A propos d’autonomie🔋

“Et votre vélo, quelle est son autonomie ?”

La question de l’autonomie d’un vélo électrique revient, lancinante, aux oreilles de tous les fabricants du monde. Particuliers, magasins revendeurs, journalistes, tout le monde se préoccupe du nombre de kilomètres que l’on peut parcourir avec tel ou tel modèle.

La question est basique. Nous y répondons souvent par un chiffre, pour contenter notre interlocuteur et parce que la situation nous permet rarement d’entrer dans les nuances. Mais, en même temps que nous répondons dans un sourire “70 km” ou “200 km”, nous pensons : “ça dépend”.

Ce “ça dépend” n’est pas une coquetterie d’ingénieur. L’autonomie d’un vélo électrique varie énormément selon le contexte dans lequel il est utilisé, et selon l’utilisateur. Le phénomène est bien connu pour les voitures électriques, où des normes sont venues préciser l’environnement dans lequel les constructeurs automobiles devaient tester l’autonomie de leurs véhicules (cycles WLPA).

Le but de ce post est de vous exposer quelques mesures faites sur la flotte IWEECH, et d’évoquer comment nous avons essayé de fournir de façon simple à nos utilisateurs une information plus riche sur leur autonomie qu’un unique chiffre sans contexte.

Les grandeurs qui affectent l’autonomie d’un vélo

La pente

Quand un cycliste monte, son énergie potentielle de pesanteur croît, autrement dit il faut plus d’énergie pour avancer. Cette énergie supplémentaire est fournie par le cycliste, qui appuie sur les pédales, et par le moteur dans le cas d’un vélo électrique. L’énergie à fournir pour s’élever est proportionnelle à la pente : plus la pente est raide, plus l’énergie à fournir est importante, et donc plus on consomme de batterie. Cet effet est parfaitement observable lorsqu’on trace l’énergie consommée par les batteries des vélos IWEECH en fonction de la pente :

Ainsi donc, si sur le plat (pente de 0%) les batteries des vélos IWEECH consomment en moyenne environ 18 J/m*, ce chiffre monte à 60 J/m dans une pente à 5% et atteint 100 J/m dans une pente à 10%. La pente impacte considérablement la consommation des vélos.

*J/m : Joules par mètre. C’est-à-dire la quantité d’énergie consommée pour 1 mètre parcouru, exprimée en Joules.

Les accélérations

Accélérer nécessite de l’énergie. C’est la raison pour laquelle nous détestons tous les feux rouges. Car, une fois au vert, nous savons tous qu’il nous faudra faire un effort plus important pour réaccélérer jusqu’à notre vitesse de croisière. Cette énergie acquise au cours des phases d’accélération est proportionnelle au carré de la vitesse du cycliste : c’est l’énergie cinétique. L’énergie cinétique est, elle aussi, fournie par le cycliste (en pédalant) et par le moteur du vélo. Plus les phases d’accélérations sont nombreuses, plus la batterie va être sollicitée en énergie.

Or le nombre de phases d’accélération – et donc la consommation résultante – est fortement impacté par le contexte : si le cycliste se déplace au milieu d’une circulation dense avec de nombreuses intersections, il est probable qu’il devra sans cesse freiner / accélérer, et donc consommera beaucoup d’énergie. A l’inverse, s’il évolue à vitesse constante le long d’une piste cyclable bien isolée du reste de la circulation, sa consommation kilométrique sera plus faible.
Voici le profil de vitesse d’un trajets effectué par un des utilisateurs de la flotte IWEECH, sur un trajet plat :

Dans la première partie du trajet, jusqu’au kilomètre 4, le cycliste se déplace en milieu urbain. Sa vitesse varie énormément, au gré de la circulation dans laquelle il évolue. Dans une deuxième partie de son parcours, le profil de vitesse est beaucoup plus stable, le cycliste se déplaçant alors le long d’une piste cyclable dans un environnement peu dense.

Pour ce cycliste de 70 kg, il est possible de calculer, à partir du profil de vitesse, la variation d’énergie cinétique lors de chaque phase d’accélération, puis, d’en déduire la consommation d’énergie liées à ces accélérations, sur l’ensemble du trajet. Voici comment évolue ce besoin cumulé en énergie au cours du parcours de notre cycliste :

Cette représentation fait apparaître les deux phases précédemment décrites : dans la première partie du trajet, le besoin en énergie croit rapidement, du fait des accélérations nombreuses. En moyenne durant cette première phase, 14 J/m sont nécessaires pour suivre le profil de vitesse du cycliste. Dans une deuxième phase l’évolution est beaucoup plus lente : en moyenne 6 J/m. L’écart entre les deux, 8 J/m, représente près de la moitié de ce que consomme en moyenne un IWEECH sur du plat (18 J/m, comme on l’a vu au paragraphe précédent).

Sur du plat, la consommation est donc fortement affectée par la présence d’accélération / décélération, et donc par le contexte de circulation (présence de feux rouges et de pistes cyclables par exemple). A noter qu’en montée, l’impact relatif est moins important car la surconsommation liée à la pente prend rapidement le dessus.

