Brevet FR3153579A1 — publié le 20250404

La présente invention concerne un système de traction électrique autonome en énergie avec prolongateur de performance pouvant être mis en œuvre dans le cadre de véhicules électriques légers (VEL) comme une bicyclette. Ce système de traction est composé d’une machine électrique (1) qui doit permettre la production d’un couple positif et négatif, d’un module de puissance (2) permettant de le piloter à puissance positive ou négative, d’un sous ensemble de supercondensateurs (3), qui est l’élément essentiel de stockage d’énergie, d’un système de stockage d’énergie (4) optionnel à l’usage, visant à augmenter les performances dudit véhicule, ainsi que de l’électronique permettant de l’interfacer avec le système (5). Le système présente l’avantage de pouvoir être autonome en récupérant l’énergie au freinage grâce à la machine électrique (1) pour la stocker dans le pack de supercondensateurs (3). Cette énergie pourra être restituée au démarrage. L’ajout d’une source complémentaire (4) permet d’augmenter les performances d’assistance du véhicule. Système de traction électrique autonome en énergie avec prolongateur de performance L’invention concerne une chaine de traction pour VEL, c’est-à-dire pour engin de locomotion intermédiaire. Dans le cas spécifique où ce véhicule est un vélo équipé d’une chaine de traction, on parle généralement de vélo à assistance électrique ou VAE. Art antérieur La plupart des véhicules électriques légers à propulsion humaine actuels, tel les VAE ou les véhicules intermédiaires sont constitués d’une batterie d’accumulateur qui transmet de la puissance à la roue motrice par l’intermédiaire d’un convertisseur. La majorité de ces véhicules doivent être connectés au réseau électrique national à l’aide d’un chargeur spécifique prévu à cet effet afin de garantir leur fonctionnement. Les inconvénients de ces véhicules sont de plusieurs types. Le temps de recharge et la facilité d’accès à un point de charge peut être considéré comme problématique. La durée de vie du système d’énergie et son recyclage est un frein à l’essor de ce type de véhicule. De plus, l’autonomie limitée du véhicule, ainsi que l’absence de standard pour la recharge et la conception de ces véhicules légers complexifie l’usage et l’interopérabilité des systèmes. L’un des buts de cette invention est de proposer une chaine de traction autonome en énergie sur la base d’un système de stockage à grande durée de vie afin de s’affranchir des inconvénients liés à l’autonomie et à la durée de vie du système. Un autre but est d’intégrer la possibilité de brancher une pluralité de système de stockage d’énergie à la chaine de traction afin de permettre un niveau de performance plus élevé mais aussi permettre d’adapter des solutions de système de stockage diverses sur un même véhicule. La présente invention concerne un système de traction électrique autonome en énergie avec prolongateur de performance pouvant être mis en œuvre dans le cadre de véhicules électriques légers (VEL) comme une bicyclette. Ce système de traction est composé d’une machine électrique (1) qui doit permettre la production d’un couple positif et négatif, d’un module de puissance (2) permettant de le piloter à puissance positive ou négative, d’un sous ensemble de supercondensateurs (3), qui est l’élément essentiel de stockage d’énergie, d’un système de stockage d’énergie (4) optionnel à l’usage, visant à augmenter les performances dudit véhicule, ainsi que de l’électronique permettant de l’interfacer avec le système (5). Le système présente l’avantage de pouvoir être autonome en récupérant l’énergie au freinage grâce à la machine électrique (1) pour la stocker dans le pack de supercondensateurs (3). Cette énergie pourra être restituée au démarrage. L’ajout d’une source complémentaire (4) permet d’augmenter les performances d’assistance du véhicule. Description des dessins Les caractéristiques de l’invention sont décrites plus précisément ci-après avec mention aux dessins annexés parmi lesquels : La FIG. 1 est un schéma fonctionnel simplifié permettant d’identifier les différents éléments de la chaine de traction. La FIG. 2 est un schéma électrique du convertisseur utilisé entre la source