FR3104538A1

FR3104538A1 - Vélo à assistance électrique, à double commande du démarrage du moteur électrique d’assistance ou de boost.

Info

Publication number: FR3104538A1
Application number: FR1914215A
Authority: FR
Inventors: François GUERS; Guillaume Lenon
Original assignee: Whattfornow
Current assignee: Whattfornow
Priority date: 2019-12-11
Filing date: 2019-12-11
Publication date: 2021-06-18
Anticipated expiration: 2039-12-11
Also published as: EP4072934A1; FR3104538B1; WO2021116353A1

Abstract

Vélo à assistance électrique, à double commande du démarrage du moteur électrique d’assistance ou de boost. L’invention concerne un vélo à assistance électrique muni de deux commandes indépendantes (IHM et capteur de déclenchement volontaire) du moteur électrique d’assistance ou de boost. Figure pour l’abrégé : Fig.6

Description

Vélo à assistance électrique, à double commande du démarrage du moteur électrique d’assistance ou de boost.

La présente invention concerne le domaine des vélos électriques, c’est-à-dire qui embarquent un moteur électrique et une batterie d’alimentation du moteur.

Elle a trait plus particulièrement aux vélos électriques, destinés à un usage sportif, notamment les vélos tous terrains (VTT) avec lesquels on souhaite ponctuellement passer des pentes très raides ou encore franchir des obstacles naturels.

L’invention vise à dépasser les limites des modes de fonctionnement des vélos électriques actuels, et donc à offrir une gamme de modes de pilotage plus étendue, notamment du pilotage en direct/instantané par l’utilisateur.

Un vélo dit à assistance électrique, tel qu’il existe actuellement, est un vélo à mécanisme de pédalage classique sur lequel ont été ajoutés les composants suivants :

- un moteur électrique agencé dans la roue avant, la roue arrière, ou à proximité du pédalier, qualifié usuellement de “moteur central” dans ce cas, dont la transmission est en série avec celle du mécanisme de pédalage;

- une batterie d’alimentation du moteur électrique ;

- une unité électronique de contrôle-commande qui permet de réguler le pilotage (fonctionnement) des différents composants électriques ;

- le cas échéant, un boîtier de commande, généralement agencé au niveau du guidon, et qui permet à l'utilisateur de définir un mode d’assistance, de moduler le niveau de son assistance, de connaître son kilométrage….

C’est la directive européenne 2002/24/EC qui fixe en Europe, les critères pour qu'un vélo à assistance électrique puisse circuler sur la voie publique.

En particulier, il est précisé que l'assistance ne doit se faire que si le cycliste pédale, et se couper à l'arrêt du pédalage. Il est cependant autorisé de mettre en place une assistance au démarrage sans avoir recours au pédalage et avec une seule commande actionnée depuis le boitier de commande mais qui ne doit pas excéder 6 km/h.

En pratique, tous les vélos à assistance électrique à moteur central et par entraînement de la roue arrière, qui existent à ce jour, sont conçus avec une transmission du couple moteur qui est en série avec celle du couple de pédalage, de sorte que l’ajout du couple moteur à celui de pédalage et la transmission au moyeu de la roue arrière se font par le biais d’une seule chaîne ou courroie. Ainsi, le moteur rajoute nécessairement un couple à celui du pédalage.

Plusieurs solutions existent pour détecter quand et comment réaliser ce surplus de couple par le moteur d’assistance électrique.

Tout d’abord, l’assistance peut se faire par une détection de la rotation du pédalier. Un capteur agencé au niveau du pédalier détecte la rotation de celui-ci et donc le pédalage, ce qui permet alors au moteur électrique de fournir son en sus du pédalage.

L’assistance peut également se faire au moyen d’un capteur de pression agencé sur la pédale: le moteur peut démarrer dès qu'il sent la pression exercée sur la pédale. En général, plus l'utilisateur appuie sur les pédales, plus le moteur l'aide, même si sa cadence de pédalage est faible.

En lieu et place d’un capteur de pression, la détection peut être faite par un capteur de couple ou d'effort : c'est souvent une combinaison de l’effort et de la cadence de pédalage qui commande la puissance du moteur. Plus le cycliste pédale à une cadence élevée et/ou plus son effort augmente en exerçant un couple élevé, plus il bénéficie d'une assistance, ceci afin de rester dans une plage de vitesse de rotation et une valeur de couple à fournir confortables pour le cycliste.

Enfin, on trouve des assistances dans lesquelles le couple moteur est évalué à partir de la connaissance de la tension de la chaîne. Ce système est très réactif puisque la chaîne se tend dès que le pied est posé sur la pédale, cela déclenchera donc un démarrage du moteur dès que le pédalier va commencer à tourner.

En ce qui concerne les modes d’assistance qui sont appliqués, les lois de commande ou programme d’assistance sont préprogrammés par le fabricant du vélo ou le fournisseur du bloc moteur. L’utilisateur choisit un niveau d’assistance parmi un nombre en général de 3 à 5 niveaux, i.e. une valeur du couple moteur proportionnée à celui de pédalage développé par l’utilisateur.

On peut dire que les lois ou programmes actuels, qui rajoutent donc systématiquement un couple supplémentaire au couple de pédalage, conviennent bien lorsque l’utilisateur se définit un type d’effort sur une durée relativement longue, par exemple en attaquant une montée ou une section assez « roulante ». Ils sont donc bien adaptés à des profils de terrains réguliers.

En revanche, chaque loi de commande est figée puisque préprogrammée et asservit donc le moteur électrique au pédalage fourni tant que l’utilisateur ne change pas de lui-même de loi.

Lors d’essais réalisés par la déposante sur des VTT, des VTC et des vélos à usage urbain à assistance électrique existants, avec des utilisateurs sportifs, à la fois en recherche de plaisir, de sensations mais aussi de challenges et d’efforts d’endurance, il a été constaté que ceux-ci avaient, lors de passages techniques ponctuels, une très forte tendance à vouloir augmenter le niveau d’assistance au maximum. En réalité, ces utilisateurs se servaient ponctuellement du basculement sur un programme avec plus d’assistance (normalement dédié à un usage plus contraignant) comme d’un accélérateur indirect.

