Je ne sais pas précisément comment fonctionne un moteur électrique, pas plus que je ne comprends la chimie des batteries. Je ne suis pas technicien, mes quelques connaissances ont été acquises sur le tard, en glanant des informations ici et là et non de manière ordonnée et structurée comme en ayant suivi des études spécifiques. Je peux quand même vous dire quels sont les bidules présents sur un VAE et qui font qu'un VAE est un VAE. En gros, j'en vois six : le moteur, la batterie, le contrôleur, les commandes, la console, les capteurs.

Voilà la définition légale d'un VAE : un VAE est un cycle équipé d'un moteur auxiliaire électrique d'une puissance nominale continue maximale de 0,25 kilowatt, dont l'alimentation est réduite progressivement et finalement interrompue lorsque le véhicule atteint une vitesse de 25 km/h, ou plus tôt si le cycliste arrête de pédaler.

1. LE MOTEUR

C'est l'unité d'entraînement d'appoint du système, l'autre source pour faire avancer le vélo étant le cycliste. La réglementation prévoit que ce moteur ne fonctionne que si les pédales bougent. Ce moteur est électrique. Sa puissance nominale continue maximale est de 250 watts, mais il peut donner bien plus de watts en pointe, au moins le double en général. L'assistance s'arrête à 25 km/h maximum, mais le VAE peut rouler bien plus vite au-delà de l'assistance en descente et même sur le plat si le cycliste pédale fort.

Le moteur peut aider à entraîner la roue avant, ou la roue arrière (plus rarement les deux), ou l'axe du pédalier (situé au centre du vélo).

Les moteurs à entraînement direct (direct drive) ne sont plus présents qu'en kit à monter soi-même ou par un artisan. Ce sont des moteurs dans les roues, qui tournent à la vitesse des roues. La plupart permettent de récupérer l'énergie dans les descentes, ce qui est une fausse bonne idée, sinon ils se seraient généralisés. Ils sont gros et lourds et ont été abandonnés au fil du temps pour le grand public. Ils ont leurs passionnés.

moteur roue à entraînement direct, kit proposé par B-volt rayonné avec jante

Les moteurs réductés sont plus petits, tournent plus vite que les gros et leur vitesse est indépendante de celle des roues du vélo. On réduit la vitesse de rotation entre le moteur, qui tourne très vite, et l'axe de pédalier ou la roue, qui tournent bien moins vite, avec une ou des réductions. Ces réductions sont fréquemment des engrenages situés dans le bloc du moteur qui contient fréquemment aussi le contrôleur, des capteurs et l'axe de pédalier. Une petite roue dentée arrive du moteur, et entraîne une (ou des) roue(s) dentée(s) plus grandes. La grande roue tourne plus lentement que la petite. On ne les voit pas. Parfois on les entend, car l’entraînement peut faire du bruit, surtout s'il a des dents métalliques. Les réductions peuvent être à engrenage, chaîne ou courroie.

unité motrice Shimano vue du côté gauche du vélo

une réduction visible après avoir enlevé le capot d'un boitier de moteur central : la petite roue dentée qui arrive du moteur et la grande roue qui entraine l'axe du pédalier

schéma d'un moteur-roue réducté, vu sur le site de la Suntrip page La technique du VAE

La puissance du moteur est un sujet de débats. A mon avis, les 250 watts légaux sont assez largement un mythe. Voyez cette page.

2. LA BATTERIE

On reconnaissait, et on identifie encore, le VAE à son ostensible batterie, accrochée sur le porte-bagage ou au cadre. Avec les batteries intégrées au cadre, et celles que l'on pose dans une sacoche (comme sur mes vélos), ça devient plus compliqué à apercevoir du premier coup.

La batterie est le réservoir d'énergie, équivalent du réservoir de carburant dans un véhicule à pétrole. On exprime le plus souvent sa capacité en watts-heure (Wh - à ne pas confondre avec les watts de la puissance du moteur).

L'intérieur d'une batterie de VAE, image provenant de la page Comment fonctionne une batterie de vélo électrique?

