FR3052740A1 - Systeme d'assistance electrique pour cycle - Google Patents

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Abstract

Système d'assistance électrique, pour cycle comportant une roue motrice et un pédalier sans liaison mécanique avec la roue motrice, le système d'assistance électrique comportant : - une génératrice (1) dont le rotor est entraîné par le pédalier, - une machine électrique (4) dont le rotor entraîne la roue motrice, et - une réserve de stockage d'énergie électrique constituée par un module (6) de supercondensateurs (13), relié à la génératrice (1) et à la machine électrique (4).

Description

« Système d’assistance électrique pour cycle »
DOMAINE TECHNIQUE L’invention concerne un système d’assistance électrique pour cycle, c'est-à-dire pour appareil de locomotion vélocipédique. Un cycle équipé d’un système d’assistance électrique est généralement désigné comme un vélo à assistance électrique ou VAE.
ART ANTERI EUR
La plupart des VAE existants comportent un système d’entraînement mécanique classique avec pédalier, chaîne et pignons sur la roue motrice, et en plus une batterie d’accumulateur pour fournir à la roue motrice un appoint de puissance. Il existe même un VAE ne comportant pas d’entraînement mécanique, dans lequel la batterie d’accumulateur assure seule la puissance motrice, le pédalage assurant la recharge de la batterie. Dans ces VAE, la batterie est en général du type Li-lon. Les inconvénients sur le plan technique de ces VAE sont de deux sortes. Leur autonomie est limitée à quelques dizaines de kilomètres et le temps de recharge de la batterie est considéré comme long. De plus, les batteries affichent des baisses de rendement significatives en situation de forte puissance. L’un des buts de l’invention est de proposer un VAE affranchi des inconvénients précités, c'est-à-dire un VAE à grande autonomie pour un encombrement et une masse équivalente.
Un autre but de l’invention est de proposer un système d’assistance électrique pour cycle assurant à l’utilisateur une grande souplesse dans le réglage de l’effort à produire.
RESUME DE L’I NVENTI ON L’invention a pour objet un système d’assistance électrique, pour cycle comportant une roue motrice et un pédalier sans liaison mécanique avec la roue motrice, le système d’assistance électrique comportant : - une génératrice dont le rotor est entraîné par le pédalier, - une machine électrique couplée à la roue motrice, et - une réserve de stockage d’énergie électrique constituée par un module de supercondensateurs, relié à la génératrice et à la machine électrique.
Selon un mode de réalisation, la génératrice est reliée à la machine électrique et au module par l’intermédiaire d’un redresseur unidirectionnel.
Selon un mode de réalisation, la machine électrique est reliée à la génératrice et au module par l’intermédiaire d’un onduleur réversible en courant.
Selon un mode de réalisation, le module est relié à la génératrice et à la machine électrique par l’intermédiaire d’un convertisseur.
De préférence, la génératrice et la machine électrique sont de mêmes dimensions. L’invention a aussi pour objet un vélo à assistance électrique caractérisé en ce qu’il comporte un système d’assistance électrique tel que ci-dessus décrit.
DESCRI PTI ON DES DESSI NS D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortent de la description qui suit faite avec référence aux dessins annexés dans lesquels : - la Figure 1 est un schéma électrique simplifié du système d’assistance électrique pour cycle selon l’invention, - la Figure 2 est un schéma électrique simplifié de l’onduleur réversible en courant utilisé entre la machine électrique et la réserve d’énergie.
DESCRIPTION DETAILLEE
Un VAE équipé d’un système d’assistance électrique selon l’invention comporte de façon classique un cadre, une roue directrice, une roue motrice et un pédalier ; mais pas de chaîne entre le pédalier et la roue motrice. Le système d’assistance électrique comporte un génératrice 1, un redresseur 2, un onduleur 3, une machine électrique 4, un convertisseur 5 et un module 6 de supercondensateurs. Le rotor de la génératrice 1 est entraîné en rotation par l’utilisateur du VAE au moyen du pédalier. Le pédalier constitue l’interface de puissance entre l’utilisateur et la génératrice 1 ; il est couplé au rotor de la génératrice 1 par l’intermédiaire d’un réducteur de vitesse. Avantageusement, la vitesse de rotation du rotor de la génératrice est dix fois plus élevée que celle du pédalier. La puissance mécanique fournie par l’utilisateur est transmise à la génératrice et convertie en puissance électrique. Selon un mode de réalisation préféré, la génératrice 1 fournit un courant électrique triphasé.
Le redresseur 2 est un redresseur commandé unidirectionnel. Il convertit le courant triphasé fourni par la génératrice 1 en courant redressé, sensiblement continu, disponible entre les conducteurs 7 et 8. Pour assurer entre les conducteurs 7 et 8 une tension comprise dans une plage optimale pour le fonctionnement du système d’assistance électrique à son meilleur rendement, le redresseur 2 comporte un régulateur proportionnel intégral pour contrôler la puissance de sortie entre les conducteurs 7 et 8 et une modulation éventuelle du couple au pédalier en fonction de la position de la pédale. L’onduleur 3 transforme le courant redressé, sensiblement continu, disponible entre les conducteurs 7 et 8 en courant triphasé alimentant le stator de la machine électrique 4. Le stator de la machine électrique 4 comporte trois bobines inductrices L montées en étoile et reliées chacune au point milieu d’un pont de deux interrupteurs 9, 10. Chaque interrupteur est constitué de deux branches en parallèle contenant l’une un transistor commandé 11, l’autre une diode de retour 12. A des fins de modélisation, la machine électrique 4 couplée à l’onduleur 3 est représentée en figure 1 par des bobines inductrices L montées en série avec des résistances R représentant les pertes. L’onduleur 3 est réversible en courant.
En cas de freinage régénératif, l’onduleur reçoit un courant triphasé de la machine électrique 4 et le transforme en courant redressé, sensiblement continu, appliqué aux conducteurs 7 et 8.
La machine électrique 4 est de préférence du même type que la génératrice 1. Le rotor de la machine électrique 4 est couplé à la roue motrice du VAE par l’intermédiaire d’un réducteur de vitesse. Avantageusement, la vitesse de rotation du rotor de la machine électrique 4 est dix fois plus élevée que celle de la roue motrice du VAE. En cas de freinage régénératif, c’est la roue motrice du VAE qui entraîne le rotor de la machine électrique 4. La machine électrique 4 fonctionne en moteur pour assurer la progression du VAE et en génératrice en cas de freinage régénératif.
