Brevet FR3164163A1 — publié le 20260109

L'invention concerne un procédé de commande du freinage régénératif d'un vélo à assistance électrique, comprenant les étapes suivantes : détecter la fin du freinage mécanique ; définir une vitesse cible fonction de la vitesse du vélo au moment de la détection de la fin du freinage mécanique ; réguler le freinage régénératif du vélo en fonction de cette vitesse cible. Figure pour l’abrégé : 1 Procédé de déclenchement et de commande du freinage régénératif d'un vélo à assistance électrique avec vitesse cible L'invention concerne les vélos à assistance électrique et, plus spécifiquement, le processus de déclenchement et commande du freinage régénératif suite au relâchement du frein mécanique. Arrière-plan Certains vélos électriques proposent des systèmes de freinage régénératif pour améliorer la sécurité et l'efficacité énergétique. Plusieurs alternatives permettent d'enclencher le frein régénératif : a. Frein régénératif à couple cible par rétropédalage. Lorsqu’un cycliste pédale en arrière, un couple régénératif cible constant est appliqué. Une rampe temporelle peut être appliquée pour atteindre progressivement ce couple cible à partir du couple initial au début du rétropédalage. b. Frein régénératif avec couple cible en fonction de l'angle des pédales, après avoir initié un pédalage arrière. Le dispositif peut inclure une zone morte avant un certain angle des pédales, durant laquelle le freinage par rétropédalage n'est pas activé. Cette zone morte permet au cycliste d'ajuster la position des pédales sans déclencher le frein. Une fois que les pédales atteignent l'angle prédéfini, la méthode applique le couple cible de manière proportionnelle à l'angle atteint. c. Frein avec puissance de régénération fixe (P) activé via une interface telle qu'une console. Le couple cible (C) varie en fonction de la vitesse de la roue du vélo (Ω) selon la relation C = P / Ω. Aucune de ces solutions existantes à ce jour n'est entièrement satisfaisante. Soit elles ne permettent pas de modulation, soit elles nécessitent une interaction compliquée, soit elles ne font pas de commande en vitesse, alors que ceci est souhaitable en descente pour un bon confort d'utilisation. Procédé de commande du freinage régénératif d'un vélo à assistance électrique, comprenant les étapes suivantes : détecter la fin du freinage mécanique ; définir une vitesse cible fonction de la vitesse du vélo au moment de la détection de la fin du freinage mécanique ; réguler le freinage régénératif du vélo en fonction de cette vitesse cible. Le procédé peut définir la vitesse cible comme étant égale à la vitesse mesurée ou ajustée en fonction de critères prédéfinis tels que les conditions de la route, le niveau de charge de la batterie, et/ou les préférences de l'utilisateur. Le procédé peut comprendre une étape d’utilisation d’un régulateur proportionnel-intégral-dérivé (PID) pour commander la vitesse cible du freinage régénératif. Le procédé peut comprendre l’ajout d’un terme additionnel fonction d'au moins l'un des éléments suivants : les forces de frictions estimées, la pente, la vitesse du vent, et les conditions de surface de la route, afin d'améliorer la stabilité du PID pour le freinage régénératif. Le procédé peut en outre comprendre les étapes suivantes : enregistrer la position des pédales au moment de la fin du freinage mécanique pour une référence ultérieure ; moduler la vitesse cible du freinage régénératif en réponse au pédalage en avant ou en arrière, en surveillant la variation d'angle des pédales par rapport à la référence initiale. Le procédé peut en outre comprendre un calcul de la vitesse cible du freinage régénératif de sorte que celle-ci varie linéairement en fonction de l'angle des pédales, et est bornée à la fois par des vitesses cibles minimales et maximales, et par des angles de rotation totaux minimum et maximum par rapport à la référence initiale. Le procédé peut comprendre un mécanisme supplémentaire consistant à sortir du mode de freinage régénératif dès que le système détecte un couple humain supérieur à un seuil minimal au-delà duquel le pédalage est considéré comme actif. Le procédé peut en outre comprendre une condition de sortie du mode de freinage régénératif lorsque le couple de freinage régénératif nécessaire à commander le moteur pour atteindre la vitesse cible est nul ou se transforme en un couple positif fournissant de l'assistance. Le procédé peut comprendre une condition supplémentaire de sortie