JP6673205B2 - 蓄圧器ラック - Google Patents

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Description

本発明は、主に、油圧空気圧式エネルギー貯蔵システムおよび当該貯蔵システムを充填し、排出する方法に関する。油圧空気圧式エネルギー貯蔵システムは、通常、例えば農業、鉱業または建設業において使用される工作機械に適用される。
本願は、2014年2月4日に出願された米国特許仮出願第61/935,665号から優先権を主張し、その全体は参照によって本明細書に組み込まれる。
油圧空気圧式エネルギー貯蔵システムは、通常、少なくとも1つの油圧空圧式蓄圧器を含み、蓄圧器は、貯蔵空間を囲む剛性の中空容器を備える。
通常、貯蔵空間は、窒素等のある量のプロセスガスで充填された閉じた圧縮性容積、および、油等の非圧縮性作動液を受け入れるための可変空間へと分けられる。通常、可変空間は、1又は複数の弁を介して容器の外部と流体連通している。
エネルギーは、ある量の非圧縮性作動液を容器内の可変空間へと排出することでシステム内に蓄積され得、そうすることにより、容器内の閉じた容積に含まれるプロセスガスが圧縮され加圧される。ガスは、次に、弁を閉じることによって加圧状態に維持され得る。必要な場合、加圧ガスに蓄えられた静水圧エネルギーは、弁を開いてガスを膨張させることで放出されてよく、膨張するガスは、それにより、容器内に蓄えられた非圧縮性作動液を容器から外へ移動させ、これにより流体流を作り出す。膨張するガスによって生成される作動液の流れは、次に、例えば油圧モータまたは油圧ピストン等の油圧装置を動作させ得る。
油圧空気圧式エネルギー貯蔵システムに蓄えられ得るエネルギーの量は、システムのサイズを増加させることで、及び/又はプロセスガスのプレチャージ圧を増加させることで増加され得ることが知られている。しかしながら、貯蔵システムの複数の蓄圧器を収容するための空間はしばしば限られている。さらに、プロセスガスのプレチャージ圧は、通常、貯蔵システムが接続されることが意図される油圧回路の動作圧力にほぼ一致しなければいけない。
従って、接続されることが目的である油圧回路の複数の動作条件と互換性のある増加したエネルギー密度を持つ油圧空気圧式エネルギー貯蔵システムを設計することが、本発明の目的である。システムの充填および排出の複数の方法を明記することが、本発明の別の目的である。
この課題は、特許請求の範囲の独立項による油圧空気圧式エネルギー貯蔵システムを充填および排出する複数の方法によって、および従属のシステム項で明記されるようなこれら方法を実行するように構成された油圧空気圧式エネルギー貯蔵システムによって解決される。
従って、油圧空気圧式エネルギー貯蔵システムを充填する方法が提案される。システムは、第1の剛性中空容器を備える第1の油圧空気圧式蓄圧器を含む。第1容器によって取り囲まれる貯蔵空間は、第1の量のガスで充填された第1の圧縮性容積を備え、第1の容器によって取り囲まれる貯蔵空間は、非圧縮性作動液を受け取るための第1の可変空間を備える。システムは、さらに、第2の剛性中空容器を備える第2の油圧空気圧式蓄圧器を含む。第2の容器によって取り囲まれる貯蔵空間は、第2の量のガスで充填された第2の圧縮性容積を備え、第2の容器によって取り囲まれた貯蔵空間は、非圧縮性作動液を受け取るための第2の可変空間を備える。
システムを充填するための方法は、以下の段階を備える。第1の体積に含まれるガスを第1の静水プレチャージ圧p01に予め加圧し、第2の体積に含まれるガスを第2の静水プレチャージ圧p02に予め加圧する段階であって、第2のプレチャージ圧は、第1のプレチャージ圧より高く、p02>p01である、段階と、第2の容器に含まれる非圧縮性作動液の量(ゼロの可能性がある)を一定に保ち、第2の体積に含まれるガスの圧力を第2のプレチャージ圧p02に保つ間、第1の体積内のガスを、非圧縮性作動液を第1の容器の中に排出することによって加圧する段階と、第1の体積内のガスの圧力が第2のプレチャージ圧p02に達したとき、第2の体積内のガスを、非圧縮性作動液を第2の容器の中に排出することによって加圧する段階である。
下記は、油圧空気圧式エネルギー貯蔵システムを充填する従来の方法に対する本発明による方法の利点を図示し得る。従来のシステムおよび本発明によるシステムの両方は、同じ全体のプレチャージ体積Vを有すると仮定される。
