Les vélos cargo de Julien et sa famille

Introduction

Ces vélos servent quotidiennement pour la logistique familiale. En comparaison d’une remorque 2 places, le cargo apporte sécurité, interaction facile avec les enfants et une capacité de transport supérieure (100kg de charge). Habitués des voyages à vélo, leur utilisation sur la longue distance se fait naturellement. Cependant, du fait du poids élevé, le dénivelé impacte fortement l’autonomie en version électrique non solaire.

Suite à une première réalisation électrique sur base Cycle Analyst, ce sont mes premières réalisations solaires. Ces vélos n’ont parcouru chacun que 2500km en solaire (mais respectivement 9.000km / 3ans et 22.000km / 7 ans au total). La conversion solaire/non-solaire s’effectue en une heure.

L’investissement en temps se chiffre entre 200 et 300 heures au total – principalement à cause des erreurs de développement générant plusieurs versions. L’investissement financier se situe aux alentours de 6.000 Eur par vélo solaire – à relativiser par leur utilisation en remplacement d’une voiture depuis 7 ans.

Présentation technique détaillée

Le cadre

Cadres Douze V2 pour les raisons suivantes :

• La position neutre, ni trop sportive (type Bullit) ou trop relevée (type Bakfiets)
• La direction par câbles qui apporte une vraie flexibilité dans le maniement même si moins robuste et sensible aux réglages de tension des câbles
• La possibilité de séparer les cadres avant et arrière, améliorant la transportabilité et l’évolution du cadre (possibilité de rallonger ou raccourcir le vélo en changeant le cadre avant), même si finalement peu utilisée en 7 ans.
• Le design vraiment réussi et l’aboutissement technique générale du vélo
• Les nombreux points d’attache pour faire évoluer la structure avant en fonction de l’utilisation
• L’acceptabilité de pneus de 2.4 pouces

En passant récupérer le deuxième cadre chez Douze Cycles, j’ai rencontré Arno Liégeon qui a préparé le vélo d’EricMorel sur le Suntrip 2018. Il m’a donné plein d’astuces de montage, comme la combinaison rotule uniball + silentbloc pour la liaison surface solaire / vélo par exemple.

Le seul point que je regrette est l’impossibilité de monter une fourche suspendue (équipement disponible sur d’autre modèles qui ne se prêtent pas aussi aisément au bricolage solaire) du fait de la géométrie non prévue pour cette adaptation.

La motorisation

Deux moteurs

• Moteur roue Direct Drive Nine Continent RH212 (sur vélo cadre bleu)
• Moteur modèle chinois équivalent en 26 pouces arrière (sur vélo cadre blanc)
• Moteur roue réducté Bafang G311 Std en 20 pouces avant (deux cadres).

Avec une masse totale de 170 kg, un moteur à entraînement direct permettant la régénération s’impose : faible taux max. de 15% sur une étape vallonnée pour nous, mais surtout sécurité fortement accrue et durée de vie des plaquettes de freins démultipliée – facteur 3 en usage ville. Et dans une descente à 20% rencontrée au fin fond de la Corrèze, les freins seuls n’auraient pas tenu.

Cependant, un moteur Direct Drive en 26’’ requiert pour ce type de charge une puissance entraînant une surchauffe rapide en côte, donc rajout d’un moteur réducté sur roue de 20 pouces à l’avant (3kg soit 2% de surpoids en charge). Sur conseil de Justin (Grintech), le Direct Drive reste en permanence alimenté avec une limite en température et le moteur réducté ne vient qu’en support pour aider dans les phases d’accélération ou de côtes.
Régulation: consigne commune du Cycle Analyst sur les deux contrôleurs, avec un décalage d’environ un volt en seuil de départ de rampe pour le contrôleur du moteur avant : dès que la puissance appelée correspond à une vitesse stabilisée sur route plate, seul le moteur Direct Drive reste actif et le moteur avant n’entraîne aucune perte énergétique du fait de sa roue libre.

Suite à l’erreur de montage ci-dessus, un des moteurs avant a dû être désactivé au milieu du trajet et l’avantage de la double motorisation était flagrant.