La batterie est presque toujours l'élément le plus cher, le plus lourd, et le moins durable du système de propulsion électrique d'appoint d'un VAE. On y fera donc attention, en ne l'exposant ni aux chocs, ni aux températures extrêmes, en ne vidant pas complètement, etc. Voir ces quelques conseils : la batterie, usage, recharge, stockage.

La capacité (taille du réservoir) a tendance à augmenter. Il est courant d'avoir 500 Wh de réserve sur un VAE du commerce, et jusqu'à 2000 Wh pour certains modèles destinés aux voyages. La consommation d'un moteur à pétrole s'exprime en litres pour cent kilomètres, celle d'un VAE en watts-heure par kilomètre (Wh/km). On considère en général qu'une consommation de 6 à 8 Wh/km est dans la moyenne.

On a intérêt à avoir une grosse batterie. Une belle capacité permet de moins vider, de recharger plus vite, de perdre moins de capacité au fil du temps, d'avoir plus de volts au fil des kilomètres et donc de perdre moins de puissance. Une batterie de 36 volts est chargée à 42 volts au départ, et n'aura par exemple plus que 38 volts après 50 km de plat. La vitesse de rotation du moteur étant proportionnelle au nombre de volts disponibles, il donnera moins de puissance s'il reçoit moins de volts. Mais une grosse batterie sera plus chère, plus lourde et plus encombrante.

Un moteur de VAE peut être alimenté par plusieurs sources : batterie le plus souvent, pile à hydrogène, panneaux solaires, avec une batterie en sus pour les deux dernières. Le moteur et le contrôleur sont prévus pour un certain voltage, peu importe d'où vient le courant.

Une batterie est surveillée et contrôlée par un circuit électronique contenant un petit programme informatique. C'est le BMS, battery management system, ou système de management de la batterie. Il veille à ce que les cellules ne soient pas trop chargées, à débrancher si la batterie n'a plus assez de volts (ça peut l'abîmer grave), ou trop chaud, etc.. Mieux vaut éviter les incendies. Il participe à l'équilibre entre les différentes cellules. Il mémorise les événements, dont le nombre de cycles. Les BMS, comme tout constituant, sont de qualité et de complexité variables.

Les « grands » constructeurs ont conçu des systèmes fermés, sur le modèle d'Apple en informatique. Dans ce type de systèmes, un moteur, une console, une batterie, ne peuvent fonctionner, via leurs programmes informatiques respectifs, qu'entre modèles de la même marque. C'est un piège pour contraindre les consommateurs à rester dans leur giron et éviter la concurrence. Les kits, que l'on monte soi-même ou que des artisans montent, sont presque toujours ouverts et compatibles d'une marque à l'autre, avec des limites qui tiennent au voltage par exemple, mais on est libre d'acheter où on veut.

La batterie peut prendre des formes variées, dans une boîte rectangulaire ou cylindrique (bouteille), ou plus allongée épousant la forme du cadre, ou sans boite, simplement entourée de PVC. On se méfiera des batteries intégrées dans les roues car la chimie des cellules n'apprécie pas d'être secouée en permanence. Les accidents sont rarissimes si on considère le nombre de batteries en circulation, dans les VAE, téléphones, ordinateurs, appareils domestiques et de loisirs, etc., et sont souvent dus à des éléments de piètre qualité ou exposés à des chaleurs inconsidérées (téléphones qui prennent feu derrière un pare-brise en plein été) ou à des chocs.

batterie Giant 800 Wh

Les différences de prix entre batteries de même capacité s'expliquent par les marchés captifs de certains constructeurs, mais aussi par les différences de qualité. Si on peut choisir, on prendra plutôt des cellules de marques connues et qualitatives, comme Samsung, Sony, LG, Panasonic... Dans le chinois, le pire côtoie le meilleur. Quand un vélo entier est proposé pour la moitié du prix d'une batterie standard, il est très probablement tombé du camion ou c'est une bouse.

