蓄能器架的制作方法

文档序号:10617597阅读:453来源:国知局
蓄能器架的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种对液压气动能量存储系统(1)进行充载的方法,该系统(1)包括第一液压气动蓄能器(2a),该第一液压气动蓄能器包括第一中空容器(5a)和第一可压缩容积(7a),该第一可压缩容积设置在该第一中空容器(5a)内并且容纳第一气体量,且该系统(1)包括第二液压气动蓄能器(2b),该第二液压气动蓄能器包括第二中空容器(5b)和第二可压缩容积(7b),该第二可压缩容积设置在该第二中空容器(5b)内并且容纳第二气体量,该方法包括如下步骤:将容纳在该第一容积(7a)中的气体预加压至第一静压预充载压力,并且将容纳在该第二容积(7b)中的气体预加压至第二静压预充载压力,该第二预充载压力高于该第一预充载压力;通过将不可压缩液压流体排放到该第一容器(5a)(5a)中来使得第一容积(7a)中的气体加压,同时保持容纳在该第二容器(5b)(5b)中的不可压缩液压流体的量恒定,以将容纳在该第二容积(7b)中的气体的压力保持在第二预充载压力下;以及当该第一容积(7a)中的气体的压力达到第二预充载压力时,通过将不可压缩液压流体排放到第二容器(5b)(5b)中来对第二容积(7b)中的气体进行加压。本发明进一步涉及一种对液压气动能量存储系统(1)进行卸载的方法,以及涉及一种用于执行所提出的充载和卸载方法的液压气动能量存储系统(1)。
【专利说明】蓄能器架
[0001] 本发明主要设及一种液压气动能量存储系统并且设及一种对该存储系统进行充 载和卸载的方法。液压气动能量存储系统通常例如应用在农业、采矿或建筑中使用的作业 机器中。
[0002] 本申请要求在2014年2月4日提交的美国临时专利申请号为61/935,665的优先权, 该申请的全文W参见的方式纳入本文。
[0003] 液压气动能量存储系统通常包括至少一个液压气动蓄能器,该蓄能器包括封围存 储空间的刚性中空容器。通常,该存储空间分成闭合可压缩容积和可变空间,该闭合可压缩 容积填充有一定量的诸如氮气之类的工艺气体,而该可变空间用于接纳诸如油之类的不可 压缩液压流体。典型地,可变空间通过一个或多个阀与容器的外部流体连通。
[0004] 可通过将一定量的不可压缩液压流体排放到容器内部的可变空间中将能量存储 在系统中,W将容纳在容器内部的闭合容积中的工艺气体进行压缩和加压。然后,通过将阀 闭合可将气体保持在加压状态下。当需要的时候,可通过将阀打开并且通过使得气体膨胀 来释放存储在加压气体中的静压能量,膨胀的气体由此使得存储在容器内的不可压缩液压 流体从容器中排出,由此产生流体流。然后,由膨胀的气体产生的液压流体流可例如驱动诸 如液压马达或液压活塞之类的液压装置。
[0005] 已知可存储在液压气动能量存储系统中的能量大小可通过增大系统尺寸和/或通 过增大工艺气体的预充载压力而增大。然而,用于容纳存储系统的蓄能器的空间通常受限。 此外,工艺气体的预充载压力通常不得不或多或少与该存储系统意图所连接到的液压回路 的操作压力相匹配。
[0006] 因此,本发明的目的是设计一种液压气动能量存储系统,该液压气动能量存储系 统具有增大的能量密度并且能与该液压气动能量存储系统意图连接于的液压回路的操作 条件相兼容。本发明的另一目的是提供对上述系统进行充载和卸载的方法。
[0007] 该问题通过根据独立权利要求的用于对液压气动能量存储系统进行充载和卸载 的方法并且通过在从属的系统权利要求中规定的构造成执行运些方法的液压气动能量存 储系统来解决。
[000引因此,提出一种对液压气动能量存储系统进行充载的方法。该系统包括第一液压 气动蓄能器,该第一液压气动蓄能器包括第一刚性中空容器。由第一容器封围的存储空间 包括第一可压缩容积,该第一可压缩容积填充有第一气体量,且由该第一容器封围的存储 空间包括第一可变空间,该第一可变空间用于接纳不可压缩的液压流体。该系统进一步包 括第二液压气动蓄能器,该第二液压气动蓄能器包括第二刚性中空容器。由第二容器封围 的存储空间包括第二可压缩容积,该第二可压缩容积填充有第二气体量,且由该第二容器 封围的存储空间包括第二可变空间,该第二可变空间用于接纳不可压缩的液压流体。
[0009] 用于对该系统进行充载的方法包括W下步骤:
[0010] 将容纳在第一容积中的气体预加压至第一静压预充载压力P01,并且将容纳在第二 容积中的气体预加压至第二静压预充载压力P02,该第二预充载压力高于第一预充载压力: P〇2〉P〇l;
[0011] 通过将不可压缩液压流体排放到第一容器中来使得第一容积中的气体加压,同时 保持容纳在第二容器中的不可压缩液压流体的量(可为零)恒定,W将容纳在第二容积中的 气体的压力保持在第二预充载压力PQ2下;W及
[0012] 当第一容积中的气体的压力达到第二预充载压力P02时,通过将不可压缩液压流体 排放到第二容器中来对第二容积中的气体进行加压。
[0013] 下文可说明根据本发明的方法优于对液压气动能量存储系统进行充载的传统方 法的优点。假设传统的系统和根据本发明系统均具有相同的总预充载容积Vo。