Et quand bien même ils utilisent ce programme d’assistance maximale, les utilisateurs sportifs se sont retrouvés confrontés à des situations dans lesquelles l’assistance du moteur électrique ne leur apporte pas pleinement satisfaction.

Cela est particulièrement prégnant, lorsqu’ils font face subitement à un obstacle ou une pente très raide ou qu’ils désirent démarrer instantanément dans des configurations de pentes extrêmes. L’obligation de devoir pédaler pour avoir l’assistance n’était également pas compatible avec des passages en dévers, sur des racines d’arbre ou encore sur des sentiers creusés dans lesquels les pédales accrochent régulièrement un bord plus élevé.

Au contraire, lors des nombreux passages moins exigeants, ils souhaitaient pouvoir pédaler sans aucune assistance, puis réactiver instantanément l’assistance lors de l’obstacle suivant, ce qui n’est pas prévu dans les modes proposés. De plus, le poids des vélos proposés ne permet pas toujours de le faire en pratique et très rarement sur une distance significative.

Pour satisfaire au mieux les utilisateurs, en particuliers sportifs, certains modèles de vélos à assistance électrique ou de cyclomoteurs proposent un système d'accélérateur par poignée ou gâchette qui permet d’apporter à la roue arrière le couple moteur, sans qu’il soit nécessaire pour l’utilisateur de pédaler.

Ces modèles mettant toujours en œuvre, soit un moteur à la roue arrière qui, par son poids excentré important, se révèle à l’usage très peu adapté aux évolutions en tous terrains, soit une transmission du couple moteur nécessairement en série avec le pédalage, les mêmes inconvénients et limitations qu’évoquées précédemment subsistent.

Il a déjà été proposé des moteurs-roues pour l’assistance électrique des vélos, c’est-à-dire des ensembles avec un moteur électrique incorporé dans la roue en général arrière de vélos. L’utilisation de moteurs roues est une solution intéressante qui permet d’avoir une transmission du couple issu du moteur en parallèle du couple issu du pédalage. Le mécanisme de transmission du moteur roue est par construction très simplifié puisque directement greffé dans le moyeu de la roue arrière. Il comprend souvent le moteur et un réducteur, ce qui constitue déjà un poids important et une inertie en rotation également très élevée. Ce poids et inertie importants ont une influence négative dans la maniabilité du vélo, en particulier lorsque le pilotage doit être précis et rapide. Le poids de plusieurs kilos ajoutés à la roue arrière se ressent encore plus lorsque le vélo n’est pas sur le sol, lors du portage par exemple, mais aussi dans des franchissements où il faut faire décoller la roue arrière et également dans les sauts d’obstacles très présents dans la pratique du vélo tous terrains. C’est enfin, un inconvénient majeur lorsqu’on veut pédaler en danseuse pendant des montées exigeantes, puisqu’une faible inertie du vélo sous le cycliste est un facteur d’efficacité très important.

C’est ainsi que pour la majorité des pratiques, mise à part une utilisation à vitesse modérée sur route ou en ville où on peut pédaler sans forcer et assis sur la selle, l’implantation des moteurs électriques dans la partie centrale des vélos s’est généralisée.

Il a déjà proposé une conception de vélo à assistance électrique selon laquelle le couple moteur est amené sur la roue arrière en parallèle du couple de pédalage : voir par exemple le modèle d’utilité DE20 2016104737. Mais dans cette conception, il est toujours prévu un réducteur de vitesse entre le moteur et le pédalier, ce qui amène les mêmes inconvénients que ceux précédemment évoqués de poids de complexité mécanique accrue et également de perte de rendement. En outre, le moteur est implanté à l’arrière du vélo en porte-à-faux.

On peut citer également les brevets anciens BE 661118A, et US 2331976 qui divulguent une conception de vélo à assistance par moteur thermique avec un couple moteur amenée sur la roue arrière en parallèle du couple de pédalage, avec les mêmes inconvénients encore plus accentués puisqu’un embrayage doit être intégré pour permettre au véhicule de démarrer sans faire caler le moteur thermique. En outre, de nos jours, il n’est plus raisonnable de concevoir des vélos à assistance par moteur thermique.

Sur certains vélos à assistance électrique actuels, il a déjà été prévu pour le démarrage et le pilotage du moteur, une interface homme-machine de pilotage (IHM), reliée à l’unité électronique de commande du moteur. Cette IHM permet donc à tout instant une action instantanée volontaire de la part de l’utilisateur sur le moteur électrique.

Certains vélos à assistance électrique sont conçus avec une IHM sous la forme d’une gâchette d’accélération, commande ergonomique et intuitive et qui peut apporter des sensations de contrôle et réactivité à l’utilisateur ainsi qu’assurer une fonction de rappel dès qu’elle est relâchée.

Le signal électrique proportionnel donné par l’action de la gâchette peut être envoyé dans l’unité électronique de commande du moteur électrique qui, après adaptation de la loi de commande, peut piloter l’accélération voulue du moteur.

Cela étant, du fait même que le moteur peut potentiellement apporter sa contribution depuis l’arrêt, il ne faut pas que celle-ci soit réalisée involontairement par une action inappropriée ou involontaire de l’utilisateur ou de l’environnement extérieur sur l’IHM, c’est-à-dire une action non intentionnelle de l’utilisateur

Ainsi, l’accélération par déclenchement du moteur d’assistance électrique grâce à l’actionnement d’une seule gâchette peut poser un problème de sécurité pour un utilisateur non averti, essentiellement lors du démarrage à l’arrêt.

Autrement dit, il existe un besoin de garantir la sécurité d’un utilisateur d’un vélo à assistance électrique, ou de celle d’individus à proximité, en garantissant que lorsque le vélo est à l’arrêt, voire à n’importe quelle vitesse du vélo, le démarrage du moteur électrique ne puisse pas avoir lieu sans l’assurance d’une action intentionnelle de l’utilisateur.

Le but de l’invention est de répondre au moins en partie à ce besoin.