La batterie

Cahier des charges : autonomie garantie 100km/jour indépendamment de la météo (objectif de 5h par jour et 5 jours d’affilée max. pour respecter le bien être des enfants, passifs dans le cargo). Considérant la charge, rouler sans assistance n’est pas envisageable (suite à un défaut contrôleur le deuxième jour, 5km sur un faux plat descendant sans vent de face m’ont été très difficiles).

2 batteries par vélo de type suivant (achetées en France):

• 48V assemblée 13S7P soit 17,5Ah ou 816Wh (environ 1,6kWh théorique, bien moins en pratique du fait des réglages de charge, voir chapitre suivant).
• Cellules Samsung INR18650-35E (Li-Ni-Co-AlOx), référence Li-ion à la date de l’achat, 2C en décharge, soit 3,3kW théoriquement possible. 0,5C en charge correspondent à environ 800W, donc récupération + production solaire synchrone non critique.
• Boîtier standard Hailong et BMS standard, dont un Bluetooth avec surveillance des cellules, absolument recommandé !
• Montage en parallèle par distributeur Anderson Powerwerx PD-8, cher mais solide donc rendant les connexions faciles et sûres (voir schéma de câblage).

Paramétrages tensions (valeurs empiriques conservatrices, à optimiser):

• Charge secteur réglée à 52,5V (théorique à 54,6V) => Perte significative de capacité pour éviter de stresser les cellules et permettre la charge solaire et récupération.
• Seuil bas de réduction de puissance Cycle Analyst à 43V : grâce à la capacité importante des deux batteries, la « fonction réserve » permet d’avoir un peu de marge avant coupure complète
• Coupure contrôleur réglée à 41V (destruction cellules théorique 39V) => comme précédemment, pour optimiser la durée de vie des cellules et de garder la coupure BMS en redondance
• Charge MPPT solaire réglée à 53V : valeur pour permettre une certaine récupération. Valeur sûrement non suffisante pour des étapes de montagne – A mesurer.
• Tension de régénération réglée à 53,5V : valeur avec coefficient de sécurité empirique pour garder la coupure du BMS en redondance

A 12Wh/km pour 22,5 km/h en moyenne, possibilité d’une journée complète sous la pluie sans être arrêtés. Sur 20 jours de voyage, seule une recharge sur secteur a été nécessaire suite à deux jours très pluvieux avec fort vent de face.

Le branchement de batteries en parallèle, même si techniquement simple, peut poser problème:

• si un BMS s’arrête, report de toute la charge/décharge sur une seule batterie, sans retour d’information.
• si un BMS s’arrête (surchauffe par exemple), et redémarre automatiquement => Équilibrage en tension non contrôlé des batteries générant des courants très importants.
• => Fusibles de 25A permettent d’éviter le pire, mais les cellules peuvent être soumises à des surcharges sans que cela ne soit visible.

L’équipement solaire

Panneaux photovoltaïque et support mécanique

Cahier des charges panneaux :
Cellules de type silicium monocristallin avec rendement panneau >20%
Largeur d’environ 80cm, largeur d’un guidon VTT auquel je suis habitué

Cahier des charges support :
Système d’orientation 1 axe, mécanique ou électrique, régulation automatique si possible (voir étude de Yannick Aspe).
Dimensionnement du support pour éviter toutes flexions / vibrations trop importantes dans les deux axes car cellules c-Si monocristallines légèrement flexibles sur un seul axe (les panneaux semi-flexibles sont prévus pour être collés sur des surfaces plus ou moins planes type yacht ou camping-car)
Encapsulage des cellules sur support plastique léger mais peu protecteur : nécessité de dimensionner le support de telle sorte à ce qu’il dépasse de quelques millimètres de la surface solaire.
Refroidissement : Taux de perte de puissance de –0.30%/°C (Cellules Sunpower C60), donc fixation ponctuelle plutôt que sur toute la surface.