[0014] 根据传统的方法,将整个预充载容积Vo(可能分布在不同的蓄能器之上)预加压至 相同的预充载压力P01。根据传统的方法,对系统进行充压包括使得整个系统的压力均匀地 升高。也就是说,根据传统的方法,压力在任何给定时刻在整个系统上都是均匀的。
[0015] 相反,根据本发明的方法,将总预充载容积Vo的一部分预加压至与传统系统相同 的预充载压力P01(第一蓄能器中的第一可压缩容积),同时将另一部分(第二蓄能器中的第 二可压缩容积)预加压至预充载压力P02,其中P02〉P01。此外,将总预充载容积Vo进行划分并 且至少对第一容积进行单独地充载,W使得与在传统系统中相比,根据本发明,不可压缩液 压流体中排放到系统中的任何容积产生更大的压力升高并将更大的能量储存在系统中。
[0016] 此外,在许多类型的液压气动蓄能器中,最大可获得的压缩比受到限制。例如,在 囊袋式蓄能器中,工艺气体在囊袋内部的压力不应升高至约4· poW上,其中P0是预充载压 力。因此,本文提出的划分(compar tmenta 1 i zat i on,隔室化)可扩展该系统的可达到压力范 围。例如,假定第一蓄能器和第二蓄能器均是囊袋型蓄能器,则可将第二预充载压力PQ2设定 为气体在第一蓄能器中的最大压力、也就是P02 = 4 · P0。然后,可将第二蓄能器中的气体加 压至高达4 · p〇2 = 4 · 4 · p〇i=16 · P01的最大压力。
[0017] 第一预充载压力P01可W是与液压系统或液压回路的操作压力兼容的压力,蓄能器 能连接于该液压系统或液压回路。此外,不可压缩的液压流体通常通过相同的馈送管排放 到两个蓄能器中。因此,仅仅当或仅仅一旦第一蓄能器中的工艺气体的压力已达到第二预 充载压力P02才启始将不可压缩的液压流体排放到第二蓄能器中的过程,运可确保从对第一 蓄能器进行充载的过程平滑地过渡至对第二蓄能器进行充载的过程。
[0018] 所提出的充载方法可进一步包括W下步骤:
[0019] 当第一容积中气体的压力达到等于或高于第二预充载压力的第一最大压力时,将 容纳在第一容器中的不可压缩液压流体的量保持恒定,W将第一容积中气体的压力保持在 第一最大压力下。例如,第一最大压力可W是第一蓄能器的压力极限,第一容积中的气体无 法加压至该压力极限之上,除非对该第一蓄能器造成潜在的损坏。
[0020] 将容纳在第一容积中的气体预加压至第一预充载压力可包括调节第一气体量,而 将容纳在第二容积中的气体预加压至第二静压预充载压力可包括调节第二气体量。例如, 第一容积和第二容积可通过对应的阀与压缩机流体连通。与通过分别将不可压缩的液压流 体排放到第一容器和第二容器中来对容纳在第一容积和第二容积中的气体进行预加压不 同,通过调节第一容积和第二容积中的气体量来对容纳在蓄能器中的气体进行预加压不会 引发减小预充载容积的代价。
[0021 ]可通过液压排送单元将不可压缩的液压流体排放到第一容器和第二容器中,该液 压排送单元由发动机或者由机动车辆的车辆输出来驱动。例如,所提出的系统可与车辆、通 常是非高速车辆的串联型液压混合动力传动装置的静压回路流体连通。
[0022] 此外,提出一种对上述液压气动能量存储系统进行卸载的方法。对于本领域技术 人员显而易见的是,所提出的卸载方法将上述充载方法反过来。
[0023] 该方法的起始点是该系统的如下状态:在该状态中,第一容器至少部分地填充有 不可压缩的液压流体,并且将第一容积中的气体加压至第一最大压力。第一最大压力不一 定是第一蓄能器的压力上限(虽然可W是该压力上限)。该术语仅仅意图表征第一容积中的 气体压力从该第一最大压力开始下降。
[0024] 类似地,所提出的卸载方法的起始点包括将第二容器至少部分地填充有不可压缩 的液压流体,并且将第二容积中的气体加压至第二最大压力,该第二最大压力等于或更典 型地高于该第一最大压力。再者,第二最大压力不一定是第二蓄能器的压力上限(虽然可W 是该压力上限)。该术语仅仅意图表征第二容积中的气体压力从该第二最大压力开始下降。
[0025] 用于对该系统进行卸载的方法包括W下步骤:
[0026] 使得容纳在第二容积中的气体膨胀,W使得容纳在第二容器中的不可压缩液压流 体至少部分地移出该第二容器,同时将容纳在第一容器中的不可压缩液压流体的量保持恒 定,W将第一容积中的气体的压力保持在第一最大压力下;
[0027] 当容纳在第二容积中气体的压力已下降至第一最大压力时,使得容纳在第一容积 中的气体膨胀,W将容纳在第一容器中的不可压缩液压流体至少部分地移出第一容器;
[0028] 当容纳在第二容积中气体的压力已下降至等于或小于第一最大压力的第二预充 载压力时,中止容纳在第二容积中气体的膨胀,W将容纳在第二容积中气体的压力保持在 第二预充载压力下;W及
[0029] 当容纳在第一容积中气体的压力已下降至小于第二预充载压力的第一预充载压 力时,中止容纳在第一容积中气体的膨胀,W将容纳在第一容积中气体的压力保持在第一 预充载压力下。
[0030] 从第一容器并且从第二容器移出的不可压缩液压流体可馈送到同一馈送管中并 且分流到液压排送单元W驱动该排送单元,该液压排送单元与发动机或者与机动车辆的车 辆输出驱动地接合。车辆输出可例如包括齿轮箱、驱动轴、车桥、最终驱动件、车桥和一个或 多个车轮的至少一个。