Pour ce faire, l’invention concerne, sous l’un de ses aspects, un vélo à assistance électrique comprenant:

- une roue arrière;

- un pédalier, destiné à être actionné par la force musculaire d’un utilisateur pour la transformer en un couple de pédalage, comprenant deux manivelles de pédalier tournant autour d’un axe de pédalier et deux pédales fixées chacune à une manivelle;

- un capteur de vitesse du vélo électrique ;

- un mécanisme de transmission de couple, comprenant une roue d’entrée, pouvant être entraînée en rotation autour de l’axe du pédalier, un élément flexible de transmission, au moins une roue de sortie, pouvant être entraînée par la roue d’entrée par l’intermédiaire de l’élément flexible, un dispositif de roue libre, adapté pour transmettre le couple de pédalage à la roue arrière par l’intermédiaire de la roue de sortie ;

- un moteur d’assistance électrique d’entraînement, formant avec le mécanisme de transmission du couple une chaîne cinématique en série

- une unité électronique de commande du moteur ;

- une interface homme-machine de pilotage (IHM), reliée à l’unité électronique de commande du moteur, adaptée pour que l’utilisateur puisse démarrer et piloter le moteur indépendamment ou en combinaison avec le couple et/ou le mouvement de pédalage ;

- au moins un capteur de déclenchement, relié à l’unité électronique de commande du moteur, adapté pour détecter une action intentionnelle de l’utilisateur indépendante de l’action intentionnelle sur l’IHM ;

l’unité électronique de commande étant adaptée pour, lorsque la vitesse du vélo détectée par le capteur de vitesse est nulle jusqu’à une valeur seuil, autoriser au moins le démarrage du moteur et son pilotage jusqu’à une durée et/ou un couple de rotation et/ou une vitesse de rotation prédéterminée(s), si et seulement si l’utilisateur actionne l’IHM et simultanément le capteur de déclenchement détecte une action intentionnelle de l’utilisateur indépendante de l’action intentionnelle sur l’IHM.

Selon un mode de réalisation avantageux, l’unité électronique de commande est en outre adaptée pour, lorsque la vitesse du vélo est au-dessus de la valeur seuil, continuer à autoriser le pilotage du moteur démarré ou non, soit si l’utilisateur actionne l’IHM sans nécessité de détection de la part du capteur de déclenchement, soit si l’utilisateur actionne l’IHM et simultanément le capteur de déclenchement détecte encore une action intentionnelle de l’utilisateur.

Ainsi, l’invention consiste essentiellement à implanter deux commandes indépendantes (IHM et capteur de déclenchement volontaire) du moteur électrique d’assistance au pédalage dans un vélo à assistance électrique.

Cette double commande indépendante va être actionnée par deux actions distinctes, volontaires et simultanées de l’utilisateur du vélo lorsque celui-ci est à l’arrêt et au moins jusqu’à ce qu’il ait atteint une valeur seuil de vitesse, qui peut être typiquement de l’ordre de 10 à 15 km/h. Elle peut également aller jusqu’à 25 km/h, vitesse limite autorisée pour un vélo à assistance électrique en Europe.

La nécessité d’avoir deux actions distinctes, volontaires et simultanées de l’utilisateur permet ainsi de garantir sa sécurité ainsi que celle des tiers, c’est-à-dire empêcher tout démarrage intempestif du moteur électrique dans une situation non souhaitée, subie ou activée involontairement par l’utilisateur.

Cela pourrait par exemple se produire lorsqu’un objet ou un corps extérieur, tel qu’une branche, un obstacle physique, un vêtement ou n’importe quel produit transporté sur le guidon du vélo viendrait accidentellement actionner l’IHM, c’est-à-dire la commande de base dédiée au pilotage du moteur.

Ainsi, le fonctionnement du vélo selon l’invention muni de sa double commande indépendante est le suivant.

En utilisation courante, c’est-à-dire lorsque le vélo a une vitesse au-delà de la vitesse seuil, l’utilisateur peut piloter à tout moment et instantanément le moteur électrique par sa commande de base, l’IHM, de préférence constituée par une gâchette ou une poignée d’accélération à retour automatique, montée pivotante sur le guidon du vélo. Par sa conception et son fonctionnement, la gâchette ou poignée d’accélération ne peut normalement être actionnée qu’intentionnellement pendant l’usage.

Cette commande de base ou gâchette permet donc à l’utilisateur, en phase d’assistance, de produire une accélération et faire passer le régime du moteur à la valeur souhaitée en temps réel et en fonction du mode prédéterminé sur le réglage initial. Lorsque l’utilisateur relâche complètement la gâchette d’accélération, le moteur est instantanément coupé grâce au retour mécanique automatique de la gâchette à sa position initiale de coupure. Ce retour automatique de la gâchette d’accélération réalise ainsi la fonction de sécurité en roulage.

Lorsque le vélo est à l’arrêt et également lorsque le vélo avance par l’application d’un couple de pédalage ou du fait du relief en descente jusqu’à une valeur seuil de vitesse, l’utilisateur doit simultanément actionner la gâchette d’accélération et réaliser une autre action volontaire détectée par un capteur de déclenchement.

Ces deux actions distinctes, volontaires et simultanées sont détectées/analysées sous forme de signaux par l’unité électronique de contrôle-commande du moteur qui déclenche alors le démarrage et la possibilité de pilotage de ce dernier.

Le traitement de ces signaux peut être fait soit directement dans le capteur, soit dans le processeur de l’unité électronique de contrôle-commande du moteur.

Ainsi, cette analyse des signaux conduisant au déclenchement ou à la coupure, voire même à une loi de pilotage combinant plusieurs paramètres, peuvent être analysé dans l’unité électronique ou dans le capteur par un microprocesseur de commande programmé à cette fin. Un microprocesseur supplémentaire et/ou des alimentations séparées du ou des microprocesseurs peuvent être prévus, afin de prévenir tout risque de panne ou de défaillance en assurant une redondance de sécurité pour la double-commande selon l’invention.

Plusieurs types d’algorithmes appliqués par le microprocesseur de commande peuvent être nécessaires, selon la définition de la loi conditionnelle de la commande par le capteur de déclenchement.

