Brevet FR2870794A1 — publié le 20051202

Véhicule à assistance électrique et circuit électrique d'alimentation pour un tel véhicule La présente invention est relative aux véhicules à 5 assistance électrique et aux circuits électriques d'alimentation pour de tels véhicules. Plus particulièrement, l'invention concerne un véhicule à assistance électrique comprenant: - une source d'énergie, - un moteur électrique adapté pour participer à l'entraînement dudit véhicule, ledit moteur électrique étant alimenté à partir de ladite source d'énergie par l'intermédiaire d'un circuit électrique d'alimentation. Un véhicule à assistance électrique est un véhicule dans lequel l'utilisateur et un moteur électrique participent à l'entraînement du véhicule. On connaît en particulier les vélos à assistance électrique. Il est fréquent d'utiliser une source d'énergie, telle une batterie, pour alimenter le moteur d'un vélo électrique. Un tel vélo électrique est par exemple décrit dans le brevet US 5,491,390. Le moteur est alimenté par la batterie, qui délivre une tension adaptée au moteur. Cependant, le moteur électrique n'est pas nécessairement le seul composant électrique du vélo, qui peut en outre comporter un dispositif électrique supplémentaire, tel que par exemple un éclairage. Le problème se pose alors d'utiliser la même alimentation pour alimenter en énergie cet autre dispositif électrique, qui présente des caractéristiques d'alimentation (tension, intensité, puissance) le plus souvent différents. Une solution possible pourrait être d'utiliser une régulation en série à partir de la batterie. Cependant cette solution n'est pas satisfaisante au niveau énergétique car, dans une régulation série dans laquelle on alimente un dispositif électrique supplémentaire par exemple en 6V, l'énergie correspondant au différentiel entre la tension délivrée par la batterie et celle reçue supplémentaire est de l'intérêt du vélo électriques, afin de notamment pour but de l'invention, un véhicule à genre en question est en ce qu'il comprend dispositif électrique supplémentaire alimenté à partir de ladite source d'énergie par l'intermédiaire dudit circuit 15 électrique d'alimentation, et en ce que le circuit électrique d'alimentation est un circuit d'alimentation à découpage. Grâce à ces dispositions, on peut alimenter différents composants électriques de manière énergétiquement satisfaisante. Dans des modes de réalisation préférés de l'invention, on peut éventuellement avoir recours en outre à l'une et/ou à l'autre des dispositions suivantes: - ledit circuit d'alimentation à découpage comprend: un enroulement primaire, un premier enroulement secondaire adapté pour délivrer audit moteur électrique une tension moteur, un deuxième enroulement secondaire adapté pour délivrer audit dispositif électrique supplémentaire une tension de dispositif supplémentaire, et un circuit de commande, adapté pour sélectivement autoriser ou interdire le passage de ladite énergie, en provenance de la source d'énergie, dans ledit enroulement primaire; par le dispositif électrique irrémédiablement perdue. Or, il est électrique de minimiser les pertes fournir une autonomie accrue. La présente invention pallier ces inconvénients. A cet effet, selon assistance électrique du essentiellement caractérisé a un - ledit circuit d'alimentation à découpage comprend en outre un circuit de démarrage adapté pour mettre sous tension ledit circuit de commande, dès lors qu'une tension de démarrage suffisante est établie aux bornes dudit circuit de démarrage, ledit circuit de démarrage formant ledit dispositif électronique supplémentaire, ledit enroulement secondaire auxiliaire étant adapté pour délivrer aux bornes du circuit de démarrage ladite tension de démarrage; - le véhicule à assistance électrique comprend en outre un circuit de contre-réaction adapté pour asservir ladite tension de démarrage délivrée par ledit deuxième enroulement secondaire; - le véhicule à assistance électrique comprend un bouton poussoir de mise en marche adapté pour établir, lors de son actionnement, ladite tension de démarrage aux bornes dudit circuit de démarrage; - le véhicule à assistance électrique comprend en outre un dispositif électrique supplémentaire compris dans la liste suivante: dispositif d'éclairage, voyant et/ou bouton d'un boîtier d'interface avec un utilisateur, unité centrale; - le véhicule à assistance électrique comprend en outre un circuit de temporisation adapté pour détecter le fonctionnement en cours ou non d'au moins un dispositif électrique du véhicule, et pour couper l'alimentation du véhicule en cas de détection de non-fonctionnement dudit dispositif électrique; - le véhicule à assistance électrique comprend en outre un circuit de calcul adapté pour mesurer un paramètre de la consommation d'énergie du véhicule, et un voyant adapté pour afficher ledit paramètre; - le véhicule constitue un vélo électrique. Selon un autre aspect, l'invention concerne un 35 circuit électrique d'alimentation pour un tel véhicule 2870794 4 électrique. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description suivante d'une de ses formes de réalisation, donnée à titre d'exemple non limitatif, en regard des dessins joints. Sur les dessins: - la figure 1 est une vue schématique de côté d'un vélo électrique selon un mode de réalisation de l'invention, - la figure 2 est une vue schématique en bloc des différents composants électriques du vélo de la figure 1, - la figure 3a représente schématiquement. le principe du circuit d'alimentation, - la figure 3b représente schématiquement l'étape 15 de mise sous tension du circuit de la figure 3a, - la figure 3c représente schématiquement un mode de réalisation de la commande du circuit d'alimentation, et - la figure 3d représente schématiquement un circuit de maintien et d'asservissement pour ladite alimentation. Sur les différentes figures, les mêmes références désignent des éléments identiques ou similaires. Sur la figure 1 est représenté schématiquement un vélo électrique 1. D'autres types de véhicules à assistance électrique peuvent néanmoins bénéficier de l'invention. Ce vélo comporte un cadre reliant une roue avant 3 et une roue arrière 4 entraînée par exemple par une chaîne 10 actionnée par un utilisateur (non représenté) pédalant à l'aide du pédalier 5. Le vélo comporte un moteur électrique 6 pouvant participer à l'entraînement en rotation d'au moins une roue du vélo, tel que par exemple un moteur-roue, du type décrit dans la demande de brevet européen EP-A-1 137 154, ou tout autre moteur électrique approprié. Le moteur 6 peut être alimenté par un onduleur en 35 trois phases qui comprend trois demi ponts, formé chacun de deux transistors MOS, fournissant des quasi-créneaux de courant régulés par modulation linéaire d'impulsion (MLI ou PWM). Un tel signal est essentiellement caractérisé par son rapport cyclique de commande des transistors, représentant le rapport du temps de conduction du transistor sur la période entière de commutation. Comme représenté sur la figure 2, le moteur électrique 6 fonctionne à partir d'énergie fournie par une batterie 7, du type batterie au plomb, nickel-cadmium, nickel-métal hydrure, ou autre, délivrant, à titre d'exemple, une tension continue de 36 V. Le transfert d'énergie est assuré par un circuit électrique d'alimentation 15. Le circuit électrique d'alimentation 15 peut être entièrement compris dans une unité centrale 8 du vélo, comme représenté sur la figure 2, ou au moins partiellement incorporé dans le moteur 6. Le vélo comprend en outre un boîtier d'interface avec l'utilisateur 9 comprenant par exemple un bouton marche/arrêt 9a, une série de boutons 9b utilisables par l'utilisateur, par exemple pour régler certains paramètres du vélo, tel qu'un niveau d'assistance fourni par le moteur, un code d'accès ou autre, et un voyant 9c pouvant représenter à l'utilisateur un paramètre d'utilisation du vélo, par exemple du type vitesse, consommation, etc. Le vélo peut également comprendre un instrument électrique tel qu'un capteur 11 utilisé pour faire une mesure de la vitesse de pédalage, ou autre. Le résultat de cette mesure est affichable sur le voyant 9c, et/ou utilisable par l'unité centrale dans le cadre de l'asservissement de l'assistance fournie au moteur par un circuit d'asservissement faisant partie de l'unité centrale 8, ou autre. En outre, le vélo peut comprendre un dispositif d'éclairage 12, par exemple sous la forme d'une ou 35 plusieurs lampes attachées au cadre du vélo. L'unité centrale peut être partie intégrante du vélo, ou peut être embarquée sur une carte à puce, auquel cas le vélo électrique peut également comporter un lecteur de carte à puce adapté pour lire la carte à puce. La batterie 7, l'unité centrale 8 ou le lecteur de carte à puce, et le boîtier d'interface 9 peuvent par exemple être placés dans un boîtier 20 fixé au cadre 2 du vélo, de manière amovible ou fixe. Tous ces dispositifs électriques doivent être alimentés, et peuvent de manière pratique être alimentés par la batterie 7. Néanmoins, dans un exemple de réalisation, la batterie délivre une tension de 36V, qui est aussi la tension du moteur alors que, de manière classique, l'éclairage fonctionne en 6V ou en 12V, le circuit d'asservissement fonctionne en 15V, le lecteur de carte à puce fonctionne en 5V,... Les différents composants électriques (capteurs, etc.) peuvent également présenter des caractéristiques de fonctionnement différentes. Dans un vélo électrique, il est préférable de préserver l'énergie contenue dans la batterie pour des fonctions essentielles, en particulier l'alimentation du moteur. Une grande autonomie est en effet un argument de poids lors du choix d'un vélo électrique par un