WO2021116353A1 - Vélo à assistance électrique, à double commande du démarrage du moteur électrique d'assistance ou de boost - Google Patents

Vélo à assistance électrique, à double commande du démarrage du moteur électrique d'assistance ou de boost Download PDF

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WO2021116353A1
WO2021116353A1 PCT/EP2020/085642 EP2020085642W WO2021116353A1 WO 2021116353 A1 WO2021116353 A1 WO 2021116353A1 EP 2020085642 W EP2020085642 W EP 2020085642W WO 2021116353 A1 WO2021116353 A1 WO 2021116353A1
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WO
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user
sensor
bicycle
torque
electrically assisted
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PCT/EP2020/085642
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Inventor
François Guers
Guillaume Lenon
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Whattfornow
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Publication date
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    • B62M6/40—Rider propelled cycles with auxiliary electric motor
    • B62M6/55—Rider propelled cycles with auxiliary electric motor power-driven at crank shafts parts

Definitions

  • the present invention relates to the field of electric bicycles, that is to say, which embed an electric motor and a battery for supplying the motor.
  • the invention aims to go beyond the limits of the operating modes of current electric bikes, and therefore to offer a wider range of riding modes, including direct / instant user riding.
  • a so-called electrically assisted bicycle is a bicycle with a conventional pedal mechanism to which the following components have been added:
  • an electric motor arranged in the front wheel, the rear wheel, or near the pedal usually referred to as a “central motor” in this case, the transmission of which is in series with that of the pedaling mechanism;
  • a control box generally arranged at the level of the handlebars, and which allows the user to define an assistance mode, to adjust the level of his assistance, to know his mileage, etc.
  • the assistance must only be done if the cyclist is pedaling, and to stop pedaling. However, it is authorized to set up starting assistance without having to use pedaling and with a single command actuated from the control box but which must not exceed 6 km / h.
  • assistance can be provided by detecting the rotation of the crankset.
  • a sensor arranged at the level of the crankset detects the rotation of the latter and therefore the pedaling, which then allows the electric motor to provide sound in addition to the pedaling.
  • Assistance can also be provided by means of a pressure sensor located on the pedal: the engine can start as soon as it feels pressure on the pedal. In general, the more the user presses on the pedals, the more the motor will help him, even if his pedaling rate is slow.
  • detection can be done by a torque or effort sensor: it is often a combination of effort and pedaling cadence that controls engine power. The more the cyclist pedals at a high cadence and / or the more his effort increases when exerting a high torque, the more assistance he receives, in order to remain within a range of rotational speed and a value of torque to be provided that are comfortable for the rider. cyclist.
  • the control laws or assistance program are pre-programmed by the manufacturer of the bicycle or the supplier of the engine block.
  • the user chooses an assistance level from a number generally of 3 to 5 levels, i.e. a value of the motor torque proportional to that of pedaling developed by the user.
  • Wheel motors have already been proposed for the electric assistance of bicycles, that is to say assemblies with an electric motor incorporated in the generally rear wheel of bicycles.
  • the use of wheel motors is an interesting solution which allows to have a transmission of torque from the motor in parallel with the torque from pedaling.
  • the wheel motor transmission mechanism is by construction very simplified since it is directly grafted into the hub of the rear wheel. It often includes the motor and a reducer, which already constitutes a significant weight and also a very high rotational inertia. This high weight and inertia have a negative influence on the handling of the bike, especially when the steering must be precise and fast.
  • HMI man-machine piloting interface
  • the proportional electrical signal given by the action of the trigger can be sent to the electronic control unit of the electric motor which, after adaptation of the control law, can control the desired acceleration of the motor.
  • acceleration by triggering the electric assist motor with the actuation of a single trigger can pose a safety concern for an uninformed user, primarily when starting from a standstill.
  • the aim of the invention is to at least partially meet this need.
  • an electrically assisted bicycle comprising:
  • crankset intended to be actuated by the muscular force of a user to transform it into a pedaling torque, comprising two crank arms rotating around a crank axle and two pedals each attached to a crank;
  • a torque transmission mechanism comprising an input wheel, which can be driven in rotation about the axis of the crankset, a flexible transmission element, at least one output wheel, which can be driven by the input wheel via the flexible element, a freewheel device, adapted to transmit the pedaling torque to the rear wheel via the output wheel; - an electric drive assistance motor, forming with the torque transmission mechanism a kinematic chain in series
  • HMI piloting man-machine interface
