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Pourquoi le vélo électrique arrive-t-il si tard dans l’histoire des transports ?

Pourquoi pas un VAE au début du siècle dernier ?

En 1881, Gustave TROUVE navigue en chapeau haut de forme sur le lac du Bois de Boulogne sur un bateau propulsé par un moteur hors-bord électrique de quelques chevaux.

En 1893, la première voiture électrique française sort en petite série des usines JEANTAUD.

La Jamais Contente, premiere voiture à dépasser la barrière des 100km/h. Petite précision, c était une voiture électrique, sur batteries...En 1899, la « Jamais contente » de l’ingénieur JENATZY dépasse les 100 km/h sur terre avec des moteurs électriques de 100 kilowatts et 500 kilogrammes d’accumulateurs !
A signaler: la barrière symbolique des 100km/h ne fut dépassée par une voiture à moteur thermique, mais à moteur électrique.

Un vélo à propulsion électrique a même été commercialisé en Europe dans les années 1930 par la société Philips/EMI, avec un succès mitigé car il était plutôt lourd à manier !


Bien entendu, ces véhicules étaient encore expérimentaux mais si de gros progrès avaient été techniquement possibles, nul doute que leur développement eut connu un succès comparable à celui de l’automobile à pétrole.
Pourquoi donc a-t-il fallu attendre la fin du XXème siècle pour voir arriver le vélo à assistance électrique que nous connaissons ?

L’avènement de l’électronique digitale de puissance



Les tentatives citées plus haut ne sont après tout que les versions autonomes des transports électriques de grande puissance comme les tramways et autres trains électriques apparus dès les années 1830 et qui ont connu un grand développement grâce à leur utilisation sans mesure du réseau de distribution électrique : les engins cités faisaient appel à de classiques moteurs à commutation mécanique alimentés directement en courant continu par des accumulateurs lourds et fragiles et la commande de puissance gaspillait une part importante de l’énergie disponible. Poids important, rendement énergétique déplorable et autonomie très faible n’ont pas résisté devant la mise en service et le perfectionnement rapide des moteurs à combustion interne utilisant le pétrole et les moyens de transport électriques autonomes ont été mis aux oubliettes pour plus d’un demi-siècle.

Dans cette première moitié du XXème siècle, les moteurs électriques de tous genres vont connaître un immense succès et se perfectionner au point que dès les années 1920, la propulsion de petits engins comme des vélos eut été possible mais le point d’achoppement restait le rendement, très insuffisant notamment lors des variations de puissance. En effet, pour commander simultanément en puissance et en vitesse de rotation un moteur électrique, il faut généralement lui fournir un fort courant commuté dans les différents bobinages avec le moins de pertes possible par échauffement et autres étincelles bien connues des utilisateurs de moteurs à charbons.
Dès la fin de la seconde guerre mondiale pourtant, on commence à savoir manipuler ces fameux « bits » électroniques qui vont donner naissance aux calculateurs ; mais on ne peut guère que les compter, les combiner et les emmagasiner en mémoire sans pouvoir les faire « travailler » mécaniquement ou alors au prix d’interfaces monstrueuses et gourmandes en énergie. A la fin des années 50, avec l’arrivée du transistor bipolaire, les interfaces se miniaturisent mais on est encore loin d’atteindre le rapport puissance sur poids autorisant le montage sur un véhicule léger comme une bicyclette.

Transistors de puissance, maintenant utilisés dans les controleurs de nos vélos électriquesLa percée technologique qui a permis la mise sur le marché et le développement rapide du VAE, c’est la mise au point des transistors à couches isolées dits « à effet de champ » ou « FET », devenus «CMOS » puis « IGBT » dans leur version de puissance. Ces dispositifs présentent en effet l’immense qualité de pouvoir interrompre ou laisser passer dans des temps très courts (quelques milliardièmes de seconde) des courants importants (10 ampères ou plus) avec une tension de commande n’absorbant pas de puissance.

