Brevet FR3142997A1 — publié le 20240614

L’invention concerne un vélo à assistance électrique, comprenant ; une roue arrière (1), une roue avant, un pédalier (2) en liaison mécanique avec la roue arrière (1), deux freins mécaniques, un moteur (4) électrique d’assistance (1), alimenté en courant électrique, à partir d’une source de courant continu, par l’intermédiaire d’un onduleur réversible (5), caractérisé en ce que le moteur électrique (4) est un moteur réducté sans roue libre ; la source de courant continu est un module (6) de supercondensateurs (9), contrôlé par un convertisseur (8) ; un capteur (11) de couple de pédalage, et un capteur (12) de vitesse de pédalage sont disposés en liaison avec le pédalier (2) ; un capteur (13) de la vitesse de rotation du moteur électrique (4) est situé dans l’axe de la roue motrice (1) ; un capteur (15) de tension mesure l’état de charge du module (6) de supercondensateurs (9), et une unité électronique (10) de contrôle assure le fonctionnement du convertisseur (8) en fonction du couple de pédalage, de la vitesse de pédalage, de la vitesse de rotation du moteur électrique (4), et de l’état de charge du module (6) de supercondensateurs (9). Figure pour l’abrégé : Figure 1 Vélo à assistance électrique L’invention concerne un vélo à assistance électrique, ou VAE, comprenant une roue arrière, une roue avant, deux freins mécaniques, un pédalier en liaison mécanique avec la roue arrière, un moteur électrique servant pour l’assistance ou pour la conversion de l’énergie cinétique en électricité en mode génératrice, alimenté en courant électrique à partir d’une source de courant continu, par l’intermédiaire d’un onduleur réversible. Les VAE utilisent en général comme source de courant continu des batteries d’accumulateurs qui d’une part sont en général lourdes, et d’autre part ont besoin de quelques heures pour se charger avant utilisation et se déchargent lentement, ce qui n’est pas favorable en cas d’effort intense comme au démarrage ou en ascension à pente raide du VAE. Il est également connu par le document WO 2014/169305, que le moteur électrique apporte son assistance au pédalier, en fonction de la vitesse imposée au VAE et mesurée au niveau du pédalier. L’un des buts de l’invention est de proposer un VAE sans batterie d’accumulateurs, et sans recharge externe. Un autre but de l’invention est de proposer un VAE à recharge d’énergie par l’utilisateur du VAE. Un autre but de l’invention est de proposer un VAE dont la recharge en énergie est assurée par l’utilisateur en fonction de son seuil de fatigue. La présente invention a pour objet un vélo à assistance électrique, comprenant : une roue arrière, une roue avant, un pédalier en liaison mécanique avec la roue arrière, un moteur électrique d’assistance, alimenté en courant électrique, caractérisé en ce que : - le moteur électrique est un moteur sans roue libre ; - le courant électrique est fourni par un module de supercondensateurs contrôlé par un convertisseur, - au moins un capteur de couple de pédalage et au moins un capteur de vitesse de pédalage sont disposés en liaison avec le pédalier ; - un capteur de vitesse de rotation contrôle la vitesse de rotation du moteur électrique; - un capteur de tension mesure l’état de charge du module de supercondensateurs ; et - une unité électronique de contrôle assure le fonctionnement du convertisseur en fonction du couple de pédalage, de la vitesse de pédalage, de la vitesse de rotation du moteur électrique, et de l’état de charge du module de supercondensateurs. La présente invention a pour objet un vélo à assistance électrique, comprenant : une roue arrière, une roue avant, deux freins mécaniques, un pédalier en liaison mécanique avec la roue arrière, un moteur électrique d’assistance, alimenté en courant électrique, caractérisé en ce que : - le moteur électrique est un moteur sans roue libre ; - le courant électrique est fourni à partir d’un module de supercondensateurs contrôlé par un convertisseur ; - un moyen assure la détection du freinage mécanique ; - un capteur de tension mesure l’état de charge du module de supercondensateurs ; et - une unité électronique de contrôle assure le fonctionnement en génératrice du moteur électrique pour la recharge de la réserve d’énergie constituée par le module de supercondensateurs en fonction de l’état de charge du module de supercondensateurs dès lors que le freinage mécanique est détecté. Selon un mode de réalisation, le moteur