[0031] 同时参照所提出的充载方法和所提出的卸载方法,可保持W下关系式:(9§^1- P02 ) / ( P02-P01)《0.2,较佳地是(P默,:L-p〇2 ) / ( P02-P01)《0.1,更佳地是(P献,:L-p〇2 ) / ( P02-P01) 《0.05,其中,P01是第一预充载压力,P02是第二预充载压力,而P默,1是第一最大压力。换言 之,正当第一容积中的压力达到第二预充载压力时或者仅仅刚好在该第一容积中的压力达 到第二预充载压力之后,对容纳在第一容积中压力进行加压的过程通常停止。
[0032] 此外,同时参照所提出的充载方法和所提出的卸载方法,第一预充载压力可处于 至少10己、较佳地至少30己、更佳地至少50己。所引用的数值例如是串联型液压混合动力传 动装置的静压回路的主管线的典型操作压力值。
[0033] 进一步同时参照所提出的充载方法和所提出的卸载方法,对于第一预充载压力P01 和第二预充载压力P02可保持W下关系式:p〇2>2 · P01,较佳地p〇2>3 · P01,更佳地p〇2> 3.5 · P01。换言之,第二预充载压力较佳地接近第一容积中气体的最大可行/可容许压力,W 尽可能扩展该系统的压力范围。例如,第二预充载压力P02可W是第一容积中气体的最大可 行/可容许压力的至少90%或至少95%。
[0034] 此外,提出一种液压气动能量存储系统。该系统包括:
[0035] 第一液压气动蓄能器,该第一液压气动蓄能器包括第一中空容器和第一可压缩容 积,该第一可压缩容积设置在第一容器内并且容纳第一气体量;
[0036] 第二液压气动蓄能器,该第二液压气动蓄能器包括第二中空容器和第二可压缩容 积,该第二可压缩容积设置在第二容器内并且容纳第二气体量;
[0037] 馈送管;
[0038] 至少一个控制阀,该至少一个控制阀将蓄能器选择性地流体连接于馈送管;
[0039] 至少一个压力传感器,该至少一个压力传感器用于测量馈送管和/或蓄能器中的 静压压力;W及
[0040] 控制单元,该控制单元用于控制至少一个控制阀,且该控制单元具有充载模式和 卸载模式。
[0041] 当控制单元处于充载模式中时,该控制单元构成将蓄能器选择性地流体连接于馈 送管W及将蓄能器从馈送管选择性地流体地断开,W执行上述充载方法的各步骤。相反,当 控制单元处于卸载模式中时,该控制单元构成将蓄能器选择性地流体连接于馈送管W及将 蓄能器从馈送管选择性地流体地断开,W执行上述卸载方法的各步骤。
[0042] 该系统可包括压缩机单元,该压缩机单元与第一容积并且与第二容积流体连通, 该压缩机构造成通过调节第一气体量将容纳在第一容积中的气体预加压至第一预充载压 力,并且该压缩机构造成通过调节第二气体量将容纳在第二容积中的气体预加压至第二预 充载压力。
[0043] 第一容积和/或第二容积可例如由闭合囊袋、弹性隔膜和浮动活塞中的一种形成。
[0044] 前文提出的系统的较佳实施例在W下详细描述中描述并且在附图中示出,附图 中:
[0045] 图1示出包括与共同的馈送管流体连通的两个液压蓄能器的液压气动能量存储系 统;
[0046] 图2a-c示出根据现有技术的对两个液压蓄能器进行充载/卸载的过程的不同阶 段;
[0047] 图3a-c示出对图1的两个液压蓄能器进行充载/卸载的过程的不同阶段;
[0048] 图4示出容纳在图2和3的蓄能器中的工艺气体的压力-容积曲线图;
[0049] 图5示出容纳在图2和3的蓄能器中的工艺气体的能量-压力曲线图;
[0050] 图6示出容纳在图2和3的蓄能器中的工艺气体的能量-容积曲线图;
[0051] 图7示出多变转换的压力-容积曲线图;W及
[0052] 图8示出了呈现绝热转换的预充载压力的效应。
[0053] 应理解的是,附图中所示及W下说明书中所述的具体设备和过程是本文所限定的 发明概念的简单示例性实施例。因此,除非另外明确指出,否则关于所公开的实施例的具体 尺寸、方向或其它物理特征不理解应为限制性。
[0054] 在液压混合动力车辆中,液压蓄能器的优选容积和预充载压力取决于车辆和工作 循环特征。通常,蓄能器尺寸在设计阶段确定,并且将预充载限定为调整参数,该调整参数 可在车辆安装阶段(而非在操作期间)改变。运些参数是折衷的结果并且在某些情形中可能 远远不够优化。
[0055] 运里描述的本发明将蓄能器架用作能量存储件,该蓄能器架允许动态地改变总容 积和/或预充载水平,由此增大对于混合动力传动系统控制的自由度并且通过将蓄能器参 数与当前的操作条件相匹配来改进总体性能。
[0056] 混合动力车辆通常包括与内燃机配对的可逆能量存储系统(RESS)。该RESS允许W 下典型的混合动力车辆特征:
[0057] 在制动期间的动能回馈
[0058] 发动机动力缓冲W及传动系统操作点的优化管理
[0059] 液压可充载的能量存储装置化RESS)通常由囊袋型或活塞型的一个或多个蓄能器 构成,运些蓄能器通过压缩固定的空气质量来存储能力,由此升高该蓄能器的压力。压力升 高与蓄能器中气体的热力学转换直接相关,该热力学转换可建模成图7中示出的多变转换, 在此将转换类型的效果加亮。在大多数情形中,实际转换相当接近绝热的。图8示出了呈现 绝热转换的预充载压力的效应。每个曲线的第一部分比剩余部分平坦并且与蓄能器的初始 填充相对应。