Le convertisseur réversible en courant 5 assure le contrôle des flux de puissance entre d’une part, la génératrice 1 et la machine électrique 4 fonctionnant en freinage régénératif, et d’autre part, le module 6 de supercondensateurs 13. Il assure en particulier la variation de la valeur de la tension continue entre d’une part les conducteurs 7 et 8, et d’autre part le module 6 de supercondensateurs 13. Il assure aussi le contrôle des flux de puissance entre le module 6 de supercondensateurs 13 et la machine électrique 4.
Le module 6 comprend plusieurs supercondensateurs symbolisés en 13. Les supercondensateurs 13 sont utilisés comme cellules de stockage d’énergie électrique et comme source de puissance en accélération et freinage non régénératif. Avantageusement les supercondensateurs acceptent des pics de puissance bien supérieurs aux batteries d’accumulateur. De préférence, le module 6 comprend huit supercondensateurs 13 montés en série, et chacun protégé en tension. Le module 6 constitue une réserve de stockage d’énergie, alimentée par la génératrice 1 et la machine électrique 4 lorsqu’elle fonctionne en freinage régénératif, et alimentant la machine électrique 4 lorsque ses besoins en énergie dépassent l’apport en énergie de la génératrice 1.
Selon un exemple de réalisation de l’invention correspondant à un VAE d’usage courant, pour des circuits sans pente marquée, parcourus à une vitesse moyenne d’environ 15 km/h, les ordres de grandeur des caractéristiques mécaniques sont les suivants : la vitesse de rotation du pédalier est de 40 à 75 tours/mn avec un point de fonctionnement clé à 60 tours/mn ; la vitesse de rotation de la génératrice 1 et celle de la machine électrique 4 sont comprises entre 400 tours/mn et 750 tours/mn, avec un point de fonctionnement clé à 600 tours/mn.
Les ordres de grandeur des caractéristiques électriques correspondantes sont les suivants : la génératrice 1, le redresseur 2, l’onduleur 3 et la machine électrique 4 sont parcourus par : - une tension comprise entre 24V et 45V avec un point de fonctionnement clé à 36V, - une intensité de courant comprise entre 0,7A et 10A avec un point de fonctionnement clé à 1,67A.
La puissance issue de la génératrice 1 et transitant par le redresseur 2 est comprise entre 40W et 250W, avec un point de fonctionnement clé à 60W.
La puissance consommée par la machine électrique 4 et transitant par l’onduleur 3 est comprise entre 40W et 300W avec un point de fonctionnement clé à 60W.
Le module 6 de supercondensateurs est constitué, dans un exemple de réalisation, de huit supercondensateurs 13 ayant chacun une tension maximale de 2,85V et une énergie stockée maximale de 3,8Wh. Le module 6 de huit supercondensateurs a une tension comprise entre 11,4V à 25% de charge, et 22,8V à 100% de charge. L’énergie stockée maximale est de 30 Wh et l’énergie utile environ 22 Wh. Le courant circulant dans le module 6 est compris entre 0 et 26A. Le niveau de puissance circulant dans le module 6 est compris entre 0 et 400W.
Le convertisseur 5 a pour rôle de contrôler les flux de puissance circulant entre d’une part la génératrice 1 et la machine électrique 4, et d’autre part le module 6 de supercondensateurs. La tension maximale aux bornes du module 6 est de 22,8V et la tension optimale de fonctionnement de la machine électrique 4 est de 36V. Pour la transmission de puissance depuis le module 6 des supercondensateurs vers la machine électrique 4, le convertisseur 5 fonctionne en sur-tenseur. En cas de freinage régénératif, pour la transmission de puissance de la machine électrique 4 vers le module 6 des supercondensateurs, le convertisseur 5 peut fonctionner en sous-tenseur comme en sur-tenseur. Les niveaux de tension traités par le convertisseur 5 sont, du côté du module 6 de supercondensateurs, entre 11,5V et 23V, et du côté des conducteurs 7,8, entre 24V et 45V, avec des points de fonctionnement clé de 23V et 36V, respectivement. Les courants traversant le convertisseur 5 sont compris entre 0 et 30A. Les niveaux de puissance circulant dans le convertisseur 5 sont compris entre 0 et 400W. L’absence de liaison mécanique entre le pédalier et la roue motrice du VAE permet de dissocier l’effort de l’utilisateur, au niveau du pédalier, de la difficulté de la progression, par exemple en raison de la pente. L’utilisateur actionne le pédalier à son rythme et la génératrice fournit du courant. Ce courant est absorbé par la machine électrique 4 en priorité. En cas de freinage ou de descente, le courant excédentaire est utilisé pour charger les supercondensateurs du module 6. Lorsque le courant fourni par la génératrice 1 est insuffisant pour satisfaire les besoins de la machine électrique 4, en raison d’une pente par exemple, les supercondensateurs fournissent le complément nécessaire.
La réserve de stockage d’énergie constituée par le module 6 de supercondensateurs 13 présente plusieurs avantages et en particulier, par rapport à une batterie d’accumulateur, une masse plus faible, une durée de charge plus courte, une durée de vie plus longue et des pertes de transfert moindres.
De préférence, la génératrice 1 et la machine électrique réversible 4 sont de mêmes dimensions, et conçues pour avoir le meilleur rapport de puissance au poids.
La vitesse de pédalage détermine la consigne de vitesse que doit atteindre le VAE, c'est-à-dire la vitesse de rotation de la machine électrique, et la puissance correspondante nécessaire. Le bilan de puissance du système (puissance de l’utilisateur, puissance positive ou négative des supercondensateurs, puissance des pertes (aéraulique, de frottements, rendements électriques)) conditionne les changements de vitesse. En fonction de l’état du parcours à chaque instant, une électronique embarquée contrôle les échanges de puissance vers les supercondensateurs ou, à partir des supercondensateurs, vers la machine électrique. La recharge des supercondensateurs est assurée en freinage ou en descente par la machine électrique, et par le pédalage de l’utilisateur qui entraîne la génératrice.
Les différents composants électroniques des constituants du système d’assistance électrique sont contrôlés par une électronique embarquée qui assure leur fonctionnement avec pour objectif un rendement maximal pour un effort moyen de l’utilisateur, presque constant et raisonnable pour le domaine d’application considéré, c'est-à-dire hors compétition.

