La technique du VAE

Les fondamentaux du vélo électrique

par Christophe Bayard, chargé de mission technique


Les bases de l’électricité : tension/ courant/puissance/énergie.

1- Tension/ courant :

On peut faire une analogie entre l’électricité et l’hydraulique afin de mieux visualiser mentalement ce qui se passe dans un circuit électrique : la tension est l’équivalent de la hauteur d’eau (ou pression) et le courant est l’équivalent du débit.

IMPORTANT : on ne peut pas imposer une valeur de courant dans un circuit pas plus qu’on ne peut imposer une valeur de débit dans un tuyau.

Le débit est le résultat de la hauteur du niveau d’eau et de la « résistance »  du tuyau. Même avec une grande hauteur, si le tuyau est partiellement bouché, le débit sera tout petit.

De même, le courant dans un circuit électrique sera fonction de la tension du générateur et de la résistance du circuit. Ex: dans un court-circuit le courant est énorme car la résistance est très faible (fil).

Le courant et la tension sont liés par la résistance du circuit via la loi d’Ohm :

2- La puissance 

Lorsqu’on fait fonctionner diverses lampes à incandescence normalement, c’est-à-dire sous leur tension nominale, on s’aperçoit que certaines éclairent mieux que d’autres.

Une lampe de video-projecteur (24V) éclaire plus que la lampe d’un lustre dont la tension est  pourtant plus élevée : 230V.

La grandeur en relation avec l’éclairement de ces lampes, ce n’est ni la tension, ni l’intensité mais la puissance électrique.

Cette puissance s’exprime en watt (symbole W).

La puissance P consommée par un appareil en courant continu est égale au produit de la tension U à ses bornes par l’intensité I du courant qui le traverse.

P = UI 

P: puissance en watt
U: tension en volt
I: intensité en ampère

Ex : Si le générateur (la batterie) délivre une tension de 36V et que le courant est de 7A, alors le récepteur (moteur ou lampe) reçoit une puissance de 36×7=252W

Attention : on ne maitrise toujours pas le courant dans le circuit. Il dépend de la  résistance  du circuit, donc on ne maitrise pas complètement la puissance. Elle dépend de la « résistance » du récepteur (moteur, lampe, etc)

Question : sur quoi pourrait-on agir pour maitriser la puissance envoyée puisqu’on ne maitrise pas la résistance du circuit ?
Réponse : la tension

3- Energie :

L’énergie électrique consommée par un appareil est égale au produit de sa puissance : P consommée par la durée t de son fonctionnement

E = Pt 
E : énergie en Wh
P : puissance en W
t : temps en heure

A noter : on voit souvent l’erreur classique de la notation W/h ou kW/h à la place de Wh ou kWh

Un appareil très puissant fonctionnant peu longtemps consomme la même énergie qu’un appareil peu puissant mais fonctionnant longtemps.

Illustration : Si je monte l’Alpe d’Huez avec un VAE à moteur de 500W, je vais mettre 30mn ;
avec un VAE de 250W je vais mettre 1h ;
Mais l’énergie dépensée sera identique : 250Wh  (250Wx1h ou 500Wx0.5h)

La réalité est un peu différente à cause des pertes et d’autres facteurs mais le raisonnement est correct : l’énergie dépensée est la même car c’est celle nécessaire pour effectuer le travail qui est identique dans les 2 cas : monter sur 1200m de haut une masse de 100kg. Le temps pour faire ce travail ne change rien à l’affaire.

Question : comment calcule-t-on l’énergie nécessaire ?
Réponse : E=mgh    100kg x 9.81 x 1200= 1.177.200J soit 327Wh


Eléments constitutifs principaux d’un VAE

Le moteur peut se trouver dans le moyeu de la  roue avant, de la roue arrière ou dans le pédalier. C’est le moteur qui fournit la puissance de l’assistance.

Le contrôleur de moteur est un boitier électronique qui converti la puissance issue de la batterie pour la délivrer au moteur suivant un certain nombre de paramètres comme le niveau d’assistance, la vitesse de pédalage, la vitesse du vélo, la force d’appui sur les pédales, etc.  Chaque marque et chaque contrôleur gère de manière différente le transfert de puissance entre la batterie et le moteur.

Le contrôleur de moteur a besoin de capteurs pour savoir comment réguler la puissance du moteur. Les principaux sont : le capteur de pédalage (appelé Pedelec), le capteur de vitesse du vélo, les boutons de réglage d’assistance et parfois une commande manuelle (gachette). La plupart des VAE possèdent également un indicateur au guidon (et/ou cycle-analyst) donnant des informations sur la vitesse, le niveau d’assistance, le niveau de batterie, etc.