  • At least one trigger sensor connected to the electronic engine control unit, suitable for detecting intentional user action independent of intentional action on GIHM; the electronic control unit being suitable for, when the speed of the bicycle detected by the speed sensor is zero up to a threshold value, authorizing at least the starting of the engine and its control up to a duration and / or a torque of rotation and / or a predetermined rotation speed (s), if and only if the user activates GIHM and simultaneously the trigger sensor detects an intentional action of the user independent of the intentional action on GIHM.
  • the electronic control unit is also suitable for, when the speed of the bicycle is above the threshold value, continuing to authorize the piloting of the engine, whether or not it has started, or if the user activates GIHM without the need for detection by the trigger sensor, or if the user activates GIHM and simultaneously the trigger sensor still detects an intentional action by the user.
  • the invention essentially consists in installing two independent controls (HMI and voluntary triggering sensor) of the electric pedal assist motor in an electrically assisted bicycle.
  • This independent double control will be actuated by two distinct, voluntary and simultaneous actions of the user of the bicycle when the latter is stationary and at least until he has reached a speed threshold value, which can typically be of the order of 10 to 15 km / h. It can also go up to 25 km h, the authorized speed limit for an electric bicycle in Europe.
  • a speed threshold value can typically be of the order of 10 to 15 km / h. It can also go up to 25 km h, the authorized speed limit for an electric bicycle in Europe.
  • the user can control the electric motor at any time and instantly by its basic control, GIHM, preferably consisting of a trigger or a throttle handle with automatic return, pivotally mounted on the handlebars of the bicycle.
  • GIHM basic control
  • the trigger or throttle grip can normally only be actuated intentionally during use.
  • This basic control or trigger therefore allows the user, in the assistance phase, to produce acceleration and change the engine speed to the desired value in real time and according to the predetermined mode on the initial setting.
  • the engine is instantly shut off with the trigger automatically mechanically returning to its original off position.
  • This automatic return of the throttle trigger thus fulfills the driving safety function.
  • the user When the bike is stationary and also when the bike is moving forward by the application of a pedaling torque or due to the relief in descent to a speed threshold value, the user must simultaneously activate the trigger of acceleration and perform another voluntary action detected by a trigger sensor.
  • the processing of these signals can be done either directly in the sensor or in the processor of the electronic engine control unit.
  • this analysis of the signals leading to tripping or breaking, or even to a control law combining several parameters, can be analyzed in the electronic unit or in the sensor by a control microprocessor programmed for this. end.
  • An additional microprocessor and / or separate power supplies for the microprocessor (s) can be provided, in order to prevent any risk of breakdown or failure by ensuring safety redundancy for the dual control according to the invention.
  • Several types of algorithms applied by the control microprocessor may be necessary, depending on the definition of the conditional law of the control by the trigger sensor.
  • the trigger sensor is a trigger or an acceleration handle with automatic return, pivotally mounted on the handlebars of the bicycle.
  • An advantage of such a mode is ergonomics because it allows the user to keep both hands on the handlebars, with one which can actuate one of the two triggers, arranged on a branch of the handlebars and the other which can l other of the two triggers, arranged on the other branch of the handlebars.
  • the trigger sensor is suitable for detecting an intentional action by the user on at least one of the two pedals.
  • This mode is advantageous because this type of action is very natural for a cyclist with his pedals, and moreover is similar to what is already done for the homologation of bicycles to conventional electric assistance. It differs, however, by the detection technology required to measure this intentional action.
  • the trigger sensor can be either a force sensor arranged in one of the pedals, or a torque sensor arranged in the axis of the crankset.
  • the trigger sensor is a rotation sensor comprising:
  • a coding wheel fixed on the axis of the crankset so that its radius coincides and comes opposite the read head, the read head and the coding wheel being adapted to measure variations in the angle of rotation of the crankset very low, preferably between 0.1 and 2 °, correlated with values of pressure on the pedals and / or of torque applied to the crankset.
  • a major advantage of this very high precision sensor is that it makes it possible to measure a force / torque which serves both as a trigger sensor according to the invention and as a pedaling sensor as such to keep the trigger of HMI or make it inactive in the event of non-pedaling by G user.
  • the read head is preferably integrated either in the outer casing of the electric motor, or in one of the parts of the frame of the bicycle.
  • the coding wheel integral with the crank axle is integrated into the outer casing of the crankset.
  • the electronic control unit is also suitable for controlling the started motor as a function of the continuous detection carried out by the torque or force sensor, in addition to the intentional action of the user. on the HMI.