A l’époque de la réalisation de ce vélo, j’ai pris contact avec l’institut de recherche appliqué pour les systèmes solaires Fraunhofer ISE – où je travaille actuellement – pour éventuellement leur demander de réaliser des panneaux qui répondaient à mes attentes. Malgré leur réponse négative, j’ai pu par leur intermédiaire prendre contact avec la société Phaesun, distributeur de matériel solaire qui m’a fourni les modules référence des Suntriper: Sunpower SPR-EFlex 170Wp / 3kg / 1153 x 810 x 20 mm / 6×8 cellules back contact – permettant par leur architecture spécifique une meilleure adaptabilité aux micro-fissures, inévitables dans l’application que nous en faisons. Connecteurs MC4 remplacés par des Anderson.

Fixation module / cadre alu par scratch (ou Velcro) autocollant: isolation vibrations + démontage/remontage facile (pour transport ou stockage)

Suite à 10 jours en bord de mer, le sable déposé altère notoirement l’efficacité des panneaux

Régulateurs solaires

C-Tec 300W, un par panneau: faciles à paramétrer, plutôt réactifs – du moins pour le prix. Seule la consommation en veille me semble non négligeable – à mesurer.

Câblage

Connectiques Anderson 30A pour la puissance (fiable, simple et robuste, réalisation des câbles manuelle sans pince spéciale avec soudure des cosses), JST pour l’information (pas convaincu par le design mais standard chez Grin et je n’en connais pas d’autres, coffrets pièces 2/3/4/5 brins disponibles et peu cher).

Schéma unifilaire du câblage

Légende : rouge: puissance – section de 1mm² à 3mm² / noir: information – environ 0,2mm²)

Régulation cycle :

Un seul Cycle Analyst pour toute la régulation: paramétrage exigeant un certain investissement en temps mais très formateur. Le support après-vente de Grin est irréprochable. Attention au frais de douanes lors de commande en direct.

Structure porteuse : 4 versions sur 2 ans

Version 1.0 : Juin 2020

• Structure alu AW-6060 T6 – seul alliage / traitement thermique disponible chez le négociant en aluminium local : léger, rigide, facilement perçable, mais très difficile à cintrer (nécessitant un revenu du T6 – voir Versions suivantes).
• Orientation par jeu de ficelles et tendeur sandow : solution peu raffinée mais in fine efficace et fiable.

Avantages :

• Structure simple à assembler : 3 tubes pour la sous-structure, silent bloc uniball et support panneau alu.
• Maintien ferme du panneau : même sur revêtement dégradé et malgré l’absence de fourche suspendue, aucun fléchissement
• Sensation de conduite similaire à la version non solaire

Inconvénients :

• 170Wp insuffisants pour de longues étapes, prévisible d’après la fameuse valeur empirique du 4 wh/wp/jour.
• Orientation manuelle en roulant compliquée voire dangereuse en biporteur (visite impromptue de fossé suite à un dépassement de semi-remorque avec panneau fortement incliné) Pilotage plus difficile sur revêtement dégradé car vue obstruée.

Version 1.1 : Juin 2021 Prologue Suntrip (4 jours en vélo)

Figure 11 : Visualisation 3D pour validation encombrement/interférence

• Rajout d’un deuxième panneau sur remorque : modèle « Tout-terrain – Mule », marque locale qui m’a offert ce matériel à titre de sponsoring. Montage fixe d’un panneau sur structure aluminium avec uniball/silentbloc pour orienter le panneau à l’arrêt et accéder aux bagages. Une remorque mono-roue permettant une conduite très naturelle mais l’encombrement du panneau peut poser problème lors du passages étroits comme des plots de piste cyclable.
• Orientation par moteur pas à pas sur la structure avant : sur base d’un GX24R370, 12V 10RPM et régulation précablée PWM. installation électrique simple (plug-n-play) mais intégration mécanique plus complexe.

• Finalisation de la structure alu/tissu cordura pour accueillir les enfants: partie la plus complexe du projet au niveau mécanique car cintrage de tubes en diam.35x ep. 2mm à 90° sur alliage 6060-T6 nécessitant du savoir-faire métallurgique que je n’ai pas.

