Vélo 100% électrique avec récupération d'énergie

[invite722c19ff]

Bonjour, je suis nouveau sur le forum bien que j'y jette souvent un oeil pour trouvez les réponses aux questions que je me suis posées en sciences jusqu'à maintenant. Sauf que là, je ne trouve pas les réponses, sûrement car mon problème est très spécifique!
Je travaille avec un groupe sur un projet de vélo 100% électrique, sans transmission mécanique, avec un moteur dans la roue arrière pour permettre de faire avancer le vélo et un alternateur au pédalier pour permettre de récupérer l'énergie du pédalage. L'objectif de mon montage est de faire varier la résistance au pédalage pour que l'utilisateur ressente la difficulté liée au profil du terrain (pentes, descentes) comme sur un vélo classique. En plus de devoir gérer l'effort, je souhaite aussi gérer la récupération d'énergie afin que le pédalage serve à alimenter la batterie qui alimente à son tour le moteur de la roue arrière. J'ai conscience que ce vélo aura un rendement bien moindre qu'un e-bike ou un vélo classique mais là n'est pas la question.
En ce moment, je bute justement sur la partie récupération d'énergie et simulation de l'effort.
J'ai réalisé un schéma électrique pour illustrer cette partie:

(prévenez moi si la photo ne s'affiche pas je ne suis pas certain de bien m'y prendre)
Description de mon montage (je vais le décrire en partant de la droite):
-A la sortie de mon alternateur (qui est un moteur brushless), je compte mettre un redresseur afin de passer en courant continu. Pour que la tension au borne de ma batterie (lithium-ion 36V) permette la recharge, j'utilise un hacheur boost qui va me permettre d'avoir une tension de 42V en sortie. Je dois donc régler le rapport cyclique alpha de mon hacheur boost pour que cette tension de sortie soit toujours égale à 42V bien que ma tension E en entrée du hacheur varie en fonction de la vitesse de pédalage (pour mesurer cette tension d'entrée je compte utiliser une relation avec la vitesse de rotation de l'alternateur que je récupère grâce à un moteur encodeur relié à mon Arduino).
-Une fois la tension régulée, je souhaite que le courant circulant dans ma batterie ne dépasse pas 4,2A (batterie de 14Ah), pour cela j'utilise donc une résistance de délestage (1Ohm) en parallèle de ma batterie (modélisée ici par source de tension idéale et résistance interne en série) et deux SSR (Solide State Relay) commandés par 2PWM (alpha 1 et alpha 2) de mon Arduino pour que le courant supplémentaire aille se dissiper dans la résistance et n'endommage pas ma batterie.
-On voit aussi sur mon schéma que mon moteur est relié à ma batterie, or je ne peux pas recharger et décharger ma batterie simultanément, dans ce cas comment faire pour que l'énergie du pédalage ne soit pas perdue et serve peut être à alimenter le moteur pour tirer un peu moins sur la batterie.
-Enfin, je souhaite commander ces PWM pour faire varier l'effort ressenti par le cycliste. Je me dis que plus les PWM ont un rapport cyclique proche de 1, plus il y aura du courant dans mon circuit et plus le pédalage sera difficile, ce que j'ai d'ailleurs un peu vérifié sur un banc d'essai en faisant tourner l'alternateur à vide puis branché avec une résistance.

Plusieurs questions se posent alors:
Quelle relation existe-t-il entre le tension en sortie de mon alternateur et sa vitesse de rotation? Je sais que pour un MCC, E=K*w, mais qu'en est-il pour un moteur brushless AC?

Quelle relation existe-t'il entre l'intensité en sortie de mon hacheur et les rapports cycliques alpha 1 et alpha 2 de mes PWM? En modélisant ma batterie comme une source de tension idéale Ve en série avec une résistance interne Rs j'ai la relation:
ismoy=(Vs/R)*alpha2+((Vs-Ve)/Rs)*alpha1 (je raisonne donc sur un is moyen c'est à dire sur un cycle de mon PWM, ce qui sera selon moi l'intensité "perçue" au pédalage.

