Mois : février 2018

Comment les moteurs dans vos vélos électriques fonctionnent-ils?

Pour continuer notre série éducative sur les principes physiques qui régissent le fonctionnement des vélos électriques, nous aimerions maintenant parler des moteurs à courant continu sans balais qui équipent vos vélos. Sans ceux-ci, des vélos fins et épurés comme le FX et le SIERRA ne pourraient exister.

Le moteur électrique est un convertisseur d’énergie. Il convertit de l’énergie électrique en mouvement mécanique (rotationnel ou translationnel). Il a été inventé par William Sturgeon en 1832, 44 ans avant que Nikolas August Otto crée le premier moteur à essence. Depuis, notre société a pris la direction de l’essence en raison de la plus grande disponibilité et de la plus grande densité énergétique des combustibles fossiles, comme décrit dans notre article précédent.

Premier moteur électrique à courant continu

De nos jours, il existe plusieurs types de moteurs électriques: avec balais, sans balais, à commutation, à bobine et à aimant permanent. La plupart d’entre eux exploitent la forces créée par un champ magnétique et possèdent une sorte de mécanisme interne.

Le plus simple moteur à courant continu possible est fait d’un stator et d’un rotor. Le stator ne bouge pas et est équipé d’aimants. Le rotor est une bobine placée à l’intérieur du stator, à travers laquelle un courant passe. Ce courant génère un champ électromagnétique aligné avec le centre de la bobine. La direction et l’intensité de ce courant détermine la direction et l’intensité du champ magnétique produit par la bobine. L’image suivante représente ce phénomène, avec le courant décrit par la lettre I. Ce système est également appelé un électroaimant car il crée un champ magnétique lorsqu’il est traversé par un courant électrique.

Champ magnétique produit par un courant électrique passant à travers une bobine

Le champ magnétique créé dans le rotor attire et repousse les aimants placés dans le stator (les pôle positifs et les pôle négatifs s’attirent mutuellement). Si rien n’est changé, le rotor pivote d’un maximum de 180 degrés avant de s’arrêter. Pour conserver ce mouvement de rotation, les pôles de l’électroaimant qu’est le rotor doivent être changés. Devinez comment? … En inversant la direction du courant le traversant comme indiqué dans l’animation suivante:

Moteur à courant continu tournant

La question est la suivante, comment changer la direction du courant quand la batterie reste connectée aux mêmes électrodes? Dans les moteurs à balais, des brosses en métaux conducteurs entrent en contact avec le rotor lorsqu’il tourne et inversent la direction du courant le traversant, changeant ainsi sa polarité. Cependant, l’utilisation de brosses ou balais entrant directement en contact avec le rotor crée certains problèmes comme la production de chaleur nécessitant un système de refroidissement plus important, la création d’étincelles, l’usure et par conséquent la limitation de la vitesse maximale possible du moteur.

C’est là qu’interviennent les ordinateurs et l’électronique moderne. Ils nous ont permis de nous débarrasser de ces brosses pour créer des moteurs à courant continu sans balais, ces merveilleux composants qui rendent vos vélos électriques préférés possibles! En pratique, un moteur sans balais est un moteur à balais monté à l’envers. Le rotor est constitué d’aimants permanents placés au centre du moteur tandis que des électroaimants sont placés autour de celui-ci, dans le stator. Un ordinateur, utilisant de puissants transistors, commute alors la polarité de ces électro-aimants qui amènent le rotor à tourner. Ceci a pour conséquence d’améliorer la façon dont l’énergie stockée dans votre batterie est convertie en mouvement, de réduire le besoin de maintenance de votre vélo et de supprimer la limite de vitesse mentionné plus haut.

Brushless DC motor in electric bicycles

L’ordinateur dans votre vélo est appelé un contrôleur et utilise le courant de votre batterie pour commuter les électro-aimants dans le stator de votre moteur.

Nous ésperons que cet article est clair, si vous avez des questions, n’hésitez pas à les poser dans les commentaires!

Pré-commandes exclusives maintenant disponibles

Nous sommes fiers d’annoncer qu’après des années de développement, des heures d’essais et des dizaines d’itérations, notre vélo électrique pliant ainsi que notre VTT haute performance en carbone sont enfin en production!

Notre équipe d’inspection s’assurera qu’à chaque étape du processus de fabrication, du moulage du cadre à l’assemblage, les normes de production les plus élevées sont réspectées. Ceci est particulièrement important pour nous car nos vélos ne sont pas seulement révolutionnaires en termes de design et de praticité, mais sont également conformes à notre engagement de vous fournir la meilleure qualité, au meilleur prix possible, à travers les dernières technologies industrielles! Il y aura toujours des vélos moins chers, mais ceux offrant une performance, une esthétique et une qualité de construction similaires aux nôtres auront toujours un prix plus élevé.

Le FX et le SIERRA sont à présent disponibles en pré-commande à un prix réduit de 25% jusqu’à leur arrivée dans nos entrepôts européens. Ceci pour vous remercier de votre confiance et de faire partie des pionniers de notre communauté. Une fois nos vélos en stock, les premiers acheteurs seront livrés et les pré-commandes interrompues.

Nous sommes toujours disponibles pour répondre à vos questions et discuter.

Changeons le vélo et le transport moderne ensemble!

Vous pouvez obtenir plus d’informations et accéder aux précommandes du FX ici, et du SIERRA ici.