d’énergie externe (4) et le système de stockage d’énergie à base de supercondensateurs (3). Description de l’invention Un véhicule électrique léger (VEL) ou un vélo est primairement constitué d’une cadre, de roues, directionnelles ou non, d’un système de transmission de l’énergie, mécanique ou électrique, d’éléments de sécurité et d’éléments de confort. L’invention présente consiste à ajouter une machine électrique (1), son convertisseur de puissance (2), un système de stockage d’énergie à base de supercondensateurs présentant intrinsèquement une grande durée de vie (3) et enfin une source externe d’énergie (4), typiquement une batterie, reliés aux supercondensateurs par l’intermédiaire d’un second convertisseur de puissance (5). Cet ensemble, l’invention, est désigné comme chaine de traction. La machine électrique (1) est solidaire d’au moins une roue du VEL. Son rotor doit être lié à cette roue par l’intermédiaire éventuel d’un réducteur mécanique alors que son stator doit être solidaire du cadre. La machine électrique (1) doit permettre de transmettre une puissance mécanique au véhicule, ou lui soustraire, en fonction du besoin d’assistance ou de freinage du véhicule (fonctionnement deux quadrants). Selon un mode de réalisation, cette machine électrique (1) pourra être une machine triphasée. La puissance mécanique produite (ou générée) est transformée à partir de l’énergie stockée dans le système de stockage de l’énergie à base de supercondensateurs (3) par l’intermédiaire du convertisseur de puissance (2). Le convertisseur de puissance (2) pilote la machine électrique (1) et permet de gérer les flux de puissance en convertissant la tension continue du système de stockage d’énergie à base de supercondensateur (3) en une tension alternative permettant le pilotage en vitesse ou en couple de la machine électrique (1). Le convertisseur de puissance (2) est également l’élément qui intègre le système de gestion de l’énergie. Ce système de gestion de l’énergie récupère l’énergie du véhicule dès que la commande de frein est activée en imposant un flux négatif de puissance permettant alors de recharger le système de stockage de l’énergie à base de supercondensateur (3). L’utilisateur (le pilote) du véhicule dispose d’une commande permettant d’activer un flux de puissance positif et ainsi décharger le système de stockage de l’énergie à base de supercondensateurs (3). Afin de faciliter la gestion d’énergie, un indicateur de la quantité d’énergie restante est présente sur le VEL. Le système de stockage de l’énergie à base de supercondensateurs (3) est un assemblage de plusieurs supercondensateurs (7) permettant d’obtenir un ensemble avec une tension plus élevée qu’une cellule unitaire et avec des capacités de puissance augmentée permettant de supporter les fortes puissances mise en jeu dans les véhicules électriques légers. Selon un mode de réalisation, la tension maximale du système de stockage de l’énergie à base de supercondensateurs (3) devra être le plus haut possible permettant de simplifier la machine électrique (1). L’énergie stockée dans le système d’énergie à base de supercondensateurs (3) est de l’ordre de quelques milliers de joules à quelques dizaines de millier de joules. Cette quantité d’énergie modeste fait que le système de stockage de l’énergie (3) ne sera capable de fournir une puissance positive, et donc une assistance, continue au contrôleur de puissance (2) pendant quelques dizaines de secondes seulement. La puissance négative générée par le contrôleur de puissance (2) sur d’autres phase de fonctionnement doit permettre la recharge. Le système de stockage d’énergie à base de supercondensateurs (3) est donc autonome en énergie et ne doit donc pas être rechargé sur le réseaux public d’électricité. Les flux d’énergie du système de stockage de l’énergie à base de supercondensateurs (3) sont transmis au convertisseur de puissance (2) de la machine électrique (1) par l’intermédiaire de conducteurs électriques (6). Ces conducteurs électriques (6) sont également reliés au convertisseur de puissance (5). Le convertisseur de puissance (5) est à l’interface entre le système de stockage d’énergie à base de supercondensateurs (3) et le système de stockage d’énergie