従来の方法に従って、(場合により異なる複数の蓄圧器に分散され得る)プレチャージ体積V全体が、同じプレチャージ圧p01に予め加圧される。従来の方法に従って、システムを充填する段階は、システム全体にわたる圧力を均一に増加させる段階を含む。つまり、従来の方法に従って、圧力は、所定のいずれの時間においてもシステム全体にわたって均一である。
対照的に、本発明の方法に従って、全体のプレチャージ体積Vの一部分は、従来のシステム(第1の蓄圧器における第1の圧縮性容積)と同じプレチャージ圧p01に予め加圧される一方、別の割合(第2の蓄圧器における第2の圧縮性容積)は、P02>P01であるプレチャージ圧p02に予め加圧される。さらに、全体のプレチャージ体積Vが区画化され、少なくとも第1の体積は、個別に充填される。そうすることにより、システム内に排出される任意の体積の非圧縮性作動液がより大きな圧力の増加を生じさせ、本発明によるシステムにおいて従来のシステムより多くの量のエネルギーを蓄積する。
さらに、多くのタイプの油圧空気圧式蓄圧器において、最大到達可能な圧縮比は限られている。例えば、ブラダー(bladder)タイプの蓄圧器において、ブラダー内のプロセスガスの圧力は、約4・pより上に増加されるべきではない。ここで、pはプレチャージ圧である。従って、現在提案されている区画化は、アクセス可能なシステムの圧力範囲を拡大し得る。例えば、第1の蓄圧器および第2の蓄圧器がブラダータイプの蓄圧器であると仮定すると、第2のプレチャージ圧p02は、第1の蓄圧器におけるガスの最大圧力、つまり、p02=4・p01に設定され得る。第2の蓄圧器におけるガスは、次に、最大圧力の4・p02=4・4・p01=16・p01に加圧され得る。
第1のプレチャージ圧p01は、複数の蓄圧器が接続可能である油圧システムまたは回路の動作圧力と互換性のある圧力であってよい。さらに、非圧縮性作動液は、通常、同じ供給管を介して2つの蓄圧器の中に排出される。第1の蓄圧器におけるプロセスガスの圧力が第2のプレチャージ圧p02に達したときのみ、または一度だけ第1の蓄圧器におけるプロセスガスの圧力が第2のプレチャージ圧p02に達すると、非圧縮性作動液の第2の蓄圧器のみへの排出のプロセスを開始することにより、第1の蓄圧器の充填のプロセスから第2の蓄圧器の充填のプロセスへの滑らかな移行が、従って保証され得る。
提案された充填方法は、さらに、以下の段階を含んでよい。つまり、第1の体積内のガスの圧力が、第2のプレチャージ圧に等しいかまたはそれより高い第1の最大圧力に達したとき、第1の容器に含まれる非圧縮性作動液の量を一定に保ち、第1の体積内のガスの圧力を第1の最大圧力に保つ段階である。第1の最大圧力は第1の蓄圧器の圧力限度であってよく、その上の圧力で第1の体積内のガスは、例えば、第1の蓄圧器に対して潜在的な損傷を引き起こすことなくしては加圧されないかもしれない。
第1体積に含まれるガスを第1のプレチャージ圧に予め加圧することにより、第1の量のガスを調節する段階が含まれ得、第2の体積に含まれるガスを第2の静水プレチャージ圧に予め加圧することにより、第2の量のガスを調節する段階が含まれ得る。例えば、第1の体積および第2の体積は、複数の対応する弁を介しコンプレッサと流体連通し得る。第1および第2の体積に含まれるガスを、非圧縮性作動液を第1および第2の容器にそれぞれ排出することで予め加圧する段階とは対照的に、複数の蓄圧器に含まれるガスを、第1および第2の体積内のガスの量を調節することで予め加圧する段階は、減少したプレチャージ体積を犠牲にして生じるものではない。
非圧縮性作動液は、第1の容器内に、および第2の容器内に、エンジンまたは自動車の車両出力によって駆動される油圧移動ユニットを介して排出され得る。例えば、提案されたシステムは、通常はオフハイウェイ車である車両の直列油圧ハイブリッド変速機の静水圧回路と流体連通し得る。
また、上記の油圧空気圧式エネルギー貯蔵システムを排出する方法が提案される。当業者にとって既に明らかであるように、提案される排出方法は、上記の充填方法を逆転させる。
当該方法の開始点は、第1の容器が非圧縮性作動液で少なくとも部分的に充填され、第1の体積内のガスは第1の最大圧力に加圧されるシステムの状態である。第1の最大圧力は、必ずしも第1の蓄圧器の圧力上限ではない(しかし、そうであってもよい)。用語は、単に、第1の体積内のガスの圧力がここから減少することを示すことを目的とする。
同様に、提案された排出方法の開始点は、第2の容器が、非圧縮性作動液で少なくとも部分的に充填される段階と、第2の体積内のガスが、第1の最大圧力に等しいか、またはより典型的にはそれより高い第2の最大圧力に加圧される段階とを含む。この場合もまた、第2の最大圧力は必ずしも第2の蓄圧器の圧力上限ではない(しかし、そうであってもよい)。用語は、単に、第2の体積内のガスの圧力はここから減少することを示すことを目的としている。