Quelle relation existe-t-il entre cette intensité moyenne et mon couple résistant? Je pensais à :
Cr=(3/2)*K*cos(psi)*is d'après une thèse sur la modélisation du moteur brushless mais je ne suis pas sûr de moi.

Quelle relation existe-t-il entre le couple moteur de ma roue arrière et le couple résistant ressenti au pédalage? J'estime pour l'instant que:
Cr=Cmot*wmot/wpédalier

Enfin, comment gérer la recharge et décharge "simultanée" de la batterie? J'imagine que si mon intensité en sortie de hacheur is est inférieure à l'intensité demandée par mon moteur im, alors ma batterie sera en décharge et im=is+ib. Si par contre mon is est plus grande que im, alors je pourrai envoyer is-im dans ma batterie pour la recharger.

J'aurais par la suite d'autres questions, notamment comment gérer tout cela lorsque la batterie est pleine et que le courant qui y circule est très faible etc... Mais je pense avoir posé déjà pas mal de questions!

Merci beaucoup d'avance aux personnes qui se pencheront sur mon problème, toute aide ou idée est la bienvenue dans ce projet!

Hugo
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[invitef29758b5]

Salut

Quelle relation existe-t-il entre le tension en sortie de mon alternateur et sa vitesse de rotation? Je sais que pour un MCC, E=K*w, mais qu'en est-il pour un moteur brushless AC?

Le brushless est considéré comme un moteur à courant continu , le contrôleur remplaçant le collecteur .
Les formules sont les mêmes .

[invite722c19ff]

Ok super alors, ma mesure de la vitesse de rotation suffira donc pour remonter à E! Merci Dynamix

[invited50968a3]

bonjour,
avant même de vouloir porter attention à la question posée (),
je bute sur l'idée de positionner l'alternateur (dynamo) au pédalier!?
pour moi, faisant du vélo, l'énergie à récupérer est:
dans les descentes (dynamo) et au freinage (magnéto-friction?)

ps: j'ai un vélo électrique, limité à 25km/h, et le moteur (roue) freine dès lors que je "dépasse" ces 25 km/h ! (et c'est ainsi que j'entretiens ma forme physique, à pédaler/forcer à 26 km/h alors que ça freine!.. je peux ajouter que c'est un peu frustrant dans certains cas et à la longue!)
ps2: si j'ai vu dans une émission-tv d'il y a quelques années (à San-Fransisco si je me rappelle bien), un tel vélo qui rechargeait sa batterie par dynamo, je n'en ai trouvé AUCUN disponible ou même proposé à la vente!... et je ne m'explique pas ce phénomène!? .. (si demain c'est le blackout, mon vélo électrique sera simplement obsolète!!).. et donc je trouve que ce projet de faire un vélo électriquement assisté à batterie rechargeable par dynamo&autres est vraiment d'actualité! (bravo****!)

[A voir en vidéo sur Futura]

[invite722c19ff]

avant même de vouloir porter attention à la question posée (),
je bute sur l'idée de positionner l'alternateur (dynamo) au pédalier!?

Justement dans notre projet nous n'avons plus de chaîne, toute l'énergie produite par le pédalage ne permet donc plus de faire tourner directement la roue arrière et d'avancer mais uniquement de recharger notre batterie.

ps: j'ai un vélo électrique, limité à 25km/h, et le moteur (roue) freine dès lors que je "dépasse" ces 25 km/h ! (et c'est ainsi que j'entretiens ma forme physique, à pédaler/forcer à 26 km/h alors que ça freine!.. je peux ajouter que c'est un peu frustrant dans certains cas et à la longue!)

Il me semble que pour la plupart des vélos électriques classiques au-delà de 25km/h l'assistance s'arrête mais le moteur ne rend pas le pédalage plus difficile grâce notamment à un système de roue libre.

je trouve que ce projet de faire un vélo électriquement assisté à batterie rechargeable par dynamo&autres est vraiment d'actualité! (bravo****!)

Merci, un autre système très intéressant est celui-ci: https://www.zehus.it , c'est un moteur avec batterie intégrée qui permet aussi de faire de la récupération d'énergie en utilisant le frein moteur!