usager. Il est ainsi préférable de ne pas gaspiller d'énergie lors de l'alimentation des autres composants électriques, et d'obtenir des autonomies de l'ordre de 50 km ou plus. A cette fin, il est proposé d'utiliser pour le vélo électrique une alimentation à découpage, dont l'implémentation sera expliquée en référence aux figures 3a à 3d. Le principe général de l'alimentation à découpage est présenté à titre d'exemple dans le cadre d'un transformateur Flyback 13 comprenant un enroulement primaire 13a, un entrefer 13b, par exemple en ferrite, et un enroulement secondaire 13c. Néanmoins, on pourrait aussi bien utiliser un autre transformateur, par exemple du type Push-Pull, ou autre. L'énergie électrique fournie par la batterie 7 est dans un premier temps transformée en énergie magnétisante dans l'enroulement primaire 13a, l'interrupteur rapide 14, par exemple de type MOS, étant fermé. Dans un second temps, l'interrupteur 14 étant ouvert, l'énergie stockée dans l'entrefer est restituée au moteur 6 sous forme d'un courant démagnétisant délivré par l'enroulement secondaire 13c via une diode 16. La tension délivré au secondaire dépend entre autres du rapport de nombre de spires entre l'enroulement secondaire 13c et l'enroulement primaire 13a. La commutation de l'interrupteur 14 est assurée par un circuit de commande 17, tel que par exemple un circuit de commande de modulation de largeur d'intervalle (MLI ou PWM). En influant sur le rapport du temps de conduction de l'interrupteur 14 sur la période, on influe sur la valeur moyenne de la tension. On pourrait alternativement utiliser un circuit de modulation de fréquence d'intervalle PFM. Ce circuit de commande 17 doit également être alimenté par un circuit de démarrage 18. Lors de la mise sous tension du vélo électrique, le circuit de démarrage 18, comprenant une source d'énergie 20 de faible puissance, doit être apte à mettre sous tension le contrôleur PWM 17. Celui-ci déclenche alors les salves de commutation appropriées pour la bonne marche du vélo électrique. Comme représenté sur la figure 3b, le circuit de démarrage 18 peut comprendre un condensateur 19. Lors de la mise sous tension, représentée par la flèche double sur la figure 3b, la source de courant 20 charge le condensateur 19. Lorsqu'une tension suffisante est établie aux bornes du condensateur 19, le contrôleur PWM peut déclencher une salve de commutation. Comme représenté sur la figure 3c, la mise sous 35 tension du vélo électrique est effectuée au moyen d'un bouton poussoir 9a. L'action sur le bouton poussoir 9a provoque l'entrée en conduction de la source de courant 20, réalisée par exemple sous la forme de deux transistors à déplétion. Ainsi, l'action sur le bouton poussoir provoque l'établissement de la tension nécessaire aux bornes du condensateur 19, et donc la mise sous tension du circuit de commande, et le déclenchement des commutations. Si la tension aux bornes du condensateur 19 chutait, par exemple suite au relâchement du bouton poussoir par l'utilisateur, les salves de commutation s'arrêteraient dès que la tension aux bornes du condensateur 19 passe sous un certain seuil. On peut prévoir un circuit de maintien et d'asservissement, dont un exemple est donné sur la figure 3d. Comme représenté sur la figure 3a, l'enroulement secondaire 13c permet de délivrer au moteur 6 la tension adéquate, en fonction du nombre de spires de l'enroulement 13c. En prévoyant un deuxième enroulement secondaire 13d, d'un nombre de spires approprié, on peut également alimenter en tension appropriée (par exemple 6V ou 12V) un autre composant électrique du vélo, tel que par exemple le lecteur de carte à puce, le capteur 11, l'éclairage, ou autre, et ce avec un rendement proche de 80%, un faible poids et un faible coût. Comme représenté sur la figure 3d, l'enroulement de l'éclairage 12 est isolé électriquement de la batterie 7, son point commun étant relié à la masse du châssis du vélo, et non à la masse de la batterie. Cette disposition permet de réduire le nombre de pannes dues à des défauts d'isolement. On peut ainsi disposer d'un enroulement secondaire supplémentaire, présentant un nombre de spires approprié, pour chaque appareil électrique du vélo électrique. En particulier, on peut utiliser un enroulement secondaire 13e spécialement pour le condensateur 19 du circuit de démarrage 18, dont il est important que la tension ne tombe pas en dessous de la valeur prescrite. On peut également asservir la tension de l'enroulement secondaire 13e par un circuit de contre réaction 22. Le couplage magnétique du transformateur 13 répartissant cet asservissement sur tous les enroulements, on obtient de manière stable les différentes tensions isolées. Le bouton poussoir 9a pourrait être utilisé pour éteindre le vélo électrique lorsque l'utilisateur a fini de s'en servir. En pratique, il est courant que