Brevet FR2778162A1 — publié le 19991105

DISPOSITIF DE COMMANDE POUR VEHICULE ELECTRIQUE La présente invention se rapporte à un dispositif de commande pour un véhicule électrique de type comportant au moins deux roues, un système d'entraînement mécanique pour permettre à l'utilisateur de fournir une énergie musculaire, une source d'énergie électrique et un transducteur électromécanique relié électriquement à la source d'énergie électrique et mécaniquement à l'une des roues, ledit transducteur servant à transformer l'énergie mécanique provenant de la roue en énergie électrique et l'énergie électrique provenant de la source en énergie mécanique. Le dispositif de commande selon l'invention comprend un circuit électronique io de commande, un frein pour réduire la vitesse du véhicule et une interface homme-machine reliée au circuit électronique et comportant des moyens pour commander la distribution de l'énergie délivrée par la source d'énergie électrique au transducteur. La demande de brevet français 2 413 254 décrit un vélo présentant ces caractéristiques. Il est muni d'une source d'énergie électrique et d'un circuit de commande agencé pour que la vitesse reste constante, quel que soit l'effort fourni par le cycliste. Il est ainsi proposé que la source d'énergie apporte un appoint tant que la vitesse est inférieure à une vitesse limite, alors que de l'énergie mécanique est transformée en énergie électrique par le transducteur lorsque ce seuil est dépassé. On peut modifier celui-ci par le choix d'une résistance parmi plusieurs branchées dans le circuit de commande et définissant différentes vitesses. Une telle solution manque cependant de souplesse, car l'utilisateur est pratiquement obligé de circuler à l'une des vitesses imposées par le circuit de commande. Un autre vélo électrique est décrit dans le brevet US 3 921 741. Il comporte un moteur et une génératrice, tous deux reliés mécaniquement à l'une des roues et électriquement à la source d'énergie, ainsi qu'une manette de commande agissant sur un rhéostat relié au circuit de commande. Ce dernier permet de faire varier la quantité d'énergie délivrée par la source d'énergie électrique au moteur ou la quantité d'énergie mécanique transformée par la génératrice pour être stockée dans la source d'énergie électrique, en fonction de la position de la manette. De manière plus précise, I'utilisateur peut maintenir la manette en position médiane pour laquelle la source d'énergie électrique n'est pas sollicitée. Le déplacement de la manette dans un sens permet d'amener le rhéostat dans une position telle que la source d'énergie électrique alimente le moteur et participe ainsi à faire avancer le vélo. Plus la manette est déplacée dans ce 0o sens, plus le courant délivré est important. En déplaçant la manette dans l'autre sens, I'utilisateur relie la génératrice à la source d'énergie électrique de manière que le signal électrique engendré aux bornes de la génératrice par le déplacement du vélo assure la charge de la source. De la sorte, I'utilisateur peut régler la quantité d'énergie prélevée de ou fournie à - la source d'énergie. Une telle solution permet au cycliste une plus grande souplesse d'utilisation que celle du système selon le brevet français mentionné ci-dessus. Celle-ci est toutefois très limitée. A chaque fois que la pente varie, il est, en effet, nécessaire d'adapter la quantité d'énergie délivrée. Ainsi qu'il ressort de ce qui précède, il a déjà été proposé de réaliser des vélos électriques dans lesquels la source d'énergie électrique a une fonction d'appoint. Ces vélos sont commandés selon différents modes, pour doser la fourniture d'énergie. Toutefois, et de manière surprenante, les vélos ne comportent qu'un mode de commande. Un but de la présente invention est de donner à l'utilisateur de tels véhicules la possibilité de choisir les paramètres de référence relatifs à la fourniture ou au prélèvement d'énergie d'appoint et d'offrir ainsi plusieurs alternatives, selon qu'il souhaite fournir un effort régulier ou avancer à une vitesse constante, par exemple. A cet effet, le dispositif de commande selon l'invention est caractérisé en ce que l'interface homme-machine comporte des moyens de commande pour