du mode de freinage régénératif lorsque la vitesse cible déterminée via la modulation de la vitesse cible en fonction de l'angle des pédales devient nulle. Le procédé peut en outre autoriser une transition d'une commande par vitesse cible à une commande par couple cible après que le cycliste a amorcé un pédalage arrière sur un certain angle de pédalage. Description sommaire des figures Des modes de réalisation seront exposés dans la description suivante, faite à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : La FIG. 1 représente un schéma bloc illustrant l’interaction entre les différents composants physiques impliqués dans un exemple de mise en œuvre de freinage régénératif à vitesse cible. La FIG. 2 représente un indicateur de la présence ou non d’un freinage mécanique. La FIG. 3 représente un exemple d'évolution de la vitesse du vélo ainsi que l'évolution de la vitesse cible. La FIG. 4 représente l'évolution du compteur de tours de pédales mis en place lors du freinage régénératif avec vitesse cible. La FIG. 5 représente un exemple d’évolution du couple moteur ainsi que l'évolution du couple humain. Description détaillée Aucune des alternatives existantes de frein régénératif n’est adaptée au cas des descentes où l’objectif est de freiner sur une période de temps potentiellement longue en maintenant une vitesse suffisamment faible pour garder un niveau de confort et rester en sécurité. Le frein régénératif à couple cible par rétropédalage ne permet pas de moduler le niveau de freinage et peut être inconfortable, voire dangereux, pour une utilisation prolongée, telle qu'en descente. Le cycliste doit maintenir une position de pédalage arrière, ce qui peut provoquer des tensions musculaires et une perte de contrôle. Le frein régénératif avec couple cible en fonction de l'angle des pédales, après avoir initié un pédalage arrière, n'est pas adapté en descente, car le couple a un impact sur l'accélération du vélo alors que ce que l'on souhaite contrôler est typiquement la vitesse du vélo. Il n'est donc pas possible de définir un couple approprié pour des conditions de descente variées. Le frein avec puissance de régénération fixe, déclenché à l'aide d'une interface dédiée, nécessite la présence d’une console qui n’est pas souhaitable sur certaines gammes de vélo. De plus, trouver la puissance de régénération appropriée peut être difficile, car elle doit être ajustée en fonction de l'environnement. Par exemple, en descente, si la pente varie, la puissance de régénération fixe peut ne pas être adaptée, rendant le freinage inefficace ou trop brusque. On propose ici un procédé simple et intuitif de déclenchement et de commande du freinage régénératif avec vitesse cible dans les descentes. Le procédé permet de passer d’un freinage mécanique potentiellement accompagné d’un premier freinage régénératif avec consigne de couple à un freinage purement régénératif avec vitesse cible et ce, sans besoin de dispositif spécifique tel qu’une console et sans nécessiter d’action peu intuitive pour le cycliste. Pour une bonne expérience utilisateur et un comportement intuitif, il est préférable que ce type de freinage régénératif ne soit pas actif sur le plat, où le vélo ralentit naturellement en absence de force motrice. Le procédé doit également offrir la possibilité de moduler la vitesse cible en fonction des conditions environnementales changeantes. Enfin, il est souhaitable que la stabilité du freinage soit améliorée en tenant compte des estimations de forces extérieures. Les procédés et fonctions auxquels on se réfère sont mises en œuvre par programmation du microcontrôleur du système de commande du moteur du vélo. Le procédé comprend trois phases : déclenchement, commande et sortie du mode de régénération. (i) Déclenchement du mode de freinage régénératif avec vitesse cible par détection de fin de freinage mécanique : - Un capteur de frein peut être utilisé pour détecter la fin du freinage mécanique. Si le capteur est omis, la détection de fin de freinage peut résulter d’un bilan des forces motrices et résistives connues. En observant si ces forces sont en accord avec l’accélération du vélo on peut estimer ou non la présence d’une force de freinage supplémentaire dûe au freinage mécanique. - Une vitesse cible pour le freinage régénératif est définie. Celle-ci peut correspondre à la vitesse du vélo au moment de la détection de la fin du freinage mécanique. - La position des pédales au moment de la fin du freinage mécanique peut