Vélo Électrique

Fonctionnement de l'assistance

L'assistance électrique d'un VAE n'est pas un moteur actionné en permanence. Elle est progressive et proportionnelle à l'effort fourni par le cycliste. L'assistance se déclenche uniquement lorsque l'utilisateur pédale et s'arrête au-delà de 25 km/h ou lorsque le pédalage cesse. C'est un système de coopération homme-machine.

Cadre réglementaire

En Europe, un VAE est défini par la directive 2002/24/CE :

• Puissance nominale continue du moteur ≤ 250 watts.
• L'assistance doit se couper à 25 km/h.
• L'assistance ne fonctionne que pendant le pédalage (pas d'accélérateur autonome sur la majorité des modèles homologués).

Respecter ces critères est essentiel pour bénéficier du statut de « cycle » et ne pas nécessiter d'immatriculation ou d'assurance spécifique.

Chaîne d'énergie du VAE

Elle décrit le cheminement et les conversions de l'énergie, de la source à l'actionneur final.

• Alimentation : Batterie Li-ion (énergie électrique chimique → électrique).
• Distributeur : Interrupteurs et commandes de l'utilisateur.
• Convertisseur : Contrôleur électronique de puissance (règle tension/courant pour le moteur).
• Actionneurs : Moteur brushless (énergie électrique → énergie mécanique).
• Transmission : Réduction mécanique (engrenages) et transmission vers la roue ou le pédalier.

Chaîne d'information du VAE

Elle gère le pilotage et la régulation du système à partir des consignes et des mesures.

• Acquisition : Capteurs (de couple/pression, de cadence, de vitesse).
• Traitement : Unité de contrôle (microcontrôleur) qui interprète les signaux des capteurs et les réglages utilisateur.
• Communication : Envoi des commandes (PWM) au contrôleur de puissance et affichage des informations sur l'écran.

Le moteur brushless (sans balais)

C'est le type de moteur universellement utilisé dans les VAE pour sa fiabilité, son rendement élevé et son faible entretien. C'est un moteur synchrone à aimants permanents. Le contrôleur électronique commute séquentiellement le courant dans les bobines du stator pour créer un champ magnétique tournant qui entraîne le rotor (aimants).

Comparaison des motorisations : moyeu vs pédalier

• Moteur dans le moyeu (avant ou arrière) :
  • Avantages : Simple, indépendant de la transmission, entretien facile, sensation « poussée ».
  • Inconvénients : Déséquilibre des masses, moins bon rendement dans les côtes (hors de la ligne de chaîne), moins naturel.
• Moteur au pédalier (moteur « central ») :
  • Avantages : Centre de gravité bas, utilisation des vitesses du vélo (meilleur rendement global), sensation d'assistance plus naturelle et progressive.
  • Inconvénients : Plus complexe, sollicite la transmission, généralement plus coûteux.

Le choix influence fortement le comportement dynamique et le ressenti du cycliste.

La technologie Lithium-ion

C'est la technologie dominante pour sa haute densité énergétique (Wh/kg) et son faible effet mémoire. Une batterie est constituée de plusieurs cellules montées en série (pour augmenter la tension, typiquement 36V ou 48V) et en parallèle (pour augmenter la capacité).

Capacité : Exprimée en Watt-heures (Wh). Elle se calcule par : Capacité (Wh) = Tension (V) × Capacité (Ah). Ex : une batterie 36V 10Ah a une capacité de 360 Wh.

Le Battery Management System (BMS)

Système électronique critique intégré à la batterie. Ses fonctions :

• Protection : Contre les surcharges, les décharges profondes, les surintensités et les courts-circuits.
• Équilibrage : Harmonise la charge et la tension entre les cellules pour optimiser la durée de vie.
• Estimation : Calcule et communique l'état de charge (SOC) et l'état de santé (SOH) de la batterie.