batteries PVC 72 volts B-volt - cellules LG M50 LT - 800 à 1000 cycles

Une batterie se recharge avec un chargeur, qui est un transformateur qui se branche sur le 220 volts, avec un éventuel réglage possible pour changer de pays. Il en existe pour recharger depuis une voiture ou un camping-car. Mieux vaut se servir du chargeur livré avec la batterie. Ou alors on vérifiera la compatibilité entre la sortie du chargeur et l'entrée de la batterie (voltage, ampérage...). Normalement, tout est écrit sur chaque appareil. Comme pour les téléphones, tablettes, ordinateurs, etc. Bien sûr, on veillera à ce que les prises soient parfaitement compatibles. Sinon, on ne pourra pas mettre le truc dans le machin. Et ça marche beaucoup moins bien.

3. LE CONTRÔLEUR

Voilà un morceau essentiel, souvent ignoré. Le contrôleur contient le programme qui pilote le moteur en faisant le lien entre les divers capteurs. Sans l'informatique ou l'électronique de puissance, ou des batteries suffisamment légères pour emporter beaucoup de watts-heure sans trop de poids et de volume, point de VAE tels que nous les connaissons. C'est pour ça que le VAE est arrivé il n'y a pas si longtemps.

Le contrôleur détermine le type d'assistance et la manière dont elle fonctionne, en fonction des caractéristiques du moteur, de ce qu'il est possible d'en obtenir, et des choix d'utilisation définis par le constructeur (accélérations, couple, délai entre la reprise du pédalage et le remise en route du moteur, et réciproquement délai entre l'arrêt du pédalage et l'arrêt du moteur – pour ne pas foncer dans les murs, et encore beaucoup d'autres caractéristiques). Les paramètres sont encore très majoritairement figés ou peu modifiables dans les systèmes fermés (Europe et Japon), et bien plus variables dans les systèmes ouverts. Le contrôleur, le moteur et la batterie sont le cœur du système. Le reste, console, capteurs, éclairage... sont des périphériques. Il est probable que les systèmes de propulsion, y compris des systèmes propriétaires, proposeront de plus en plus de réglages de paramètres pour individualiser davantage le comportement des machines. Des fabricants de kits comme CYC Motors proposent déjà le réglage de l'accélération et d'autres paramètres, Shimano permet d'accéder à quelques réglages.

Le contrôleur est adapté au moteur et à la batterie, et réciproquement. Un contrôleur est prévu pour un certain voltage et un certain ampérage. Mais il ne contrôle pas l'usage que vous faites de votre vélo. Si vous envoyez trop de courant dans votre contrôleur pendant un temps trop long, surtout s'il fait très chaud, vous pouvez réussir à le griller. Ça se remplace si le reste n'a pas pris feu ou fondu. Normalement, le contrôleur contrôle et le BMS veille pour parer aux bêtises, mais quand on se comporte de manière imprudente, on peut en récolter les fruits.

un contrôleur intégré dans le cylindre contenant le moteur sur un moteur pédalier

Un contrôleur externe, avec donc des câbles supplémentaires visibles, mais ça marche bien aussi. Image cyclurba.fr

Les pannes peuvent arriver, mais peu souvent, et dans les mêmes circonstances qu'avec des moteurs à pétrole : col monté en pleine chaleur avec de la charge par exemple, ou recherche de vitesse maximale pendant une assez longue durée, ou autre circonstance où on envoie beaucoup de jus dans le contrôleur qui atteint ses limites en capacité de refroidissement, et mauvais programme interne qui ne coupe pas le système en temps utile pour se protéger. On peut savoir si le contrôleur ou le moteur surchauffe dans ces circonstances, en approchant la main. Si c'est chaud, on s'arrête à l'ombre le temps que ça refroidisse.

4. LES COMMANDES

Les commandes sont les boutons qui permettent d'actionner les fonctions du système. Elles sont parfois regroupées avec l'écran et parfois disjointes et reliées par un câble. Il existe des systèmes pilotables depuis un smartphone, tantôt partiellement, tantôt intégralement. Je ne suis pas favorable à ces derniers systèmes. C'est compliqué et on manque de recul sur la fiabilité à moyen terme. L'industrie du VAE est encore toute jeunette.

commandes avec console

commande à distance de la console, dite aussi "déportée"

Les boutons ont assez fréquemment des fonctions regroupées, par appui court ou long, et/ou par appui simultané sur deux boutons. Ils servent à mettre en route et arrêter le système de propulsion ou l'éclairage, à déterminer le niveau d'assistance (+ et -), à remettre le compteur partiel à zéro, éventuellement à régler certains paramètres, etc.