[invited50968a3]

merci de la réponse et surtout de la précision du concept:
énergie mécanique -> stockage batterie (électrique) -> moteur électrique = Moteur actionnant la Roue
si je comprends bien,
à l'instant zéro (batterie déchargée), on doit pédaler "dans le vide" (moyennant "résistance") pour charger la batterie AVANT que le moteur ne puisse mettre en action/rotation la roue... (ou bien, précisément?, tu cherches à ce que "ce" minimum d'énergie mécanique soit transformée en énergie électrique propre à alimenter le moteur électrique d'une énergie suffisante pour faire tourner la roue.. ? [ce qui, à première vue de nez, me semble impossible! mais bon ok pourquoi pas])
je commence à piger le concept..
Mais,
je reste dubitatif..
Question: si la batterie est naze ou le moteur out, peut-on encore utiliser ton vélo, c-à-d rouler avec?

+ nb: mon vélo est Giant Roam-XR (technologie de 2012?),
et je peux te dire, voire Affirmer, qu'il freine-moteur et qu'il est impossible de dépasser 29 km/h!! (certes, ok, il me suffirait d'éteindre le système pour profiter du roue-libre, mais à l'usage je ne le fais pas.. sans doute parce que ce serait trop contraignant en terme d'Attention dans le pilotage alors que j'aspire simplement à rouler à vélo, voire me vider la tête, et pas optimiser à tout crin ma performance de déplacement d'un endroit à un autre!)
(par après, "ils" ont mis le moteur au pédalier et changé le système de contrôle pour lequel on trouve des astuces ou des kits de débridage... mais pas pour le mien!)

[trebor]

Bonjour à tous,

Ce genre de vélo sans chaîne de transmission du pédalier à la roue n'aura pas l'avantage d'aider le moteur lorsque la route monte.

Cela va peut être réduire la distance pouvant être parcourue par ce vélo pour une batterie de capacité identique aux deux types de vélos.

De plus en cas de panne ou de la décharge de la batterie la route étant montante, vous devenez un piéton, aucun moyen de monter à vélo ou de revenir chez vous à vélo.

Avec une chaîne et un triple plateaux au pédalier et 10 pignons arrière, c'est facile même si la route est pentue.

Il me semble que recharger une batterie pendant que la batterie alimente le moteur n'est pas possible, c'est le moteur qui va absorber tout le courant fourni par le pédalage et la batterie ne recevra rien, la batterie se déchargera seulement un peu moins rapidement.

[phys4]

Enfin, comment gérer la recharge et décharge "simultanée" de la batterie? J'imagine que si mon intensité en sortie de hacheur is est inférieure à l'intensité demandée par mon moteur im, alors ma batterie sera en décharge et im=is+ib. Si par contre mon is est plus grande que im, alors je pourrai envoyer is-im dans ma batterie pour la recharger.

Bonjour,
Je pense que pour avoir un bon rendement et la souplesse que vous demandez, il vous faudrait des moteurs avec courant d'induit pour faire varier le champ magnétique.
Cela vous permet d'avoir une tension constante sur le générateur avec une vitesse de pédalier variable, et de faire varier la puissance demandée en fonction de la pente.
De même pour moduler le couple moteur et s'adapter aux conditions avec une tension d'alimentation fixe.
Avec ce montage, vous auriez un ensemble homogène dans le quel les trois éléments génératrice, accumulateur et moteur pourrait être branchés directement en parallèle.
Vous résolvez le problème de charge et décharge simultanée : le moteur peut recevoir du courant du pédalier et de l'accumulateur dans les montées, tandis que l'accumulateur recevra du courant du pédalier et du moteur dans les descentes.
Le contrôle des puissances et les fonctions demandées seraient assurés par l'asservissement des courants d'induits.
A noter qu'il n'existe pas encore de vélo capable de recharger leur accu dans les descentes.