Il peut s’agir d’algorithmes adaptés à :

- une mesure directe de la grandeur visée avec un traitement binaire en fonction dépassement ou non d’un seuil ;

- une mesure d’une grandeur indirecte puis calcul de la grandeur visée, par exemple d’un effort par le biais d’un déplacement, ou d’un couple par le biais d’une rotation,

- une mesure de paramètres fortement variables dans le temps que l’on veillera à filtrer pour bien différencier des valeurs courantes, c’est-à-dire ne correspondant pas à une action intentionnelle, les valeurs caractéristiques de l’action volontaire ;

- une détection d’une courbe caractéristique sur la grandeur variable dans le temps, par exemple :

• un actionnement simultané d’une gâchette ou d’une poignée d’accélération formant l’IHM et d’une gâchette de sécurité,

• un double appui sur au moins une des deux pédales,

• une succession d’appuis courts et longs sur au moins une des deux pédales

• une combinaison de déplacements de grande amplitude, puis une amplitude plus réduite, puis un très petit déplacement caractéristique d’un effort/d’un appui sur la pédale.

Ainsi, selon un premier mode de réalisation avantageux, le capteur de déclenchement est une gâchette ou d’une poignée d’accélération à retour automatique, montée pivotante sur le guidon du vélo. Un avantage d’un tel mode est l’ergonomie car il permet à l’utilisateur de conserver les deux mains sur le guidon, avec une qui peut actionner une des deux gâchettes, agencée sur une branche du guidon et l’autre qui peut l’autre des deux gâchettes, agencée sur l’autre branche du guidon.

Selon un deuxième mode de réalisation avantageux, le capteur de déclenchement est adapté pour détecter une action intentionnelle de l’utilisateur sur au moins l’une des deux pédales.

Ce mode est avantageux car ce type d’action est très naturel pour un cycliste avec ses pédales, et en outre s’apparente à ce qui est déjà fait pour l’homologation des vélos à assistance électrique classiques. Il en diffère cependant par la technologie de détection nécessaire pour mesurer cette action intentionnelle.

Selon ce mode, le capteur de déclenchement peut être soit un capteur de force agencé dans une des pédales, soit un capteur de couple agencé dans l’axe du pédalier.

Selon une variante avantageuse, le capteur de déclenchement est un capteur de rotation comprenant :

- une tête de lecture fixée à proximité de l’axe de pédalier et reliée à l’unité électronique de commande ;

- une roue de codage fixée sur l’axe du pédalier de telle sorte que son rayon coïncide vienne en regard de la tête de lecture,

la tête de lecture et la roue de codage étant adaptées pour mesurer des variations d’angle de rotation du pédalier très faibles, de préférence comprises entre 0,1 et 2°, corrélées à des valeurs de force d’appui sur les pédales et/ou de couple appliqué au pédalier.

Un avantage majeur de ce capteur de précision très élevée est qu’il permet de mesurer un effort/couple qui sert à la fois de capteur de déclenchement selon l’invention et de capteur de pédalage en tant que tel pour maintenir active la gâchette d’IHM ou la rendre inactive en cas de non-pédalage par l’utilisateur.

Selon cette variante, la tête de lecture est de préférence intégrée soit dans le carter externe du moteur électrique, soit dans une des parties du cadre du vélo.

De préférence encore, la roue de codage solidaire de l’axe de pédalier est intégrée dans le boitier externe du pédalier.

Selon une variante de réalisation avantageuse, l’unité électronique de commande est en outre adaptée pour piloter le moteur démarré en fonction de la détection en continu effectuée par le capteur de couple ou de force, en complément de l’action intentionnelle de l’utilisateur sur l’IHM.

Selon un troisième mode de réalisation avantageux, le capteur de déclenchement est un capteur optique fixé sur le guidon du vélo, adapté pour détecter la présence ou non de l’utilisateur sur le vélo.

Selon un quatrième mode de réalisation avantageux, le capteur de déclenchement est un capteur tactile fixé sur le guidon du vélo, adapté pour détecter un appui tactile/dextre intentionnel de l’utilisateur. Le choix d’un capteur tactile peut être fait notamment en fonction de la typologie des cyclistes.

Selon un cinquième mode de réalisation avantageux, le capteur de déclenchement est adapté pour détecter un appui intentionnel de l’utilisateur sur la selle du vélo.

Le capteur est alors soit un capteur d’effort fixé sur la selle ou sur le tube de selle, soit un capteur de pression adapté pour mesurer la pression dans la tige de selle.

Ici, lorsque l’usager est assis sur la selle, il y a un appui normal. L’action volontaire ne peut donc pas être avérée par la présence d’un appui et donc se limiter à sa simple détection par le capteur.

Selon un sixième mode de réalisation avantageux, le capteur de déclenchement est adapté pour détecter un ordre vocal donné directement à l’IHM ou à un objet connecté à l’IHM, typiquement un smartphone.

Pour autoriser le déclenchement par l’unité de contrôle-commande du moteur, il faut une combinaison et/ou une séquence avec d’autres paramètres. Ainsi, il peut s’agir au choix :

- d’une combinaison d’un actionnement d’une gâchette formant le capteur de déclenchement et d’un actionnement d’une gâchette constituant l’IHM de commande,

- d’une combinaison entre un appui sur la selle et un appui sur un pédale, ce qui nécessite donc par définition la présence d’un capteur de couple/de force sur au moins une pédale,

- d’une séquence d’appuis sur selle entrecoupés par un ou plusieurs appuis sur l’IHM de commande,

- d’un appui variable sur la selle, comme par exemple, le fait qu’après avoir été assis, l’utilisateur se lève progressivement de la selle en prenant appui sur ses pédales, tout en actionnant l’IHM,

-d’une détection d’augmentation de la pression dans les pneus et/ou la fourche du vélo correspondant au poids de l’utilisateur assis sur la selle du vélo,

- d’un mouvement intentionnel de la part de l’utilisateur avant qu’il ne s’asseye sur la selle du vélo et/ou avant qu’il déclenche l’IHM de commande du moteur.

La mise en œuvre d’un capteur de déclenchement et de suivi proportionnel d’une action intentionnelle sur un vélo à assistance électrique peut aussi être avantageusement mise à profit dans la loi de commande du moteur électrique.

En effet, une fois une fois le démarrage du moteur effectué, le pilotage du moteur d’assistance peut être effectué à partir de la combinaison de mesures effectuées simultanément sur l’IHM et sur le capteur de déclenchement qui joue ainsi une fonction supplémentaire d’assistance au pilotage.

De manière optimale, la courbe de réponse du moteur d’assistance peut être affinée lors d’une accélération pour obtenir un effet progressif adapté avec le pédalage effectué et/ou le rapport de vitesse enclenché sur la roue arrière du vélo. Par-là, on peut éviter les effets de «boost» par à coup dans les vélos à assistance électrique actuellement existants.