Avantages :

• Énergie solaire suffisante pour de longues étapes,
• Orientation facile : solution moteur DC avec régulation manuelle pratique et fonctionnelle. Cependant, étant donné la sensibilité au vent latéral d’un panneau incliné, une régulation automatique n’est pas idéale pour les bi-porteurs (développée puis abandonnée par Douze Cycles).

Inconvénients :

• Attelage très long compliquant fortement les passages étroits car la trajectoire pour faire passer le panneau avant n’est pas forcément la même que pour la remorque avec le panneau arrière.
• Arêtes des panneaux parfois considérés comme agressifs pour circulation inverse / piéton sur piste cyclable
• Réverbération du panneau sur le visage : dans le cas d’utilisation de panneau à face avant lisse, un éblouissement apparaît parfois.
• Ombre portée du cycliste sur les panneaux : difficilement quantifiable mais dans cette configuration génère de l’ombrage le matin et en fin d’après midi nécessitant obligatoirement des régulateurs de charge / MPPT séparés.

Version 2.0 : Juillet 2021

Premier essai avec les panneaux en toiture : hauteur encore trop importante (encore 15cm de marge au-dessus du casque en roulage) et hauban anti-oscillation central trop vertical (initialement installé pour supporter la déformation du tube sous modules).

Suite à l’essai du cargo Bullit de Peter et du vélo de Sybille pendant le prologue 2021, les réticences vis-à-vis des panneaux en toiture ont été levées. Cette version a été développée en 4 semaines avant le départ avec toute la famille.

Avantages :

• Irradiation optimale sans ombrage, dans l’hypothèse où la propreté des modules (feuille morte par exemple) est régulièrement contrôlée.
• Orientation unique pour toute la surface solaire : ici avec 4 colliers rilsans réutilisables : les forces de résistance à l’air en roulant sont minimales lorsque les panneaux sont à l’horizontale
• Protection cycliste rayons UV et intempéries : impossible de revenir en arrière une fois essayé : Plus d’insolation, température même sous canicule très acceptable
• Déport des panneaux très au-dessus des obstacles rencontrés sur une piste cyclable : avec 70 cm de large à hauteur de barrière, même les chicanes anti-scooter ne sont plus un problème.

Inconvénients :

• Forces sur le cadre au niveau des fixations importantes :

Brides de liaison cadre / structure solaire : base en hêtre en 20mm et renforts aluminium 20x5mm

• Tubes dans le champ de vision : acclimatation rapide et peu gênante
• Orientation impossible en roulant : position horizontale obligatoire car en comparaison des vélos couchés ou trike, la position assise nécessite une plus grande hauteur ce qui entraîne un couple important dès que des forces transversales (vent de côté) sont appliquées. 2m² de surface solaire avec un angle d’inclinaison supérieur à 15/20° suffisent à déstabiliser un cargo biporteur.
• Oscillation longitudinale importante – de l’ordre du centimètre – lors de passage sur des aspérités qui « stoppent » le vélo mais pas la structure solaire : pas assez de « triangles » dans la structure vue de profil, effet parallélogramme s’aplatissant. Les renforts/haubans en tubes d’environ 10×1,5mm (D.xEp.) ne flambent pas et annulent efficacement cette oscillation.
• Réalisation des tubes courbés sur 2 axes : étant donné le savoir-faire acquis sur la réalisation plus complexe de la structure de protection des enfants, j’en ai profité pour appliquer cette technique me permettant de résoudre en un tube les contraintes d’encombrement et d’angle.
• Risque de casse cellules solaires important lors de basculement du vélo. Le support aluminium dépassant des panneaux a évité une déformation visible des panneaux mais les cellules ont sûrement souffert – test électroluminescence pas encore effectué.
• Poids de la structure totale : difficile à estimer car poids visserie inconnu. Total avec panneaux sûrement au-dessus de 15kg.
• Hauteur de 2.05m pouvant poser problème dans des tunnels (comme par exemple à Besançon le long du canal sous la montagne)

Version 2.1 : Juillet 2021 -> Actuelle

Configurations des vélos pendant notre voyage. Les enfants disposent de 3 protections indépendantes scratch combinables en fonction de la météo : filet anti-insecte, plastique transparent pour la pluie, Cordura opaque pour ombre.

