FR2961166A1 - Dispositif de regulation de l'assistance electrique d'un velo - Google Patents

Abstract

Le dispositif de régulation de l'assistance électrique d'un vélo du type comprenant une batterie et des capteurs se caractérise en ce qu'il comprend trois types de capteurs, un capteur vitesse (1) monté sur la roue arrière du vélo, un capteur couple (2) monté sur le pédalier du vélo (3) et un capteur vitesse (4) monté sur le pédalier du vélo, une batterie (5), un moteur (6) disposé sur l'axe de roue avant, un sélecteur d'allure (7) disposé sur le guidon du vélo, un contrôleur de gestion (9) des données enregistrées par les capteurs et de commande et un sélecteur (10) des vitesses automatiques intégrées, et en ce que les capteurs (3) et (4) définissent la puissance nécessaire (G.1) pour suivre un parcours, et en ce le sélecteur d'allure définit la puissance (G.2) du cycliste à développer, et en ce que les données enregistrées par les différents capteurs sont transmises au contrôleur de gestion de commande (9) pour établir une comparaison entre les puissances (G.1) et (G.2) et déclencher ou non la mise en route à titre complémentaire du dispositif d'assistance électrique en générant une puissance (G.3) en différentiel des puissances (G.1) et (G.2) et en commandant la puissance complémentaire à développer au groupe moteur (6) batterie (5).

Description

DISPOSITIF DE REGULATION DE L'ASSISTANCE ELECTRIQUE D'UN VELO

L'invention se rattache au secteur technique des vélos électriques c'est-à-dire incorporant un ensemble de moyens constituant une assistance électrique au pédalage par l'utilisateur.

Le concept des vélos électriques ou vélos à assistance électrique est connu en soi et actuellement selon certaines données économiques environ 30 millions de vélos électriques sont fabriqués en CHINE. Leur concept met en oeuvre une accélération de la puissance moteur par une poignée de commande ce qui les classe dans la catégorie cyclomoteurs avec une obligation notamment de port du casque et d'assurance.

Une directive européenne menée par le CEN (Comité Européen de Normalisation) a mis en application la norme EN15194-EPAC (cycles assistés par une puissance électrique). Cette norme impose une assistance moteur uniquement pendant la phase de pédalage du cycliste avec une limitation de l'assistance à 25 kms par heure ce qui signifie que le moteur ne fonctionne qu'en accompagnement du pédalage du cycliste. L'assistance s'arrête lors du freinage. Ainsi sur le marché on distingue deux types de produits commercialisés, l'un directement issu des modèles chinois avec une assistance se limitant à la détection du mouvement du pédalier, l'autre gamme étant d'un niveau de prix plus élevé et incluant des capteurs de force et/ou de vitesse ce qui permet une assistance qui répond mieux aux exigences d'un pédalage dans des conditions de forte résistance à l'avancement et par exemple en démarrage en côte.

Pour ces deux types de produits, on constate que l'assistance provoque des à-coups lorsque le moteur se met en marche et cela est accentué lorsque le cycliste se trouve dans une situation de montée en côte. Dans les deux cas précités l'activité moteur fonctionne en tout ou rien, c'est-à-dire qu'il n'y a pas de phase intermédiaire ou de transition dans l'hypothèse d'un besoin.

Une autre problématique sur les vélos à assistance électrique actuellement sur les marchés réside dans leur poids élevé de 20 à 35 kg, poids généré notamment par la batterie. Le surpoids lié au dispositif électrique consomme une grande partie de l'énergie moteur qui peut être chiffré à environ 50 % de celle-ci avec en conséquence des batteries volumineuses, lourdes et bien sûr coûteuses.

Comme indiqué précédemment dans une gamme de vélos des capteurs sont intégrés mais ceux-ci semblent être utilisés essentiellement pour le contrôle de la déformation de pièces mécaniques, ce qui nécessite l'ajout de jauges de déformation pour les mesures d'effort dans les roulements. Des systèmes magnétiques sont également utilisés et l'ensemble des solutions s'y référant se trouve disposé dans l'axe des manivelles du vélo.

En égard de l'art antérieur précité, la démarche du Demandeur a été de concevoir un vélo à assistance électrique offrant un plus grand confort au pédalage et en contrôlant et régulant la dépense énergétique de puissance du cycliste lors de la circulation sur tous types de terrains (plat, montée, descente,.. ) en faisant en sorte que le cycliste ait une énergie de puissance à consommer limitativement contrôlée, et qu'au-delà de cette puissance énergétique et en fonction du besoin, le dispositif d'assistance électrique du vélo puisse se substituer à l'effort généré par le cycliste lui-même.