[0060] 液压混合动力系统的其中一个最具挑战的特征是由于压力与容积曲线的睹峭变 化而在蓄能器卸载期间快速的压力下降。运使得蓄能器仅仅在其一部分操作范围(此时压 力足够高)中可用,或者如果将预充载设定为较高数值,则由于流量或排量分隔而引入损 失,从而降低总体系统效率。针对运些原因,理想的液压蓄能器会将其压力维持几乎恒定, 从而对于整个容积范围维持在几乎合适的压力下。理想的是,应根据应用和操作条件来设 定压力水平。另一方面,假定交换一定量的油,则在压力与容积曲线的睹峭范围中工作会增 大蓄能器能量密度。
[0061] 在大多数混合动力应用中,将总的能量存储量分到若干蓄能器中,W解决封装和 成本问题。在标准构造中,蓄能器都同时预充载压力(至少名义上地),并且流量在他们之间 均等地共享。
[0062] 所提出的本发明包括若干蓄能器的布置,该布置的目的在于使得皿ESS能量密度 最大化。在图1中示出了运种方案。
[0063] 在典型的操作中,每个蓄能器均能W不同的水平预充载并且能使用液压控制件或 电子控制件单独地连接于主压力管线,对运些蓄能器进行充载W增大预充载:当在第一蓄 能器上达到压力阔值时,对应的阀闭合并且连接第二蓄能器,由此由于不同的预充载压力 而改变压力与容积特征。然后,当在第二蓄能器中达到压力阔值时,利用第Ξ蓄能器来重复 该过程,W此类推。即使将所有的蓄能器都预充载为同一水平,各单独的连接都允许动态地 重设总容积的大小。
[0064] 利用压力操作阀的合适组合能将连接/断开逻辑实施为纯粹的液压控制,或者能 使用电气控制阀来实施该连接/断开逻辑W实现更大的灵活度。在第一种情形中,作为等同 于标准蓄能器(仅仅具有不同的操作特征)的被动部件,将所得到的HRESS集成到总系统中, 运样的优点在于增大能量密度,例如图帥所示。在第二种情形中,由于引入附加的自由度, 主动的HRESS管理形成混合动力传动系能量管理策略的一体部分。
[0065] 图1示出根据本发明的液压气动能量存储系统1。该系统1包括第一液压气动蓄能 器2a和第二液压气动蓄能器化,该第一液压气动蓄能器2a和第二液压气动蓄能器化分别通 过蓄能器阀4a、4b与共同的馈送管3流体连通。在最简单的情形中,蓄能器阀4a、4b分别构造 成2/^2通(二位二通)截止阀。
[0066] 第一蓄能器2a包括第一刚性容器5曰,该第一刚性容积封围第一存储空间6曰。该第 一容器5a构造成例如承受高达至少400己的最大压力的静压压力。第一存储空间6a包括第 一可压缩容积7a和第一可变空间8曰。第一可压缩容积7a由闭合弹性囊袋形成,该闭合弹性 囊袋填充由第一工艺气体(例如,氮气)量。容纳在第一可压缩容积7a中的工艺气体的容积 可膨胀至高达Voi = 10L的第一预充载容积。第一蓄能器2a进一步包括第一压力传感器9a,该 第一压力传感器构造成确定第一可变容积8a中不可压缩液压流体的液压压力,该液压压力 表征容纳在第一容积7a中的气体的压力。
[0067] 当馈送管3中不可压缩液压流体的静压压力高于容纳在第一可压缩容积7a中工艺 气体的静压压力时,可通过打开截止阀4a将该可不压缩液压流体排放到第一可变空间8a 中,由此对容纳在第一可压缩空间7a中的工艺气体进行加压。类似地,当容纳在第一可压缩 容积7a中的工艺气体的静压压力高于馈送管3中不可压缩液压流体的静压压力时,通过打 开阀4a并由此使得容纳在该第一可压缩容积7a中的工艺气体膨胀,可将容纳在第一可变空 间8a中的不可压缩液压流体至少部分地移出该第一可变空间8a并移入到馈送管3中,从而 产生流体流。通过将阀4a闭合,可使得第一可变空间8a从馈送管3流体地断开。
[0068] 在此,第二蓄能器化与第一蓄能器2a相同。第二蓄能器化包括第二刚性容器化,该 第二刚性容器封围第二存储空间6b。第二存储空间化包括第二可压缩容积7b和第二可变空 间8b,该第二可压缩容积由填充有第二工艺气体量的闭合弹性囊袋形成。容纳在第二可压 缩容积7b中的工艺气体的容积可膨胀至高达V02 = 10L的第二预充载容积。类似于第一蓄能 器4a,该第二蓄能器化包括第二压力传感器9b,该第二压力传感器构造成确定第二可变容 积8b中不可压缩液压流体的液压压力,该液压压力表征容纳在第二容积7b中的气体的压 力。
[0069] 可通过打开和闭合阀4b来对容纳在第二可压缩容积7b中的气体进行加压和泄压, 由此W与上文参照第一蓄能器2a所解释方式相同的方式、将不可压缩液压流体从馈送管3 排放到第二可变空间8b中或者将容纳在该第二可变空间8b中的不可压缩液压流体移出第 二可变空间8b并移入到馈送管3中。
[0070] 馈送管3可与液压回路流体连通,该液压回路包括至少一个诸如静压累和/或静压 马达之类的液压排送单元。该液压排送单元可与机动车辆的发动机或者与机动车辆的输出 驱动地接合或者选择性驱动接合。例如,馈送管可在液压气动能量存储系统1和静压传动装 置的静压回路的主流体管线之间提供流体连通,该静压传动装置在机动车辆的发动机和车 辆输出之间。
[0071] 该系统1进一步包括压缩机10,该压缩机分别通过压缩机阀lla、Ub与第一可压缩 容积7a并且与第二可压缩容积7b流体连通。在此,阀lla、Ub构造成2/2通(二位二通)截止 阀。通过压缩机10和压缩机阀1 la、Ub,容纳在第一可压缩容积7a中的工艺气体的第一量和 容纳在第二可压缩容积7b中的工艺气体30的第二量可增大或减小。具体地说,压缩机10可 用于调节第一容积7a中工艺气体的第一预充载压力P01,并调节第二容积7b中工艺气体的第 二预充载压力P02。可独立地调节预充载压力P〇l、P〇2。
[0072] 该系统1进一步包括电子控制单元12,该电子控制单元构造成控制阀4a、4b、11a、 1化和压缩机10。控制单元10可例如包括一个或多个处理器。控制单元12可独立地控制阀 4曰、46、113、1化和压缩机10。控制单元12可基于来自操作者的输入和/或基于来自压力传感 器9a、9b的压力信号来控制阀4a、4b,运些压力信号分别表征容纳在第一和第二可压缩容积 7a、7b中的工艺气体的静压压力。具体地说,控制单元12可在充载模式和卸载模式中操作。 当在充载模式中操作时,该控制单元12根据对系统1进行充载的方法来致动阀4a、4b、lla、 11b和压缩机10。当在卸载模式中操作时,该控制单元12根据对系统1进行卸载的方法来致 动阀4a、4b。充载方法和卸载方法将在下文进行更详细地解释。
[0073] 图2a-c示出处于现有技术中已知的一种对蓄能器13a、13b进行充载的方法的不同 阶段的两个液压蓄能器13a、13b。为了将图2a-c中示出的传统方法与本文提出的改进方法 进行比较,假定蓄能器13a、13b与图1的系统1的蓄能器2a、2b相同。
[0074] 在图2a中示出的第一步骤中,将蓄能器13a、13b预充载至60己的相同预充载压力 P0。在图2a中,分别容纳在可压缩囊袋14a、14b中的工艺气体的预充载容积是10L,总计得出 Vo = 20L的总预充载容积。
[0075] 根据图2的已知充载方法,通过将蓄能器的可变空间15a、15b流体地连接于共同的 加压馈送管(未示出)并且通过将不可压缩液压流体从馈送管移入到可变空间15a、15b中, 对运两个蓄能器13a、13b进行充载,由此将囊袋14a、14b中的工艺气体加压至压力p>p〇,例 如图化中所示。随着蓄能器13a、13b通过相同的馈送管同时充载,第一囊袋14a中气体的静 压压力总是等于第二囊袋14b中气体的静压压力。
[0076] 在图2c中,蓄能器13a、13b各自完全地充载至最大压力P献。在囊袋型蓄能器中,将 P駄限审呪P駄>4 · P0。在图帥示例中,也就是Pft尸240己。
[0077] 在对图2的蓄能器13a、13b进行卸载的已知方法中,简单地逆转上述充载方法。换 言之,根据对蓄能器13a、13b进行卸载的已知方法,容纳在图化或2c的蓄能器13a、13b的可 变空间15a、15b中的不可压缩液压流体通过共同的馈送管均匀地排放,W使得囊袋14a、14b 中的压力P在排放期间总是相等的。
[0078] 固定量的工艺气体在压缩或膨胀期间的热力学转换可通过如下多变转换来描述:
[0079] 公式(1) pVk = p〇V〇k。
[0080] 当将气体容积从Vi改变成V2时储存在气体中或者从气体获得的能量E通过W下积 分式来给出:
[0081]
[0082]从公式(1)和公式(2),得出存储在具有压力P和容积V的气体中的能量E,而预充载 压力P0和预充载容积Vo可表述为:
[0085]可通过用最大可行压力来替代公式(3)中的压力P来确定能储存在气体中的实践 中可实现的最大能量。对于囊袋型蓄能器,该数值通过P嚴:=4 · P0给出,也就是:
[0086]
[0087] 对于氮气化= 1.4),该数值通过E献,麗§>1.215 · po · Vo给出。
[008引图4示出在容纳于图2的蓄能器13a、13b的囊袋14a、14b中的气体、在从图2a中示出 的预充载容积Vo = 20L压缩至图2c中示出的最小容积期间的压力P(VoiL)(附图标记30)。根 据排放到可变空间15a、15b中的不可压缩液压流体的容积VoiL来在图4中绘制压力P(VoiL), 其中,根据公式(1)并且根据VoiL = V0-V来确定p(VoiL)。所使用的数值是Vo = 20L、p0 = 60己W 及氮气的绝热指数k=l.4。在图4中,压力30从图2a中的预充载压力p0 = 60己逐渐地增大至 图2c中示出的蓄能器13a、13b的最大可行压力pg^=4 · P0。图4中曲线30下方的面积表示在 压缩期间储存在容纳于蓄能器13a、13b中气体内的能量。
[0089] 图5示出在图2a-c示出的过程期间、根据气体的均匀压力P储存在容纳于囊袋14a、 14b中的气体内的能量E(p)(附图标记31)。图5中的E(p)根据公式(3)确定。再者,V〇 = 20L、p〇 =60己而k=1.4。再者,能观察到的是,容纳在囊袋14a、14b中的氮气的压力P升高至其最大 压力P默>4 · p〇 = 240己。在该过程期间,储存在气体中的能量升高,直到该能量到达其大 致最大数值150kJ为止。
[0090] 图6示出在充载过程期间、根据排放到可变空间15a、15b中的不可压缩液压流体的 容积VoiL的储存在容纳于囊袋14曰、14b中的气体内的能量E(Voil)(附图标记32)。图6中的E (VoiL)根据公式(4)并且根据V〇iL = V〇-V确定。图6并未示出完整的充载过程。再者,在图6中, ¥〇 = 20^9〇 = 60己而4=1.4。随着气体被压缩,存在在气体中的能量增大。
[0091] 图3a-c示出对图1所示液压气动能量存储系统进行充载的本文所提出方法的不同 阶段。该方法可通过来自操作者经由一个或多个输入装置的指令或者通过控制算法来启 始。使用控制算法的充载模式来执行该方法,该控制算法依靠电子控制单元12的处理器来 运行。
[0092] 图3a示出对系统1进行充载的所提出方法的第一步骤。在第一步骤中,控制单元12 指令压缩机10来通过压缩机阀11a调节容纳在第一蓄能器2a的第一容积7a中的氮气量,W 在V〇i = l〇L的预充载容积下将第一容积7a中的气体预加压至60己的第一预充载压力P01。
[0093] 一旦已设定该预充载压力P01,控制单元12就指令压缩机阀11a闭合。仍参照图3,控 制单元12然后指令压缩机10来通过压缩机阀Ub调节容纳在第二蓄能器化的第二容积7b中 的氮气量,W在V02 = 10L的预充载容积下将第二容积7b中的气体预加压至230己的第二预充 载压力P02。因此,容纳在第二蓄能器化的第二容积7b中的氮气的第二预充载压力P02仅仅略 小于第一蓄能器2a的约4 · p〇 = 240己的最大可行压力。一旦已设定该预充载压力P02,控制 单元12就指令阀11b闭合。在图3a的第一步骤期间,阀4a、4b保持闭合。
[0094] 在已对第一容积7a和第二容积7b进行预加压之后,蓄能器2a、2b就准备就绪,使得 不可压缩液压流体能排放到第一蓄能器的可变空间8a中。较佳地选择第一预充载压力P01的 数值,W使得对于充载过程,该第一预充载压力与系统1所联接到的液压回路的典型操作压 力相匹配。根据特定的情况,可选择第一预充载压力P01的不同数值。
[00M] -旦蓄能器2a、2b的共同馈送管3中的压力达到或超过第一蓄能器2a的第一预充 载压力P01,控制单元12就指令第一蓄能器阀4a打开,W将第一蓄能器2a的第一可变空间8a 流体地连接于馈送管3。同时,第二蓄能器阀4b保持闭合,由此将第二蓄能器化从馈送管3流 体地断开。
[0096] 在打开第一蓄能器阀4a的情形下,不可压缩液压流体(通常是油)通过馈送管3排 放到第一蓄能器2a的第一可变空间8a中,由此对第一容积7a进行压缩并且使得容纳在第一 容积7a中的氮气的静压压力P1升高。馈送管3可由车辆的静压传动装置的静压累/马达加 压,该静压累/马达例如在再生制动过程期间由车辆的内燃机或者由车辆的车辆输出来驱 动。在第一蓄能器2a的充载过程中,控制单元12保持第二蓄能器阀4b关闭,W使得第二蓄能 器4b的静压压力保持在第二充载压力PQ2下。
[0097] 对第一容积7a进一步加压,直到容纳在第一容积中的气体的静压压力P1达到第二 预充载压力P02为止。直到此时,第二蓄能器阀4b仍保持闭合。现在达到的情况在图3b中进行 说明。将容纳在两个容积7a、7b中的气体加压至第二预充载压力P02。然而,虽然第一容积7a 已几乎被完全地压缩,该第二容积化仍处于V〇2 = 10L的预充载容积下。
[009引在图4中,在从图3a中的p = p0i压缩至图3b中的p = p02的过程中,第一容积7a中的 压力P(VoiL)由曲线20的第一段20a所表示。随着在该阶段期间仅仅对第一容积7a进行充载, 由图4中曲线20的第一段20a所表示的压力升高大于通过相同的油量在传统方法中所产生 的对应压力升高。换言之,对于排放到系统1中的给定量的不可压缩液压流体而言,与传统 方法的情形相比,更多的能量储存在本文所提出方法的情形中。
[0099] 在进一步在图6中进行说明,其中,表示根据本文所提出方法而在图1的系统1中所 储存的能量E(Voil)的曲线22位于表示传统方法的曲线32上方。
[0100] 在图3b中,随着第一容积7a和/或馈送管3中的压力达到第二预充载压力P02,控制 单元12就指令第一蓄能器阀4a闭合。因此,第一蓄能器2a从馈送管3流体地断开,W将第一 蓄能器2a中压缩气体的压力保持在第二预充载压力P02下。同时,控制单元12指令第二蓄能 器阀4b打开。因此,第二蓄能器化流体地连接于馈送管3,并且不可压缩液压流体通过馈送 管3排放到第二蓄能器化的第二可变容积8b中。
[0101] 然而,可设想的是,第一蓄能器2a从馈送管3的断开W及第二蓄能器化连接于馈送 管3并不同时发生。例如,一旦第二蓄能器化流体地连接于馈送管3,第一蓄能器2a就会保持 流体地连接于馈送管3,直到第一容积7a中的气体达到最大可行压力· P01为止。换 言之,对于某些时刻,不可压缩液压流体能并行地/同时地排放到两个蓄能器2曰、化中。运可 使得从对第一蓄能器2a的充载至对第二蓄能器化的充载的过渡平缓。
[0102] 在图4和5中,从第一蓄能器2a的充载至第二蓄能器化的充载的过渡能在一点处可 见,在该点处,曲线20、21并不平缓。在图4和5中,该过渡点分别W20c、21c指示。图4中的过 渡点20c将曲线20分成两段20a、20b。类似地,图5中的过渡点21c将曲线21分成两段21a、 2化。在过渡点20c、21c处P(VoiL)和E(p)增大速率的突变是由于在该过渡点处联接于馈送管 3的气体容积的变化所造成的。同时在过渡点20c和21c处、第一蓄能器2a的气体容积7a几乎 被完全地压缩,而第二蓄能器化的气体容积化则仍处于其预充载数值V〇2下。
[0103] 一旦第二蓄能器阀4b打开,不可压缩液压流体就排放到第二蓄能器化的第二可变 容积8b中,且第二蓄能器化的第二气体容积7b被压缩,直到该第二气体容积达到P献,2^4 · P02 = 4 · 230己= 920己的最大可行数值为止。在该阶段期间,第一蓄能器阀4a保持闭合,W 使得第一可变空间8a中的油量和第一容积7a中的压力保持恒定。在图3c中说明处于蓄能器 的最大充载状态下的蓄能器2a、2b。
[0104] 图4和5清楚地示出,在传统的方法中(分别参见图4和5中的曲线30、31),可对蓄能 器13a、13b中工艺气体进行压缩的最大压力限制为P嚴:=4 · p〇 = 240己,而在本文所提出的 方法中(分别参见曲线20、21),可达压力的范围可扩展至高达·ρ〇2 = 920己的数 值。于是,当根据本文所提出的方法对系统进行充载时,能存储更多的能量。实践中,最大压 力数值可能受到系统1所连接到的液压回路的最大压力值的限制。例如,在机动车辆的静压 传动装置中,最大操作压力通常在450己的范围内。
[0105] 本领域技术人员能易于理解的是,本文所提出并且在图3-6中说明的充载方法能 扩展为两个W上的蓄能器。类似于上文描述的对两个蓄能器系统1进行充载,可将运些蓄能 器预加压至不同的预充载压力并且随后进行充载。例如,能将η个蓄能器系统的每个蓄能器 预加压至高达预充载压力p〇,j = p最。-1 = 4 · p〇,j-i,其中j-1代表在第j个蓄能器之前的蓄能 器。
[0106] 从对充载系统1的方法的前文描述中,对于本领域技术人员显而易见的是,如果如 何对系统进行卸载W达到图3a中示出的预充载状态。因此,当第一容积7a容纳加压至第一 最大压力的工艺气体量并且当第二容积7b容纳加压至第二最大压力的工艺气体量时(其 中,第二最大压力大于或至少等于第一最大压力),对系统1进行卸载的对应方法至少包括 如下步骤:
[0107] 使得容纳在第二容积7b中的气体膨胀,W使得容纳在第二容器化中的不可压缩液 压流体至少部分地移出该第二容器化,同时将容纳在第一容器5a中的不可压缩液压流体的 量保持恒定;
[0108] 当容纳在第二容积7b中气体的压力已下降至第一最大压力时,使得容纳在第一容 积7a中的气体膨胀,W将容纳在第一容器5a中的不可压缩液压流体至少部分地移出第一容 器5a;
[0109] 当容纳在第二容积7b中气体的压力已下降至等于或小于第一最大压力的第二预 充载压力时,停止容纳在第二容积7b中气体的膨胀,W将容纳在第二容积7b中气体的压力 保持在第二预充载压力下;W及
[0110] 当容纳在第一容积7a中气体的压力已下降至小于第二预充载压力的第一预充载 压力时,停止容纳在第一容积7a中气体的膨胀,W将容纳在第一容积7a中气体的压力保持 在第一预充载压力下。
【主权项】
1. 一种对液压气动能量存储系统(1)进行充载的方法,所述系统(1)包括第一液压气动 蓄能器(2a),所述第一液压气动蓄能器包括第一中空容器(5a)和第一可压缩容积(7a),所 述第一可压缩容积(7a)设置在所述第一中空容器(5a)内并且容纳第一气体量,且所述系统 (1)包括第二液压气动蓄能器(2b),所述第二液压气动蓄能器包括第二中空容器(5b)和第 二可压缩容积(7b),所述第二可压缩容积(7b)设置在所述第二中空容器(5b)内并且容纳第 二气体量,所述方法包括如下步骤: 将容纳在所述第一容积(7a)中的气体预加压至第一静压预充载压力,并且将容纳在所 述第二容积(7b)中的气体预加压至第二静压预充载压力,所述第二预充载压力高于所述第 一预充载压力; 通过将不可压缩液压流体排放到所述第一容器(5a)中来使得所述第一容积(7a)中的 气体加压,同时保持容纳在所述第二容器(5b)中的不可压缩液压流体的量恒定,以将容纳 在所述第二容积(7b)中的气体的压力保持在所述第二预充载压力下;以及 当所述第一容积(7a)中的气体的压力达到所述第二预充载压力时,通过将不可压缩液 压流体排放到所述第二容器(5b)中来对所述第二容积(7b)中的气体进行加压。2. 如权利要求1所述的方法,其特征在于,还包括如下步骤: 当所述第一容积(7a)中气体的压力达到等于或高于所述第二预充载压力的第一最大 压力时,将容纳在所述第一容器(5a)中的不可压缩液压流体的量保持恒定,以将所述第一 容积(7a)中气体的压力保持在所述第一最大压力下。3. 如前述权利要求中任一项所述的方法,其特征在于,将容纳在所述第一容积(7a)中 的气体预加压至所述第一预充载压力包括调节所述第一气体量,而将容纳在所述第二容积 (7b)中的气体预加压至所述第二静压预充载压力包括调节所述第二气体量。4. 如前述权利要求中任一项所述的方法,其特征在于,通过液压排送单元将所述不可 压缩的液压流体排放到所述第一容器(5a)和所述第二容器(5b)中,所述液压排送单元由由 机动车辆的车辆输出或者发动机来驱动。