L’invention concerne également sous un autre de ses aspects un procédé de fonctionnement d’un vélo à assistance électrique décrit précédemment, comprenant les étapes suivantes:

a/ lorsque le vélo est à l’arrêt et jusqu’à une vitesse du vélo inférieure ou égale à la valeur seuil, application d’un couple de pédalage et/ou actionnement de l’IHM par l’utilisateur et simultanément réalisation d’une action intentionnelle de l’utilisateur détectée par le capteur de déclenchement de sorte à appliquer un couple moteur à la roue arrière ;

b/ lorsque la vitesse du vélo est supérieure à la valeur seuil, alors application d’un couple de pédalage et/ou pilotage du moteur démarré ou non, soit uniquement par l’actionnement de l’IHM par l’utilisateur, soit par l’actionnement de l’IHM par l’utilisateur et simultanément réalisation d’une action intentionnelle de l’utilisateur détectée par le capteur de déclenchement.

De préférence, le procédé comprend une étape c/ selon laquelle lorsque la vitesse du vélo est non nulle, l’intensité et/ou le couple de sortie du moteur est(sont) calculée(s) en fonction à la fois du niveau d’actionnement de l’IHM et de la mesure instantanée effectuée pour le couple de pédalage.

L’invention apporte de nombreux avantages parmi lesquels :

- tout démarrage involontaire ou accidentel du moteur électrique est évité ;

- possibilité d’appliquer un couple de pédalage sans avoir à appliquer la double commande simultanée et volontaire selon l’invention ;

- possibilité de démarrage et pilotage du moteur électrique quasi-instantanée quand bien même la double commande selon l’invention doit être actionnée ;

- possibilité d’implanter la double commande simultanée et volontaire selon l’invention sur n’importe quel type de vélo à assistance électrique;

- une fois le démarrage effectué, possibilité de piloter le moteur à assistance électrique à partir des mesures effectuées simultanément sur l’IHM et le capteur de déclenchement et obtenir ainsi une accélération optimale sans à coup.

D’autres avantages et caractéristiques de l’invention ressortiront mieux à la lecture de la description détaillée d’exemples de mise en œuvre de l’invention faite à titre illustratif et non limitatif en référence aux figures suivantes.

la figure 1 est une vue schématique partielle d’un vélo à assistance électrique selon l’invention.

la figure 2 est une vue schématique en perspective de l’agencement d’un capteur de rotation constituant un capteur de déclenchement d’une double commande du moteur électrique du vélo selon l’invention.

la figure 3 illustre sous forme d’une courbe, les valeurs d’angle de rotation mesurées par le capteur de la figure 2, corrélées aux valeurs de force appliquée sur les pédales par un utilisateur.

la figure 4 illustre sous forme de courbes, les différents modes de boost sur l’intensité ou le couple de sortie d’un moteur électrique d’un vélo conforme à l’invention.

la figure 5 illustre sous forme de courbes, différentes lois de commande sur l’intensité ou le couple de sortie d’un moteur électrique d’un vélo conforme à l’invention, grâce à la combinaison de signaux de mesure en temps réel provenant à la fois de la gâchette d’accélération et du capteur de rotation de pédalage.

la figure 6 illustre sous forme d’une courbe un profil de loi de commande sur l’intensité ou le couple de sortie d’un moteur électrique d’un vélo conforme à l’invention, correspondant à un scénario de parcours emprunté par le vélo.

Description détaillée

Par souci de clarté, les mêmes références désignant les mêmes éléments système selon l’invention sont utilisées pour toutes les figures 1 et 2.

La figure 1 montre un vélo à assistance électrique 1 selon l’invention.

Le vélo électrique 1 comprend un cadre 2 avec une roue arrière 3.

Le mécanisme de transmission du couple de pédalage est classique: il comporte depuis le pédalier 4 pouvant tourner autour de l’axe 40, un plateau, une chaîne à rouleaux, une cassette de pignons autour de l’axe de roue arrière ainsi qu’un premier dispositif à roue libre, non représentés, permettant d’entrainer la roue arrière 3 uniquement dans le sens horaire du pédalage.

Le vélo 1 comprend également une batterie électrique, de type Li-polymère qui alimente, par l’intermédiaire d’une électronique de commande, un moteur électrique 6, de type à balais ou sans balais, la batterie et le moteur étant intégrés et fixés à l’intérieur du mât central 5 constitué par le tube de selle du cadre 2.

L’interface homme-machine reliée à l’unité électronique de commande du moteur, qui permet à l’utilisateur de piloter le moteur, est sous la forme d’une gâchette d’accélération 7 montée pivotante sur le guidon 8 du vélo, par exemple sur la branche gauche. Cette gâchette est à retour automatique, c’est-à-dire qu’en l’absence d’appui sur elle, elle revient à sa position inactive dans laquelle le moteur électrique ne peut apporter de couple à la roue arrière.

Les inventeurs ont pensé à implanter une fonction de sécurité supplémentaire au vélo qui vient d’être décrit.

En effet, en l’absence de sécurité, n’importe quelle action sur la gâchette se traduirait par un démarrage du moteur électrique et donc un couple moteur apporté directement à la roue arrière du vélo.

Or, cela pourrait comprendre les actions involontaires de la part de l’utilisateur ou accidentelles. Par exemple, l’utilisateur marchant à côté de son vélo en le poussant peut actionner de manière involontaire la gâchette d’accélération. Par exemple encore, un corps extérieur, telle qu’une branche d’arbre, un vêtement ou autre produit posé sur le guidon peut faire pivoter accidentellement la gâchette.

Si, en roulage, l’utilisateur peut réagir rapidement dans la plupart de ces situations sans que cela n’ait de conséquences néfastes, en maitrisant à nouveau l’action sur la gâchette, cela peut être plus gênant voire dangereux lorsque le vélo est à l’arrêt et plus généralement à basse vitesse dans des situations de démarrage du vélo.

Aussi, selon l’invention, il est prévu une double commande du moteur électrique, c’est-à-dire en sus de la commande par la gâchette, une autre action volontaire et simultanée de la part de l’utilisateur détectée par un capteur supplémentaire dont la fonction est de déclencher la possibilité du pilotage du moteur par la commande de la gâchette.

