le vélo électrique une application des systèmes embarqués


Le Vélo à Assistance Electrique est une belle application de l’électronique embarquée.

Equipés de moteurs brushless moteurs synchrones trpihasés, soit sur le pédalier, soit dans le moyeu de la roue AV ou AR, ils sont pilotés par un micro controleur et un pont onduleur triphasé.

La puissance légale autorisée sur la voie publique est de 250 Watts. Il s’agit de puissance mécanique, pas de la puissance consommée.

On trouve également des moteurs allant jusqu ‘à 1 kW , installés sur des VTT.

Une particularité des batteries de VAE : le chargeur est intégré et s’appelle BMS ( Battery Management System ) puisqu ‘il s’agit de batteries Lithium ion , et que la charge de chaque cellule doit être controlée. Les batteries sont donc installées sur un circuit imprimé qui joue le role de chargeur.

Le chargeur doit être adapté à chaque technologie de batterie.

Problème des batteries de VAE : en cas de défectuosité d’une cellule de batterie, chaque fois on paye le prix fort, ou bien c’est des semaines d’attente en SAV.. La fiabilité des batteries Li-ion reste encore à améliorer. S’y ajoutent des risques de gonflement, d’explosion, voire d’incendie.

Vu les intensités en jeu ( plus de 20 ou 25 A), la soudure des cellules de batterie est un problème. La connectique également, soumise aux diverses secousses, elle doit être parfaite.

Ainsi il est préférable de réaliser sa batterie avec des packs de 4 ou 6 cellules de Lipo , ou mieux Lipo4. Dans le cas où une cellule est défectueuse, il suffit de changer le pack dont la cellule est défectueuse.

Ces packs destinés au radio modélisme qui propose des moteurs de plus en plus puiissants, offrent des capacités très importantes, et sont largement capables de tirer un VAE..

On peut alors utiliser les chargeurs spécifiques du radiomodélisme qui restent à la maison et ne sont pas embarqués avec la batterie sur le vélo.

Selon son utilisation, on peut rouler avec un pack de 5 Ah, rajouter un ou deux packs de 5Ah lorsqu ‘on a besoin de plus d’autonomie. En cas de problème sur une cellule , on pourra toujours rouler avec une assitance.

Il ne manque plus qu’un module controleur ( sans BMS ) et un moteur roue.
les modules controleur existent tout faits, pas très chers. Hélas on a peu de détails sur leur composition. Il existe plusieurs types d’assistance, selon que le moteur est sur le pédalier ou sur une roue..Il faut en tenir compte dans le choix de son VAE selon son utlisation, et qu ‘on habite en plaine ou en montagne. Soit c’est une aide pour rouler plus vite, sans faire d’effort sportif, pour arriver frais au bureau , soit c’est une aide pour grimper les cotes.

La législation impose que l’assistance se coupe à 25 km/h

Dans un cas l’assistance se mettra en marche à partir de 4 km/h, dans l’autre cas , dès qu’on appuye sur la pédale..

Si le moteur est dans la roue, pour les moteurs de 250 W on trouve des roues avec un couple de 20, 30, ou 40 Nm. Un couple insuffisant toutefois pour démarrer en cote sans forcer comme une mule, surtout si l’on doit traîner une remorque chargée.

D’autre part il s’agit bien d’une assistance , ce n’est pas une mobylette électrique, et on peut doser l’assistance, pour économiser la batterie au plat..

Pour les régions de montagne, les villes avec des fortes pentes, un moteur dans le pédalier est préférable, à plus forte raison si on doit tirer une remorque chargée, car on dispose du réducteur de vitesses du vélo( pédalier chaine, ou boite de vitesse dans le moyeu, ce qui permettra d’augmenter le couple sous la roue dans de grandes proportions ( 300 à 500 % environ.) ..

Puis il existe deux types de moteurs, avec une gestion bien différente de la commutation des phases..

Ce n’est pas le controleur qui impose la vitesse du moteur, il lui fournit un courant donc un couple, et la commutation des phases dans le pont est asservi à la postion du rotor du moteur ( ecactement comme dans un mooteru à collecteur, c’est quand le rotor tourne que le collecteur tourne, que se fait la commutation.

De la même façon que dans un moteur de voiture, l’ allumage est synchronisé avec le villebrequin. ce n’est pas en augmentant la fréquince des étincelles à la bougie qu’on va plus vite, c’est en donnant du couple que le moteur va accélérer.

Rappel, les moteurs synchrones pilotés par un controleur, ont un bon couple au démarrage : c’est le I, le courant et le champ B qui donne le couple moteur Fx R quelle que soit la tension, et la vitesse. Sur un moteur à aimant permanent on ne peut hélas pas jouer sur le champ magnétique, mais les aimants sont assez puissants.et on aurait pas un champ aussi important avec un rotor bobiné, qui serait soumis à un échauffement. important.