5. -种对液压气动能量存储系统(1)进行卸载的方法,所述系统(1)包括第一液压气动 蓄能器(2a),所述第一液压气动蓄能器包括第一中空容器和设置在所述第一中空容器(5a) 内的一定量的不可压缩液压流体以及第一容积(7a),所述第一容积容纳处于第一最大静压 压力下的第一气体量,且所述系统(1)包括第二液压气动蓄能器(2b),所述第二液压气动蓄 能器包括第二中空容器(5b)和设置在所述第二中空容器(5b)内的一定量的不可压缩液压 流体以及第二容积(7b),所述第二容积容纳处于第二最大静压压力下的第二气体量,所述 第二最大压力高于或等于所述第一最大压力,所述方法包括如下步骤: 使得容纳在所述第二容积(7b)中的气体膨胀,以使得容纳在所述第二容器(5b)中的不 可压缩液压流体至少部分地移出所述第二容器(5b),同时将容纳在所述第一容器(5a)中的 不可压缩液压流体的量保持恒定; 当容纳在所述第二容积(7b)中气体的压力已下降至所述第一最大压力时,使得容纳在 所述第一容积(7a)中的气体膨胀,以将容纳在所述第一容器(5a)中的不可压缩液压流体至 少部分地移出所述第一容器(5a); 当容纳在所述第二容积(7b)中气体的压力已下降至等于或小于所述第一最大压力的 第二预充载压力时,中止容纳在所述第二容积(7b)中气体的膨胀,以将容纳在所述第二容 积(7b)中气体的压力保持在所述第二预充载压力下;以及 当容纳在所述第一容积(7a)中气体的压力已下降至小于所述第二预充载压力的第一 预充载压力时,中止容纳在所述第一容积(7a)中气体的膨胀,以将容纳在所述第一容积 (7a)中气体的压力保持在所述第一预充载压力下。6.如权利要求6中的任一项所述的方法,其特征在于,从所述第一容器(5a)和所述第二 容器(5b)排出的不可压缩液压流体驱动液压排送单元,所述液压排送单元由由机动车辆的 车辆输出或发动机来驱动。 7 .如前述权利要求中任一项所述的方法,其特征在于,(pgfcl-pQ2)/(PQ2-p()lX〇 . 2,较 佳地是(Pftt 1-PQ2 )/ (PQ2-PQ1 X〇 . 1,其中,PQ1是所述第一预充载压力,PQ2是所述第二预充载 压力,而PSfc 1是所述第一最大压力。8. 如前述权利要求中任一项所述的方法,其特征在于,所述第一预充载压力是至少10 巴、较佳地是至少30巴,更佳地是至少50巴。9. 如前述权利要求中任一项所述的方法,其特征在于,所述第二预充载压力是所述第 一预充载压力的至少两倍、较佳地是所述第一预充载压力的至少三倍,更佳地是所述第一 预充载压力的至少3.5倍。10. -种液压气动能量存储系统(1 ),包括: 第一液压气动蓄能器(2a),所述第一液压气动蓄能器包括第一中空容器和第一可压缩 容积,所述第一可压缩容积设置在所述第一容器(5a)内并且容纳第一气体量; 第二液压气动蓄能器(2b),所述第二液压气动蓄能器包括第二中空容器和第二可压缩 容积,所述第二可压缩容积设置在所述第二容器(5b)内并且容纳第二气体量; 馈送管(3); 至少一个控制阀(4a、4b),所述至少一个控制阀将所述蓄能器选择性地流体连接于所 述馈送管(3); 至少一个压力传感器(9a、9b),所述至少一个压力传感器用于测量所述馈送管(3)和/ 或所述蓄能器(2a、2b)中的静压压力;以及 控制单元(12 ),所述控制单元用于控制所述至少一个控制阀(4a、4b ),且所述控制单元 (12)具有充载模式和卸载模式; 其中,当所述控制单元(12)处于所述充载模式中时,所述控制单元(12)构成将所述蓄 能器选择性地流体连接于所述馈送管以及将所述蓄能器从所述馈送管选择性地流体地断 开,以执行如权利要求1-2、4、7-9中任一项所述方法的各步骤;以及 当所述控制单元(12)处于所述卸载模式中时,所述控制单元(12)构成将所述蓄能器选 择性地流体连接于所述馈送管以及将所述蓄能器从所述馈送管选择性地流体地断开,以执 行如权利要求5-10中任一项所述方法的各步骤。11. 如权利要求10所述的液压气动能量存储系统(1),其特征在于,进一步包括:液压排 送单元,所述液压排送单元通过所述馈送管(3)与所述蓄能器(2a、2b)流体连通,所述液压 排送单元与机动车辆的发动机、机动车辆的车辆输出以及静压器械中的至少一个驱动地接 合或者选择性地驱动接合。12. 如权利要求10和11中任一项所述的液压气动能量存储系统(1),其特征在于,进一 步包括:压缩机(10),所述压缩机与所述第一容积(7a)并且与所述第二容积(7b)流体连通, 所述压缩机构造成通过调节所述第一气体量将容纳在所述第一容积(7a)中的气体预加压 至所述第一预充载压力,并且所述压缩机(10)构造成通过调节所述第二气体量将容纳在所 述第二容积(7b)中的气体预加压至所述第二预充载压力。13.如权利要求10-12中任一项所述的液压气动能量存储系统(1 ),其特征在于,所述第 一容积(7a)和/或所述第二容积(7b)由闭合囊袋、弹性隔膜和浮动活塞中的一种形成。
【文档编号】F15B1/08GK105980712SQ201580006900
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2015年2月3日
【发明人】L·瑟劳, G·奥内拉, E·科索利
【申请人】意大利德纳股份有限公司
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