システムを排出する方法は、以下の段階を備える。 つまり、第2の容器に含まれる非圧縮性作動液を少なくとも部分的に第2の容器から外に移動させるべく、第2の体積に含まれるガスを膨張させる一方で、第1の容器に含まれる非圧縮性作動液の量を一定に保ち、第1の体積内のガスの圧力を第1の最大圧力に保つ段階と、第2の体積に含まれるガスの圧力が第1の最大圧力に降下した場合、第1の体積に含まれるガスを膨張させ、第1の容器に含まれる非圧縮性作動液を少なくとも部分的に第1の容器から外に移動させる段階と、第2の体積に含まれるガスの圧力が、第1の最大圧力に等しいか、またはそれより小さい第2のプレチャージ圧に降下したとき、第2の体積に含まれるガスの膨張を中止させ、第2の体積に含まれるガスの圧力を第2のプレチャージ圧に保つ段階と、第1の体積に含まれるガスの圧力が、第2のプレチャージ圧より小さい第1のプレチャージ圧に降下したとき、第1の体積に含まれるガスの膨張を中止させ、第1の体積に含まれるガスの圧力を第1のプレチャージ圧に保つ段階である。
第1の容器から外へおよび第2の容器から外へ移動させられた非圧縮性作動液は、同じ供給管へと供給され得、移動ユニットを駆動するべくエンジンまたは自動車の車両出力と推進的に係合された油圧移動ユニットに向けられ得る。車両出力は、例えば、ギアボックス、ドライブシャフト、ファイナルドライブ、車両の車軸および1又は複数の車輪のうち少なくとも1つを備えてよい。
提案された充填方法および提案された排出方法の両方を参照すると、以下の関係が保持され得る。(pmax,1−p02)/(p02‐p01)≦0.2であって、好ましくは、(pmax,1−p02)/(p02‐p01)<0.1であって、より好ましくは、(pmax,1−p02)/(p02‐p01)≦0.05であって、ここで、p01は第1のプレチャージ圧であって、p02は第2のプレチャージ圧であって、pmax、1は第1の最大圧力である。言い換えれば、第1の体積に含まれるガスを加圧する段階のプロセスは、通常、第1の体積における圧力が第2のプレチャージ圧にちょうど達したそのとき、またはそのちょうど直後に停止される。
提案された充填方法および提案された排出方法の両方をさらに参照すると、第1のプレチャージ圧は、少なくとも10バール、好ましくは少なくとも30バール、より好ましくは少なくとも50バールであってよい。複数の引用される値は、例えば、直列油圧ハイブリッド変速機の静水圧回路の主要なラインの複数の典型的な動作圧力値である。
提案された充填方法および提案された排出方法の両方をさらに参照すると、以下の関係が第1のプレチャージ圧p01および第2のプレチャージ圧p02に対して保持され得る。p02≧2・p01であって、好ましくはp02≧3・p01であって、より好ましくはp02≧3.5・p01である。言い換えれば、第2のプレチャージ圧は、システムの圧力範囲を可能な限り拡大するべく、第1の体積内の最大の実行可能/許容可能なガス圧に好ましくは近い。例えば、第2のプレチャージ圧p02は、第1の体積内の最大の実行可能/許容可能なガス圧の少なくとも90パーセントまたはその少なくとも95パーセントであってよい。
さらに、油圧空気圧式エネルギー貯蔵システムが提案される。当該システムは、以下を備える。つまり、第1の中空容器を備える第1の油圧空気圧式蓄圧器と、第1の容器内に配置された、第1の量のガスを含む第1の圧縮性容積と、第2の中空容器を備える第2の油圧空気圧式蓄圧器と、第2の容器内に配置された、第2の量のガスを含む第2の圧縮性容積と、供給管と、 複数の蓄圧器を供給管に選択的に流体的に接続する少なくとも1つの制御弁と、供給管及び/又は複数の蓄圧器における静水圧力を測定するための少なくとも1つの圧力センサと、少なくとも1つの制御弁を制御するための、充填モードおよび排出モードを有する制御ユニットである。
制御ユニットが充填モードにある場合、制御ユニットは、上記の充填方法の複数の段階を実行するべく、複数の蓄圧器を供給管に選択的に流体的に接続し、複数の蓄圧器を供給管から選択的に流体的に切り離すように構成されている。対照的に、制御ユニットが排出モードにある場合、制御ユニットは、上記の排出方法の複数の段階を実行するべく、複数の蓄圧器を供給管に選択的に流体的に接続し、複数の蓄圧器を供給管から選択的に流体的に切り離すように構成されている。