[XK150]

Bonjour ,

Les moteurs BionX fonctionnent en générateur dans les descentes avec 4 modes de charge : http://www.velo-bionx.com/Technologi...enerateur.html

[harmoniciste]

Bonjour,
La récupération d'énergie avec votre dispositif 100% électrique va très certainement récupérer moins que le supplément d'énergie consommé par ses pertes.
Sur un aller-retour de 10 km par exemple, quelle énergie est dissipée dans le freinage d'un bon vieux vélo à chaîne?
Si vous parveniez à en récupérer 80%, combien cela représente-t-il par rapport au pertes permanentes du générateur + pertes du contrôleur+ pertes du moteur ?

[invite722c19ff]

Je pense que pour avoir un bon rendement et la souplesse que vous demandez, il vous faudrait des moteurs avec courant d'induit pour faire varier le champ magnétique.

Merci pour ces informations. Si je comprends bien, il faudrait que j'utilise un alternateur comme celui qu'on trouve dans les voitures? Ce que je ne comprends pas, c'est si on régule l'induit pour avoir une tension constante, alors comment fait on pour faire varier l'effort? Car P=U*I donc si ma tension U est constante je ne peux plus réguler I et donc faire varier la résistance??

La récupération d'énergie avec votre dispositif 100% électrique va très certainement récupérer moins que le supplément d'énergie consommé par ses pertes.

Le rendement d'une transmission mécanique pignons-chaîne est effectivement bien meilleure (98%), mais je cherche avant tout à développer un nouveau concept (affranchissement total de la transmission mécanique donc plus de problème de déraillement, rapports illimités, vélo très épuré). Je cherche cependant à déterminer quels seraient les meilleurs composants pour améliorer le plus possible le rendement, surtout au niveau de l'alternateur. J'effectue ce projet dans un cadre scolaire, mon but est donc de prouver qu'un tel vélo est réalisable mais pas d'en lancer la production!

[invite722c19ff]

à l'instant zéro (batterie déchargée), on doit pédaler "dans le vide" (moyennant "résistance") pour charger la batterie AVANT que le moteur ne puisse mettre en action/rotation la roue...

Idéalement la batterie est déjà chargée quand on part rouler, donc quand on pédale cela va seulement permettre à la batterie de se décharger moins vite, par contre une fois la batterie vide c'est un autre problème. On pourra toujours avancer en pédalant mais à une vitesse réduite notamment à cause des pertes élevées de l'alternateur+contrôleur+moteu r contrairement à un vélo classique où les seuls pertes viennent de la transmission pignons-chaîne.

[invite722c19ff]

Voilà à quoi pourrait ressembler le vélo final

[Tifoc]

Bonjour,
Juste une remarque et je n'interviens plus...

mon but est donc de prouver qu'un tel vélo est réalisable

Tout est réalisable, même installer une mini éolienne sur le casque du cycliste pour "récupérer" de l'énergie (certains y ont pensé...)

J'effectue ce projet dans un cadre scolaire

Eh bien, dans un cadre scolaire, il me semble que vous devriez réfléchir à la remarque d'harmoniciste :

Sur un aller-retour de 10 km par exemple, quelle énergie est dissipée dans le freinage d'un bon vieux vélo à chaîne?

Ca s'appelle l'évaluation du besoin
Bonne continuation,

[trebor]

Afin d'utiliser toute l'énergie produite par le pédalage, les 3 organes étant connectés en parallèles, seul le courant d'alimentation du rotor du générateur peut faire varier la force de pédalage à produire.

Il me semble sauf erreur de ma part que la batterie et le moteur vont stabiliser automatiquement la tension et le courant fourni par le générateur, sauf en pédalant dans les descentes, le moteur n'ayant aucun couple à fournir.

Donc lorsque la tension produite dépasse la tension maximum de charge de la batterie, il sera nécessaire de limiter cette tension produite en modulant le courant d'alimentation du rotor du générateur mais au prix d'un pédalage plus facile voir sans effort, ce qui ne serait pas confortable voir dangereux à plat ou en cote mais pas en descente.

