1. Objectif:

Réaliser un kit pour l'assistance électrique au pédalage,

adaptable facilement sur des vélos de cyclotourisme

A ce jour, il existe des dizaines de modèles de vélos électriques vendus dans le monde entier, principalement en Chine (plusieurs millions dans les années à venir), au Japon (200 000 chaque années), aux Etats-Unis.

Les prix, en France, varient de 3500 Francs (fabrication autrichienne?) à 15 000 Francs (Mercédès)

Plusieurs fabricants sont français (Sélectric, Pégase Evolution, MBK, Peugeot-Gitane, Renault?...), mais aucun ne semble assumer le marketing (qui pourrait profiter aux autres).

Plusieurs modèles de kits à installer soi-même sont en vente en Angleterre ou aux Etats-Unis ou en France.

Les technologies sont très diverses:

Les batteries sont majoritairement au Plomb, plus rarement NiCd, dans un logement spécifique le long d'une des barres de cadre, ou sur le porte bagage, ou dans les sacoches, ou sur le guidon.

L'entraînement se fait par galet sur la roue avant ou arrière, par cardan ou chaîne sur la roue arrière, par moteur –roue sur la roue avant ou arrière.

Les moteurs sont de tous types, avec des réducteurs adaptés aux rotations rapides ou lentes.

Au total, les vélos électriques les plus légers font 26 kg, à comparer aux 12 à 15kg des vélos normaux légers du marché. Ce poids relativement élevé semble être un facteur négatif vis à vis des acheteurs potentiels.

L'assistance électrique au pédalage est proposée sur tous les types de vélo: vélo pliant que l'on sort du coffre de la voiture garée en périphérie, ou que l'on transporte dans les transports en commun, vélo urbain homme ou femme, trottinette, tricycle.

Le vélo électrique peut servir au postier (ou à la postière), au vaguemestre, au livreur de petit colis (tricycle), au tireur de pousse-pousse (tricycle), à ceux qui chaque jour, ont un itinéraire accidenté ou un long faux plat venté.

Des locations de vélos électrique commencent à se faire en milieu urbain.

Une association d'hôtels du Luberon souhaiterait s'équiper de vélos de randonnée assisté électriquement (sous réserve d'une autonomie d'une centaine de kilomètres).

Le marché français pourrait très vite se développer, sous réserve d'une petite amélioration des performances et d'un coût raisonnable.

2. Règlementation

Pour être considéré comme un vélo et non comme un vélomoteur (qui nécessite assurance et casque obligatoire):

- assistance de 200W au maximum

- aucune énergie complémentaire ne doit être fournie au-delà de 25 km/h

- L'énergie ne peut être fournie que si le cycliste pédale.

C'est pour cela que les industriels parlent "d'assistance au pédalage" ou "de pédalage assisté" plutôt que de "vélo électrique".

La réglementation française est malheureusement un peu restrictive, car elle oblige à vérifier que le cycliste pédale (elle a probablement été écrite suite à un lobbying de Yamaha, à qui elle donnait une forte position sur le marché, du fait de la conception de ses vélos). Il est possible que la règlementation européenne assouplisse la position française.

A noter que le constructeur français Sélectric, dont le système ne teste pas le pédalage a obtenu de rester dans la catégorie des vélos en faisant valoir que son système ne fournissait de l'énergie qu'à partir de 7 km/h.

Il existe une ville américaine qui admet que les vélo électrique aient une assistance jusqu'à 500W (je suppose que c'est pour les tricycles ou les handicapés)

Le Canada, pour sa part, prend le problème avec une expérimentation en vraie grandeur, avec test sur une flotte de 400 vélos électriques auprès d'un large échantillon de population, afin de décider d'une règlementation en accord avec les vrais problèmes de sécurité.

3. Récupération en descente ou au freinage

Il est inutile de prévoir un système de récupération d'énergie. Les tests effectués en Luberon ont mis en évidence une sensation très désagréable d'avoir à pédaler sans ressentir physiquement aucun effet. Tout au plus pourrait-on admettre que l'on régule sa vitesse dans les descentes supérieures à 7% (équilibre entre l'énergie potentielle et la résistance de l'air à 30 km/h)

4. Commande

La culture française préfère la maîtrise de l'assistance à la conduite automatique. L'une ne doit donc pas exclure l'autre.