sélectionner un parmi une pluralité de paramètres définissant le mode de commande de la distribution de l'énergie délivrée par la source au transducteur, sur la base des informations dispensées par le circuit électronique de commande. La présente invention a en particulier pour but d'offrir à l'utilisateur des moyens simples et facilement manipulables pour assurer la commande du dispositif. Ce but est atteint grâce au fait que les moyens pour commander la distribution d'énergie sont formés d'une manette et que les moyens de commande pour sélectionner un parmi une pluralité de paramètres définissant le mode de commande de la distribution d'énergie consistent en un levier pouvant occuper autant de positions que le mode de commande comporte de io paramètres. De manière avantageuse, le circuit électronique du dispositif de commande selon l'invention est agencé de manière que, selon la position du levier, l'énergie électrique foumrnie au transducteur assure respectivement une vitesse et/ou un couple fonction de la position de la manette. Un autre but de la présente invention est de garantir une sécurité optimale de circulation. A cet effet et dans un mode particulier de réalisation, le dispositif est agencé de manière que l'apport d'énergie électrique au transducteur (22) soit interrompu lorsque la vitesse dépasse une valeur limite. Dans les véhicules conventionnels, l'énergie de freinage est totalement perdue. La présente invention a également pour but d'assurer une récupération d'énergie optimale. Le dispositif permettant d'atteindre ce but est caractérisé en ce que le frein comporte des moyens de commande reliés au circuit de commande, lequel est agencé de manière qu'il fasse fonctionner le transducteur comme génératrice lorsqu'on active le frein. L'utilisation d'un véhicule est plus agréable lorsqu'on connaît les paramètres relatifs à son fonctionnement. Dans ce but, le dispositif selon l'invention comporte, en outre, un dispositif d'affichage pour indiquer à l'utilisateur les informations relatives au fonctionnement du véhicule et du dispositif de commande. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée suivante d'un exemple de réalisation, donné à titre illustratif et non limitatif en liaison avec le dessin annexé dans lequel: * La figure 1 montre un vélo muni d'un dispositif de commande selon lI'invention; * la figure 2 représente un schéma-bloc du dispositif selon l'invention; et les figures 3 et 4 représentent les performances d'un véhicule muni d'un dispositif selon l'invention pour un même profil type de route donné et pour deux modes de commande. io Le vélo représenté à la figure I comporte, de manière classique, un cadre 10, une fourche avant 11, un guidon 12 et une roue avant 13. Il comporte, en outre, une roue arrière 14, un pédalier 15 et une chaîne 16 pour relier le pédalier 15 à la roue arrière 14. Une source d'énergie électrique 17 est fixée sur le cadre 10. i5 Un boîtier électronique 18, monté sur le guidon 12, contient différents composants électroniques dont les spécificités seront précisées en regard de la figure 2. Il est commandé par un levier 19, une manette 20, ainsi qu'une poignée de freins 23, tous montés sur le guidon 12. Un dispositif d'affichage 21 est disposé sur le boîtier 18. Le levier 19 permet de sélectionner deux modes distincts de fonctionnement du dispositif, à savoir un mode à vitesse constante et un mode à couple constant. La manette 20 définit, par sa position, la valeur du paramètre correspondant au mode sélectionné, la vitesse et le couple en l'occurrence. La poignée de frein 23 commande un frein électrique 23a, schématiquement représenté à la figure 2, et un frein mécanique conventionnel, non représenté au dessin. Un transducteur électromécanique 22 est associé à l'essieu et au moyeu de la roue avant 13 et relié au boîtier de commande 18. Ce transducteur est de type "brushless" triphasé, commandé par un signal altematif, avec des aimants montés sur le moyeu, formant un rotor et des bobines solidaires de l'essieu, formant un stator. Il est dimensionné de manière que le nombre d'alternances du signal de commande nécessaire pour le faire tourner d'un tour soit compris entre 30 et 60 environ. Un tel transducteur