力がケイデンスとともにいかに変化するかを表す記録を参照するステップと、
   前記決定されたケイデンスに対応するトルク、適切な最大電流および最小電流の指示をこの記録から取得するステップと、
   を含むことを特徴とする請求項７に記載の方法。
9. 前記クランクアームの異なる角度位置に対して前記最大電流および前記最小電流が異なっており、これによって一回転にわたりサイクリストによって前記クランクアームに与えられるトルクの自然変動を少なくとも部分的に考慮し、
   これにしたがって前記クランクアームの角度位置とともに前記最大電流および最小電流を変化させるステップをさらに含むことを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載の方法。
10. 前記入力電気機械および出力電気機械のうち一方によって発電される実質的に全ての電気エネルギーを、前記入力電気機械および出力電気機械のうち他方に供給して、前記他方の電気機械をモータとして動作させることを含む、請求項１ないし９のいずれかに記載の方法。
11. 貯蔵された電気エネルギーを前記出力電気機械に供給し、該出力電気機械に供給され前記入力電気機械により発電される電気エネルギーを補完すべきことを表すアシスト入力をユーザから受け取り、前記アシスト入力の受け取りに応じて、貯蔵された電気エネルギーを供給することを含む、請求項１ないし１０のいずれかに記載の方法。
12. 前記入力電気機械によって電気エネルギーが発電されているか否かに関わらず、貯蔵された電気エネルギーを前記出力電気機械に供給することを含む、請求項１１に記載の方法。
13. 一回転にわたりサイクリストによって入力されるパワーの変動から生じる前記クランクアームの一回転にわたる前記または各駆動輪に対する電力の変動の傾向を少なくとも軽減するように、前記クランクアームの一回転にわたり電力が変化するように、前記出力電気機械に対する電力の供給を制御するステップをさらに含む、請求項１ないし１２のいずれかに記載の方法。
14. 前記クランクアームの連続的な回転にわたり電気エネルギーの貯蔵を放電することによって、前記出力電気機械に電力を供給するステップと、および／または、
    前記クランクアームの回転の一部で発電された電気エネルギーを一時的に貯蔵し、これを用いて前記回転の別の一部で前記出力電気機械に電力を供給するステップと、
    を含むことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
15. 前記自転車および／または前記クランクアームが実質的に静止していることを決定し、これに応答して、前記入力電気機械を実質的に短絡するステップを含む、請求項１ないし１４のいずれかに記載の方法。
16. 前記入力電気機械内の実電流が前記最大電流に到達するまで、前記入力電気機械の実質的な短絡を維持するステップをさらに含む請求項１５に記載の方法。
17. 前記電気機械の一方または両方を発電機として動作させて前記自転車を妨げるステップを含み、このステップは、例えば、前記電気機械の電流および／または電圧の位相シフトによって前記電気機械の一方または両方を非効率的に動作させて、発電された電気エネルギーを熱として放散させ、これによって前記自転車を妨げることを含む、請求項１ないし１６のいずれかに記載の方法。
18. 請求項１ないし１７のいずれかに記載の方法を実行するように構成された自転車。
19. 請求項１ないし１７のいずれかに記載の方法を実行するようにプログラムされ動作可能にされた処理手段。
20. 請求項１ないし１７のいずれかに記載の方法を処理手段に実行させる、処理手段により実行可能なコード部を有するコンピュータプログラム。
21. 請求項１ないし１７のいずれかに記載の方法を処理手段に実行させるコンピュータ可読命令の記録を有する記録担体。

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