être enregistrée pour une référence ultérieure. Cela est pertinent dans une variante décrite ultérieurement qui module la vitesse cible en fonction de l'angle des pédales. (ii) Commande du freinage régénératif à vitesse cible : - La commande du moteur par frein régénératif vise à maintenir cette vitesse cible. Une solution pour ce faire est d'utiliser un régulateur proportionnel-intégral-dérivé (PID) pour minimiser l'écart par rapport à la vitesse cible. - Selon une option, un paramètre additionnel peut être pris en compte dans la commande, fonction d’au moins l'un des éléments suivants : les forces de friction estimées, la pente, la vitesse du vent, et les conditions de surface de la route, afin d'améliorer la stabilité de la commande pour le freinage régénératif. Ce paramètre permet de renforcer la stabilité du contrôleur PID, car une commande compensant les forces résistives pourrait maintenir une vitesse constante en l'absence de PID. En effet, à vitesse constante, les forces propulsives sont égales aux forces résistives. Par conséquent, en intégrant tous les termes connus correspondant aux forces résistives, la stabilité du PID est augmentée, celui-ci n'ayant qu'à compenser les écarts dus aux erreurs de modèle. - Selon une variante, la vitesse cible est modulée lorsque le cycliste modifie l'angle des pédales. La position des pédales est enregistrée comme référence lors de l'entrée dans ce mode de commande. Ensuite, toute variation d'angle des pédales par rapport à cette référence est mesurée, et une fonction adapte la vitesse cible en conséquence. Une limite maximale de vitesse cible peut être appliquée. (iii). Sortie du mode de régénération : - Le mode de régénération est désactivé dès que le système détecte que le cycliste commence à pédaler activement. Pour cela, une solution consiste à utiliser un seuil minimal de couple humain au-delà duquel le pédalage est considéré comme actif. - Lorsque le couple de régénération nécessaire pour maintenir la vitesse devient nul ou se transforme en un couple positif fournissant de l'assistance, le mode de régénération est également désactivé. Comme sur le plat le vélo tend à ralentir naturellement quand il n’y a pas de force motrice, ce mécanisme désactive automatiquement la commande moteur par frein régénératif avec vitesse cible sur le plat. - Le mode de régénération est désactivé lorsque la vitesse cible devient nulle, notamment via la modulation optionnelle de la vitesse cible en fonction de l'angle des pédales. - Si on n’utilise pas la modulation de la vitesse cible par les pédales, on peut autoriser une transition d'une commande à vitesse cible à une commande à couple cible après que le cycliste a amorcé un pédalage arrière sur un certain angle de pédalage. Une exemple de mise en œuvre consiste à effectuer ce passage après que le cycliste a fait un demi-tour de pédale en arrière à partir du début de la commande à vitesse cible. Dans ce cas, le couple cible de régénération peut être défini comme celui qui était appliqué pour maintenir la vitesse dans le cas du freinage régénératif à vitesse cible. Le couple cible du freinage régénératif peut ensuite être modifié dans ce nouveau mode, comme c'est le cas pour certaines variantes classiques de freinage par rétropédalage. La FIG. 1 représente différents composants impliqués dans un exemple de mise en œuvre. Un microcontrôleur 1 est programmé pour réaliser les différentes fonctions permettant la mise en place du freinage régénératif à vitesse cible : 11 représente le test d’activation de ce freinage, 12 la phase d’initialisation et 13 la phase de commande de ce freinage. La figure montre également les différents capteurs en 2, 3 et 4, ainsi que le moteur en 6. La FIG. 1 montre comment les données issues du capteur frein 2 permettent de décider ou non de l’activation du freinage régénératif à vitesse cible. Si le freinage mécanique n'est plus actif à l’instant présent alors qu'il l'était à l'instant précédent, le mode de freinage régénératif est activé. Lors de l’initialisation, on enregistre P0 comme étant la position actuelle des pédales ainsi que V0 comme étant la vitesse actuelle du vélo. En phase de commande, on calcule Δp = Pp - P0, à savoir un compteur de tours de pédales (positifs ou négatifs) depuis le démarrage du frein régénératif avec vitesse cible. A partir de ce compteur et de la vitesse cible initiale V0, on calcule une nouvelle vitesse cible Vc. Pour ce scénario, la vitesse cible varie selon la formule Vc=V0+K⋅Δp, où