La batterie est un élément clé de l’assistance électrique. C’est le réservoir d’énergie. Elle peut être placée à différents endroits sur le VAE. Pour la recharge de la batterie, on utilise soit un chargeur solaire qui tire son énergie des panneaux photovoltaïques soit un chargeur secteur branché sur une prise de courant domestique.

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La batterie :

La batterie doit être l’objet de toutes les attentions du possesseur de VAE. C’est un gros pourcentage du prix du dispositif d’assistance électrique. De plus la pérennité de certaines marques de VAE ne permet pas toujours d’espérer pouvoir remplacer la batterie lorsque celle-ci sera en fin de vie. Il existe cependant des filières de remplacement des éléments internes en gardant le « contenant » du réservoir.

La batterie est le réservoir d’énergie et il  en contient peu. On qualifie la « contenance » de ce réservoir en Wh ou en Ah (pour une tension connue). Pour comparer différentes technologies de batteries, on utilise la notion de densité énergétique en Wh/kg. A titre d’exemple, dans une batterie lithium de 2.5kg, on a environ 400Wh soit environ 160Wh/kg. C’est beaucoup plus que les anciennes batteries au plomb qui contenaient seulement 30Wh/kg mais c’est beaucoup moins que l’essence qui contient environ 12000Wh/kg !!

N’oublions pas le chargeur, élément indispensable à la batterie qui permet de « remplir le réservoir » à partir de l’énergie du courant domestique classique 230V. Cet élément est  un facteur important pour la durée de vie et la sécurité de la batterie. Il faut toujours vérifier que l’on utilise un chargeur adapté à la batterie. il faut donc toujours vérifier pour quel type de batterie le chargeur est prévu. C’est indiqué dessus. Il faut ensuite vérifier la tension maxi indiquée (on peut aussi la tester au multimètre). Le seul point moins critique est le courant (en A ou mA) qui peut

N’oublions pas le chargeur, élément indispensable à la batterie qui permet de « remplir le réservoir » à partir de l’énergie du courant domestique classique 230V. Cet élément est  un facteur important pour la durée de vie et la sécurité de la batterie. Il faut toujours vérifier que l’on utilise un chargeur adapté à la batterie. il faut donc toujours vérifier pour quel type de batterie le chargeur est prévu. C’est indiqué dessus. Il faut ensuite vérifier la tension maxi indiquée (on peut aussi la tester au multimètre). Le seul point moins critique est le courant (en A ou mA) qui peut être un peu différent d’un chargeur à l’autre sans grande importance. La charge sera plus ou moins rapide. Pour la recharge en solaire, voir le paragraphe correspondant.

Les cellules individuelles  : peuvent se présenter sous plusieurs formes : cylindriques, plates souples, etc.  Chaque cellule possède une tension faible (entre 1 et 4V env.) et une capacité également faible (entre 2 et 10Ah env.) Elles sont associées en série pour augmenter la tension totale de la batterie et en parallèle pour augmenter la capacité de la batterie.

Tensions mini/maxi  suivant la technologie :

Nimh : Mini 1V,  maxi 1.5V, Nom 1.2V

LiPo/LiMn : Mini 2.8V, maxi 4.2V, Nom 3.6V

LiFePo4 : Mini 2.5V, maxi 3.65V, Nom 3.3V

Ces tensions mini/maxi sont à respecter impérativement en particulier sur la chimie lithium. Des tensions mini/maxi au-delà de ces limites endommagent définitivement les cellules.

La tension nominale d’une cellule est la tension moyenne pendant la majeure partie de sa plage d’utilisation

– Couplage de cellules:

En série : les tensions s’ajoutent et les capacités restent identiques.

Exemple : 10 cellules 3.6V 2Ah en série font 36V et 2Ah

En parallèle : les capacités s’ajoutent et les tensions restent identiques.

Exemple : 5 cellules 3.6V 2Ah en parallèle font 3.6V et 10Ah

Quelques exemples :

Une batterie 24V 10Ah Nimh est constituée de 20 cellules de 10Ah en série (20S1P)

Une batterie 24V 10Ah LiMn est constituée de 7 étages de 5 cellules de 2Ah (7S5P)

Une batterie 36V 14Ah LiMn est constituée de 10 étages de 5 cellules de 2.8Ah (10S5P)

Une batterie 36V 15Ah LiFePo4 est constituée de 12 étages de 3 cellules de 5Ah (12S3P)

Une batterie 48V 14Ah LiMn est constituée de 13 étages de 5 cellules de 2.8Ah (13S5P)

Une batterie 48V 15Ah LiFePo4  est constituée de 16 étages de 3 cellules de 5Ah (16S3P)

Question : Quel est le couplage de la batterie présentée en haut de page (4S2P)

– Capacité et puissance délivrable de la batterie

La batterie constituée de son assemblage série/parallèle possède donc une tension totale (en V) et une capacité (en Wh ou Ah).