システムは、第1の体積および第2の体積と流体連通しているコンプレッサユニットを備えてよく、コンプレッサは、第1の体積に含まれるガスを、第1の量のガスを調節することで第1のプレチャージ圧に予め加圧するように構成され、コンプレッサは、第2の体積に含まれるガスを第2の量のガスを調節することで第2のプレチャージ圧に予め加圧するように構成されている。
第1の体積及び/又は第2の体積は、例えば、閉じられたブラダー、弾性ダイアフラムおよびフローティングピストンのうちの1つで形成され得る。
現在提案されているシステムの複数の好ましい実施形態が以下の詳細な記載において記載され、添付の図面において図示される。
一般的な供給管と流体連通している2個の油圧式蓄圧器を備える油圧空気圧式エネルギー貯蔵システムを示す。 従来技術に従って、2個の油圧式蓄圧器を充填/排出するプロセスの複数の異なる段階を示す。 図1の2個の油圧式蓄圧器を充填/排出するプロセスの複数の異なる段階を示す。 図2および図3の蓄圧器に含まれるプロセスガスの圧力‐体積線図を示す。 図2および図3の蓄圧器に含まれるプロセスガスのエネルギー‐圧力線図を示す。 図2および図3の蓄圧器に含まれるプロセスガスのエネルギー‐体積線図を示す。 ポリトロープ変換の圧力‐体積線図を示す。 断熱的変換を仮定してプレチャージ圧の影響を示す。
添付された図面に示され、以下の明細書に記載される複数の特定のデバイスおよびプロセスは、単に、本明細書で定義される本発明のコンセプトの複数の例示的実施形態であることが理解される。従って、開示される複数の実施形態に関連する複数の具体的な寸法、複数の方向、または複数の他の物理的特性は、そうでないということが明示的に述べられていない限り、限定的であるとみなされるべきではない。
油圧式ハイブリッド車において、油圧式蓄圧器の最適な体積およびプレチャージ圧は、車両およびデューティサイクルの複数の特性に依存する。通常、蓄圧器寸法設定は、設計段階で決定され、プレチャージが車両設定段階で(しかし、動作中ではない)変更され得るチューニングパラメータとして定義される。これらのパラメータは、妥協の結果であり、特定の場合では最適とは程遠いかもしれない。
本発明は、本明細書において記載されるように、全体の体積及び/又はプレチャージレベルの動的改変を可能にするべく配置された複数の蓄圧器のラックをエネルギー貯蔵として使用する。従って、ハイブリッドパワートレイン制御の自由度を増加させ、複数の蓄圧器パラメータを複数の現在の動作条件に一致させることによって全体の性能を改善する。
ハイブリッド車は、通常、内燃機関とペアになる可逆的エネルギー貯蔵システム(RESS)を含む。RESSは、以下の複数の典型的なハイブリッド車機能を可能にする。‐制動中の運動エネルギー回復‐エンジン出力バッファリングおよびパワートレイン動作点の最適な管理
油圧式再充電可能エネルギー貯蔵デバイス(HRESS)は、通常、ブラダーまたはピストンタイプの1又は複数の蓄圧器を備え、それは、一定の質量の空気を圧縮することによってエネルギーを貯蔵し、従ってその圧力を増加させる。圧力増加は、蓄圧器におけるガスの熱力学的変換に直接関係しており、それは、図7に表されるようにポリトロープ変換としてモデル化され得、図7においてその変換タイプの影響がハイライトされている。多くの場合、実際の変換は断熱曲線に非常に近い。図8は、断熱的変換を仮定してプレチャージ圧の影響を示す。それぞれの曲線の第1の部分は、残りの部分よりも平坦であり、蓄圧器の最初の充填に対応する。
複数の油圧式ハイブリッドシステムの最も困難な特徴のうちの1つは、圧力‐体積曲線の急激な変化による、蓄圧器排出の間の迅速な圧力減少である。これは、蓄圧器を、圧力が十分に高いその動作範囲の一部のみで利用可能にし、またはプレチャージが複数の高い値に設定されている場合、流れもしくは移動の部分的重視による損失を発生させることによって、全体的なシステム効率を減少させる。これらの理由で、理想的な油圧式蓄圧器は、体積範囲全体に対して最適な圧力で維持されるように、その圧力をほぼ一定に維持する。理想的には、圧力レベルは、応用および動作条件に従って設定されるべきである。
一方で、ある特定の体積の油が交換されたと仮定すると、複数の圧力‐体積曲線の急勾配の範囲で作動することにより、蓄圧器エネルギー密度が増加する。
ほぼ全てのハイブリッド応用において、エネルギー貯蔵の全体体積は、パッケージングおよびコストの課題のために、数個の蓄圧器に分けられる。標準の構成において、複数の蓄圧器は全て、(少なくとも名目上)同じプレチャージ圧にあり、流れは、それらの間で均等に共有される。
提案された発明は、HRESSエネルギー密度を最大化することを目標とした数個の蓄圧器の配置を備える。解決策は、図1に示される。