électrique est un moteur réducté sans roue libre. Selon un mode de réalisation le moteur électrique est un moteur à entraînement direct. Selon un mode de réalisation le moteur électrique est situé dans le moyeu de la roue arrière. Selon un mode de réalisation le moteur électrique est situé dans le moyeu de la roue avant. Selon un mode de réalisation le capteur de la vitesse de rotation du moteur électrique est situé dans l’axe de la roue portant le moteur électrique. Selon un mode de réalisation, le capteur de la vitesse de rotation du moteur électrique est situé sur les rayons d’une des roues. Selon un mode de réalisation, le capteur de couple de pédalage est intégré dans le moteur. Selon un mode de réalisation, le capteur de vitesses de pédalage est intégré dans le moteur. Selon un mode de réalisation, le moyen de détection du freinage mécanique est constitué par au moins un capteur. Selon un mode de réalisation, le moyen de détection du freinage mécanique est constitué par au moins un contacteur. Selon un mode de réalisation, la liaison mécanique entre le pédalier et la roue arrière est assurée par chaîne, courroie ou cardan. Selon un mode de réalisation, l’unité électronique de contrôle est reliée à au moins un capteur de la température du module de supercondensateurs. Selon un mode de réalisation, l’unité électronique de contrôle est reliée à au moins un capteur de la température du moteur électrique. Selon un mode de réalisation, un capteur de tension mesure l’état de charge de chacun des supercondensateurs du module de supercondensateurs. Selon un mode de réalisation, la commande d’au moins un frein mécanique du vélo entraîne l’envoi à l’unité électronique d’un signal déclenchant : - la désactivation de l’assistance du moteur ; - l’application du freinage moteur. Selon un mode de réalisation, l’unité électronique de contrôle contrôle en permanence, via le capteur de l’état de charge du module de supercondensateurs, que l’état de charge du module de supercondensateurs reste toujours inférieur à 100%. L’invention est décrite ci-après en référence au dessin annexé qui représente : un schéma symbolique simplifié d’un système d’assistance électrique pour VAE selon l’invention. Un VAE équipé d’un système d’assistance électrique selon l’invention comporte, un cadre, une roue avant, une roue arrière 1, deux freins mécaniques et un pédalier 2 relié à la roue arrière 1 par exemple par une chaîne 3. Le système d’assistance électrique comporte un moteur 4, un onduleur réversible 5, un convertisseur 8, un module 6 de supercondensateurs 9, et une unité électronique 10 de contrôle du convertisseur 8. Un circuit électrique 7 de liaison est disposé entre l’onduleur réversible 5 et le convertisseur 8. Un circuit électrique 19 de liaison est disposé entre le convertisseur 8 et le module 6 de supercondensateurs 9. Une liaison 18 de commande du convertisseur 8 est disposée entre l’unité électronique 10 et le convertisseur 8. Le pédalier 2 comporte au moins un capteur 11 de couple de pédalage, et au moins un capteur 12 de vitesse de pédalage. Le moteur électrique 4 comporte au moins un capteur 13 de la vitesse de rotation du moteur 4, et au moins un capteur 14 de la température du moteur 4. Un capteur 15 de l’état de charge du module 6 de supercondensateurs 9 est disposé sur le circuit 19 de liaison entre le convertisseur 8 et le module 6 de supercondensateurs 9. Au moins un capteur 16 de la température du module 6 de supercondensateurs 9 est disposé sur le module 6. Au moins un capteur 17 détecte le déclenchement d’un freinage mécanique par l’utilisateur du vélo. Les capteurs 11-17 sont tous reliés à l’unité électronique 10 de contrôle du convertisseur 8. Selon l’invention, le moteur électrique 4 est un moteur réducté sans roue libre, placé dans le moyeu de la roue arrière 1. Le rotor du moteur 4 est couplé à la roue arrière 1 par l’intermédiaire d’un réducteur de vitesse. Par conception, un moteur réducté est un moteur équipé d’une roue libre interne et d’un engrenage planétaire. Il est plus léger qu’un moteur classique. La roue libre interne permet de n’avoir aucune résistance au roulage. Selon l’invention, le moteur 4 utilisé est un moteur réducté sans roue libre interne, ce qui assure au moteur 4, pendant les phases de freinage, ou de roulage en dessous du seuil de fatigue de l’utilisateur y compris en descente, un fonctionnement en génératrice pour le rechargement de la réserve d’énergie constituée par le module 