En principe, ils ne posent guère de problème. Il faut juste s'habituer à appuyer ici ou là, en ayant lu le mode d'emploi au préalable. Ce conseil est pourtant rarement suivi. Il est valable pour énormément d'autres choses que le VAE. Je me moque un peu, mais reste assez souvent pantois devant des gens qui n'ont strictement rien lu ni cherché à comprendre à propos de leurs machines parfois coûteuses. Je me demande aussi ce qu'expliquent les vendeurs, et ce que comprennent les clients. Un peu de lecture à tête reposée, ça aide.

Les commandes seront bien sûr compatibles avec la console (compteur) et le reste du système. Elles sont remplaçables en cas de casse. Il peut arriver qu'un vélo chute. Sur un certain nombre de modèles, il existe des commandes à positionner à gauche et d'autres à droites. Environ 10% de la population mondiale est constituée de gauchers, 15% en Europe, à cause d'un gène.

5. La console

La console se nomme aussi display, écran ou compteur. Parfois, elle est remplacée ou complétée, totalement ou partiellement, par un smartphone avec une application spécifique liée à la propulsion électrique du vélo. L'écran peut être en noir et blanc, ou en couleur. Les fonctions sont restreintes ou étendues. Son coût varie en fonction du degré de sophistication, et de la marque. Une chinoiserie noir et blanc, qui peut fonctionner très bien pendant des années (j'en ai), peut être deux ou trois fois moins chère qu'une console aux fonctions semblables mais de marque dite réputée. A ce que j'en ai vu, les unes et les autres fonctionnent de manière satisfaisante.

On retrouve les fonctions classiques d'un compteur de vélo. Soit, pour les basiques : vitesse, totalisateur (de km) partiel et total. S'y ajoutent les fonctions de base nécessaires à un VAE : quantité d'énergie restante dans la batterie, sous forme de barres, ou de volts, ou d'ampères-heure, de pourcentage..., niveau d'assistance en cours (faible, moyen, fort, ou niveau 1, 2, 3, etc.). J'ai eu un VAE où la charge restante de la batterie ne pouvait se voir que sur la boite de la batterie, avec quelques diodes allumées ou éteintes, et en attendant un peu après l'arrêt, et ça ne m'empêchait pas de pédaler, d'autant que cette batterie était de très bonne qualité. Une troisième série d'indications peuvent être données sur l'écran, ce sont les messages d'erreur, potentiellement bien utiles mais fort rarement. Et c'est tant mieux. On a le droit d'emporter la copie de la liste des codes d'erreurs dans un fond de sacoche, qui s'accompagne souvent de remèdes simples.

console pour Bafang BBS couleur, basique et fonctionnelle avec toutes les fonctions nécessaires : vitesse, niveau d'assistance, niveau de charge restante, distances partielle et totale, durée, moyenne, heure, nombre de watts sortant de la batterie, réglages de paramètres moteur, codes d'erreurs, code de démarrage possible. 100 € environ - à compléter pour les voyages avec une application de cartographie sur smartphone ou un GPS de vélo.

 

exemple d'écran de Nyon Bosch. Outre les fonctions classiques d'un compteur sophistiqué, la Nyon est une interface moteur et batterie, avec calcul d'autonomie, mise à jour, paramétrages, etc. ainsi qu'un outil de navigation. 350 € environ.

Le catalogue des autres fonctions possibles est très fourni, certaines peuvent être utiles, si on voyage souvent dans des contrées inconnues ou pour faire des livraisons, comme le GPS, d'autres sont moins nécessaires. C'est à vous de voir selon l'idée que vous vous faites du vélo électrique. Je suis assez réservé à l'égard des couleurs chatoyantes, des gadgets de frime, des appareils à obsolescence programmée, et des nouveautés qui n'ont pas fait la preuve de leur durabilité et leur remplaçabilité. Dans le monde automobile, je serais bien plus Dacia qu'Alfa Roméo. Les Porsche ont des innovations, et durent longtemps, mais on n'est pas dans une gamme de prix abordable par tous.