[invite722c19ff]

Merci Tifoc ta remarque est intéressante, nous nous sommes effectivement penchés sur la question. Alors oui a priori notre vélo 100% électrique aura un rendement moindre qu'un vélo classique ou même un vélo électrique avec chaîne, sauf qu'il existe bien d'autres avantages avec un tel concept:
-Plus de transmission mécanique donc plus d'entretien de ce côté là (combien de fois je suis tombé sur des vélibs hors d'usage..)
-Pas de limite au niveau des rapports de multiplication (suffit de changer légèrement mon rapport cyclique de PWM et fini les cassettes 10, 11, 12 puis bientôt quoi, 15 vitesses?)
-Possibilité d'adapter la difficulté du pédalage au niveau de l'utilisateur (le mont Ventoux à porter de main pour tout le monde!)
-Possibilité de poser son vélo dans son salon et hop il fait Home-trainer avec variation de la résistance en le connectant à un logiciel type Zwift (on économise 1000€ dans un smart trainer)
-Possibilité d'adapter ce vélo à des personnes souffrant d'un handicap (un unijambiste pourra donc pédaler sans à-coup)

Pour ce qui est du calcul précis des différents rendements, je dois encore déterminer précisément quels composants choisir, et c'est pour cela que je suis ici

[invite722c19ff]

Merci trebor pour cette réflexion, comme nous souhaitons surtout faire varier l'effort sur le plat ou en monter, le problème est réglé avec cette solution. Par contre, je ne comprends pas bien comment tension et courant se stabilisent automatiquement. Nous envoyons une consigne de vitesse de rotation à notre moteur, qui du coup consomme un certain courant im, et ce serait ce courant qui impose à la batterie de fournir ib=im-is avec is notre intensité en sortie d'alternateur c'est bien ça?

[phys4]

Ce que je ne comprends pas, c'est si on régule l'induit pour avoir une tension constante, alors comment fait on pour faire varier l'effort? Car P=U*I donc si ma tension U est constante je ne peux plus réguler I et donc faire varier la résistance??

Si votre alternateur vous donne une tension à vide U = R*B, avec R vitesse de rotation du pédalier et B un facteur proportionnel au champ magnétique, cet alternateur de résistance interne r branché sur une source E, vous donnera un courant I tel que
U = E + r*I
donc I = (R*B - E)/r et en modulant B vous régulez I et l'effort demandé.
L'introduction de résistances de limitation comme votre premier schéma, introduit des pertes qui affecte le rendement.

[invite722c19ff]

donc I = (R*B - E)/r et en modulant B vous régulez I et l'effort demandé.

D'accord c'est clair maintenant, merci!

[BOB92]

Bonjour

Je travaille avec un groupe sur un projet de vélo 100% électrique, sans transmission mécanique, avec un moteur dans la roue arrière pour permettre de faire avancer le vélo et un alternateur au pédalier pour permettre de récupérer l'énergie du pédalage. L'objectif de mon montage est de faire varier la résistance au pédalage pour que l'utilisateur ressente la difficulté liée au profil du terrain (pentes, descentes) comme sur un vélo classique.

Sans savoir par qui a été insufflée cette idée, c'est voie très intéressante et originale à explorer … car à la vitesse où vont les conceptions de l'électronique de puissance plus ou moins hybridés avec de l'électrotechnique, il est certain que le concept chaîne-dérailleur (totalement mécanique, et très fragile) risque fort de disparaître à très court terme.
Ce n'est pas parce qu'il assure facilement un lien mécanique ferme entre le pédalier et la roue qu'il semble indispensable. Mais on sait faire depuis la nuit des temps des "arbres électriques" … et on sait aujourd'hui parfaitement asservir l'un par rapport à l'autre et une petite révolution est proche.

En ce qui concerne la récupération d'énergie, son intérêt dépend de l'utilisation du mobile … Si c'est en plaine, totalement inutile … rien à récupérer … mais s'il s'agit d'une utilisation en montagne, cela peut devenir au contraire très intéressant. La montée s'effectuera par ex sur la batterie plus 1/4 avec le pédalier … mais arrivée en haut … la batterie risque d'être pratiquement à vide … et la redescente permettra de la recharger partiellement, et une fois dans la vallée avoir assez d'énergie emmagasinée pour rentrer tranquillement chez soi après ce périple.