Le cycliste lui-même : son poids, la façon dont il appuie sur les pédales

Tous les cyclistes ne pédalent pas de la même façon : la puissance qu’ils transmettent aux pédales varie d’un individu à l’autre, et leur consommation d’énergie fournie par la batterie également.

On peut le voir sur la courbe suivante, qui représente la distribution des consommations kilométriques des utilisateurs IWEECH sur du plat : on a vu précédemment qu’elle était autour de 18 J/m en moyenne, mais ce chiffre moyen masque en réalité une dispersion importante :

Cette dispersion s’explique en partie, comme on l’a vu, par le fait que les utilisateurs n’évoluent pas tous dans le même contexte de circulation, mais également pas les spécificités de chaque individu.

Le même graphique, dans une pente modérée (5%) , donne la dispersion suivante :

La météo

Ici à Marseille, tous les cyclistes savent qu’il vaut mieux éviter la route de la Gineste depuis Cassis les jours de mistral. Le vent y souffle de pleine face, et la simple comparaison des meilleurs temps du jour sur le segment de la Gineste dans l’application Strava, bien connue des sportifs, permet de savoir si la journée était venteuse.
C’est une conséquence du fait que la force de résistance du vent croît avec le carré de la vitesse relative du cycliste et du vent : pour un cycliste se déplaçant à 25 km/h, un vent de 25 km/h de face entraînera une force de résistance aérienne 4 fois plus forte qu’en cas d’absence de vent, et le cycliste devra donc développer beaucoup plus de puissance pour conserver sa vitesse !

Alors, l’autonomie de mon vélo, c’est combien ?

Nous l’avons vu : il est donc impossible de répondre précisément à cette question sans tenir compte du trajet proprement dit et de son contexte (dont on a vu ci-dessus une partie, mais auquel on pourrait encore ajouter d’autres éléments tels que le gonflage des pneus, la température ambiant, la pluie, etc…)

Alors coincés ? Pas vraiment selon nous : ce qui importe à l’utilisateur ce n’est pas le nombre de km disponible en situation “moyenne”, mais c’est de savoir si sa destination est atteignable pour sa situation personnelle, avec la charge actuelle de sa batterie. Ou, mieux encore, de visualiser quel est l’ensemble des points qu’il peut réellement atteindre compte tenu de sa charge de batterie à l’instant t. Pour réussir nous avons donc imaginé de spatialiser cette notion d’autonomie (en cessant d’en faire une grandeur absolue, mais plutôt une valeur relative à un point d’origine et un point de destination), en prenant en plus en compte le contexte du déplacement (pente, niveau d’urbanisme, etc…) on affine et on fiabilise le résultat. C’est ce que nous appelons la jauge intelligente chez IWEECH, un service rendu possible grâce à l’intelligence embarquée dans les vélos IWEECH.

Un exemple vaut mieux qu’un long discours : voici l’autonomie spatialisée grâce à la jauge intelligente pour un “utilisateur IWEECH moyen” au départ de Lourdes, batterie pleinement chargée sur un IWEECH 24” S. Le choix de Lourdes n’est pas anodin : au sud la barre des Pyrénées, au Nord la Bigorre.

C’est évident une fois représenté ainsi : parler de l’autonomie kilométrique de mon vélo quand on habite à Lourdes n’a pas beaucoup de sens. Si je m’enfonce dans les Pyrénées je ne ferais qu’une trentaine de kilomètres. Si par contre je m’en vais vers la Garonne, j’en ferais près de 80.

Reste que deux utilisateurs, sur un même déplacement, ne consomment pas la même énergie Comment alors personnaliser la mesure de l’autonomie pour chaque utilisateur ?

Réponse : en développant un modèle de calcul de l’autonomie propre à chaque utilisateur, rendu possible par l’analyse de ses données propres de consommation (”et pas celles de son voisin”). Ainsi la boucle est bouclée : le cycliste pédale, il produit des données de consommation qui permettent de générer un modèle d’autonomie qui lui est propre, et ce modèle est ensuite utilisé par IWEECH pour spatialiser l’autonomie du vélo, et définir toutes les 100 millisecondes le meilleur niveau d’assistance pour les besoins du cycliste :

Conclusion

Donner un unique chiffre d’autonomie pour un vélo n’a pas beaucoup de sens. C’est ce que font pourtant la plupart des fabricants de vélos. Il faudrait en fait en donner plusieurs (pour ne pas dire une infinité) : en ville, sur des reliefs, en ballade sur du plat à la campagne, avec mistral, vélo chargé, en plein hiver par -5°C, etc. La liste des situations possibles est longue comme l’autonomie d’un IWEECH. Et d’ailleurs, la batterie de son vélo est un élément sur lequel il faut porter un soin particulier pour prolonger son autonomie au maximum (lisez l’article !).

Grâce à l’intelligence IWEECH, la question “quelle est mon autonomie disponible ?” trouve désormais une réponse précise pour chacun et à chaque instant. Cette réponse peut être visualisée sur l’application IWEECH grâce à la jauge intelligente.