6. LES CAPTEURS

Comme au point précédent, il y en a d'indispensables, et d'autres qui le sont moins.

Les indispensables.

Le capteur de vitesse détecte le mouvement de la roue. L'électronique multiplie tout simplement le nombre de passages de l'aimant devant le capteur par la circonférence de la roue, et fait interrompre l'assistance quand le vélo atteint 25 km/h. On peut le tromper avec un petit boîtier qui envoie une partie seulement des impulsions de tour de roue au compteur, et donc avoir une assistance qui s'arrête au-delà des 25 km/h. C'est illégal. On peut faire une farce en ajoutant un deuxième aimant de roue. On aura alors deux fois plus d'impulsions, et, en théorie, l'assistance s'arrêtera à 12,5 km/h. Hihihi. Imaginez la tête du cycliste...

le capteur de vitesse de roue est positionné sur un hauban et l'aimant se visse sur un rayon, l'un doit être aligné sur l'autre, en face du repère prévu (ici un trait) à une distance donnée

Ce genre de petit boitier se pose (et s'enlève tout aussi facilement et rapidement) sur le capteur de vitesse de roue. Il modifie les impulsions transmises au capteur pour outrepasser la vitesse autorisée. Il peut vous valoir des problèmes avec la maréchaussée, l'assurance, et impliquer votre responsabilité personnelle en cas d'accident dû à une vitesse excessive. Celui-ci, de marque Badass, est fabriqué en Allemagne. Il en existe un modèle différent par marque de moteur.

Le capteur de pédalage sert au système à savoir si les pédales sont en mouvement. C'est une sécurité. Il a la forme d'un disque situé près des manivelles. Il se cache dans le bloc-moteur central d'un moteur pédalier. Le moteur se déclenche si les pédales bougent, et cesse d'entraîner quand elles arrêtent de bouger. Ces capteurs, le programme et le paramétrage varient d'un VAE à l'autre, et donc le délai de démarrage (un demi-tour de pédalier, ou un quart, ou un huitième...) ou d'interruption du moteur aussi. Ces mêmes capteurs détectent la vitesse de rotation que vous imprimez au pédalier. Certains programmes en tiennent compte pour régler la force d'assistance. Au-delà d'une certaine vitesse de rotation, que vous n'atteindrez sans doute pas (genre plus de 120 tours-minute, soit 240 coups de pédale à la minute), ce capteur ne capte plus.

Des VAE offrent un bouton ou une gâchette qui entraîne le vélo sans pédaler à 6 km/h maximum. C'est légal. Et c'est d'ailleurs la vitesse autorisée pour les vélos dans les espaces piétonniers, qui ne sont pas des trottoirs mais des rues piétonnes ou des plateaux où les vélos peuvent circuler, lentement et sans gêner les piétons. Des accélérateurs au pouce peuvent donner toute la puissance du moteur sans actionner les pédales. Ils sont illégaux, leur utilisation fait risquer une amende et de n'être pas couvert par l'assurance.

Le capteur de force, n'est présent que sur les systèmes à priorité proportionnelle. Ce capteur mesure la force d'appui sur les pédales et détermine la force du moteur à proportion de cette force. Les autres systèmes se contentent des deux capteurs précédents, mouvement des pédales et vitesse de la roue, et modulent la force du moteur en fonction du niveau de puissance demandé, ou pour atteindre une certaine vitesse, et bien entendu du programme contenu dans le contrôleur.

Si un de ces capteurs ne fonctionne plus, le système d'entrainement non plus. En principe, un message d'erreur apparaît sur la console pour informer de ce qui déconne. Le truc bête classique est le désalignement entre l'aimant de roue et le capteur de vitesse. Il suffit de les remettre l'un en face de l'autre, et c'est reparti.