Les capteurs d'entrée

• Capteur de cadence : Souvent un capteur à effet Hall qui détecte le passage d'aimants sur le pédalier. Il indique si l'utilisateur pédale et à quelle vitesse.
• Capteur de couple (ou d'effort) : Mesure la force appliquée sur les pédales. Deux technologies principales :
  • Capteur de pression : Jauges de contrainte sur les axes ou les plateaux.
  • Capteur de déformation : Mesure la torsion de l'axe de pédalier.
  La combinaison cadence + couple permet de calculer la puissance musculaire instantanée.
• Capteur de vitesse : Généralement au niveau de la roue (aimant + effet Hall). Essentiel pour couper l'assistance à 25 km/h.

Le contrôleur électronique

C'est le « cerveau » du VAE. C'est un microcontrôleur qui :

• Reçoit les données des capteurs et de l'interface utilisateur (niveau d'assistance).
• Exécute un algorithme de contrôle pour déterminer la puissance d'assistance à fournir (souvent proportionnelle au couple pédalier).
• Génère des signaux PWM (Modulation de Largeur d'Impulsion) pour piloter les transistors du variateur de puissance qui alimentent le moteur brushless.

Calcul théorique de l'autonomie

L'autonomie (D) dépend de la capacité de la batterie (E_bat en Wh) et de la consommation moyenne du système (P_cons en W).

Formule de base : D (km) = [E_bat (Wh) / P_cons (W)] × V_moy (km/h)

Où P_cons est la puissance électrique moyenne tirée de la batterie. Une estimation grossière utilise la puissance d'assistance moyenne (P_ass) et le rendement global (η ≈ 0.75). P_cons ≈ P_ass / η.

Facteurs influençant l'autonomie

• Facteurs utilisateur : Poids du cycliste, effort fourni, niveau d'assistance choisi, vitesse moyenne.
• Facteurs environnementaux : Relief (dénivelé), vent, état de la route.
• Facteurs techniques : Rendement du moteur et du contrôleur, pression des pneus, état de la transmission.

Les fabricants indiquent souvent une autonomie « en conditions optimales », qui peut être divisée par deux ou trois en usage réel avec du relief.

Bilan de puissance d'un trajet

L'énergie totale nécessaire pour déplacer le vélo provient de deux sources : le cycliste (P_cycl) et la batterie (P_elec). La puissance mécanique totale à la roue (P_roue) est :

P_roue = P_cycl + P_mot_mec, où P_mot_mec est la puissance mécanique fournie par le moteur.

La puissance électrique prélevée à la batterie (P_bat) est supérieure à P_mot_mec à cause des pertes : P_bat = P_mot_mec / η_mot, où η_mot est le rendement du groupe moteur+contrôleur (souvent entre 75% et 85%).

Rendement global et intérêt du VAE

Le VAE améliore considérablement l'efficacité énergétique du déplacement par rapport à une voiture. Alors qu'une voiture thermique a un rendement global très faible (<30%), le couplage moteur électrique efficace et effort humain permet un déplacement avec une très faible consommation d'énergie primaire (en g/kWh équivalent). Le VAE est l'un des modes de transport motorisé les plus efficaces.

Synthèse du système VAE

Le VAE est un système cyber-physique où les chaînes d'information et d'énergie sont étroitement couplées. L'assistance est le résultat d'un boucle de régulation : les capteurs mesurent l'effort et la cadence, le contrôleur calcule et applique une assistance proportionnelle via le moteur, ce qui modifie les conditions de pédalage, et ainsi de suite.

Évolutions technologiques

• Batteries : Vers des densités accrues (Li-S, Li-air) et une durée de vie prolongée.
• Connectivité : Intégration GPS, anti-vol, diagnostic à distance.
• Motorisation : Moteurs plus légers et intégrés, récupération d'énergie au freinage (moins répandue sur les VAE).
• Capteurs : Développement de capteurs de couple plus précis et moins chers.

Le VAE illustre parfaitement la convergence de la mécanique, de l'électrotechnique et de l'informatique dans un objet du quotidien.