それぞれの蓄圧器は、油圧式制御または電子制御のいずれかを用いて、異なるレベルでプレチャージされ得、主要圧力ラインに個々に接続され得る。典型的な動作において、複数の蓄圧器は、プレチャージが増加する順序で充填される。圧力閾値が第1の蓄圧器に達したとき、対応する弁は閉じ、第2の蓄圧器が接続され、従って、異なるプレチャージ圧のせいで複数の圧力‐体積特性を変更する。プロセスは、次に、第2の蓄圧器における圧力閾値に達したとき、第3の蓄圧器で繰り返される、等である。全ての蓄圧器が同じレベルでプレチャージされる場合でさえも、個々の接続は、全体の体積を動的にサイズ変更することを可能にする。
接続/切り離しロジックが、複数の圧力作動弁の適切な組み合わせで完全に油圧式の制御として実装され得るか、または、それはより高い柔軟性のために複数の電子制御される弁を使用して実装され得る。第1のケースにおいて、結果として生じるHRESSは、図4に示されるように、増加したエネルギー密度の利点とともに、標準の蓄圧器に等しい(複数の異なる動作特性を持つだけである)受動構成要素としてシステム全体の中に組み込まれ得る。第2のケースにおいて、アクティブなHRESS管理は、複数の追加の自由度が導入されることから、ハイブリッドパワートレインエネルギー管理戦略の不可欠な部分を形成する。
図1は、本発明に従って油圧空気圧式エネルギー貯蔵システム1を示す。システム1は、蓄圧器弁4a、4bをそれぞれ介して共通の供給管3と流体連通している第1の油圧空気圧式蓄圧器2aおよび第2の油圧空気圧式蓄圧器2bを備える。最も単純なケースにおいて、蓄圧器弁4a、4bは、2/2方式の遮断弁としてそれぞれ構成されている。
第1の蓄圧器2aは、第1の貯蔵空間6aを取り囲む第1の剛性容器5aを含む。第1の容器5aは、例えば少なくとも400バールの最大圧力までの静水圧力に耐えるように構成されている。第1の貯蔵空間6aは、第1の圧縮性容積7aおよび第1の可変空間8aを備える。第1の圧縮性容積7aは、第1の量のプロセスガス、例えば窒素で充填された閉じられた弾性ブラダーで形成される。第1の圧縮性容積7aに含まれるプロセスガスの体積は、第1のプレチャージ体積であるV01=10Lまで膨張され得る。第1の蓄圧器2aは、第1の体積7aに含まれるガスの圧力を示す第1の可変体積8a内の非圧縮性作動液の油圧を決定するように構成された第1の圧力センサ9aをさらに含む。
供給管3内の非圧縮性作動液の静水圧力が、第1の圧縮性容積7aに含まれるプロセスガスの静水圧力より高い場合、非圧縮性作動液が遮断弁4aを開くことで第1の可変空間8aへと排出され得、それにより第1の圧縮性空間7aに含まれるプロセスガスを加圧する。同様に、第1の圧縮性容積7aに含まれるプロセスガスの静水圧力が、供給管3内の非圧縮性流体の静水圧力より高いとき、第1の可変空間8aに含まれる非圧縮性作動液は、第1の可変空間8aから外へおよび供給管3の中へと、弁4aを開くことによって少なくとも部分的に移動させられ得、従って、第1の圧縮性容積7aに含まれるプロセスガスを膨張させ、それにより流体流を作り出す。第1の可変空間8aは、弁4aを閉じることで供給管3から流体的に切り離され得る。
ここで、第2の蓄圧器2bは、第1の蓄圧器2aと同一である。第2の蓄圧器2bは、第2の貯蔵空間6bを取り囲む第2の剛性容器5bを含む。第2の貯蔵空間6bは、第2の量のプロセスガスで充填された閉じられた弾性ブラダーおよび第2の可変空間8bで形成される第2の圧縮性容積7bを備える。第2の圧縮性容積7bに含まれるプロセスガスの体積は、第2のプレチャージ体積であるV02=10Lまで膨張され得る。第1の蓄圧器4aと同様、第2の蓄圧器2bは、第2の体積7bに含まれるガスの圧力を示す第2の可変空間8b内の非圧縮性作動液の油圧を決定するように構成された第2の圧力センサ9bを含む。
第2の圧縮性容積7bに含まれるガスは、弁4bを開くことおよび閉じることで加圧および減圧され得、それにより、第1の蓄圧器2aに関して上に説明されたような同じやり方で、非圧縮性作動液を供給管3から第2の可変空間8b内へと排出し、または第2の可変空間8bに含まれる非圧縮性作動液を第2の可変空間8bから外へ、および供給管3内へと移動させる。
供給管3は、静水圧ポンプ及び/又は静水圧モータ等、少なくとも1つの油圧移動ユニットを含む油圧回路と流体連通し得る。油圧移動ユニットは、自動車のエンジンまたは自動車の出力に駆動可能に係合され得る、または選択的に駆動可能に係合され得る。例えば、供給管は、油圧空気圧式エネルギー貯蔵システム1と、自動車のエンジンと車両出力との間の静水圧変速機の静水圧回路の主要流体ラインとの間の流体連通を提供し得る。