En d'autres termes, et dans le cadre d'un exemple explicatif, si l'on considère que le cycliste doit dépenser une énergie de puissance par exemple de 80 watts correspondant à l'effort d'un individu en situation de marche à pied, l'invention met en oeuvre un dispositif qui puisse assurer l'assistance électrique complémentaire en fonction de l'énergie nécessaire pour suivre un parcours en côte par exemple, requérant une énergie plus importante.

A partir de ce concept qui apparaît totalement novateur par rapport aux produits actuellement sur le marché, le Demandeur a conçu un dispositif de régulation de l'assistance électrique afin que cette assistance par moteur apporte à l'utilisateur cycliste un meilleur confort en associant les avantages de l'aide au passage d'obstacles, de la montée de déclivité et de démarrage en côte.

La solution apportée met en oeuvre un dispositif qui répond de manière simple aux objectifs recherchés, tout en étant économique et ne générant qu'un très faible surpoids par rapport à la structure du vélo elle-même le rendant ainsi d'utilisation pratique et très avantageuse par rapport aux vélos à assistance électrique actuellement sur le marché.

Selon une première caractéristique de l'invention, le dispositif de régulation de l'assistance électrique d'un vélo du type comprenant une batterie et des capteurs est remarquable en ce qu'il comprend trois types de capteurs, un capteur vitesse monté sur la roue arrière du vélo, un capteur couple monté sur le pédalier du vélo et un capteur vitesse monté sur le pédalier du vélo, une batterie, un moteur disposé sur l'axe de roue avant, un sélecteur d'allure disposé sur le guidon du vélo, un contrôleur de gestion des données enregistrées par les capteurs et de commande et un sélecteur des vitesses automatiques intégrées, et en ce que les capteurs et définissent la puissance nécessaire pour suivre un parcours, et en ce le sélecteur d'allure définit la puissance du cycliste à développer, et en ce que les données enregistrées par les différents capteurs sont transmises au contrôleur de gestion de commande pour établir une comparaison entre les puissances et déclencher ou non la mise en route à titre complémentaire du dispositif d'assistance électrique en générant une puissance en différentiel des puissances et en commandant la puissance complémentaire à développer au groupe moteur batterie.

Ces caractéristiques et d'autres encore ressortiront bien de la suite de la description.

Pour fixer l'objet de l'invention illustrée d'une manière non limitative aux figures des dessins, où : La figure 1 est une vue d'un vélo à assistance électrique équipé du dispositif de l'invention, La figure 2 est une vue partielle d'un des moyens du dispositif à savoir une poulie spécifique incluant des capteurs de vitesse et de couple, représenté à partir de sa face avant, La figure 3 est une vue de détail de la zone (A) identifiée figure 2, La figure 4 est une vue de la poulie selon la figure 2 représentée par sa face arrière, La figure 5 est un diagramme illustrant la mise en oeuvre du concept de l'invention.

Afin de rendre plus concret l'objet de l'invention, on le décrit maintenant d'une manière non limitative illustrée aux figures des dessins.