Claims (6)

  1. REVENDICATIONS
    1. Système d’assistance électrique, pour cycle comportant une roue motrice et un pédalier sans liaison mécanique avec la roue motrice, le système d’assistance électrique comportant : - une génératrice (1) dont le rotor est entraîné par le pédalier, - une machine électrique (4) dont le rotor entraîne la roue motrice, et - une réserve de stockage d’énergie électrique constituée par un module (6) de supercondensateurs (13), relié à la génératrice (1 ) et à la machine électrique (4).
  2. 2. Système d’assistance électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la génératrice (1 ) est reliée à la machine électrique (4) et au module (6) par l’intermédiaire d’un redresseur (2) unidirectionnel.
  3. 3. Système d’assistance électrique selon la revendication 2, caractérisé en ce que la machine électrique (4) est reliée à la génératrice (1) et au module (6) par l’intermédiaire d’un onduleur (3) réversible.
  4. 4. Système d’assistance électrique selon la revendication 3, caractérisé en ce que le module (6) est relié à la génératrice (1) et à la machine électrique (4) par l’intermédiaire d’un convertisseur (5).
  5. 5. Système d’assistance électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la génératrice (1) et la machine électrique (4) sont de mêmes dimensions.
  6. 6. Vélo à assistance électrique, caractérisé en ce qu’il comporte un système d’assistance électrique selon l’une des revendications 1 à 5.
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