La puissance délivrable est également fonction de la capacité. C’est comme si une voiture avait une puissance maxi fonction de la taille du réservoir de carburant.

La puissance maxi que peut donner une batterie est plafonnée par le BMS qui a été programmé pour maintenir le meilleur compromis entre la  durée de vie de la batterie et la puissance délivrable.

On estime qu’une puissance maxi de 2C en décharge est raisonnable (on peut faire plus au détriment de la durée de vie) pour les batteries lithium actuelle soit une puissance (en W) égale à 2x la capacité (en Wh)

On limitera donc en décharge une batterie 10Ah à un courant de 20A soit 720W pour 36V

En charge, le courant max sera limité à 0.5C soit 5A pour une batterie de 10Ah.

– Durée de vie

La durée de vie d’une batterie est fonction de nombreux paramètres. Les principaux sont le nombre de cycles, la profondeur de décharge des cycles, la température et la tension maxi.

Plus on décharge profondément une batterie à chaque cycle, plus sa durée de vie est courte. Une batterie a aussi une durée de vie calendaire : elle s’use même sans qu’on l’utilise.

 

– Effet de la température

Les basses ou hautes températures ont une influence néfaste sur la capacité de la batterie en décharge mais aussi en charge. Toujours respecter les valeurs suivantes :

En charge: de 0 à 45°C

En décharge: de -20°C à +60°C

Il ne faut donc JAMAIS charger une batterie Lithium si la température de la batterie est négative. De même, éviter de charger juste après une décharge sévère (qui aura fait chauffer la batterie).

– Effet de la tension maximale

La durée de vie de la batterie est également fonction du temps qu’elle passe à sa tension maximale. Ainsi une batterie chargée à 100% sans être utilisée va perdre plus vite en durée de vie qu’une batterie chargée seulement à 90%. Pour être stockée sans utilisation, il vaut mieux une charge aux environs de 70% et surveiller de temps en temps que l’état de charge n’est pas descendu trop bas à cause de l’autodécharge.

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Le moteur

Le moteur est l’élément qui va transformer la puissance électrique (P=UxI) en puissance mécanique (P=Cw).Cette transformation se fait avec des pertes en chaleur dissipées dans le moteur. Les pertes sont fonction notamment du type de moteur, de la valeur du courant, de la vitesse de rotation.

– Les types de moteur et leurs branchements :

Il existe plusieurs types de moteurs et plusieurs positions possibles du moteur sur le vélo :

La position du moteur sur le vélo fait débat chez les amateurs et chaque système a ses avantages et inconvénients. Un élément majeur de différenciation est que le moteur central tourne à la vitesse de pédalage alors que les 2 autres tournent à la vitesse de la roue.

La plupart des moteurs actuels de VAE sont dit « Brushless » ou sans balais (charbons). On les repère à leurs 3 gros fils de puissance : généralement de couleur bleu/vert/jaune. Une majorité de ces moteurs possèdent aussi 5 petits fils fins venant des capteurs magnétiques (dits capteurs « hall ») nécessaires au fonctionnement du contrôleur. (certains controleurs n’ont pas besoin es capteurs Hall. On les appelle « sensorless »).

Les moteurs brushless sont des moteurs « triphasés » à aimants permanents. Ils nécessitent un contrôleur spécifique pour les faire fonctionner. On ne peut pas les tester en les branchant en direct sur une batterie.

Il existe également des moteurs dont le contrôleur est intégré à l’intérieur du moteur. C’est notamment le cas des moteurs pédaliers. Dans ce cas, seulement 2 gros fils de puissance (rouge et noirs) entrent dans le moteur mais également un certain nombre d’autres fils nécessaires au fonctionnement du contrôleur (voir chapitre sur les branchements des contrôleurs.)

– Les moteurs-roues sont de 2 types : entrainement direct ou réducté :

Le moteur à entrainement direct tourne à la vitesse de la roue et est également entrainé par celle-ci dans les descentes. Il peut donc servir de génératrice pour recharger la batterie.

Le moteur réducté tourne à une vitesse supérieure proportionnelle à celle de la roue grâce à des engrenages. Il possède généralement une roue-libre interne qui fait que le moteur ne tourne pas en descente : le moteur peut entrainer la roue mais la roue ne peut pas entrainer le moteur. Il ne peut donc pas servir de génératrice.