peut jouer à la fois le rôle de moteur et de génératrice, selon les ordres donnés par le boîtier de commande 18. Il permet d'entraîner le vélo sans système de réduction, d'o un rendement particulièrement bon. Comme les bobines sont fixes, il n'est pas nécessaire de disposer de balais. En conséquence, son entretien est particulièrement simple. o10 Le dispositif de commande, schématiquement représenté à la figure 2, est formé du boîtier de commande 18, d'un ampèremètre 32, d'un capteur magnétique 33 et d'un dynamomètre 34 ainsi que du levier 19, de la manette et du frein électrique 23a. Le dispositif d'affichage 21, la source d'énergie électrique 17 et le transducteur 22 sont également représentés sur la figure 2. Le boîtier de commande 18 est formé d'un module de commande et de mesure 30 et d'une électronique de puissance 31. Le module 30 est avantageusement réalisé au moyen d'un microprogrammateur, par exemple celui vendu par la maison Siemens (DE) sous la référence 80C537. Il comporte une unité de gestion 35 et une unité de calcul 36. L'unité de gestion 35 est reliée au levier 19, schématiquement représenté par un sélecteur, ainsi qu'à la manette 20 et au frein électrique 23a, tous deux représentés par un rhéostat. Elle reçoit également des informations foumrnies par l'unité de calcul 36 et lui adresse des ordres. L'unité de calcul 36 reçoit des signaux de commande de l'unité de gestion 35, de l'électronique de puissance 31, de l'ampèremètre 32, du capteur magnétique 33 et du dynamomètre 34. Elle envoie des ordres à l'électronique de puissance 31 pour définir si le transducteur 22 doit travailler en moteur ou en génératrice et quelle doit être la densité du courant prélevé ou délivré. 6 2778162 L'électronique de puissance 31 comporte un circuit de mise en forme 37, un pont triphasé 38 et un ampèremètre 39. Le circuit de mise en forme 37 reçoit des ordres de l'unité de gestion 35 et les transmet, après mise en forme, au pont triphasé 38. Ce dernier est relié au transducteur 22 pour en assurer I'alimentation lorsqu'il travaille en moteur et pour redresser le signal en vue de charger la source d'énergie 17 lorsque le transducteur 22 travaille en génératrice. L'ampèremètre 39 mesure le courant de charge ou de décharge passant entre le pont triphasé 38 et le transducteur 22. io Le capteur magnétique 33 est monté sur le stator du transducteur 22, au voisinage du rotor. Il adresse un signal à l'unité de calcul 36 à chaque fois qu'un pôle du rotor passe à son voisinage. L'unité 36 détermine le nombre de signaux reçus par unité de temps. Elle calcule ensuite la vitesse du véhicule en fonction du diamètre de la roue. La connaissance de cette valeur permet à i5 l'unité de calcul 36 et à l'unité de gestion 35 de définir les conditions d'alimentation du transducteur 22 lorsqu'il fonctionne en moteur. Le dynamomètre 34 est associé au pédalier 15 pour mesurer le couple musculaire fourni par l'utilisateur. L'ampèremètre 32, intercalé entre la source d'énergie 17 et l'électronique de puissance 31, permet de mesurer la charge et la décharge de la source d'énergie 17 et, en conséquence, de définir les ressources disponibles, en vue de les indiquer sur le dispositif d'affichage 21. Comme déjà mentionné, le dispositif de commande ainsi décrit permet à l'utilisateur de sélectionner le mode de commande grâce au levier 19. Pour lI'une des positions de celui-ci, le vélo roule à vitesse constante et, dans l'autre, à couple constant. L'utilisateur doit encore définir, au moyen de la manette 20, la valeur du paramètre constant correspondant au mode choisi, en l'occurrence la vitesse à laquelle il souhaite se déplacer ou le couple à appliquer sur la roue motrice. Lorsque le levier 19 sélectionne le mode à vitesse constante, l'utilisateur doit enfin définir, au moyen de la manette 20, la vitesse à laquelle il souhaite se déplacer. Le dispositif de commande fonctionne alors comme suit. L'unité de gestion 35 donne l'ordre à l'unité de calcul 36 de lui fournir les informations relatives à la vitesse du véhicule. A cet effet, l'unité 36 interroge le capteur magnétique 33 et calcule la vitesse. L'unité de gestion 35 compare alors la vitesse ainsi calculée avec la vitesse définie par