On a représenté figure 1 un vélo (V) à titre d'exemple qui est susceptible de recevoir le dispositif de l'invention. Ce vélo peut-être de tous types - vélo de ville, vélo de course, vélo tout terrain - peut être pour homme, femme ou enfant et il est agencé avec une assistance électrique. Selon l'invention, il comprend trois types de capteurs à savoir un capteur vitesse (1) monté sur la roue arrière, un capteur couple (2) monté sur le pédalier (3) du vélo et un autre capteur vitesse (4) monté sur le pédalier du vélo. Il comprend en outre une batterie (5), un moteur (6) disposé sur l'axe de roue avant, un sélecteur d'allure (7) disposé sur le guidon (8) du vélo et un contrôleur de gestion (9) des données enregistrées et de commande, et un sélecteur (10) de vitesses automatique intégré, et un dispositif de freinage (22) de type connu. Le sélecteur d'allure commandé par le cycliste va agir directement sur le sélecteur de vitesses automatique intégré pour définir la puissance nécessaire du cycliste à développer. Le dispositif de vitesse automatique permet par exemple le choix de trois vitesses avec un agencement particulier en relation avec le groupe pédalier agencé d'une manière spécifique ainsi qu'il sera décrit par la suite. Les capteurs (3) et (4) vont définir la puissance nécessaire (G.1) pour suivre un parcours en fonction des contraintes environnementales extérieures dues à la route, au vent, ou autres éléments extérieurs. Le cycliste va programmer par le sélecteur d'allure la puissance (G.2) qu'il aura à développer. Le capteur de vitesse (1) disposé sur la roue arrière va permettre la mesure en temps réel et continu de la vitesse de rotation de la roue en fonction de la vitesse du cycliste. Les données enregistrées par les différents capteurs sont transmises au contrôleur de gestion et de commande (9) qui constitue le cerveau du dispositif Ce contrôleur de gestion va analyser en temps réel et de manière continue les différentes données enregistrées pour en fonction de l'existence ou non d'un différentiel de puissance entre la puissance (G.1) réelle nécessaire au déplacement du vélo par rapport à la puissance (G.2) du cycliste préprogrammée, déclencher ou non la mise en route à titre complémentaire du dispositif d'assistance électrique en générant une puissance (G.3) en différentiel générée par le groupe moteur-batterie. Un potentiomètre (12) commandé par le contrôleur de gestion et de commande (9) va ainsi agir sur le groupe moteur pour compléter la puissance d'entraînement à travers la roue avant du vélo. Tous les moyens précités sont reliés entre eux à l'aide de moyens de câblage ou de transmission sans fil de types connus. Le potentiomètre (12) d'alimentation du moteur est sollicité par un moyen de commande (K) associé à un générateur de consignes (13) intégré dans le dispositif contrôleur de gestion et de commande du dispositif de l'invention. On décrit maintenant en se référant aux figures 2, 3 et 4 la conception du pédalier qui est agencé non limitativement et de préférence avec un dispositif de transmission de mouvement du pédalage décrit dans le brevet français 0902014 en exploitation par le Demandeur. Il comprend deux flasques (14) et (15) entre lesquels est prévu un plateau elliptique (16) denté recevant intérieurement autour d'un insert reliant l'axe de pédalier, et réceptionnant un bloc en élastomère déformable (17). Le plateau est agencé intérieurement avec des chambres (11) permettant la réception de moyens (21) constituant un accumulateur d'énergie et permettant l'alimentation des capteurs. Le capteur de vitesse (4) est disposé dans une configuration en couronne sous forme d'une piste disposée autour et à l'intérieur du plateau elliptique, tandis qu'un moyen complémentaire en regard de la piste permet de dénombrer le nombre de tours. Des capteurs de pression (18) sont disposés pour définir par exemple quatre points de mesure et sont positionnés par rapport au bloc en élastomère. Le plateau elliptique est aussi agencé dans son épaisseur avec des chambres complémentaires (19) permettant le rangement de l'électronique embarquée (20) nécessaire au fonctionnement du dispositif Par ailleurs, le dispositif de transmission tel que décrit est utilisé non limitativement et permet au cycliste de passer aisément le point mort lorsque la manivelle de pédalier est à la verticale. Le système de changement de vitesses, connu en soi, assure plusieurs fonctions suivant les phases d'accélération ou de maintien de la vitesse de l'ensemble vélo-cycliste. Pendant la phase d'acquisition de la vitesse, le système de changement de vitesses permet de minimiser l'effort fourni au pédalier tout en permettant de maintenir pendant cette phase une vitesse de pédalage proche de la vitesse de pédalage de confort. Pendant la phase de maintien de vitesse durant laquelle la puissance à fournir au pédalier est constante, le dit système de changement de vitesse automatique permet d'adapter l'effort fourni par le cycliste et la vitesse de pédalage afin d'obtenir un ensemble effort vitesse le plus confortable. Il convient maintenant d'expliciter les différentes phases des mises en oeuvre du dispositif Le cycliste en situation de démarrage va agir sur le sélecteur d'allure (7) en liaison avec le sélecteur de vitesses automatique afin de réguler la vitesse de départ et dans un souci de confort au pédalage. Avantageusement le dispositif de transmission va faciliter le cycliste dans certaines situations de pédalage comme indiqué précédemment.

Lorsque le cycliste développe une puissance énergétique normale, sans excès, correspondant à une puissance (G.2) par exemple de 80 watts, le contrôleur de gestion et de commande (9) enregistre l'ensemble des données communiquées par les différents capteurs, et lorsque la puissance générée (G.1) nécessaire au déplacement du vélo est égale ou inférieure à la puissance (G.2) programmée pour le cycliste, le dit contrôleur (9) n'a aucune action sur le générateur de consignes (13). Si par contre, d'une vitesse du vélo enregistrée générant une puissance (G.1) supérieure à la puissance (G.2) du cycliste, le contrôleur, après calcul, va commander le générateur de consignes, qui à son tour, par le biais du potentiomètre (12), va solliciter en fonctionnement le moteur (6) disposé sur l'axe de roue avant. Ce moteur convenablement alimenté grâce à la batterie va mettre en place le complément de puissance (G.3) nécessaire pour aider et assister le cycliste dans son pédalage.

On a représenté au diagramme figure 5 les différents moyens de l'invention en précisant en légende les paramètres "route" (R), "vent" (V) générant les efforts extérieurs (EF), le cycliste est identifié par (C). Le rapport de vitesses est d6/dt, le rapport d'accélération dw/dt. Les avantages selon l'invention sont importants et nombreux. La puissance (G.2) générée par le cycliste est préprogrammée, par exemple 80 watts, ou plus, ou moins. Le dispositif requiert l'utilisation d'une batterie de faible puissance, peu volumineuse et peu lourde.