  • the trigger sensor is an optical sensor fixed to the handlebars of the bicycle, suitable for detecting the presence or absence of G user on the bicycle.
  • the trigger sensor is a tactile sensor fixed to the handlebars of the bicycle, suitable for detecting an intentional tactile / dextral pressure from the user.
  • the choice of a touch sensor can be made in particular according to the type of cyclists.
  • the trigger sensor is suitable for detecting an intentional pressure by the user on the saddle of the bicycle.
  • the sensor is then either a force sensor attached to the saddle or the seat tube, or a pressure sensor suitable for measuring the pressure in the seat post.
  • the trigger sensor is suitable for detecting a voice command given directly to GIHM or to an object connected to GIHM, typically a smartphone.
  • a combination and / or a sequence with other parameters is required.
  • it can be either:
  • the control of the assistance motor can be carried out from the combination of measurements carried out simultaneously on GIHM and on the trigger sensor which thus plays an additional assistance function. piloting.
  • the response curve of the assistance motor can be fine-tuned during acceleration to obtain a progressive effect adapted to the pedaling effected and / or the gear ratio engaged on the rear wheel of the bicycle. In this way, we can avoid the effects of "boost" by sudden in the currently existing electric bikes.
  • the invention also relates in another of its aspects to a method of operating an electrically assisted bicycle described above, comprising the following steps: a / when the bicycle is stationary and down to a lower bicycle speed or equal to the threshold value, application of a pedaling torque and / or actuation of GIHM by the user and simultaneously performance of an intentional action by the user detected by the trigger sensor so as to apply a motor torque to the rear wheel ; b / when the speed of the bicycle is greater than the threshold value, then application of a pedaling torque and / or control of the motor started or not, either only by G actuation of GIHM by the user, or by the actuation of GIHM by the user and simultaneously performing an intentional user action detected by the trigger sensor.
  • the method comprises a step c / according to which when the speed of the bicycle is not zero, the output intensity and / or the torque of the motor is (are) calculated as a function of both the level of actuation of GIHM and of the instantaneous measurement made for the pedaling torque.
  • the invention provides many advantages, including:
  • Figure 1 is a partial schematic view of an electrically assisted bicycle according to the invention.
  • FIG 2 is a schematic perspective view of the arrangement of a rotation sensor constituting a trigger sensor of a dual control of the electric motor of the bicycle according to the invention.
  • Figure 3 illustrates in the form of a curve, the angle of rotation values measured by the sensor of Figure 2, correlated with the values of force applied to the pedals by a user.
  • Figure 4 illustrates in the form of curves, the different modes of boost on the output intensity or torque of an electric motor of a bicycle according to the invention.
  • FIG 5 illustrates in the form of curves, different control laws on the intensity or the output torque of an electric motor of a bicycle according to the invention, thanks to the combination of measurement signals in real time from both the throttle trigger and the pedal rotation sensor.
  • FIG. 6 illustrates in the form of a curve a control law profile on the intensity or the output torque of an electric motor of a bicycle according to the invention, corresponding to a route scenario borrowed by bike.
  • Figure 1 shows an electrically assisted bicycle 1 according to the invention.
  • Electric bike 1 includes a frame 2 with a rear wheel 3.
  • the pedaling torque transmission mechanism is conventional: it comprises, from the crankset 4 which can rotate around the axis 40, a chainring, a roller chain, a pinion cassette around the rear wheel axis as well as a first freewheel device, not shown, making it possible to drive the rear wheel 3 only in the clockwise direction of pedaling.
  • the bicycle 1 also includes an electric battery, of Li-polymer type which supplies, via control electronics, an electric motor 6, of brush or brushless type, the battery and the motor being integrated and fixed. inside the central mast 5 formed by the saddle tube of the frame 2.
  • the man-machine interface connected to the electronic engine control unit, which allows the user to control the engine, is in the form of an acceleration trigger 7 pivotally mounted on the handlebars 8 of the bicycle, by example on the left branch.
  • This trigger is self-returning, meaning that if it is not pressed, it returns to its inactive position in which the electric motor cannot provide torque to the rear wheel.
  • a user walking beside their bicycle while pushing it may unintentionally activate the throttle trigger.
  • an outside body, such as a tree branch, clothing or other product placed on the handlebars can accidentally rotate the trigger.
  • a dual control of the electric motor that is to say in addition to the control by the trigger, another voluntary and simultaneous action on the part of the user detected by a sensor.
  • additional function the function of which is to trigger the possibility of controlling the motor by controlling the trigger.
  • the control unit will authorize at least the starting of the engine and its control for a period of time and / or a torque and / or a speed of predetermined rotation (s), if and only if the user activates HMI and simultaneously the trigger sensor detects an intentional action of the user.