Les moins nécessaires.

Les capteurs de freinage détectent une action sur les poignées de frein et en conséquence arrêtent le moteur. À mon avis, ils font doublon avec le capteur de pédalage, à moins d'être assez débranché du cerveau pour continuer à pédaler tout en freinant. Quoique. Il peut y avoir des circonstances, en terrain glissant, où on freinera subtilement tout en conservant de la motricité, donc en continuant à pédaler. Si vous en êtes à ce niveau de pilotage plutôt utilisé en tout terrain, les capteurs de frein représentent un danger. Les cyclistes capables de freiner et d'accélérer en même temps dans la boue ou sur neige ne sont pas les plus nombreux. Les systèmes type ABS, qui évitent le blocage de roue, tout en coupant le moteur, peuvent servir aux maladroits et inexpérimentés qui ont tendance à paniquer en cas de glissade intempestive. Je me passe de capteurs de frein, jugeant inutile de multiplier les complications.

Les capteurs de changement de vitesse sont, hélas, très probablement utiles à la plupart des cyclistes contemporains, surtout ceux utilisant des moteurs pédalier. L'immense majorité des conducteurs Français se sert de boites de vitesses mécaniques pour les véhicules à moteur. Tous savent débrayer, enclencher et rembrayer avec un véhicule mû par un gros moteur à explosion. C'est exactement la même chose à vélo, avec ou sans moteur. Mais, curieusement, ils font horriblement craquer la transmission à vélo. Surtout en côte où ils passent les vitesses bien trop tard et en tension de chaîne, au risque d'endommager cette transmission, de briser la chaîne, tordre le dérailleur, ou a minima de bloquer par déraillage... Les cyclistes sans tête m'effarent. Je me contente de faire une grimace de désapprobation. Ce capteur de changement de vitesse détecte la tension sur le câble, et le système électronique fait ce que devrait faire le cycliste en débrayant puis reprenant le pédalage de manière progressive. Ces capteurs sont totalement intégrés aux changements de vitesses électriques.

Les boites de vitesse sont plus fragiles que les dérailleurs. Bien utilisées, elles durent très longtemps. Elles encaissent moins de puissance, surtout au démarrage et à la reprise. Les programmes pour les moteurs associés à ces boites sont donc prévus pour délivrer moins de couple afin de ne pas endommager la boite. Elles permettent par contre de passer les vitesses à l'arrêt, ce qui peut être utile aux cyclistes urbains assez distraits pour ne pas passer une petite vitesse avant l'arrêt mais veulent pouvoir redémarrer sans forcer sur la mécanique. Les boites ont aussi pour avantage d'utiliser des chaînes avec un seul pignon, donc on use moins. Avec une courroie à la place de la chaîne, l'entretien est facilité. Question de choix.

Je n'ai pas non plus installé de détecteur de changement de vitesse sur mes vélos.

Les capteurs de luminosité.

D'autres capteurs sont présents sur certains VAE. Ils modulent le rétro-éclairage de la console, ou déclenchent les phares, s'ils sont liés au système, en fonction de la luminosité. Ils peuvent être intégrés à la console et/ou aux phares. Il y a aussi des capteurs de luminosité dans certains phares alimentés par une dynamo. Je suppose que c'est utile aux cyclistes dont les yeux fonctionnent mal (capteur du cycliste défectueux) et qui ne pensent pas à mettre en route l'éclairage quand la luminosité baisse (mauvais programme ou erreur de paramétrage du cycliste).

Conclusion sur les capteurs.

On aura compris que certains capteurs peuvent pallier l'inexpérience ou la distraction du cycliste. On peut considérer qu'ils ont pour défaut de complexifier le système, d'ajouter des pièces et des câbles, avec peut-être des soucis pour faire réparer, surtout dans la durée. Chacun peut choisir d'avoir un cerveau assisté, et/ou d'acheter du prestige en payant de la marque. Je penche plutôt pour les machines aussi simples que possible, capables de rendre service tous les jours pendant longtemps. Un peu d'acquisition de savoir-faire, ça marche aussi.

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