externe (4). Le convertisseur de puissance (5) a pour but de favoriser les transferts de puissance entre les deux systèmes qui sont tous les deux des systèmes continus. Le rôle du convertisseur de puissance (5) est d’assurer au système de stockage de l’énergie à base de supercondensateur (3) que ce dernier fonctionne sur une plage de fonctionnement optimale. Selon un mode de réalisation, cette plage de fonctionnement pourra être sélectionnée autour de 80% de l’état de charge. La nature du système de stockage à base de supercondensateurs (3) dont la tension est fortement dépendante de l’état de charge implique pour le convertisseur (5) une structure particulière permettant de gérer des fonctionnements abaisseurs et élévateurs sur une même typologie. La FIG. 2 décrit un tel convertisseur composé d’un sous ensemble d’interrupteurs élévateur (12,13) et d’un sous ensemble d’interrupteurs abaisseur (10,11) autour d’une inductance (14). Le système de contrôle (15) des interrupteurs permet alors de fonctionner en élévateur, en abaisseur, à puissance positive ou négative. Le convertisseur de puissance (5) est suffisamment flexible pour pourvoir accepter divers systèmes de stockage de l’énergie externe (4) tant que ce dernier présente la caractéristique d’être un générateur de basse tension de sécurité réversible en courant. Selon un mode de réalisation, le système de contrôle (15) peut également renvoyer de l'énergie du système de stockage (3) vers le système de stockage (4) via le convertisseur de puissance (5) afin de favoriser les performances du véhicule. L’énergie gérée par le convertisseur de puissance (5) provient d’un système de stockage de l’énergie externe (4). Selon un mode de réalisation, ce système de stockage de l’énergie externe (4) peut être une batterie. La gestion de l’énergie du système de stockage externe (4) est liée aux capacités de contrôle du système de contrôle (15) du convertisseur de puissance (5). Selon des modes de réalisation, un contrôle en tension du système de stockage de l’énergie à base de supercondensateurs (3) ou encore un contrôle en décharge à puissance constante du système de stockage externe de l’énergie (4) ont été proposé. La présence du convertisseur de puissance (5) et d’un système de stockage d’énergie extérieur (4) permet un ajout d’énergie au système et donc de favoriser, prolonger les performances du véhicule. C’est-à-dire que le véhicule pourra accélérer plus vite, et atteindre, éventuellement, une vitesse de déplacement plus élevée. Système de traction électrique autonome en énergie pour véhicule électrique léger, comprenant une chaîne de traction caractérisé par l’assemblage de : une machine électrique fonctionnant sur deux quadrants pour assister le véhicule et l’effort du pilote un système de supercondensateur, système de stockage d’énergie principal permettant d’alimenter la machine électrique au moins une commande permettant au pilote de gérer son énergie. le tout permettant au pilote de bénéficier d’un système de traction autonome en énergie et d’un système ayant une grande durée de vie. Système de traction électrique selon la revendication 1 caractérisé en ce qu’un système de stockage d’énergie externe peut être connecté au système de traction électrique dans le but de fournir des fonctions de prolongation des performances du véhicule permettant au pilote de bénéficier d’assistance supplémentaire. Système de traction électrique selon la revendication 2 caractérisé en ce que le système de stockage d’énergie externe est relié au système de supercondensateurs par l’intermédiaire d’un convertisseur de puissance capable de fonctionner à puissance positive ou négative. Système de traction électrique selon la revendication 1 caractérisé en ce que le système de supercondensateur est relié à la machine électrique par l’intermédiaire d’un convertisseur de puissance permettant le fonctionnement à puissance positive et à puissance négative de la machine électrique. Véhicule électrique léger, caractérisé en ce qu’il comporte un système de traction électrique selon l’une des revendication 1 à 4. Vélo à assistance électrique, caractérisé en ce qu’il comporte un système de traction électrique selon l’une des revendication 1 à 4.