Ainsi, lorsque la vitesse du vélo détectée par un capteur de vitesse du vélo est nulle jusqu’à une valeur seuil, l’unité de contrôle-commande va autoriser au moins le démarrage du moteur et son pilotage jusqu’à une durée et/ou un couple de rotation et/ou une vitesse de rotation prédéterminée(s), si et seulement si l’utilisateur actionne l’IHM et simultanément le capteur de déclenchement détecte une action intentionnelle de l’utilisateur.

Un mode avantageux de réalisation du capteur de déclenchement est illustré en figure 1. Il s’agit d’une gâchette 9 montée pivotante sur le guidon 8 du vélo, par exemple sur la branche droite.

Comme illustré, la gâchette d’accélération 7 et la gâchette de déclenchement 9 sont reliées chacune indépendamment par un câble respectivement 70 et 90 à la partie électronique qui elle-même gère le moteur électrique 6, lui-même pouvant parfois intégrer cette partie électronique.

Un autre mode de réalisation avantageux du capteur de déclenchement est un capteur de rotation qui agit comme un capteur de force de pédalage ou de rotation de pédalage.

L’agencement d’un tel capteur 13 au niveau du pédalier 4 du vélo est montré en figure 3.

Le capteur 13 comprend une tête de lecture 15 fixée à proximité de l’axe 40 de pédalier et reliée à l’unité électronique de commande du moteur, ainsi qu’une roue de codage 16 solidaire avec l’axe du pédalier 40 de telle sorte que son rayon vienne en regard à distance de la tête de lecture 15.

Plus précisément, la tête de lecture 15 est logée dans un logement spécifique prévu dans le capot de fermeture 60 du logement du moteur électrique 6, la tête étant maintenue par la pièce de fermeture 14. D’autres formes d’intégration peuvent être aussi imaginées tout en conservant la tête de lecture 15 et la roue de codage 16, qui constituent les composants essentiels du capteur.

La roue de codage 16 forme une excroissance d’une bague à l’extérieur du boitier 41 de pédalier 4, comme montré en figure 3. Ainsi, la roue de codage 16 peut présenter un grand diamètre ce qui permet d’envisager d’y coder un grand nombre d’informations.

Cette roue de codage 16 annulaire peut comporter avantageusement au moins une piste principale comportant un nombre entier N de repères positionnés de manière à présenter une symétrie de révolution d’ordre N, N étant supérieur ou égal à 8, de préférence supérieur ou égal à 36, autour de l’axe du pédalier. Ces repères peuvent être constitués notamment par des pôles magnétiques, des repères optiques ou des repères mécaniques sous la forme de saillies, creux ou d’évidements.

De préférence, la tête de lecture 15 comporte une pluralité d’éléments sensibles adaptés pour lire une piste de la roue de codage annulaire, et regroupés en au moins deux sous-ensembles pour délivrer au moins deux signaux électriques déphasés, préférentiellement en quadrature.

Pour accroître la résolution spatiale, on peut avantageusement prévoir que la tête de lecture est liée à un interpolateur spatial adapté pour multiplier le nombre d’impulsions issus une piste de la roue de codage annulaire par un coefficient supérieur ou égal à 2, de préférence supérieur à 4.

On se référera le cas échéant aux demandes de brevet FR2792403 ou FR2754063 ou WO98/14756 pour des descriptifs de divers type de têtes de lectures connues de l’homme du métier, et de leur mise en œuvre.

Si la roue de codage 16 est magnétique, les éléments sensibles peuvent être choisis, par exemple, dans un groupe comprenant les sondes à effet Hall, les magnétorésistances, les magnétorésistances géantes.

Les inventeurs ont réalisé des mesures expérimentales pour corréler les valeurs de rotation du pédalier en butée de transmission aux valeurs de forces d’appui exercées sur les pédales et, ce afin de calibrer une valeur minimale qui correspond à un appui volontaire/intentionnel que l’unité de contrôle-commande de moteur reconnaît comme tel.

Les mesures expérimentales ont été réalisées selon trois phases consécutives que l’on peut distinguer, comme ci-après.

On précise ici que les essais ont été réalisés avec un utilisateur de 65kg.

Phase 1 :Initialement, le jeu dans le mécanisme de transmission du couple est maximal. Pour rattraper ce jeu, la manivelle est amenée en butée de transmission, dans une position angulaire à environ 45° par rapport à la verticale, ce qui correspond à une position naturelle dans laquelle un utilisateur amène sa pédale d’appui initial lorsqu’il souhaite démarrer.

L’utilisateur fournit donc un effort relativement faible sur la pédale pour arriver en butée de transmission. La vitesse du vélo est nulle.

Phase 2:L’utilisateur continue d’appuyer progressivement sur la pédale, ce qui lui permet de rattraper l’élasticité des manivelles et du pédalier. L’effort fourni est plus important. La vitesse du vélo est encore nulle car il faut atteindre une force donc un couple associé suffisant pour faire démarrer le vélo (couples de freinage divers, inertie de démarrage, …).

Phase 3: Le vélo commence à avancer. L’utilisateur commence à pédaler. L’effort est peut continuer d’augmenter par rapport à l’effort précédent. L’angle parcouru augmente assez rapidement. La vitesse du vélo est non nulle et l’accélération est positive.

Ainsi, au cours de ces phases 1 à 3, différentes valeurs de forces sont appliquées sur la pédale et on mesure à l’aide du capteur de rotation précédemment décrit les valeurs correspondantes de rotation.

Le tableau ci-dessous donne les valeurs mesurées.

Force appliquée sur le pédalier en N	Valeur de la rotation du pédalier en °	Phase
0,432	0,4	1
0,647	0,4	1
0,863	0,4	1
0,981	1,8	1
1,020	6,6	1
1,079	7	1
1,295	7,2	2
1,511	7,2	2
1,727	7,2	2
4,944	7,2	2
10,948	7,2	2
15,578	7,4	2
19,698	7,4	2
25,074	7,6	2
29,469	7,6	2
30,509	7,6	2
31,372	7,6	2
31,833	8,6	3
32,530	9,2	3
33,570	9,6	3
34,826	10	3

Les résultats de ces mesures sont illustrés sur forme d’une courbe en figure 3.