Le débrayage total est souhaitable. Un moteur couplé non actif consomme un peu d'énergie. Il faut éviter de donner au cycliste une sensation de léger freinage, toujours désagréable.

5. Puissances à mettre en jeu

Un cycliste et son vélo pèsent environ 100kg. Dans une rampe montée à 15 km/h, il faudra qu'il développe la puissance suivante (sans compter la résistance de l'air):

Poids kg	100	100	100	100	100	100	100	100	100	100	100
Vitesse km/h	15	15	15	15	15	15	15	15	15	15	15
Pourcentage %	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	15
Puissance	41	82	123	164	204	245	286	327	368	409	613

Un cycliste avec un coéfficient de pénétration dans l'air de 1 (au pire, mais sans compter les frottements), devra, en fonction de sa vitesse, développer la puissance suivante:

vent km/h	15	20	25	30	35	40	45	50	55	60	65
surface équivalente	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1
cx	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1
puissance vent	17	31	48	69	95	123	156	193	233	278	326

D'autre éléments de calcul issus du site "hhtp://slamproux.free.fr/bicyclet/num1012.htm" donnent:

- au minimum 20 kJoule pour 1 km à plat, soit 100W à 18 km/h (5m/s)

- un cycliste de 100kg consomme 981 Joule par mètre grimpé (équivalent à 49m à plat)

- sur une pente à 10%, on consomme 5 fois plus qu'à plat

- à 9km/h et 10%, on grimpe de 25cm par seconde, soit 250W pour la montée + 50W pour la progression

- à 12km/h (3,3m/s) et 6%, on grimpe de 20cm par seconde, soit 200W pour la montée et 66W pour la progression

- freiner de 25km/h à 0 disperse 2410 Joules

Avec un rendement de 50%, on peut espérer récupérer au freinage et dans les descentes. Mais le frein moteur dans les descentes de moins de 7% gâche le plaisir. Il faudrait alors un système qui limite la récupération d'énergie en fonction de la vitesse.

Rappel:

Joule: N-m m2-kg-s-2

Watt: J/s m2-kg-s-3

6. Batteries

- batterie au plomb: 50Wh par kg

- batterie Li-ion: jusqu'à 120Wh par kg

Une batterie au plomb (bien chargée et en en bon état) de 4kg pourra fournir 100W pendant 2h, soit une autonomie de 40 km en roulant à 20 km/h en pédalant sans forcer

Une batterie Li-ion de 3 kg pourra fournir une autonomie double.

Pour information, avec une batterie au plomb, un système qui récupérerait l'énergie produite par une descente de 100m, ne pourrait au mieux rendre cet énergie que sur 20m. Un rendement de 50% pourrait s'envisager avec des supercapacités ou avec un volant d'inertie, qui pèsent lourds et coùteraient fort cher.

A ce jour, les batteries Li-ion sont optimisées pour la micro-informatique portable et les caméscopes (pack de 40g max): pourraient-elles l'être (montées en série ou en parallèle ou..) pour 400Wh et 200W instantanés? Le marché est tel que l'on peut s'attendre à de sérieuses baisse des coûts dans les 10 ans à venir (environ 1 euro pour 10 Wh)

Il faut bien sûr avoir le chargeur suffisamment léger pour qu'il soit embarqué avec la batterie.

7. Autres éléments

7.1. Le coût de transport individuel en Chine.

Vu sur Internet (site?)

Amorti sur 7 ans, avec une supposition de revenu de 100 $ US/mois.

Un cycle coûte à l'achat 29 à 100 $
la taxe d'utilisation 1 $
le coût annuel de l'entretien 3 à 5 $
en mois de salaires investit par an : moins d'une semaine.

Un scooter à moteur thermique coûte à l'achat 840 à 1200 $
la taxe d'utilisation 120 $
le coût annuel de l'entretien et du carburant 200 à 350 $
en mois de salaires investit par an : 5.