Version utilisée pendant notre voyage. Étant donné que le vélo de Jenny dispose d’une fixation plus haute sur le tube coudé avant et qu’elle a besoin de moins de hauteur, seuls une paire de renforts est nécessaire. Dans mon cas, j’ai du rajouter au milieu du trajet des renforts vers l’avant pour mieux gérer les oscillations.

Pièces cycles et divers:

• Les deux cadres sont équipés de tige de selle télescopiques (non suspendues). Équipement dorénavant standard dans le VTT qui permet de régler en roulant la hauteur de selle sur l’intégralité du débattement, et ainsi
  • de s’échanger facilement les vélos sans outil et sans marquer la tige de selle (28cm d’écart de taille pour nous),
  • de baisser temporairement la selle pour plus de sécurité dans les passages délicats ou au feu rouge donnant une meilleure résistance au basculement avec forte charge,
  • de régler la selle un peu plus basse pour ne pas abîmer un pantalon un peu plus chic (utilisation ville).

• Jantes Mavic EX729 / 26 pouces / 36 trous / 29mm de large / double œillet / soudure renforcée, prévue pour le VTT de descente. Combinée à des Schwalbe 26 par 2,35 (60-559), chambre à air de descente, gonflés vers 2,5 Bar. Malgré le poids en charge, aucun problème à signaler. Cette combinaison permet une balance entre confort, résistance au roulement et tenue sur l’angle satisfaisante. Pour aller plus loin, je conseille la lecture de cette page (source : https://www.schwalbe.com/fr/rollwiderstand)
• Groupe Shimano SLX 11 vitesses cassette 11-46 – malheureusement le pignon de 46 dents ne me semble pas compatible avec la roulette de renvoi du cadre Douze. Plateaux 28 et 42 dents, sans dérailleur (adaptateur nécessaire car cadre non prévu pour cette configuration) : changement sur 28 à la main, dans le cas de côte longue.
• Groupe Microshift Advent 9 vitesses cassette 11-42 : kit dérailleur/cassette/shifter actuellement trouvable à 120 Eur tout compris, compatible Shimano, fiable et agréable même si l’étagement de la cassette est assez espacé. Chaîne 9 Vitesses à mon avis bien plus robuste que celles pour 11 et 12V.
• Ergotec H-Bar Space, copie abordable du Jones H-Bar de Peter qui m’a convaincu – la différence vis-à-vis de cintre droit de VTT est sensible – combinée à des poignées Ergon légèrement sorties du cintre pour compenser son manque de largeur. Le fait d’avoir une position un peu plus relevée et de pouvoir changer de position des mains a résolu l’apparition de douleur aux épaules pour moi.
• Pédales plates à picots (je roule uniquement en automatique en VTT), permettant quand même de « pédaler rond » tout en ayant une paire unique de chaussures multi activités,

• Selle SQlab 610 pour Jenny, la révélation pour elle après plusieurs modèles testés au fil des années.
• Freins hydrauliques « Shigura », la combinaison interdite d’après les fabricants mais tellement efficace de leviers Shimano et d’étriers Magura MT4 – 4 pistons, couplés à des disques Shimano en 203 mm.
• Lampe avant Roxim X4, pour leur qualité de fabrication, leur faisceau puissant mais très uniforme – visibilité à 180 degrés, permettant les trajets de nuit (condition technique pour profiter des couchers de soleil sur la plage en dehors d’un cadre course Suntrip).Combinée à LED clignotantes orange 12V sur conseil de Christophe du Suntrip en permanence à l’arrière.