  • FIG. 1 An advantageous embodiment of the trigger sensor is illustrated in Figure 1. It is a trigger 9 pivotally mounted on the handlebars 8 of the bicycle, for example on the right branch.
  • the acceleration trigger 7 and the trigger trigger 9 are each independently connected by a cable 70 and 90 respectively to the electronic part which itself manages the electric motor 6, itself sometimes being able to integrate this electronic part.
  • trigger sensor is a rotation sensor which acts as a pedaling force or pedaling rotation sensor.
  • the arrangement of such a sensor 13 at the bottom bracket 4 of the bicycle is shown in Figure 3.
  • the sensor 13 comprises a read head 15 fixed near the axis 40 of the crankset and connected to the electronic engine control unit, as well as a coding wheel 16 integral with the axis of the crankset 40 in such a way that its ray comes opposite at a distance from the read head 15.
  • the read head 15 is housed in a specific housing provided in the closure cover 60 of the housing of the electric motor 6, the head being held by the closure part 14. Other forms of integration can also be imagined. while retaining the read head 15 and the coding wheel 16, which constitute the essential components of the sensor.
  • the coding wheel 16 forms a protuberance of a ring on the outside of the bottom bracket housing 41, as shown in FIG. 3.
  • the coding wheel 16 can have a large diameter, which makes it possible to envisage there being. encode a lot of information.
  • This annular coding wheel 16 can advantageously comprise at least one main track comprising an integer number N of marks positioned so as to have a rotational symmetry of order N, N being greater than or equal to 8, preferably greater than or equal to 36. , around the crank axle.
  • These markers may consist in particular of magnetic poles, optical markers or mechanical markers in the form of projections, hollows or recesses.
  • the read head 15 comprises a plurality of sensitive elements suitable for reading a track of the annular coding wheel, and grouped together in at least two subsets to deliver at least two phase-shifted electrical signals, preferably in quadrature.
  • the sensitive elements can be chosen, for example, from a group comprising Hall effect probes, magnetoresistors, giant magnetoresistors.
  • the inventors have carried out experimental measurements to correlate the values of rotation of the crankset at the transmission stop with the values of the support forces exerted on the pedals and, in order to calibrate a minimum value which corresponds to a voluntary / intentional support that the engine control unit recognizes as such.
  • Phase 1 Initially, the play in the torque transmission mechanism is maximum. To take up this play, the crank is brought to the transmission stop, in an angular position at approximately 45 ° relative to the vertical, which corresponds to a natural position in which a user brings his initial support pedal when he wishes. start. The user therefore provides a relatively low force on the pedal to reach the transmission stop. The speed of the bike is zero.
  • Phase 2 The user continues to gradually press the pedal, which allows him to catch up with the elasticity of the cranks and the crankset. The effort provided is greater. The speed of the bicycle is still zero because it is necessary to reach a force and therefore an associated torque sufficient to start the bicycle (various braking torques, starting inertia, etc.).
  • Phase 3 The bike begins to move forward. The user begins to pedal. The effort may continue to increase from the previous effort. The angle traveled increases quite quickly. The speed of the bicycle is non-zero and the acceleration is positive.
  • phase 1 the user must provide a pedaling force of IN, for an angle traversed by the crankset between 6.5 and 7 °;
  • the pedaling force is of the order of 30 to 33 N for an angle traversed by the crankset of between 7 and 8 ° , or an additional angle between 1 and 2 °;
  • the invention makes it possible to prohibit the operation of the acceleration trigger 7 during phase 1 and then to authorize it during phase 2.
  • crankset in the case of an electrically assisted bicycle, for example to meet European standard EN 15194. In this way, it is also possible to detect fine variations in the pedaling force in phase 3 which, from a certain threshold value, will allow the operation of the acceleration trigger.
  • the invention also allows an optimal control mode of the electric motor during phase 3.
  • FIG. 4 illustrates the different modes of boost in intensity or in engine output torque that can be obtained on a bicycle of the applicant.
  • mode 3 is the most intense or powerful since it is the one which, at all times, delivers the most engine torque, therefore to the rear wheel of the bike.
  • the increase in intensity makes it possible, for example, to switch from mode 1 to mode 2, the decrease from mode 3 to mode 2.
  • the user will therefore be able, depending on the terrain or his abilities and his desire for the behavior of the bike, both to measure the steering effect and to be directly on the most suitable engine gear.
  • the response curve C3 corresponds to an energy recovery command by combining, in particular as a function of a downhill slope and by self-regulation, an engine braking effect with an electric recharging of the battery by the engine.
  • Figure 6 illustrates in the form of a curve a control law profile that can be applied to the output intensity or torque of an electric motor of a bicycle, corresponding to a route scenario taken by bike.