K est un coefficient constant, par exemple K = 8 km/h par tour. A partir de cette vitesse cible Vc on construit une consigne de commande qui comprend un terme régulateur PID basé sur la différence entre la vitesse cible Vc et la vitesse réelle Vb. La commande finale Cm appliquée au moteur peut impliquer un paramètre additionnel qui correspond aux forces nécessaires à la compensation de la pente. Ainsi pour une pente Pe en pourcents, on a un couple résistif Cp qui peut être approximé par Cp = R⋅m⋅g⋅sin(arctan(Pe/100)), avec R le rayon de la roue motrice (ici R = 0.26 m), m la masse du vélo plus cycliste (ici m = 118 kg) et g = 9.81 N/kg l’accélération de la pesanteur. La commande peut également impliquer un terme Cf compensant les différentes forces de friction. On considère ici un couple Cf = R⋅(K0 +K1⋅Vb+K2⋅Vb2) avec R le rayon de la roue motrice, K0, K1 et K2 des constantes représentant respectivement les termes de friction statique, de friction de roulement et de friction aérodynamique. A titre d’exemple, K0 = 4 Newtons, K1 = 1.0 m/s2 et K2 = 0.179 kg/m. Le terme de friction statique K0 peut être ajusté en fonction des conditions de surface de la route. Le terme de friction aérodynamique K2 peut être ajusté en fonction de la vitesse du vent. Pour illustrer un exemple de mise en œuvre du procédé, on considère le scénario d'un cycliste dans une pente descendante utilisant un vélo équipé du système proposé. L’exemple décrit un scénario d’activation, de commande et enfin de sortie du freinage régénératif avec vitesse cible. Le scénario comprend les étapes suivantes : (i) Prise de vitesse en descente : au début du scénario, le cycliste ne pédale pas et le vélo prend de la vitesse en descente. (ii) Activation du frein mécanique : lorsqu'il atteint une certaine vitesse, le cycliste décide de freiner en activant le frein mécanique. Pour ce scénario, on peut considérer que la détection du frein mécanique s’accompagne aussi d’un freinage régénératif par consigne de couple, sans vitesse cible. (iii) Initialisation du freinage régénératif avec vitesse cible : une fois le frein mécanique relâché, le freinage régénératif avec vitesse cible est initialisé avec une vitesse cible V0. Dans cette variante, le cycliste peut ensuite moduler la vitesse cible en pédalant en avant ou en arrière. Par exemple, la vitesse cible varie selon la formule Vc=V0+K⋅Δp, où Δp représente un compteur de tours de pédales (positifs ou négatifs) depuis le démarrage du freinage régénératif avec vitesse cible, et K est un coefficient constant, ici K = 8 km/h par tour. (iv) Commande par régulateur PID : la commande est effectuée en utilisant un régulateur proportionnel-intégral-dérivé (PID) basé sur l'écart entre la vitesse réelle et la vitesse cible, auquel est ajouté un terme fonction de la pente et de la vitesse f(Pe, Vb), correspondant à la force moteur qu’il serait nécessaire d’ajouter pour compenser les forces dûes à la pente et aux forces de friction. (v) Sortie du mode de freinage régénératif : le cycliste sort de ce mode de freinage régénératif avec vitesse cible en produisant un couple sur les pédales supérieur à un couple seuil où l’on considère que le pédalage est actif, ici de 10 Nm à titre d’exemple. La FIG. 2 montre la réponse du capteur de frein au cours du scénario. On voit que le cycliste active le frein mécanique autour de t = 1 seconde et le relâche peu avant t = 4 secondes. La FIG. 3 représente l'évolution de la vitesse du vélo (traits pleins) ainsi que l'évolution de la vitesse cible (traits pointillés) au cours du scénario. Les deux barres verticales présentes délimitent le début et la fin du freinage régénératif avec vitesse cible. On observe que la vitesse du vélo augmente tant que le frein mécanique n’est pas actif puis diminue lorsque celui-ci est activé. Au moment où le frein est relâché, le frein régénératif avec vitesse cible s’active. Une vitesse cible de référence V0 est alors définie comme étant égale la vitesse actuelle du vélo. Cette vitesse cible varie ensuite en fonction des rotations des pédales effectuées par le cycliste. La vitesse cible reste constante pendant une certaine période, puis augmente juste après t = 5 secondes, pour atteindre un premier plateau de vitesse cible autour de t = 7 secondes. La vitesse cible augmente encore légèrement à partir de t = 11 secondes, pour diminuer jusqu’à une valeur fixe vers t = 14 secondes. Pendant ce temps, la vitesse du vélo suit la vitesse cible, avec un certain retard dû