• Guidage par GPS Garmin Dakota : 10 ans d’ancienneté – donc très peu cher, indestructible, étanche, très lisible car écran LCD (plus il y a de soleil, meilleur est le contraste), alimenté par la batterie sur convertisseur DC/DC micro USB 5V, cartes OpenStreetMap gratuites sur https://extract.bbbike.org/?lang=fr, parcours chargé en GPX à partir du site également gratuit cycle.travel, proposant des routages parfait pour le cyclo-tourisme, et planificateur d’un itinéraire sur plusieurs jours permettant d’optimiser le ratio km/denivelé quotidien. Utilisation du site sur Smartphone aussi possible, avec branchement sur le GPS par adaptateur USB OnTheGo (génération de GPX par OSMand avec cartes hors ligne dans le cas de réseau faible).

• Rétroviseur : pour se conformer au règlement de participation du Suntrip, même si je trouvais cet équipement auparavant inutile, mais finalement très agréable à l’usage. Modèle Busch + Müller fonctionnel et robuste, utilisé dorénavant au quotidien pour surveiller les enfants sur le chemin de l’école.

Retour d’expérience

• Valeurs moyennes quotidiennes :
  Les valeurs des Cycle Analyst ont été relevées chaque soir, permettant ainsi d’avoir une comparaison entre les deux vélos (seules les valeurs moyennes apparaissent ici).

Commentaires :

• 100km et 4h30 par jour : compromis entre un avancement quotidien correct et bien être des enfants.
• consommation de 12Wh/km pour 23 km/h en moyenne : valeur élevée dû au poids en charge et à l’assistance permanente pour minimiser la durée du trajet tout en restant dans une intensité d’effort correcte. Aérodynamisme non optimisé.
• 96% de part d’énergie solaire : valeur satisfaisante étant donné une météo parfois capricieuse
• 5% de régénération : valeur faible mais liée au parcours relativement plat (évitement des massifs montagneux autant que possible) et à un paramétrage perfectible.

Points forts

Les version 1.1 et 1.2 ont été utilisées successivement sur des prologues du Suntrip mais uniquement 2 jours à chaque fois. La version 2.0 seulement quelques dizaines de kilomètres. Nous avons effectué environ 2000 km avec la version 2.1.

Une fois les problèmes listés dans le paragraphe suivant réglés, leur usage fait entrer le voyage à vélo en famille dans une autre dimension : sans assistance, 20 à 30 km par jour sont possibles, et de l’ordre de 60 km avec assistance pour les deux parents. En comparaison, nous avons réalisé une moyenne de 100km par jour, avec un record à 135 km sur la côte Atlantique (en 6h de roulage). De plus, pouvoir arriver au camping sans être physiquement entamé permet de mieux profiter du temps libre avec les enfants. Ainsi, ils gardent un bon souvenir de ce voyage et me demandent régulièrement de planifier le prochain voyage en vélo solaire.

Des « fonctions » supplémentaires ont été découvertes au fur et à mesure du voyage :

Figure 24 En mode parasol pour la pause midi, permettant d’utiliser les tables de pique-nique délaissées car au soleil

Points à améliorer

Le concept tel qu’il est actuellement nous convient. Les points d’amélioration seraient les suivants :

• les points d’attache du tube principal sous les panneaux, actuellement avec du matériel de plomberie et une fixation propre des renforts longitudinaux.

• un maintien des panneaux sans cordelettes serait plus esthétique. Une réutilisation des moteurs d’orientation serait techniquement plus propre, éventuellement avec un asservissement adapté à cette configuration bi-porteur / panneaux en hauteur.

• le câblage de puissance caché au niveau du tube de direction devra être fixé proprement car actuellement assez chaotique (même si le distributeur Anderson permet de disposer d’une base propre).

Mon prochain vélo / ou les prochaines évolutions

Les enfants ayant entre-temps grandi, il leur sera nécessaire de rouler avec leurs propres vélos lors de nos prochains voyages, donc des vélos électriques pour les enfants, un 20’’ et un 24’’ les plus légers possibles, peut-être également avec une structure solaire adaptée en toiture ? Tout dépendra du type de panneaux que je pourrais me procurer. Quelques idées en tête, mais une réalisation d’ici l’été 2023 me semble actuellement trop ambitieuse.

Freiburg, le 27-12-2022
Pour me contacter : bidon79115@gmail.com