la position de la manette 20. Si la vitesse du véhicule est plus faible que celle souhaitée, l'unité 35 donne l'ordre au circuit de mise en forme o10 37 d'alimenter le transducteur 22. Le courant appliqué peut être soit constant, soit dosé de manière progressive en le réduisant au fur et à mesure que la différence diminue. Si la vitesse du véhicule est supérieure à celle souhaitée, l'unité de gestion 35 donne l'ordre au circuit de mise en forme 37 de prélever de l'énergie sur le transducteur 22. En d'autres termes, ce dernier travaille comme génératrice. Là aussi, l'énergie prélevée est soit constante, soit fonction de la différence entre les vitesses. Dans ce dernier cas, on évite des à-coups dans le fonctionnement du véhicule. L'utilisateur peut, bien entendu, modifier la vitesse du véhicule tout en se déplaçant, grâce à une rotation de la manette 20. L'unité de gestion 35 traite alors les informations reçues sur cette nouvelle base, donnant l'ordre au transducteur 22 de travailler soit en moteur, soit en génératrice, selon que la vitesse du véhicule est supérieure ou inférieure à la vitesse souhaitée. Si un obstacle se présente en cours de route, l'utilisateur actionne la poignée de frein 23 et entraîne, dans un premier temps, le rhéostat du frein électrique 23a. L'unité de gestion 35 reçoit cette information comme annulant l'ordre relatif à la vitesse constante et donne immédiatement au circuit de mise en forme 37 l'ordre de faire travailler le transducteur 22 comme génératrice, en fonction de la position de la poignée de frein 23, tant qu'elle est actionnée. 8 2778162 L'énergie prélevée pour assurer le freinage électrique est ainsi d'autant plus importante que la pression appliquée sur la poignée de frein 23 est grande. Au-delà d'une certaine limite, correspondant à environ 60% de la course de la poignée 23, le frein mécanique est également entraîné et agit en complément au frein électrique. Il en résulte certes une perte de rendement. Cette solution est toutefois indispensable pour des raisons de sécurité, au cas o le circuit électrique d'alimentation serait rompu. Les performances obtenues dans ce mode de fonctionnement seront précisées en référence à la figure 3. io Lorsque l'utilisateur a sélectionné le mode à couple constant au moyen du levier 19, le dispositif selon l'invention fonctionne comme suit. La position de la manette 20 définit le niveau du couple qui doit être appliqué au véhicule. L'unité de calcul 36 prend en compte les informations reçues de l'ampèremètre 32, du capteur magnétique 33 et du dynamomètre 34 pour calculer les couples électrique et mécanique respectivement appliqués au véhicule par le transducteur 22 et par le pédalier 15. Il détermine plus précisément le couple généré par le transducteur 22 à partir du courant mesuré par l'ampèremètre 32 et de la vitesse définie à partir des informations données par le capteur magnétique 33. Le couple musculaire est défini en fonction de la force mesurée par le dynamomètre 34 et du bras de levier du pédalier 15. Dans ce mode de commande, le couple appliqué sera le même, quel que soit le profil du terrain, tant, bien sûr, que la position de la manette 20 n'est pas modifiée. L'unité de calcul 36 définit donc en permanence le couple moteur. Si celui-ci est inférieur au couple souhaité, correspondant à la position de la manette 20, il en informe l'unité de gestion 35 qui donne alors l'ordre au circuit de mise en forme 37 d'augmenter l'énergie fournie par la source 17. Si au contraire, le couple mesuré dépasse le couple souhaité, l'unité de gestion 35 donne l'ordre au circuit 37 de réduire l'énergie fournie. 