Bien sur plus le moteur toutne vite, plus il a de fem, et donc de tension aux bornes, aussi le générateur devra fournir une puissance plus importante lorsque la vitesse augmente, pour le même courant stator. Mais le couple c’est le courant.

Si on alimente ce type de moteur à l’arret avec une batterie de 24v, c’est presque un court circuit. Il y aurait un courant extrèmement élevé, générant un couple énorme, mais le moteur grillerait très vite, aussi on doit limiter ce courant moyen avec le pont qui fait du tout ou rien., et n’a pas à dissiper de puissance ( enfin , si celle due au temps de commutation ).

Bien sur un moteur de 400 watts est plus puissant qu ‘un 250 w , mais le couple ça dépend de sa vitesse et de sa tension. P= C * oméga, et P = U * I

Ce qui fait chauffer le moteur c’est les pertes Joule P=R * I 2, et les pertes fer lorsque le champ magnétique varie dans un morceau de ferraille , c’est le cas du bobinage du stator. on peut controler les pertes Joule en limitant le courant moyen. les pertes fer, ça dépend de la construction du moteur..

il serait bien de pouvoir ajouter un sonde de température sur le stator..mais je crains hélas que ce soit difficile sur ce genre de moteur..

Pour la synchronisation des phases et créer un champ tournant dans les trois bobines du stator : Il existe des moteurs à capteurs à effet hall qui donnent la position du rotor, même à l’arret, ainsi on alimentera la bonne bobine du stator..

Mais pour des raisons d’économie , certains moteurs sont dépourvus de capteurs, et on reconstitue . la position du rotor avec la fem. Oui , mais voilà pour avoir une fem, le moteur doit déjà tourner à une certaine vitesse. Aussi l’assistance ne se mettra en marche qu ‘à partir d’une certaine vitesse.

L’ assistance aidera à rouler , mais pas à démarer en cote.

Or pour moi, c’est là que j’ai besoin d’assistance.

Cependant il existe des controleurs qui en l’absence de fem, vont piloter le moteur comme un moteur pas à pas, en démarrant très lentement , en aveugle, avec un gros couple.

On ne le trouve pas dans toutes les marques de VAE, mais certains ont une gachette, qui permet de faire rouler le vélo jusqu ‘à 4 à 6 km/h en marchant à coté ( donc sans toucher les pédales )

Le fonctionnement en pas à pas, en aveugle, ne permet pas de synchroniser le rotor pour avoir le couple maxi, peut être est -il nécessaire de soulager le moteur en étant pas sur le vélo..

Bien entendu il est préférable d’avoir un moteur avec le jeu de capteurs à effet hall, qui permet de démarrer en synchrone depuis l’arret..

Bien utile dans une file de voiture , en cote qui avance de manière saccadée pour laisser passer les piétons sur les passages.. On avance de qq mètres, puis stop..

L’interet de réaliser soi même son contrôleur est qu ‘on peut l’adapter parfaitement à ses besoins.. mais aussi à la pente.. Le VAE est concu pour que l’assisatance fournisse une partie de l’effort, et le cycliste le complément. Mais moi j’ai ma propre limite de puissance, bien inférieure à celle d’un grand sportif, et c’est le moteur qui doit automatiquement fournir le complément.

D’autre part , trainer une remorque de 15 kg avec un chien, dans une pente de 10 à 12 %, à 4 ou 5 km/h vitesse pour conserver l’équilibre, représente entre 80 et 100 watts selon une calculette.

Aussi j’envisage de mettre une petite assistance électrique sur la remorque, avec unpetit moteur dans chaque roue, pour passer les quelques raidillons que j’ai à franchir. cette solution permettrait de garder un velo dans les limites de la loi, et solliciterait moins le cadre et tous les autres éléments comme l’attelage..

La régulation serait autonome. Elle serait asservie à la pente mesurée avec un accéléromètre 3 axes , filtré . Et on régulerait sur un dispostif à jauge de contrainte ou autre placé sur le timon de la remorque. , de manière à réduire la force de traction à 1 kg ( par exemple ).

Dans les descentes, une remorque de 50 kg , ça pousse ! On ne trouev apas de remorque freinéee. Aussi un freinage sur résistance en descente, serait asservi à la pente et limiterait la possée de la remorque à 1kg.

Entre les deux – 1kg et +1 kg , ce serait une bande morte pour limiter les permutations accélérations – freinage , dans les diverses secousses qu’un attelage peut subir..

Ce système s’adapterait automatiquement à la charge de la remorque.

Il faudrait un controleur de pont par roue, et un processeur qui gère l’ensemble, avec deux sorties PWM.

Bien sûr il faut ajouter quelques sécurités complémentaires..

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