l'utilisateur oublie de couper l'alimentation après s'être servi de son vélo électrique, car il est souvent habitué à utiliser un vélo non-électrique, où le problème ne se pose pas. Dans ce cas, l'alimentation non coupée dissipera l'énergie de la batterie dans les différents circuits électriques du vélo, et lors de l'utilisation suivante du vélo, la batterie pourrait être vide. A l'aide de l'alimentation à découpage précédemment décrite, on peut s'affranchir de ce problème. L'unité centrale 8 comprend généralement un microcontrôleur, par exemple de type PIC 16F876, prenant en charge le fonctionnement de l'électronique embarquée par programme. Un tel microcontrôleur est muni d'un chien de garde servant de circuit de temporisation 23 pour le circuit d'alimentation. Au bout d'un certain temps T programmé par exemple par le concepteur du vélo, ou défini par l'utilisateur par l'intermédiaire des boutons 9b, celui-ci émet un signal d'arrêt en direction du circuit de commande 17. En cours d'utilisation, chaque action d'un composant électrique "resette" le chien de garde, de sorte que le temps T n'est jamais atteint. Si plus aucune action de remise à zéro n'est émise par le lecteur de carte à puce, le moteur, le boîtier de commande 9 ou autre (en clair si le vélo n'est plus utilisé), l'alimentation est coupée au bout d'un temps T après la dernière remise à zéro, par action sur la broche SHD qui provoque l'extinction des salves de maintien. 2870794 11 REVENDICATIONS 1. Véhicule à assistance électrique comprenant: - une source d'énergie (7) , - un moteur électrique (6) adapté pour participer à l'entraînement dudit véhicule, ledit moteur électrique étant alimenté à partir de ladite source d'énergie par l'intermédiaire d'un circuit électrique d'alimentation (15), caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif électrique supplémentaire (9, 11, 12, 18) alimenté à partir de ladite source d'énergie (7) par l'intermédiaire dudit circuit électrique d'alimentation (15), et en ce que le circuit électrique d'alimentation 15 est un circuit d'alimentation à découpage. 2. Véhicule à assistance électrique selon la revendication 1, dans lequel ledit circuit d'alimentation à découpage comprend: - un enroulement primaire (13a), - un premier enroulement secondaire (13c) adapté pour délivrer audit moteur électrique une tension moteur, - un deuxième enroulement secondaire (13d, 13e) adapté pour délivrer audit dispositif électrique supplémentaire (9, 11, 12, 18) une tension de dispositif supplémentaire, et - un circuit de commande (17), adapté pour sélectivement autoriser ou interdire le passage de ladite énergie, en provenance de la source d'énergie (7), dans ledit enroulement primaire. 3. Véhicule à assistance électrique selon la revendication 2, dans lequel ledit circuit d'alimentation à découpage comprend en outre un circuit de démarrage (18) adapté pour mettre sous tension ledit circuit de commande (19), dès lors qu'une tension de démarrage suffisante est établie aux bornes dudit circuit de démarrage, ledit circuit de démarrage (18) formant ledit dispositif électronique supplémentaire, ledit deuxième enroulement secondaire étant adapté pour délivrer aux bornes du circuit de démarrage ladite tension de démarrage. 4. Véhicule à assistance électrique selon la revendication 3, comprenant en outre un circuit de contre-réaction (22) adapté pour asservir ladite tension de démarrage délivrée par ledit deuxième enroulement secondaire (13e). 5. Véhicule à assistance électrique selon la revendication 3 ou la revendication 4 comprenant un bouton poussoir (9a) de mise en marche adapté pour établir, lors de son actionnement, ladite tension de démarrage aux bornes dudit circuit de démarrage (18). 6. Véhicule à assistance électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre un dispositif électrique supplémentaire compris dans la liste suivante: dispositif d'éclairage (12) , voyant (9c) et/ou bouton (9a, 9b) d'un boîtier d'interface (9) avec un utilisateur, unité centrale (8). 7. Véhicule à assistance électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes comprenant en outre un circuit de temporisation (23) adapté pour détecter le fonctionnement en cours ou non d'au moins un dispositif électrique (6, 8, 9, 11, 12) du véhicule, et pour couper l'alimentation du véhicule en cas de détection de non-fonctionnement dudit dispositif électrique. 8. Véhicule à assistance électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre un circuit de calcul adapté pour mesurer un paramètre de la consommation d'énergie du véhicule, et un voyant (9c) adapté pour afficher ledit paramètre. 9. Véhicule à assistance électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, constituant un 35 vélo électrique. 10 1O.Circuit électrique d'alimentation pour un véhicule électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes.