混合储能电动自行车再生制动恒流控制研究

张春林1  张力文2 朱笑笑3 刘荟4

摘要：混合储能电动自行车通过将燃油动力系统与电动动力系统相结合，实现了能量的高效利用和回收。其中，再生制动是一个重要的环节，通过将制动过程中产生的动能转化为电能并存储于储能装置中，达到延长续航里程的目的。然而，由于再生制动过程中充电状态与功率之间存在一定的非线性关系，并且充电需求可能随着车辆行驶状态的变化而变化，恒流充电控制成为了一个重要的问题。有效地控制充电电流，使其稳定在合适的工作范围内，能够提高储能装置的充电效率和使用寿命。因此，笔者旨在探索混合储能电动自行车再生制动恒流控制的方法与实践。

关键词：混合储能电动自行车；再生制动恒流；控制措施

引言

电动自行车作为一种环保、便捷的交通工具，在城市出行中得到了广泛的应用。然而，普通电动自行车在制动过程中会产生大量的能量浪费，导致能源的浪费和寿命的缩短。为了提高电动自行车的能效和续航里程，混合储能电动自行车技术应运而生。混合储能电动自行车利用能量回收系统，将制动时释放的能量转化为电能并存储起来，再通过辅助电机帮助脚踏，以减轻骑行时的负担，从而提高动力性能和续航里程。然而，如何有效地控制再生制动能量的回收和利用仍然是一个亟待解决的问题。

1再生制动恒流概述

再生制动恒流是指在再生制动过程中，通过对电流进行恒定控制的技术。再生制动是利用电动车辆运行中产生的动能将之转换为电能并存储到电池中，以达到能量回收和提高能量利用效率的目的。再生制动恒流控制的核心是确保电流在一定范围内始终保持恒定，避免过高或过低的电流对电池的损害，从而实现有效的能量回收和储存。恒流控制需要根据电动车辆的实际情况进行调节和控制，例如控制回收电流的大小、维持电流恒定的时间等。

2混合储能电动自行车再生制动恒流控制的重要性

首先，提高能量利用效率。通过再生制动将行驶中产生的动能转化为电能存储到电池中，有效提高了能量的利用效率。而恒流控制能够确保再充电时的电流恒定，不仅可以保护电池不会受到过高电流的损害，还能更有效地进行能量的再生和储存。其次，增加续航里程。再生制动使得电动自行车能够回收和储存一部分能量，这就意味着在行驶过程中，电池耗电量相对减少，从而提高了续航里程。恒流控制可以更好地管理再生制动过程中的能量转化和储存，从而进一步提高电池的续航能力。最后，增强安全性能。再生制动可以实现电动自行车的快速减速和停车，并且与常规摩擦制动相比，再生制动具有更好的控制性能和稳定性。恒流控制可以确保再生制动时电流的稳定，避免因电池过度充电导致的安全隐患，提高了电动自行车在行驶过程中的安全性能。

3混合储能电动自行车再生制动恒流控制存在的问题

3.1控制算法复杂性

实现混合储能电动自行车再生制动恒流控制的一个主要问题是控制算法的复杂性。为了实现恒流控制，需要采用先进的电子控制系统来监测和调节电流。然而，复杂的控制算法可能增加了控制系统的复杂性，并需要更高水平的技术要求和成本。这导致设计、开发和维护控制系统变得更加困难，增加了工程师的工作量和投入资源的成本。

3.2动能回收效率有限

混合储能电动自行车再生制动恒流控制面临的一个问题是动能回收效率有限。尽管再生制动可以回收部分动能并转化为电能，但实际能量回收效率受到多种因素的影响。例如，制动器的效率、电池的充电效率等都会对能量回收产生影响。特别是在较低速度或急刹车时，恒流控制无法完全发挥作用，限制了能量回收的效果。

3.3电池容量限制

混合储能电动自行车再生制动恒流控制面临的一个问题是电池容量的限制。虽然再生制动可以将动能转化为电能并存储到电池中，但电池的容量是有限的。当再生制动过程中产生的电能超过电池容量时，需要进行精确控制，以确保只有适量的电能储存到电池中，避免过充，同时保持足够的容量供给其他功能使用。这意味着需要设计和实现恒流控制算法，以避免电池容量超出其承载能力，并确保在充电过程中能够平衡能量回收和其他系统需求，确保电池的寿命和性能不受损。

3.4耗能与耐用性平衡

混合储能电动自行车再生制动恒流控制中存在一个问题是耗能与耐用性之间的平衡。为了实现恒流控制的目标，需要在提供足够的制动力的同时，需要牺牲一部分电池容量或消耗额外的能量。这意味着在设计过程中需要仔细权衡耗能和系统的耐用性之间的关系。需要寻找合适的平衡点，确保制动效果的同时不过度消耗电池容量，以延长电池的寿命并提高整个系统的可靠性。

4混合储能电动自行车再生制动恒流控制措施

4.1优化控制算法

为了实现混合储能电动自行车再生制动恒流控制，需要设计一个智能化的控制系统，并根据车速、制动力需求等因素进行精确的电流监测和调节。这个控制系统的核心是控制算法，它会根据实时的车速和制动力需求，计算并控制再生制动电流的大小和时间，以最大程度地提高能量回收效率。在设计控制算法时，使用传感器或其他装置监测车辆的实际速度，并将其作为输入参数用于控制算法中。根据不同的车速范围和变化率，调整再生制动电流的大小和时间。基于制动手柄、刹车器或其他控制信号，估计所需的制动力。根据制动力需求的大小和变化，调整再生制动电流的大小和时间。根据预定的恒流值，通过PWM（脉冲宽度调制）方式或其他控制策略，调节电流的输出，保持恒定。