Eliott Wertheimer

Comment les batteries Lithium-ion de vos vélos électriques fonctionnent elles?

Nous venons de lancer les précommandes pour la version à plus grande autonomie du SIERRA, le SIERRA MAX disponible. Nous avons décidé d’en profiter pour expliquer en détails les principes fondamentaux qui régissent le fonctionnement des batteries lithium-ion et pourquoi elles représentent aujourd’hui le dernier cri dans les vélos élecriques.

Lorqu’on design une batterie, on veut essentiellement maximiser l’énergie qu’elle peut stocker tout en minimisant son volume, son poids et son prix. En tant que société, nous nous sommes principalement basés sur les combustibles fossiles pour développer nos technologies de transport personnel. Ceci est dû au fait que c’est une source d’énergie très dense, suffisamment accessible et abondante pour être abordable économiquement. Maintenant que cette resource s’épuise lentement mais sûrement, et que nous constatons à quel point elle compromet notre développement durable, des options plus propres comme les batteries électriques rechargeables deviennent progressivement la norme.

Il existe plusieurs types de chimie de batteries: Nickel-Cadmium, Plomb-acide, Argent-Zinc, Lithium-Ion, etc. Le graphique suivant, produit par la NASA, montre que la chimie lithium-ion a la densité énergétique la plus élevée et est par conséquent le meilleur choix pour stocker de l’énergie électrique dans des petits volumes et faibles poids.

Comparaison de densité énergétique pour les batteries de vélos électriques

Bien qu’elles soient encore 60 fois moins denses en énergie que l’essence, les piles au lithium-ion constituent aujourd’hui le meilleur moyen de stocker de l’énergie électrique de manière sûre et économique dans les véhicules personnels.

Le schéma suivant simplifie le mécanisme de décharge d’une batterie Lithium-ion. Des ions de lithium positifs se déplacent à travers un électrolyte et un séparateur en partant d’une anode, et vers une cathode, qui sont deux élèments faits avec des matériaux conducteurs différents. La cathode devient alors plus chargée positivement que l’anode. Cela crée un voltage entre l’anode et la cathode, qui est essentiellement une force motrice poussant les électrons entre deux points. Plus le voltage est élevé, plus la force « poussant » les éléctrons l’est aussi. Cela peut être visualisé comme une chute d’eau. Plus la chute d’eau est élevé en hauteur, plus la force qui « pousse » l’eau de haut en bas est importante.

Mécanisme de décharge d'une batterie lithium-ion de vélo électrique

Cette tension entraîne les électrons à travers les systèmes électromécaniques de votre vélo électrique. Ils quittent l’anode pour passer par le contrôleur, suivi du le moteur et pour retourner vers la cathode. Au fur et à mesure que les électrons se déplacent dans le système, la tension ou le voltage de la batterie diminue. Le processus de charge est exactement le contraire. Une tension est appliquée entre la cathode et l’anode qui force les électrons à se déplacer dans la direction opposée et les ions lithium à revenir vers l’anode. Cela restaure la tension initiale entre l’anode et la cathode pour une décharge ultérieure.

Mécanisme de charge d'une batterie lithium-ion de vélo électrique

Ces processus chimiques sont contenus dans des cellules. Aujourd’hui, la plupart des cellules, que ce soit dans les ordinateurs portables, les voitures ou les vélos électriques, sont des pièces de métal cylindriques. Ceci permet de mieux contenir leur pression interne et d’augmenter la sécurité et la fiabilité des batteries dans n’importe quel environnement. Ces cellules fournissent généralement une tension nominale de 3,6V. Cela signifie qu’elles atteignent une tension de 4.2V lorsqu’elles sont complètement chargés pour descendre progressivement jusqu’à un minimum de 2.5V lors de la décharge. Après quoi, un système de gestion interne toute éléctricité sortant de votre batterie de manière à préserver sa capacité à stocker de l’énergie et sa santé.

Les cellules au lithium-ion doivent être connectées et assemblées pour construire une batterie avec une tension totale suffisante pour alimenter ses systèmes électromécaniques cibles; le contrôleur, le moteur et l’écran dans notre cas. Des cellules sont assemblées et connectées en série pour augmenter la tension totale de la batterie vers la valeur requise (par exemple, 36V). Une fois cette valeur atteinte, ces séries de cellules sont assemblées et connectées en parallèle pour atteindre la capacité de stockage finale de la batterie, la valeur habituellement indiquée en Ah. Une cellule moyenne contient 3.6V et 2.5Ah, donc une batterie produisant 10Ah à 36V est probablement constituée de 4 groupes de 10 cellules individuelles connectées en série, qui sont ensuite connectés en parallèle. Ceci est assez difficile à visualiser à travers les mots mais les diagrammes suivants, produits par Cadex, devraient vous aider à comprendre:

Batterie Lithium-on de vélo électrique assemblée en série

Groupe de cellules assemblées et connectées en série pour augmenter le voltage total
Batterie Lithium-on de vélo électrique assemblée en parallèle

Groupe de cellules assemblées et connectées en série pour augmenter la capacité totale une fois le voltage désiré atteint

Nous espérons que vous avez maintenant une meilleure idée du fonctionnement interne de votre vélo électrique ou plus généralement de votre ordinateur portable, téléphone ou voiture.

Si vous avez des questions, n’hésitez pas à les poser dans les commentaires!

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