Il en ressort que:

lors de la phase 1: l’utilisateur doit fournir un effort de pédalage d’1N, pour un angle parcouru par le pédalier compris entre 6,5 et 7°;
lors de la phase 2, qui est la phase mise à profit dans le cadre de l’invention, l’effort de pédalage est de l’ordre de 30 à 33 N pour un angle parcouru par le pédalier compris entre 7 et 8°, soit un angle supplémentaire entre 1 et 2°;
lors de la phase 3 de démarrage du vélo, l’effort est de l’ordre de 35N.

Le calcul de la pente de la courbe à partir des mesures lors du passage de la phase 1 à la phase 2, donne une valeur comprise entre 50 et 75daN/°. Autrement dit, avec une sensibilité du capteur de 0,1°, on détecte une variation comprise entre 5 et 7,5N.

Ainsi, avec un capteur de rotation comme décrit ci-dessus, on peut tout-à-fait détecter avec une très grande sensibilité, une variation conséquente de force qui correspond à un appui intentionnel d’un utilisateur du vélo selon l’invention.

Les phases et le type de courbe présenté en figure 3 sont indiqués pour un vélo à l’arrêt. Mais cela peut également s’appliquer lorsque le vélo est déjà lancé, à vitesse constante, en accélération ou en décélération. Ainsi, les actions simultanées de la gâchette d’accélération 7 et du capteur de déclenchement (gâchette 9 ou capteur de rotation) peuvent aussi sécuriser un usage sur le vélo déjà en mouvement, en empêchant tout démarrage du moteur, qu’il soit intempestif ou non réellement souhaité par l’utilisateur.

Comme cela vient d’être décrit, l’invention permet d’interdire le fonctionnement de la gâchette d’accélération 7 lors de la phase 1 puis de l’autoriser lors de la phase 2.

Elle permet également, avec le même capteur, de suivre la valeur instantanée du couple de pédalage en phase 3 de manière à autoriser le fonctionnement du moteur électrique.

Grâce à la très grande sensibilité du capteur et à un calcul approprié dans le microprocesseur de commande implanté soit dans le capteur ou soit dans l’unité électronique de contrôle-commande du moteur, il est également possible lors de cette phase 3,de suivre avec précision, en temps réel, l’accroissement de l’effort de pédalage.

Ce dernier peut correspondre à un apport de couple par le moteur électrique, voire même à un transfert d’une partie (pouvant aller jusqu’à 99%) de l’effort de pédalage initial puisqu’il faut malgré tout conserver une action sur le pédalier dans le cas d’un vélo à assistance électrique, et ceci par exemple pour répondre à la norme européenne EN 15194.

On peut également de cette manière détecter des variations fines de l’effort de pédalage en phase 3 qui, à partir d’une certaine valeur seuil, va permettre le fonctionnement de la gâchette d’accélération.

L’invention permet également un mode de pilotage optimal du moteur électrique lors de la phase 3.

Comme pour un fonctionnement d’une boite de vitesse dans la motricité d’un véhicule automobile, il est possible de combiner l’information des signaux à la fois du niveau d’actionnement la gâchette d’accélération 7 et de la mesure instantanée du capteur d’effort et pédalage décrit ci-avant.

Cela permet de passer de façon automatique d’une courbe de réponse du moteur, déterminée par le choix d’un mode, à une autre, soit en montant d’intensité, soit en la diminuant.

On a illustré en figure 4, les différents modes de boost en intensité ou en couple de sortie du moteur que l’on peut obtenir sur un vélo de la demanderesse. On voit bien que le mode 3 est le plus intense ou puissant puisque c’est celui qui, à chaque instant, délivre le plus de couple moteur donc à la roue arrière du vélo. L’augmentation d’intensité permet par exemple de passer du mode 1 au mode 2, la diminution du mode 3 au mode 2.

Il est possible de combiner les effets de pilotage instantané du moteur par la gâchette d’accélération avec un changement automatique de modes et de coupler cela à une transition très en douceur entre deux modes.

Par conséquent, l’utilisateur va donc pouvoir, en fonction du terrain ou de ses capacités et de son envie de comportement du vélo, à la fois doser l’effet de pilotage et être directement sur le rapport moteur le plus adapté.

Cet avantage est par exemple illustré sur la figure 5 où l’on voit des courbes de réponse du moteur C1, C2 et C3 qui ont été appliquées lors d’essais faits par la demanderesse. On constate qu’elles ont globalement toutes la même allure générale qui correspond à un effet de boost initial avant d’arriver à une valeur constante plus réduite. Ces courbes C1, C2 et C3 se différencient par quelques homothéties d’intensité ou par des décalages dans le temps, ce qui illustre le fait que la gâchette d’accélération et le moteur électrique peuvent être déclenchés dès le démarrage ou une fois le vélo lancé, c’est-à-dire avec une vitesse non nulle.

La courbe C1 illustre une montée de l’intensité ou du couple de sortie du moteur qui est automatique, tandis que la courbe C2 illustre une baisse d’intensité qui serait mise en œuvre par exemple lorsque la pente rencontrée par le vélo est plus faible ou lorsque l’utilisateur applique un couple de pédalage supérieur.

La courbe de réponse C3 correspond à une commande de récupération d’énergie en combinant, notamment en fonction d’une pente en descente et par auto-régulation, un effet de frein moteur avec un rechargement électrique de la batterie par le moteur.

La figure 6 illustre sous forme d’une courbe un profil de loi de commande qu’il est possible d’appliquer sur l’intensité ou le couple de sortie d’un moteur électrique d’un vélo, correspondant à un scénario de parcours emprunté par le vélo.

L’invention n’est pas limitée aux exemples qui viennent d’être décrits; on peut notamment combiner entre elles des caractéristiques des exemples illustrés au sein de variantes non illustrées.

D’autres variantes et améliorations peuvent être prévues sans pour autant sortir du cadre de l’invention.