4.2提高动能回收效率

对制动器进行优化设计，以提高其效率和响应速度。这包括使用高性能材料制造制动器，减小制动器的质量和惯性，优化摩擦材料选择和制动器结构，以实现更快速、更有效的制动。设计高效的能量回收系统，包括再生制动装置、电机和电子控制单元（ECU）。确保能够最大限度地转化和储存动能，以便后续使用。优化电机控制算法，确保在再生制动时电机能够最大程度地吸收动能并将其转化为电能存储。采用先进的电池管理系统（BMS），来提高电池的充电效率和能量回收效果。通过监测和控制电池的充电过程，使得电池能够高效地接收能量并减少能量损失。使用BMS来平衡电池组中各个电池单体的充电状态，以最大程度地利用电池容量。通过智能能量管理系统，对动能回收过程和电池充电过程进行优化和控制。根据实时的车速、制动力和电池状态等因素，动态调整能量回收装置的工作模式和参数，以最大程度地提高回收效率。持续进行材料和技术创新，利用先进的材料和技术来改善动能回收效率。例如，采用高能量密度的锂离子电池，使用高效的电机和发电机设计，利用新型摩擦材料等，以提高能量转化和储存的效率。

4.3精确控制电池充电量

通过控制再生制动电流的大小和时间，确保只有适量的电能被存储到电池中，避免过充或电池损害。根据电池的特性和规格，以及实时的充电需求，调整充电电流的大小和持续时间。采用电池容量监测技术，即时掌握电池的充电状态和剩余容量。通过监测电池的电流输入和输出，以及记录电池的放电和充电量，可以准确评估电池的剩余容量，并在充电过程中进行相应的调节。使用先进的电池管理系统（BMS），来监测和控制电池的充电过程。BMS可以实时检测电池的电压、电流、温度等参数，并根据设定的充电策略，控制充电过程中的电流输入，以保证充电量的精确控制。根据电池的特性，设定充电终止条件。当电池达到预设的充电容量或达到安全的充电终点电压时，及时停止向电池充电，避免过充。这可以通过BMS进行实时监控和控制来实现。定期对电池容量监测系统进行校准，以确保其准确性和稳定性。这可以通过对电池进行完全充放电循环来实现，连接到专门的充放电设备进行校准，以便准确估计实际的电池容量。

4.4平衡耗能与耐用性

通过优化电机的设计，提高其效率和功率密度。使用高效率的电机可以减少能量损耗，并在制动过程中产生更多的回收能量。选择适当的电机类型和尺寸，以满足制动力需求的同时，尽量减少额外的能量消耗。精细调整制动系统，使其在提供足够的制动力的同时，最小化能量的额外消耗。这可以通过改进摩擦材料、减少制动器的质量、优化制动器结构等方式来实现。降低制动器的质量和惯性可以减少额外能量的消耗。用智能控制策略，根据实时的车速、制动力需求和电池状态，动态调整制动器力度和电池回收电流的大小，以达到耗能和耐用性的最佳平衡。这可以通过PID控制、模糊逻辑控制等先进的控制算法实现。不断进行材料和技术创新，以改善耗能和耐用性之间的平衡。使用先进的材料和制造工艺，如碳纤维制动器盘、高温抗磨损摩擦材料等，可以减少额外的能量消耗并提高制动系统的耐久性。定期对电机和制动系统进行维护和保养，保持其良好的工作状态。定期检查和更换磨损的部件，如制动垫片、轴承等，可以延长制动系统的寿命并保证其性能的稳定性。

4.5持续改进技术与材料

通过采用高效电机设计，如无刷直流电机（BLDC）、永磁同步电机（PMSM）等，可以提高电机的效率和功率密度。这些电机具有较低的能量损耗和更高的转速响应，从而提供更好的再生制动效果。使用轻量化材料能够减少整车的重量，降低能耗，提高电池续航里程。例如，采用碳纤维复合材料来制造车架和部分结构件，可以减轻车辆质量并保持足够的强度和刚度。借助先进的电池技术，如高密度锂离子电池、固态电池等，可以提高电池的能量密度和充电效率，从而实现更有效的能量回收和存储。采用新型电池技术可以降低能量损失，并提高电池的循环寿命和充放电性能。应用智能控制系统，如基于人工智能和机器学习算法的控制策略，可以根据实时数据和车辆状态，在再生制动和恒流控制过程中进行优化调整。这样可以实现更精确的能量回收和恒流控制，提高整体效率。进行实验和仿真验证，对新技术和材料进行评估和测试。通过在实际运行条件下进行测试，获得真实的数据和反馈，进一步改进和优化技术和材料选择，以实现更好的表现和可靠性。

结束语

综上，混合储能电动自行车再生制动恒流控制是一个具有重要意义和潜力的研究领域。通过精确监测并调节电流，以实现恒流控制，可以最大程度地提高能量回收效率，延长电池续航里程，减少对外部能源的依赖。在这个研究领域中，我们需要不断探索和创新，应用先进的技术和材料，改进控制算法和系统设计。通过优化制动器、电机和电池管理系统等关键组件，提高整体系统的效能和可靠性。

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