6 de supercondensateurs 9. Le convertisseur 8 assure en particulier le contrôle de la variation de la valeur de la tension continue entre d’une part l’onduleur réversible 5 et d’autre part le module 6 de supercondensateurs 9. Il assure aussi le contrôle des flux de puissance entre d’une part le module 6 de supercondensateurs 9 et le moteur 4 pendant les périodes d’assistance électrique au vélo. Ainsi, le moteur électrique 4 est un moteur réducté sans roue libre, pour assurer alternativement un fonctionnement en moteur de propulsion du VAE en assistance à l’utilisateur, et un fonctionnement en génératrice de courant électrique pour assurer la recharge des supercondensateurs lors des phases de freinage moteur et pendant les phases de déplacement lorsque l’effort est en dessous du seuil de fatigue. Le module 6 comprend plusieurs supercondensateurs 9, utilisés comme cellules de stockage d’énergie électrique dès que le vélo est en mouvement ou comme source de puissance électrique en phases d’accélération. Contrairement à une batterie, les supercondensateurs sont des petits composants, facilement intégrables mécaniquement dans le vélo. De plus, ils ont une grande sécurité qui permet de les intégrer directement à la carte électronique de contrôle. A titre d’exemple, les supercondensateurs 9 sont logés dans des tubes extrudés servant de châssis au porte-bagages situé au-dessus de la roue arrière du VAE. La réserve de stockage d’énergie constituée par le module 6 de supercondensateurs 9 présente plusieurs avantages par rapport à une batterie d’accumulateurs, et en particulier, une masse plus faible, une durée de charge plus courte, une durée de vie plus longue et des pertes de transfert moindres. Selon l’invention, un contrôle permanent via le capteur 15 de l’état de charge du module 6 de supercondensateurs 9 assure la vérification que l’état de charge du module de supercondensateurs reste toujours inférieur à 100%. Le fonctionnement du VAE selon l’invention s’analyse de la façon suivante. L’utilisateur se met en place sur le vélo et l’entraîne par le pédalier 2. Les capteurs 11 de couple de pédalage, et 12 de vitesse de pédalage envoient leurs signaux à l’unité électronique 10 de contrôle du convertisseur 8. Les capteurs 13 de vitesse de rotation du moteur 4, 14 de la température du moteur 4, 15 de l’état de charge du module 6 de supercondensateurs 9, et 16 de la température du module 6 de supercondensateurs 9, envoient leurs signaux à l’unité électronique 10 de contrôle du convertisseur 8. Pendant la phase de démarrage, l’utilisateur appuie sur la pédale et le capteur de couple de pédalage informe du besoin d’assistance électrique l’unité électronique 10 qui commande le convertisseur 8 pour que l’énergie électrique disponible dans le module 6 de supercondensateurs 9 alimente le moteur 4 par l’intermédiaire de l’onduleur réversible 5. Ainsi, pendant les phases de démarrage, d’accélération, ou de montée, l’assistance électrique est assurée, comme dans les VAE classiques, par prélèvement sur la réserve d’énergie disponible. L’unité électronique 10 de contrôle du fonctionnement du convertisseur 8 reçoit les signaux électroniques des capteurs précités et délivre des signaux de commande au convertisseur 8, pour commander, en fonction des besoins du VAE, dans les limites autorisées par les températures des différents composants, le sens de circulation du courant dans le convertisseur 8, soit vers le moteur 4 pour l’assistance électrique, soit vers le module 6 de supercondensateurs 9 pour la recharge de la réserve d’énergie. L’unité électronique de contrôle 10 analyse d’une part la vitesse de rotation du moteur électrique 4 et d’autre part le couple appliqué au pédalier par l’utilisateur. Elle en déduit le besoin éventuel d’assistance de l’utilisateur en fonction de l’état de charge du module 6 de supercondensateurs, ou l’opportunité d’une recharge des supercondensateurs. L’utilisation d’un moteur réducté sans roue libre permet de connaître la vitesse de rotation de la roue via la vitesse du moteur. L’unité électronique de contrôle 10 analyse le rapport de vitesses grâce à la vitesse de rotation de la roue et à la vitesse de pédalage, pour mieux ajuster l’assistance. Si le besoin est élevé mais que l’utilisateur n’utilise pas le bon rapport de vitesses, cela signifie qu’avant d’utiliser l’assistance il vaudrait mieux changer de rapport de vitesses. Ainsi, pour le même niveau d’effort, l’aide est moindre avec un