Même si le prototype ne sera pas très performant, il permettra au moins d'évaluer le concept, de voir les points faibles, et d'étudier les possibilités d'évolutions.
Les moteurs/générateurs et convertisseurs disponibles aujourd'hui sont très performants, et devraient permettre un bon transfert d'énergie (rendement).

Si j'avais à piloter ce projet, voilà comme je m'y prendrais :
- un moteur type Bion-X (avec son électronique) pour la roue , pouvant fonctionner en moteur ou en générateur,
- le même, utilisé comme axe du pédalier … ( là, il fonctionnera uniquement en générateur, mais il est bien adapté en terme de vitesse de rotation, et de puissance )
- une batterie adéquate cohérente avec le moteur …..
On aura ainsi un ensemble de 3 équipements cohérents en tension, dont il faudra régler les échanges d'énergie (chacun pouvant fournir ou recevoir).

Pour la fonction récupération d'énergie, il faudra une fonction indépendante du freinage (car il faut bien évidemment, pour des raisons de sécurité et surtout à basse vitesse conserver le freinage traditionnel. Ce pourrait être une fonction donc le parallèle est le "ralentisseur" sur les poids lourds … mais ici en rechargeant la batterie … si toutefois elle ne l'est pas déjà .. y penser)

Voilà mon approche si j'avais à envisager un tel prototype pour en explorer les performance et l'adaptation à l'être humain …. car cela a fait l'objet d'années de recherche dans le années 2000 pour l'automobile électrique

Cordialement

[invite722c19ff]

Bonjour et merci pour cet avis constructif! Quand je dis récupération d'énergie j'entends par là que l'énergie issue du pédalage doit pouvoir alimenter le moteur en parallèle de la batterie et pas simplement être dissipée inutilement dans une résistance. Par contre il est vrai que la recharge de la batterie n'aura lieu principalement qu'en descente mais comme vous le dite cela est très intéressant pour des sorties avec beaucoup de D+/-.
Je prends note des composants que vous avez mentionnés, merci en tout cas pour ces pistes de réflexion.

[BOB92]

Bonjour
C'est bien le pb de la gestion des énergies que tu veux piloter … ( plusieurs valeurs .. pas du tout, in peu, moyennement, beaucoup ou plus simplement en ratio, de façon continue)
Sachant toutefois que l'énergie humine a ses limites ..
cordialement

[antek]

Un peu moins constructif . . .

Je trouve un peu agaçant ce recours systématique à la technologie pour résoudre des problèmes inventés par la technologie.

Ceci dit le problème technique est intéressant . . . et bonne l'idée . . .

Quand je dis récupération d'énergie j'entends par là que l'énergie issue du pédalage doit pouvoir alimenter le moteur en parallèle de la batterie et pas simplement être dissipée inutilement dans une résistance.

Encore heureux !

[invite722c19ff]

Bonjour à tous,

je me demande si le fait de brancher ma batterie en parallèle avec mon alternateur ne représente pas un risque pour mon circuit? Je sais qu'il ne faut pas connecter deux sources de tension en parallèle, mais si je règle mon hacheur pour avoir 36V en sortie de mon alternateur et ainsi avoir la même tension que ma batterie 36V cela représente-t-il toujours un risque?

[trebor]

Bonjour à tous,

je me demande si le fait de brancher ma batterie en parallèle avec mon alternateur ne représente pas un risque pour mon circuit? Je sais qu'il ne faut pas connecter deux sources de tension en parallèle, mais si je règle mon hacheur pour avoir 36V en sortie de mon alternateur et ainsi avoir la même tension que ma batterie 36V cela représente-t-il toujours un risque?

Bonjour,

Dans les descentes, il ne faut pas dépasser la tension de charge maximum que peut admettre la batterie, le moteur étant au repos.

A plat et en montée, ça sera sans doute peu probable, à moins que d'être un coureur à vélo professionnel.

[invite722c19ff]

D'accord merci!