notamment au régulateur PID. Peu avant t = 15 secondes, le cycliste exerce un pédalage actif ce qui fait sortir du mode de commande moteur par frein régénératif. La vitesse du vélo augmente alors de nouveau, le frein régénératif n'étant plus actif. La FIG. 4 représente l'évolution du compteur de tours de pédales Δp calculé lors du freinage régénératif avec vitesse cible. Les deux barres verticales présentes délimitent le début et la fin du freinage régénératif avec vitesse cible. Au début de ce mode de commande, ce compteur vaut 0. Il est ensuite incrémenté ou décrémenté en fonction des tours de pédales effectués par le cycliste. On observe que l’évolution de la vitesse cible décrite à la FIG. 3 suit précisément l'évolution de ce compteur de tours de pédales. La FIG. 5 représente l'évolution du couple moteur (traits pleins) ainsi que l'évolution du couple humain (traits pointillés) au cours du scénario. Les deux barres verticales présentes délimitent le début et la fin du freinage régénératif avec vitesse cible. Le couple moteur est d’abord nul tant que le cycliste ne freine pas. Lorsque le frein mécanique est activé, un freinage régénératif est ajouté au freinage mécanique. Le couple de freinage augmente progressivement pour atteindre la valeur de couple cible de 40 Nm vers t = 3 secondes. On note qu’entre t = 1.75 secondes et t= 3 secondes, le couple moteur n’augmente pas linéairement en raison des contraintes sur la puissance maximum de freinage régénératif aux vitesses en question. Une fois le freinage avec vitesse cible actif, le couple moteur évolue en fonction du régulateur PID et de la pente pour asservir au mieux la vitesse cible. Finalement, on voit sur cette figure que le cycliste enclenche un pédalage actif peu avant t = 15 secondes, générant un couple sur les pédales et désactivant ainsi le freinage régénératif. Le couple moteur devient alors positif en réponse au pédalage actif du cycliste. Procédé de commande du freinage régénératif d'un vélo à assistance électrique, comprenant les étapes suivantes : détecter la fin d’un freinage mécanique ; définir une vitesse cible basée sur la vitesse mesurée du vélo au moment de la détection de la fin du freinage mécanique ; réguler le freinage régénératif du vélo en fonction de la vitesse cible. Procédé selon la revendication 1, où la vitesse cible peut être égale à la vitesse mesurée ou ajustée en fonction de critères prédéfinis tels que les conditions de la route, le niveau de charge de la batterie, et/ou les préférences de l'utilisateur. Procédé selon la revendication 1, comprenant l'étape suivante : utiliser un régulateur proportionnel-intégral-dérivé (PID) pour commander la vitesse cible du freinage régénératif. Procédé selon la revendication 3, comprenant l'étape suivante : ajouter au régulateur PID un terme additionnel fonction d'au moins l'un des éléments suivants : les forces de friction estimées, la pente, la vitesse du vent, et les conditions de surface de la route. Procédé selon la revendication 1, comprenant les étapes suivantes : enregistrer la position des pédales à la fin du freinage mécanique ; et moduler la vitesse cible du freinage régénératif en réponse à une variation de la position des pédales par rapport à la position enregistrée. Procédé selon la revendication 5, dans lequel la vitesse cible du freinage régénératif varie linéairement en fonction de l'angle des pédales par rapport à la position enregistrée, et est bornée par des vitesses cibles minimale et maximale. Procédé selon la revendication 1, comprenant l'étape suivante : sortir du mode de freinage régénératif dès que le système détecte un couple humain supérieur à un seuil minimal au-delà duquel le pédalage est considéré comme actif. Procédé selon la revendication 1, comprenant l'étape suivante : sortir du mode de freinage régénératif lorsque le couple de freinage régénératif nécessaire à commander le moteur pour atteindre la vitesse cible est nul ou se transforme en un couple positif fournissant de l'assistance. Procédé selon la revendication 5, comprenant l'étape suivante : sortir du mode de freinage régénératif lorsque la vitesse cible déterminée par la modulation en fonction de l'angle des pédales devient nulle. Procédé selon la revendication 1, comprenant l'étape suivante : autoriser une transition d'une commande ayant la vitesse cible pour consigne à une commande ayant un couple cible pour consigne après que le cycliste a amorcé un pédalage arrière sur un certain angle de pédalage.