rapport de vitesses qui pourrait être amélioré que lorsque le rapport de vitesse est déjà le meilleur possible physiquement. Dans un VAE classique, la commande manuelle de l’un des leviers de frein assure la coupure de l’alimentation électrique du moteur et donc de l’assistance apportée par le moteur. Chacun des leviers de frein est muni d’un contacteur ou d’un capteur pour couper l’assistance du moteur en cas de commande d’un levier de frein. Selon l’invention, la commande d’un premier levier de frein assure, au moyen du capteur 17, l’envoi à l’unité électronique 10 d’un signal déclenchant la désactivation de la fonction d’assistance du moteur électrique, mais aussi l’application du freinage moteur et la récupération d’énergie électrique, le moteur fonctionnant en génératrice. La commande du premier levier de frein assure le renforcement du freinage moteur et de la récupération d’énergie. La commande, ultérieure ou simultanée, du deuxième levier de frein assure l’augmentation significative du freinage moteur et de la récupération d’énergie. Le freinage mécanique est obtenu par pression sur les leviers de frein au-delà du déclenchement du capteur 17 pour couper l’assistance du moteur. Le freinage mécanique est utilisé en situation de freinage rapide, ou d’urgence. L’utilisation d’un moteur réducté sans roue libre, ou d’un moteur à entraînement direct (direct drive), et d’un module de supercondensateurs acceptant des puissances importantes en délai court, permet d’utiliser le moteur en génératrice pour bénéficier d’un freinage moteur important et d’une récupération d’énergie significative, en fonction de l’état de charge du module 6 de supercondensateurs et dans les limites autorisées par les températures des différents composants. Pendant les phases de déplacement sans contrainte particulière, à partir des données reçues du capteur 11 de couple de pédalage, et du capteur 12 de vitesse de pédalage, l’unité électronique 10 détermine une valeur CL de couple limite correspondant au seuil de fatigue de l’utilisateur. Par ailleurs, elle reçoit, en temps réel tout le long des tours de pédale, l’information Cu du couple utile au déplacement du vélo. La comparaison des deux valeurs permet de constater qu’entre Cu et CL, il y a au moins une valeur Cr de couple de recharge supérieure ou égale à Cu, et dont la différence avec Cu permet de recharger les supercondensateurs sans fatigue notable de l’utilisateur. Selon l’invention, une commande manuelle pour un faible déplacement d’un levier de frein mécanique assure, au moyen du capteur 17 et de l’unité électronique 10, le fonctionnement du vélo avec le couple Cr de recharge des supercondensateurs 9. Avec un couple Cr inférieur au couple limite CL, et légèrement supérieur au couple utile Cu de déplacement du VAE, une faible puissance est récupérée pendant la durée assez longue du déplacement, de façon à assurer une recharge conséquente du module 6 des supercondensateurs 9. Ainsi, l’unité électronique 10 permet d’assurer une gestion de l’assistance apportée par l’utilisateur à la recharge de la réserve d’énergie constituée par les supercondensateurs. En fonction du couple de pédalage mesuré et de la vitesse de pédalage assurée par la cadence de pédalage de l’utilisateur, l’unité électronique de contrôle 10 assure le pilotage automatique des phases de stockage d’énergie, et d’assistance au moteur électrique 4, indépendamment des pratiques de l’utilisateur pour optimiser la gestion de l’énergie électrique stockée dans le module 6 de supercondensateurs 9. Autrement dit, alors que les VAE classiques n’assurent la gestion que de l’apport d’énergie complémentaire, le VAE selon l’invention assure, en plus, la gestion de l’énergie de l’utilisateur pour la recharge de la réserve d’énergie complémentaire. Vélo à assistance électrique, comprenant : une roue arrière (1), une roue avant, un pédalier (2) en liaison mécanique avec la roue arrière (1), un moteur électrique (4) d’assistance, alimenté en courant électrique, caractérisé en ce que : - le moteur électrique (4) est un moteur sans roue libre ; - le courant électrique est fourni par un module (6) de supercondensateurs (9), contrôlé par un convertisseur (8) ; - au moins un capteur (11) de couple de pédalage et au moins un capteur (12) de vitesse de pédalage sont disposés en liaison avec le pédalier (2) ; - un capteur (13) de vitesse de rotation contrôle la vitesse de rotation du moteur électrique (4) ; - un capteur (15) de