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Abstract

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.

Description

Description
Titre: Vélo à assistance électrique, à double commande du démarrage du moteur électrique d’assistance ou de boost.
Domaine technique
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.
Technique antérieure
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 boîtier 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 T 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 G 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 B E 661118 A, 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 GIHM, c’est-à-dire une action non intentionnelle de G 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.
Exposé de l’invention
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 GIHM ; 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 GIHM et simultanément le capteur de déclenchement détecte une action intentionnelle de l’utilisateur indépendante de l’action intentionnelle sur GIHM.
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 GIHM sans nécessité de détection de la part du capteur de déclenchement, soit si l’utilisateur actionne GIHM 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 G 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 GIHM, 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, GIHM, 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 G 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 GIHM 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 G 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 G 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 boîtier 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 G 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 G 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 GIHM ou à un objet connecté à GIHM, typiquement un smartphone.
Pour autoriser le déclenchement par G 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 GIHM 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 GIHM 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 GIHM,
-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 GIHM 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 GIHM 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 GIHM 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 G actionnement de GIHM par l’utilisateur, soit par l’actionnement de GIHM 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 GIHM 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 GIHM 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.
Brève description des dessins
[Fig 1] la figure 1 est une vue schématique partielle d’un vélo à assistance électrique selon l’invention.
[Fig 2] 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.
[Fig 3] 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.
[Fig 4] 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.
[Fig 5] 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.
[Fig 6] 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’entraîner 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 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 boîtier 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 W098/14756 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 G aide du capteur de rotation précédemment décrit les valeurs correspondantes de rotation.
Le tableau ci-dessous donne les valeurs mesurées. [Tableau]
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Les résultats de ces mesures sont illustrés sur forme d’une courbe en figure 3. P en ressort que :
- lors de la phase 1 : l’utilisateur doit fournir un effort de pédalage d’ IN, 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 G 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, G 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 Cl, 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 Cl, 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 Cl 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 G 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

Revendications
1. 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 G utilisateur indépendante de l’action intentionnelle sur GIHM ; 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 GIHM et simultanément le capteur de déclenchement détecte une action intentionnelle de l’utilisateur indépendante de l’action intentionnelle sur GIHM.
2. Vélo à assistance électrique selon la revendication 1, GIHM étant constituée par une gâchette (7) ou d’une poignée d’accélération à retour automatique, montée pivotante sur le guidon du vélo.
3. 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 utilisateur actionne IHM sans nécessité de détection de la part du capteur de déclenchement, soit si G utilisateur actionne GIHM et simultanément le capteur de déclenchement détecte encore une action intentionnelle de G utilisateur.
4. 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.
5. 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.
6. 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.
7. 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 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 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.
8. 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.
9. 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.
10. 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 GIHM.
11. 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.
12. 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 G utilisateur.
13. 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.
14. 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.
15. 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 GIHM par G 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 G actionnement de GIHM par l’utilisateur, soit par l’actionnement de GIHM par l’utilisateur et simultanément réalisation d’une action intentionnelle de l’utilisateur détectée par le capteur de déclenchement.
16. 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 GIHM et de la mesure instantanée effectuée pour le couple de pédalage.
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