システム1は、さらに、コンプレッサ弁11a、11bを介して第1の圧縮性容積7aおよび第2の圧縮性容積7bとそれぞれ流体連通するコンプレッサ10を含む。ここで、弁11a、11bは、2/2方式遮断弁として構成される。コンプレッサ10およびコンプレッサ弁11a、11bを介して、第1の圧縮性容積7aに含まれる第1の量のプロセスガスおよび第2の圧縮性容積7bに含まれる第2の量のプロセスガスは、増加または低減され得る。特に、コンプレッサ10は、第1の体積7a内のプロセスガスの第1のプレチャージ圧p01を調節し、第2の体積7b内のプロセスガスの第1のプレチャージ圧p02を調節するのに使用され得る。プレチャージ圧p01、p02は、個別に調節され得る。
システム1は、さらに、弁4a、4b、11a、11bおよびコンプレッサ10を制御するように構成された電子制御ユニット12を含む。制御ユニット10は、例えば1又は複数のプロセッサを含んでよい。制御ユニット12は、弁4a、4b、11a、11bおよびコンプレッサ10を個別に制御してよい。制御ユニット12は、オペレータからの入力に基づいて、及び/又は圧力センサ9a、9bからの複数の圧力信号に基づいて、弁4a、4bを制御し得、複数の圧力信号は、第1および第2の圧縮性容積7a、7bにそれぞれ含まれるプロセスガスの静水圧力を示す。特に、制御ユニット12は、充填モードおよび排出モードで操作され得る。充填モードで操作される場合、制御ユニット12は、システム1の充填の方法に従って、弁4a、4b、11a、11bおよびコンプレッサ10を作動させる。排出モードで操作する場合、制御ユニット12は、システム1の排出の方法に従って、弁4a、4bを作動させる。充填方法および排出方法は、さらに以下でより詳細に説明される。
図2のaからcは、従来技術から既知である蓄圧器13a、13bを充填する方法の複数の異なるステージにおける2個の油圧式蓄圧器13a、13bを示す。図2のaからcで示される従来の方法を現在提案されている改良された方法に比較するべく、蓄圧器13a、13bは、図1のシステム1の蓄圧器2a、2bと同一であると仮定される。
図2のaに示される第1の段階において、蓄圧器13a、13bは、同じプレチャージ圧pである60バールにプレチャージされる。図2のaにおいて、圧縮性ブラダー14a、14bに含まれるプロセスガスのプレチャージ体積は、それぞれ10Lであり、全体のプレチャージ体積であるV=20Lに達する。
図2のaからcの既知の充填方法に従って、2個の蓄圧器13a、13bが、蓄圧器の可変空間15a、15bを共通の加圧された供給管(図示せず)に流体的に接続することによって、および非圧縮性作動液を供給管から可変空間15a、15bの中へ移動させることによって充填され、それにより、図2のbに示されるように、ブラダー14a、14b内のプロセスガスを圧力p>pに加圧する。蓄圧器13a、13bは、同じ供給管を介して同時に充填されることから、第1のブラダー14a内のガスの静水圧力は、第2のブラダー14b内のガスの静水圧力に常に等しい。
図2のcにおいて、蓄圧器13a、13bは、それぞれ最大圧力であるpmaxに完全に充填される。ブラダータイプの蓄圧器において、pmaxはpmax〜4・pに制限される。つまり、図2の例では、pmax=240バールである。
図2の蓄圧器13a、13bを排出する既知の方法では、上記の充填プロセスを単に逆にする。言い換えれば、蓄圧器13a、13bを排出する既知の方法に従って、図2のbまたは図2のcの蓄圧器13a、13bの可変空間15a、15bに含まれる非圧縮性作動液は、排出中にブラダー14a、14b内の圧力pが常に等しくなるように、共通の供給管を介して均一に排出される。
圧縮または膨張中の一定の量のプロセスガスの熱力学的変換は、ポリトロープ変換で記述され得る。
Figure 0006673205
ガスの体積をVからVに変更する場合のガス内に蓄積される、またはガスから得られるエネルギーEの量は、以下の積分により求められる。
Figure 0006673205
数式(1)および数式(2)から、圧力pおよび体積Vを有するガス内に蓄えられたエネルギーEの量、プレチャージ圧pおよびプレチャージ体積Vは、以下のように表現され得る。
Figure 0006673205
または
Figure 0006673205
ガスにおいて蓄積され得るエネルギーの実際に実現可能な最大量は、数式(3)の圧力pを最大の実行可能な圧力で置き換えることで決定され得る。ブラダータイプの蓄圧器については、その値はpmax〜4・pにより与えられ、以下を生じさせる。