Une bicyclette électrique coûte à l'achat 240 à 425 $
la taxe d'utilisation 1 $
le coût annuel de l'entretien et de la recharge 20 à 50 $
en mois de salaires investit par an : 2 semaines.

7.2. Autre réserve d'énergie

On trouve un vélo électrique d'une université américaine utilisant une pile à combustible de 500W.

http://www.mhtx.com/media_center/pressrelease24.htm

Il est possible d'étudier les supercondensateurs dont l'énergie massique devient concurrentielle.

Le volant d'inertie pose le problème de stabilité giroscopique.

7.3. Quelques sites:

http://www.currietech.com/e-product.html

http://www.elec-energy.com/

http://www.a2bmagazine.demon.co.uk/Electric%20price_tag.html

http://www.eps-propulsion.com/produits2.htm

http://www.wisechat.com/carl/e-bikes.htm

http://www.myles-rec.com/page5/page5.html

http://www.ouest-cycle.fr/OC_ELEC_doc.htm

http://www.essor-info.fr/technicrea/home/french/tcarech/tcarech.htm

http://www.legip.org/Projets/loca.htm

http://eshop.asia1.com/GPBATTERY/charge1.html

http://www.globtek.com/batteries_lionp2.html

http://www.ednmag.com/reg/1996/120596/25df_04.htm

http://cyclurba.free.fr/vae-menu.php

On peut en trouver des dizaines d'autres en cherchant:

Electric bikes

Vélo électrique

Pédalage assisté

Assistance au pédalage

Les sites trouvés ont des liens vers d'autres sites souvent intéressant

8. Spécifications

De nombreuses fabrications de vélos électriques ou de kits adaptables existent, presque toutes orientées vers le vélo urbain, avec des batteries de technologies anciennes.

Il n'existe pas sur le marché de kit adaptable orienté "cyclotourisme", visant une autonomie de 100km.

Il est de ce fait évident que l'intérêt des études doit se porter sur les batteries pour satisfaire les exigences suivantes:

- capacité de 400Wh en moins de 3kg

- puissance instantanée de 250W maximum

- 1000 cycles de charge sans perte de performance significative

- sécurité de charge/décharge dans toutes les situations

- étanchéïté

Pour le reste du système, les spécifications ci-dessous peuvent être proposées

8.1. Présentation générale

Le kit doit faire 6 kg au maximum (3kilogs de batterie, 2kg de moteur et transmission, 1kg de chargeur et électronique de commande). On peut imaginer des blocs de batterie de 2kg chacun.

Le bloc de batterie doit être amovible facilement, avec son chargeur intégré.

Le bloc moteur/transmission possède des étriers de fixation largement réglable pour une adaptation à la plupart des vélos du commerce.

8.2. Système de commande

Il n'est pas nécessaire de prévoir une commande au guidon.

Un simple levier accessible en roulant permet:

- le débrayage total

- une assistance réglable de 30 à 200W

Un système, visible en plein soleil, et solidaire du chargeur, permet de connaître la capacité restante de la batterie.

Le chargeur est équipé d'une prise 220V avec 50cm de câble

Le système de commande possède:

- un capteur pédalage, de préférence solidaire du bati moteur. (tension de chaîne, ou passage d'une dent de pédalier,...)

- un capteur de vitesse, solidaire du moteur.

- un variateur lié au levier de commande conditionné par l'embrayage, par la vitesse (paramétrage de la vitesse maximale de rotation du moteur) et par le pédalage

- optionnellement, un ampéremètre

8.3. Bloc moteur/transmission

Le moteur a une puissance maximale de 300W

La transmission est optimisée pour des pertes minimales et pour rendre possible le débrayage/embrayage en roulant.

(il est intéressant d'étudier le rendement d'une transmission par galet, comparativement à un système par chaîne et pignon à roue libre, ou avec un moteur-roue)

9. Proposition pour la transmission

Une solution proposée à l'étude est de réaliser un plateau (type plateau de pédalier) à "clipser" sur les rayons de la roue. Le pignon moteur (type pignon de vélo à roue libre) tourne librement dans le sens opposé à la marche. Le débrayage est alors automatique lorsque le moteur est coupé.

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