9 2778162 Ce mode de commande pourrait être dangereux si le couple moteur n'était pas modifié dans de fortes descentes. Cela peut se faire manuellement au moyen de la manette 20. Il est également possible de programmer l'unité de gestion 35 pour passer automatiquement en mode à vitesse constante dès qu'une vitesse maximum a été atteinte. Une action sur la poignée de frein 23 a le même effet que décrit plus haut, soit l'interruption du programme relatif à la commande à couple constant et l'enclenchement du fonctionnement du transducteur en génératrice. D'autres modes de fonctionnement peuvent être envisagés. Il suffit, à cet effet, de programmer de manière adéquate l'unité de gestion 35 et de prévoir un nombre plus important de positions du levier 19. Parmi les modes envisageables, on relèvera une alimentation à courant constant, ou encore une alimentation à courant proportionnel à l'effort musculaire. L'un comme l'autre de ces modes peuvent, sans autre, être mis en oeuvre au moyen du dispositif tel que décrit, moyennant la programmation adéquate de l'unité de gestion 35. Le diagramme de la figure 3 permet de mieux comprendre le comportement d'un véhicule muni d'un dispositif de commande selon l'invention, fonctionnant selon le mode à vitesse constante. La ligne supérieure du diagramme, identifiée par la lettre A, montre schématiquement le profil d'un parcours susceptible d'être suivi par le véhicule. La deuxième ligne, identifiée par la lettre B, représente la puissance dissipée ou récupérée par le véhicule tout au long du parcours. La ligne C montre la vitesse à laquelle le véhicule se déplace. Enfin, la ligne D représente le couple moteur du véhicule. Pour chacune de ces lignes, le temps est représenté en ordonnée. Ainsi qu'on peut le voir sur la ligne A, le parcours comporte des plats, des montées et des descentes. Comme le montre la ligne C, la vitesse est constante tout au long du parcours, conformément au choix effectué par l'utilisateur. On relèvera que cette vitesse pourrait être plus faible dans les fortes pentes, si la puissance disponible était insuffisante. Pour assurer ce déplacement, le dispositif de commande dispense une quantité d'énergie d'autant plus grande que la pente est forte, ainsi qu'on peut le voir sur la ligne B de la figure 3. Lorsque le véhicule emprunte une descente, il restitue de l'énergie. La courbe de la ligne D, qui représente le couple, est proportionnelle à la courbe de la ligne B, dès lors que la vitesse est constante. Dans l'exemple de la figure 3, I'utilisateur ne fournit aucune énergie 1o musculaire. En cas d'apport, la vitesse du véhicule ne serait pas modifiée. Par contre, I'autonomie serait augmentée. Le diagramme de la figure 4 montre schématiquement le comportement d'un véhicule fonctionnant selon le mode à couple constant. La ligne supérieure A montre, comme pour la figure 3, le profil d'un parcours type, susceptible d'être emprunté par le véhicule. La deuxième ligne, identifiée par la lettre B, représente la puissance dissipée. La vitesse du véhicule correspond à la courbe en regard de la lettre C. La ligne inférieure D représente le couple moteur. Le profil du parcours emprunté et représenté en A est identique à celui de la figure 3. Si l'on se réfère à la ligne D, on constate que le couple est constant, conformément au choix fait par l'utilisateur. La ligne C montre que la vitesse varie de manière sensible selon que le véhicule monte, roule à plat ou descend. A cause de ces fluctuations de vitesse, la courbe de puissance dissipée diffère considérablement de celle représentée la figure 3. Le couple moteur appliqué au véhicule étant constant quelle que soit la pente de la route, le véhicule consomme en permanence de l'énergie. La puissance dissipée est la même pour une distance quelconque, qu'il s'agisse de plat, de descente ou il de montée. En conséquence, plus la vitesse sera grande, plus la puissance dissipée sera élevée. Cela ne porte toutefois pas préjudice à l'autonomie, dès lors que le temps mis pour parcourir une distance donnée diminue avec l'augmentation de la vitesse. Sur ces tableaux, les échelles n'ont qu'une valeur indicative et relative. On peut préciser qu'un vélo muni d'un dispositif comme décrit ci-dessus, avec une source d'énergie telle qu'un accumulateur de type Ni- MH de 24V et 20 Ah, dispose d'une autonomie de 70 km environ, à une vitesse constante de kmh, avec un utilisateur de corpulence moyenne, sur un parcours selon normes ECE et sans apport d'énergie musculaire. Si l'apport d'énergie musculaire atteint 50%, I'autonomie est doublée. En mode à couple constant, I'application d'un couple de 16 Nm permet d'atteindre à plat une vitesse de 20 kmh. Dans d'autres modes, tels qu'envisagés plus haut, la vitesse du véhicule peut être fonction de l'énergie musculaire foumrnie