Figure 0006673205
窒素(k=1.4)については、その値はEmax,bladder〜1.215・p・Vにより求められる。
図4は、図2のaからcの蓄圧器13a、13bのブラダー14a、14bに含まれるガスの圧力p(VOIL)(参照記号30)を、図2のaに示されるプレチャージ体積V=20Lから図2のcに示される最小体積までのその圧縮中にあるときを示す。図4の圧力p(VOIL)は、可変空間15a、15bの中へと排出される非圧縮性作動液の体積VOILの関数としてプロットされる。それにより、p(VOIL)は、数式(1)に従って、およびVOIL=V−Vに従って決定される。使用される値は、V=20L、p=60バールおよび窒素の断熱指数であるk=1.4である。図4において、圧力30は図2のaのプレチャージ圧p=60バールから図2のcに示される蓄圧器13a、13bの最大の実行可能な圧力pmax=4・p=240バールに徐々に増加される。図4の曲線30の下の面積は、圧縮中の蓄圧器13a、13bに含まれるガスにおいて蓄積されるエネルギーの量を表す。
図5は、ブラダー14a、14bに含まれるガスに蓄積されたエネルギーE(p)(参照符号31)を、図2のaからcに示されるプロセス中におけるガスの均一な圧力pの関数として示す。図5のE(p)は、数式(3)に従って決定される。この場合も同様に、V=20L、p=60バールおよびk=1.4である。繰り返すが、ブラダー14a、14bに含まれる窒素ガスの圧力pは、その最大圧力であるpmax〜4・p=240バールに増加することが分かる。このプロセスの間、ガスに蓄積されるエネルギーの量は、それがその最大値約150kJに達するまで増加する。
図6は、ブラダー14a、14bに含まれるガスに蓄積されたエネルギーE(VOIL)(参照符号32)を、充填プロセス中に可変空間15a、15bの中へと排出される非圧縮性作動液の体積VOILの関数として示す。図6のE(VOIL)は、数式(4)に従って、かつVOIL=V−Vに従って決定される。
図6は、完全な充填プロセスを示さない。この場合も同様に、図6において、V=20L、p=60バールおよびk=1.4である。ガスが圧縮されると、ガスに蓄積されたエネルギーの量が増加する。
図3のaからcは、現在提案されている図1の油圧空気圧式エネルギー貯蔵システム1を充填する方法の複数の異なるステージを示す。方法は、1又は複数の入力デバイスを介してオペレータから、または制御アルゴリズムによるコマンドで開始され得る。方法は、電子制御ユニット12のプロセッサにおいて実行される制御アルゴリズムの充填モードを使用して実行される。
図3のaは、システム1を充填する提案されたシ方法の第1段階を示す。第1段階では、制御ユニット12は、第1体積7a内のガスを、V=10Lであるプレチャージ体積において、60バールである第1のプレチャージ圧p01に予め加圧するべく、第1の蓄圧器2aの第1の体積7aに含まれる窒素ガスの量を、コンプレッサ弁11aを介して調節するようにコンプレッサ10に命令する。一度プレチャージ圧p01が設定されると、制御ユニット12は、コンプレッサ弁11aに閉じるように命令する。図3のaをさらに参照すると、制御ユニット12は、次に、第2の体積7b内のガスを、V02=10Lであるプレチャージ体積で230バールである第2のプレチャージ圧p02に予め加圧するべく、第2の蓄圧器2bの第2の体積7bに含まれる窒素ガスの量を、コンプレッサ弁11bを介して調節するようにコンプレッサ10に命令する。従って、第2の蓄圧器2bの第2の体積7bに含まれる窒素ガスの第2のプレチャージ圧p02は、第1のブラダー蓄圧器2aの約4・p01=240バールである最大の実行可能な圧力よりも僅かに小さいのみである。一度プレチャージ圧p02が設定された状態になると、制御ユニット12は、弁11bに閉じるように命令する。弁4a、4bは、図3のaの第1段階の間は、閉じたままである。
第1の体積7aおよび第2の体積7bが予め加圧されると、蓄圧器2a、2bは、非圧縮性作動液が第1の蓄圧器の可変空間8aの中へと排出される準備が整う。第1のプレチャージ圧p01の値は、好ましくは、システム1が充填プロセスのために結合される油圧回路の通常の動作圧力に一致するように、選択される。特定の状態に応じて、第1のプレチャージ圧p01の複数の異なる値が選択され得る。