Un moteur n’a pas une tension «spécifique » d’utilisation. Sa vitesse de rotation est directement fonction de la tension appliquée. Un même moteur peut aussi bien fonctionner en 24V qu’en 48V. Il tournera seulement plus lentement en 24V. Le contrôleur de moteur modulera la tension appliquée pour obtenir la vitesse voulue.

Le bobinage du moteur peut encaisser un courant maximal défini par plusieurs critères dont le diamètre du fil de bobinage et la capacité de dissipation thermique. Le courant est donc la principale limite d’un moteur. Le couple de retenue du moteur défini le courant dans les bobinages. (Plus le moteur « force », plus le courant est élevé.)

La puissance délivrée par le moteur est le produit du couple par la vitesse de rotation : P=Cw et donc fonction du produit : tension x courant. La puissance délivrable par le moteur est donc fortement influencée par le courant que peut lui envoyer le contrôleur de moteur.

Rappel, le couple (donc le courant) est imposé par les conditions de roulage : pente, masse, accélération.

Question : quelle puissance délivre le moteur lorsqu’on accélère à fond roue bloquée ?
Réponse : puissance mécanique nulle puisque la vitesse est nulle !

– Rendement, puissance, vitesse, couple du moteur :

Mon moteur chauffe ! il ne délivre pas de puissance ! pourquoi ?

Le rendement du moteur est le ratio entre la puissance mécanique qu’il délivre et la puissance électrique que l’on y envoie. La puissance mécanique est le produit de la vitesse par le couple. Lorsque le rendement est élevé la quasi-totalité de l’énergie électrique est transformée en énergie mécanique propulsant le moteur. Lorsque le rendement est faible une grande partie de l’énergie électrique est transformée en chaleur laissant peu d’énergie mécanique.

On voit bien sur ce graphe que le rendement est maximum dans une zone de vitesses assez limitée et qu’il chute très vite en dessous de cette vitesse. C’est ce qui explique qu’à faible vitesse, un moteur roue chauffe beaucoup et assiste peu. Il est donc plus avantageux du point de vue énergétique de fonctionner dans une zone ou le rendement est bon même si la puissance y est plus élevée.

Concrètement, avec un moteur roue, il vaut mieux envoyer plus de puissance et rouler à 15km/h en côte que de limiter la puissance et rouler à 9km/h. la dépense énergétique sera plus faible pour monter la côte sera plus faible à 15km/h qu’à 9km/h !

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Le contrôleur de moteur :

Le contrôleur est un boitier électronique qui reçoit l’énergie venant de la batterie et la « module » en fonction de différents paramètres vers le moteur pour lui donner plus ou moins de vitesse et plus ou moins de puissance.

– Comment le contrôleur module la puissance envoyée au moteur ?

Il faut se rappeler que le courant dans le moteur donne le couple et  dépend donc de la résistance qu’oppose le moteur à sa rotation. Mais le courant dépends aussi de la tension que l’on applique (voir analogie hydraulique). Le contrôleur module donc la tension batterie pour moduler la puissance distribuée au moteur. Cette modulation est choisie en fonction des capteurs et des algorithmes choisis par le constructeur qui peuvent être très différents d’un contrôleur à un autre.

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Périphériques du contrôleur :

Le capteur de pédalage :

son rôle est de détecter  que les pédales tournent.(respect de la législation sur les VAE). Il mesure également (sur certains contrôleurs) la vitesse de pédalage pour adapter l’assistance. Il est généralement apparent et situé au niveau du pédalier, soit derrière le plateau soit du côté opposé au plateau. Sur certains vélos il n’est pas apparent et intégré au pédalier ou au moteur dans le cas d’un moteur pédalier. Le capteur de pédalage est constitué d’un disque tournant qui comporte un nombre variable d’aimants et d’un capteur fixe qui détecte le passage des aimants.

L’accélérateur manuel (gâchette ou poignée) :

Son rôle est de moduler la puissance envoyée au moteur en fonction de la position de la gâchette. Suivant les algorithmes du contrôleur, il peut, ou pas être assujetti à la rotation des pédales.

Le capteur de freinage :

La plupart des VAE possèdent un ou deux capteurs de freinage situés dans les poignées de frein. Le rôle principal est de couper le moteur lorsque l’on actionne un frein. Un rôle additionnel dans certains cas de vélos à moteur direct drive est d’actionner le freinage régénératif qui renvoie de l’énergie dans la batterie lors du freinage.

Console d’affichage et de commande :

La console permet d’afficher des informations sur la vitesse, la puissance, le niveau d’assistance, etc. chaque console est différente et de nombreuses options existent. La console est généralement associée à des boutons de commande qui permettent de moduler le niveau d’assistance ou d’autres actions.


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