tension mesure l’état de charge du module (6) de supercondensateurs (9) ; et - une unité électronique (10) de contrôle assure le fonctionnement du convertisseur (8) en fonction du couple de pédalage, de la vitesse de pédalage, de la vitesse de rotation du moteur électrique (4), et de l’état de charge du module (6) de supercondensateurs (9). Vélo à assistance électrique, comprenant : une roue arrière (1), une roue avant, deux freins mécaniques, un pédalier (2) en liaison mécanique avec la roue arrière (1), un moteur électrique (4) d’assistance, alimenté en courant électrique, caractérisé en ce que : - le moteur électrique (4) est un moteur sans roue libre ; - le courant électrique est fourni à partir d’un module (6) de supercondensateurs (9) contrôlé par un convertisseur (8) ; - un moyen (17) assure la détection du freinage mécanique ; - un capteur (15) de tension mesure l’état de charge du module (6) de supercondensateurs (9) ; et - une unité électronique (10) de contrôle assure le fonctionnement en génératrice du moteur électrique (4) pour la recharge de la réserve d’énergie constituée par le module (6) de supercondensateurs (9) en fonction de l’état de charge du module (6) de supercondensateurs (9) dès lors que le freinage mécanique est détecté. Vélo à assistance électrique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le moteur électrique (4) est un moteur réducté sans roue libre. Vélo à assistance électrique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le moteur électrique (4) est un moteur à entraînement direct. Vélo à assistance électrique selon l’une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le moteur électrique (4) est situé dans le moyeu de la roue arrière (1). Vélo à assistance électrique selon l’une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le moteur électrique (4) est situé dans le moyeu de la roue avant. Vélo à assistance électrique selon l’une des revendications 1 et 3 à 6, caractérisé en ce que le capteur (13) de la vitesse de rotation du moteur électrique (4) est situé dans l’axe de la roue portant le moteur électrique. Vélo à assistance électrique selon l’une des revendications 1 et 3 à 6, caractérisé en ce que le capteur (13) de la vitesse de rotation du moteur électrique (4) est situé sur les rayons d’une des roues. Vélo à assistance électrique selon l’une des revendications 1 et 3 à 8, caractérisé en ce que le capteur (11) de couple de pédalage est intégré dans le moteur (4). Vélo à assistance électrique selon l’une des revendications 1 et 3 à 9, caractérisé en ce que le capteur (12) de vitesse de pédalage est intégré dans le moteur (4). Vélo à assistance électrique selon l’une des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que le moyen (17) de détection du freinage mécanique est constitué par au moins un capteur. Vélo à assistance électrique selon l’une des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que le moyen (17) de détection du freinage mécanique est constitué par au moins un contacteur. Vélo à assistance électrique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la liaison mécanique entre le pédalier (2) et la roue arrière (1) est assurée par chaîne (3), courroie ou cardan. Vélo à assistance électrique selon l’une des revendication 1 à 13, caractérisé en ce que l’unité électronique (10) de contrôle est reliée à au moins un capteur (16) de la température du module (6) de supercondensateurs (9). Vélo à assistance électrique selon l’une des revendication 1 à 14, caractérisé en ce que l’unité électronique (10) de contrôle est reliée à au moins un capteur (14) de la température du moteur électrique (4). Vélo à assistance électrique selon l’une des revendications 1 à 15, caractérisé en ce qu’un capteur (15) de tension mesure l’état de charge de chacun des supercondensateurs (9) du module (6) de supercondensateurs (9). Vélo à assistance électrique selon l’une des revendications 2 à 6 et 11 à 16, caractérisé en ce que la commande d’au moins un frein mécanique du vélo entraîne l’envoi à l’unité électronique (10) d’un signal déclenchant : - la désactivation de l’assistance du moteur (4), - l’application du freinage moteur. Vélo à assistance électrique selon l’une des revendications 1 à 17, caractérisé en ce que l’unité électronique (10) de contrôle contrôle en permanence, via le capteur (15) de l’état de charge du module (6) de supercondensateurs (9) que l’état de charge du module de supercondensateurs reste toujours inférieur à 100%.