par l'utilisateur. C'est, par exemple, le cas dans un mode à courant constant, ou encore à courant proportionnel au couple musculaire. Le mode de réalisation décrit ci-dessus concemrne un vélo. Il est évident que le dispositif objet de la présente invention peut, sans autre, être appliqué à d'autres véhicules, munis d'une source d'énergie électrique. On peut ainsi imaginer un véhicule caréné, avec trois ou quatre roues, ou encore, même, une trottinette. Les informations affichées au moyen du dispositif 21 n'ont pas été précisées, ne faisant pas directement partie de l'invention. Elles sont sélectionnées de manière à permettre à l'utilisateur de tirer le meilleur profit des ressources disponibles et de connaître le déroulement de son voyage ainsi que les paramètres relatifs au véhicule. On affichera notamment la vitesse, la charge de la source d'énergie, I'autonomie prévisible, etc. Le dispositif d'affichage 21, associé à des moyens de commande non représentés au dessin, doit, en 12 2778162 outre, permettre de modifier les paramètres contenus dans l'unité de gestion 35. Ainsi, en proposant différents modes de commande à l'utilisateur d'un véhicule à source d'énergie électrique, on augmente sensiblement sa souplesse d'utilisation et son attractivité. 13 2778162 REVENDICATIONS 1. Dispositif pour la commande d'un véhicule de type comportant: au moins deux roues (13, 14), À un système d'entraînement mécanique (15, 16), pour permettre à lI'utilisateur de fournir une énergie musculaire, * une source d'énergie électrique (17), et un transducteur électromécanique (22) relié électriquement à ladite source (17) et mécaniquement à l'une desdites roues (13), ledit transducteur (22) servant à transformer l'énergie mécanique provenant de la roue (13) en énergie électrique et l'énergie électrique provenant de la source (22) en énergie mécanique. ledit dispositif comprenant: ò un circuit électronique de commande (18), * un frein (23) pour réduire la vitesse du véhicule, et * une interface homme-machine (19, 20) reliée au circuit électronique (18) et comportant des moyens (20) pour commander la distribution de l'énergie délivrée par la source d'énergie électrique (17) au transducteur (22), caractérisé en ce que ladite interface comporte en outre des moyens de commande (19) pour sélectionner un parmi une pluralité de paramètres définissant le mode de commande de la distribution de l'énergie délivrée par ladite source (17) au transducteur (22), sur la base des informations dispensées par ledit circuit (18). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens pour commander la distribution d'énergie sont formés d'une manette (20) et en ce que les moyens de commande pour sélectionner un parmi une pluralité de paramètres définissant le mode de commande de la distribution d'énergie consistent en un levier (19) pouvant occuper autant de positions que le mode de commande comporte de paramètres. 14 2778162 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que, dans l'une des positions dudit levier (19), le circuit électronique (18) est agencé de manière que l'énergie électrique fournie au transducteur (22) assure une vitesse fonction de la position de ladite manette (20). 4. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que, dans l'une des positions dudit levier (19), le circuit électronique (18) est agencé de manière que le couple appliqué au véhicule soit fonction de la position de ladite manette (20). 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le circuit io électronique (18) est agencé de manière que l'apport d'énergie électrique au transducteur (22) soit interrompu lorsque la vitesse mesurée dépasse une valeur limite. 6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le frein (23) comporte des moyens de commande (23a) reliés audit circuit (18) lequel est agencé de manière qu'il fasse fonctionner le transducteur (22) comme génératrice lorsqu'on active le frein (23). 7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un dispositif d'affichage (21) pour indiquer à l'utilisateur les informations relatives au fonctionnement du véhicule et du dispositif de commande. 8. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que ledit véhicule est un vélo.