Claims

Vélo à assistance électrique (1), comprenant:
une roue arrière (3);

un pédalier (4), destiné à être actionné par la force musculaire d’un utilisateur pour la transformer en un couple de pédalage, comprenant deux manivelles de pédalier tournant autour d’un axe de pédalier (40) et deux pédales fixées chacune à une manivelle;

un capteur de vitesse du vélo électrique;

un mécanisme de transmission de couple, comprenant une roue d’entrée, pouvant être entraînée en rotation autour de l’axe du pédalier, un élément flexible de transmission, au moins une roue de sortie, pouvant être entraînée par la roue d’entrée par l’intermédiaire de l’élément flexible, un dispositif de roue libre, adapté pour transmettre le couple de pédalage à la roue arrière par l’intermédiaire de la roue de sortie ;

un moteur (6) d’assistance électrique d’entraînement, formant avec le mécanisme de transmission du couple une chaîne cinématique en série;

une unité électronique de commande du moteur;
- une interface homme-machine de pilotage (7) (IHM), reliée à l’unité électronique de commande du moteur, adaptée pour que l’utilisateur puisse démarrer et piloter le moteur indépendamment ou en combinaison avec le couple et/ou le mouvement de pédalage ;
- au moins un capteur de déclenchement (9), relié à l’unité électronique de commande du moteur, adapté pour détecter une action intentionnelle de l’utilisateur indépendante de l’action intentionnelle sur l’IHM ;
l’unité électronique de commande étant adaptée pour, lorsque la vitesse du vélo détectée par le capteur de vitesse est nulle jusqu’à une valeur seuil, autoriser au moins le démarrage du moteur et son pilotage jusqu’à une durée et/ou un couple de rotation et/ou une vitesse de rotation prédéterminée(s), si et seulement si l’utilisateur actionne l’IHM et simultanément le capteur de déclenchement détecte une action intentionnelle de l’utilisateur indépendante de l’action intentionnelle sur l’IHM.
Vélo à assistance électrique selon la revendication 1, l’IHM étant constituée par une gâchette (7) ou d’une poignée d’accélération à retour automatique, montée pivotante sur le guidon du vélo.
Vélo à assistance électrique selon la revendication 1 ou 2, l’unité électronique de commande étant en outre adaptée pour, lorsque la vitesse du vélo est au-dessus de la valeur seuil, continuer à autoriser le pilotage du moteur démarré ou non, soit si l’utilisateur actionne l’IHM sans nécessité de détection de la part du capteur de déclenchement, soit si l’utilisateur actionne l’IHM et simultanément le capteur de déclenchement détecte encore une action intentionnelle de l’utilisateur.
Vélo à assistance électrique selon l’une des revendications 1 à 3, le capteur de déclenchement étant une gâchette ou d’une poignée d’accélération à retour automatique, montée pivotante sur le guidon du vélo.
Vélo à assistance électrique selon l’une des revendications 1 à 3, le capteur de déclenchement étant adapté pour détecter une action intentionnelle de l’utilisateur sur au moins l’une des deux pédales.
Vélo à assistance électrique selon la revendication 5, le capteur de déclenchement étant soit un capteur de force agencé dans une des pédales, soit un capteur de couple agencé dans l’axe du pédalier.
Vélo à assistance électrique selon la revendication 6, le capteur de déclenchement étant un capteur de rotation comprenant:
une tête de lecture fixée à proximité de l’axe de pédalieret reliée à l’unité électronique de commande;

une roue de codage fixée sur l’axe du pédalier de telle sorte que son rayon vienne en regard de la tête de lecture,
la tête de lecture et la roue de codage étant adaptées pour mesurer des variations d’angle de rotation du pédalier très faibles par rapport à une position de ce dernier en butée de transmission, de préférence comprises entre 0,1 et 2°, corrélées à des valeurs de force d’appui sur les pédales et/ou de couple appliqué au pédalier.
Vélo à assistance électrique selon la revendication 7, la tête de lecture étant intégrée soit dans le carter externe du moteur électrique, soit dans une des parties du cadre du vélo.
Vélo à assistance électrique selon la revendication 7 ou 8, la roue de codage solidaire de l’axe de pédalier étant intégrée dans le boitier externe du pédalier.
Vélo à assistance électrique selon l’une des revendications 6 ou 7, l’unité électronique de commande étant en outre adaptée pour piloter le moteur démarré en fonction de la détection en continu effectuée par le capteur de couple ou de force, en complément de l’action intentionnelle de l’utilisateur sur l’IHM.
Vélo à assistance électrique selon l’une des revendications 1 à 3, le capteur de déclenchement étant un capteur optique fixé sur le guidon du vélo, adapté pour détecter la présence ou non de l’utilisateur sur le vélo.
Vélo à assistance électrique selon l’une des revendications 1 à 3, le capteur de déclenchement étant un capteur tactile fixé sur le guidon du vélo, adapté pour détecter un appui tactile intentionnel de l’utilisateur.
Vélo à assistance électrique selon l’une des revendications 1 à 3, le capteur de déclenchement étant adapté pour détecter un appui intentionnel de l’utilisateur sur la selle du vélo.
Vélo à assistance électrique selon la revendication 13, le capteur étant soit un capteur d’effort fixé sur la selle ou sur le tube de selle, soit un capteur de pression adapté pour mesurer la pression dans la tige de selle.
Procédé de fonctionnement d’un vélo à assistance électrique selon l’une des revendications précédentes, comprenant les étapes suivantes:
a/ lorsque le vélo est à l’arrêt et jusqu’à une vitesse du vélo inférieure ou égale à la valeur seuil, application d’un couple de pédalage et/ou actionnement de l’IHM par l’utilisateur et simultanément réalisation d’une action intentionnelle de l’utilisateur détectée par le capteur de déclenchement de sorte à appliquer un couple moteur à la roue arrière;
b/ lorsque la vitesse du vélo est supérieure à la valeur seuil, alors application d’un couple de pédalage et/ou pilotage du moteur démarré ou non, soit uniquement par l’actionnement de l’IHM par l’utilisateur, soit par l’actionnement de l’IHM par l’utilisateur et simultanément réalisation
d’une action intentionnelle de l’utilisateur détectée par le capteur de déclenchement.
Procédé de fonctionnement selon la revendication 15, comprenant une étape c/ selon laquelle lorsque la vitesse du vélo est non nulle, l’intensité et/ou le couple de sortie du moteur est(sont) calculée(s) en fonction à la fois du niveau d’actionnement de l’IHM et de la mesure instantanée effectuée pour le couple de pédalage.