L’innovation est d’importance puisqu’on est désormais en mesure de commuter de très forts courants pratiquement sans échauffement ni perte d’énergie : un bon CMOS passe de plusieurs mégohms d’isolement lorsqu’il est ouvert à quelques milliohms seulement lorsqu’il est passant ; et comme le temps de commutation est un million de fois plus bref qu’avec un commutateur mécanique, il n’y a pratiquement aucune perte d’énergie. C’est ainsi qu’en utilisant la souplesse d’un calculateur digital pour commander des IGBT judicieusement connectés, on parvient à créer des champs d’induction magnétique bien contrôlés dans des bobinages qui agissent sur des aimants mobiles pour constituer un moteur d’une puissance de plusieurs centaines de watts avec un rendement énergétique supérieur à 90% !
Avec les progrès réalisés dans la technologie des accumulateurs, on dispose ainsi dès les années 1970-80 de tous les éléments pour autoriser la réalisation d’un VAE : les batteries au plomb-acide gélifié sont encore lourdes mais suffisamment fiables et souples d’emploi pour fournir la source d’énergie d’une journée d’utilisation citadine.
Les chinois, gros utilisateurs de bicyclettes, se lancent alors dans la fabrication de moteurs et d’équipements périphériques, d’abord de qualité inégale puis, grâce à l’exploitation de diverses licences internationales, de la très bonne facture que l’on connaît maintenant. Le reste du monde a suivi au début du XXIème siècle avec la prise de conscience de la nécessité de réduire la consommation d’énergie par individu.

Les progrès encore réalisables



Les dispositions légales en vigueur, notamment dans les pays européens, limitent pour les VAE la puissance des moteurs déjà très performants : peu de progrès sont à attendre dans ce domaine en dehors d’un gain de poids et d’une amélioration du rendement déjà excellent puisqu’il dépasse 80%.

Le contrôle de puissance pour sa part peut bénéficier de l’amélioration des techniques d’asservissement, essentielles pour la progressivité et le rendement de propulsion. On voit de plus en plus souvent combiner la détection de vitesse de pédalage avec la mesure de couple instantané et l’adjonction de contrôles accélérométriques longitudinaux n’est plus qu’une question de coût car les composants existent. Tous ces progrès apporteront un plus grand confort d’utilisation et une meilleure utilisation des précieux watts-(ou ampères-)heure emmagasinés lors de la charge de la batterie.

Entre ces 2 générations de batteries pour vélos électriques, un rapport de poids qui en dit long sur les progrès de la technologie dans les 20 derniers années: A gauche, 2 bloc 12V/12Ah au plomb gélifié qui pèsent 9300 g. A droite, un bloc lithium 24v/8AhLes progrès les plus déterminants viendront de l’amélioration des batteries, tant pour leurs qualités de stockage d’énergie que pour leur souplesse d’emploi et leur endurance. La capacité moyenne des batteries récentes a plus que quintuplé à poids égal par rapport aux premiers accumulateurs commercialisés vers 1870. Quand à leur solidité et leur souplesse d’emploi, il n’y a plus aucun élément de comparaison puisque les accumulateurs actuels ne nécessitent plus aucun entretien alors qu’il fallait auparavant les remplir après chaque utilisation avec des produits dangereux.


Il reste que l’endurance et la longévité de ces composants est encore le point critique de nos VAE actuels : du soin que l’on prend à les manipuler et à les utiliser le plus conformément possible aux consignes du fabricant va dépendre le service que l’on en obtiendra. La tendance devrait donc être à libérer le plus possible l’utilisateur des contraintes de surveillance de sa(ses) batterie(s).
Dans les cartons de nos ingénieurs et dans les laboratoires de développement d’accumulateurs existent des engins extraordinaires qui fonctionnent à l’air chaud, au papier recyclé, à l’eau de mer et même… à l’urine (mais oui !) pour des milliers de cycles quelles que soient les éléments d’environnement ; souhaitons que leur commercialisation se fasse rapidement avec des coûts raisonnables pour que nous puissions enfin utiliser nos VAE sans (presque) se soucier de terminer un trek en pédalant comme un malade.

Article réalisé avec l'aimable collaboration d'Alain Brunet, du magasin Au Cyclowatt de Houilles (78).


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Ingénieur électrotechnicien retraité passionné d'informatique et de commande numérique. Bidouilleur de tout ce qui travaille avec des électrons...

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Créé le 11-04-2011 à 12h41.
Modifié le 12-04-2011 à 08h39.

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