一度蓄圧器2a、2bの共通の供給管3内の圧力が、第1の蓄圧器2aの第1のプレチャージ圧p01に達すると、またはそれを超えるとすぐに、制御ユニット12は、第1の蓄圧器弁4aに、第1の蓄圧器2aの第1の可変空間8aを供給管3に流体的に接続させるように開くように命令する。同時に、第2の蓄圧器弁4bは閉じられたままであり、それにより第2の蓄圧器2bを供給管3から流体的に切り離す。
第1の蓄圧器弁4aを開くとすぐに、通常は油である非圧縮性作動液は、第1の蓄圧器2aの第1の可変空間8aに供給管3を介して排出され、それにより、第1の体積7aを圧縮し、第1の体積7aに含まれる窒素ガスの静水圧力pを増加させる。供給管3は、例えば、車両の内燃機関で駆動される車両の静水圧変速機の静水圧ポンプ/モータで、または回生制動手順の間に車両の車両出力で加圧され得る。第1の蓄圧器2aの充填の間、制御ユニット12は、第2の蓄圧器4bの静水圧力を第2のプレチャージ圧p02に保つように第2の蓄圧器弁4bが閉じられたままで保つ。
第1の体積7aは、第1の体積に含まれるガスの静水圧力pが、第2のプレチャージ圧p02に達するまで、さらに加圧される。この時点まで、第2の蓄圧器弁4bは、閉じられたままで保たれる。ここで達した状況は、図3のbに示される。体積7a、7bの両方に含まれるガスは、第2のプレチャージ圧p02に加圧される。しかしながら、第1の体積7aはほぼ完全に圧縮されたが、第2の体積7bは、いまだにV02=10Lであるプレチャージ体積にある。
図4では、図3のaにおけるp〜p01から図3のbにおけるp〜p02への圧縮の間の第1の体積7a内の圧力P(VOIL)が、曲線20の第1の部分20aで表される。第1の体積7aのみがこのステージの間に充填されるので、図4における曲線20の部分20aで表される圧力の増加は、同じ量の油により生じる従来の方法における対応する圧力の増加より大きい。言い換えれば、システム1へと排出される非圧縮性作動液の所定の体積について、現在提案されている方法の場合、従来の方法の場合より大きなエネルギーが蓄積される。
これは、図6にさらに示される。図6中、現在提案されている方法による図1のシステム1において蓄積されたエネルギーE(VOIL)の量を表す曲線22が、従来の方法を表す曲線32の上方にある。
図3のbでは、第1の体積7a及び/又は供給管3内の圧力が第2のプレチャージ圧であるp02に達すると、制御ユニット12は、第1の蓄圧器弁4aに閉じるように命令する。従って、第1の蓄圧器2aは、第1の蓄圧器2aにおける圧縮ガスの圧力を第2のプレチャージ圧であるp02に保つべく、供給管3から流体的に切り離される。同時に、制御ユニット12は、第2の蓄圧器弁4bに開くように命令する。従って、第2の蓄圧器2bは、供給管3に流体的に接続され、非圧縮性作動液は、供給管3を介して第2の蓄圧器2bの第2の可変体積8bへと排出される。
しかしながら、第1の蓄圧器2aの供給管3からの切り離しおよび第2の蓄圧器2bの供給管3への接続は、同時には起こらないと考えられる。例えば、一度第2の蓄圧器2bが供給管3に流体的に接続されると、第1の蓄圧器2aは、第1の体積7a内のガスが最大の実行可能な圧力であるpmax,1=4・p01に達するまで、供給管3に流体的に接続されたままであり得る。言い換えれば、しばらくの間、非圧縮性作動液は、2つの蓄圧器2a、2bへと並行に/同時に排出され得る。これは、第1の蓄圧器2aの充填から第2の蓄圧器2bの充填への移行を円滑にし得る。
図4および図5では、第1の蓄圧器2aの充填から第2の蓄圧器2bの充填への移行は、曲線20、21が滑らかでない点として見える。図4および図5において、この移行点は、20c、21cでそれぞれ示される。図4の移行点20cは、曲線20を2つの部分20a、20bに分割する。同様に、図5の移行点21cは、曲線21を2つの部分21a、21bに分割する。p(VOIL)およびE(p)が20c、21cでそれぞれ増加する突然の比率変化は、移行点で供給管3に結合されたガス体積における変化により起こる。一方、20cおよび21cで、第1の蓄圧器2aのガス体積7aは、ほぼ完全に圧縮され、第2の蓄圧器2bのガス体積7bは、いまだにそのプレチャージ値であるV02にある。
一度第2の蓄圧器弁4bが開かれると、非圧縮性作動液は、第2の蓄圧器2bの第2の可変体積8b内へと排出され、第2の蓄圧器2bの第2のガス体積7bは、それが最大の実行可能な値であるpmax,2〜4・p02=4・230バール=920バールに達するまで圧縮される。この状態の間、第1の蓄圧器弁4aは、第1の可変空間8a内の油の量および第1の体積7a内の圧力を一定に保つべく閉じられた状態が保たれる。最大充填のそれらの状態における蓄圧器2a、2bが、図3のcに示される。
図4および図5は、従来の方法では(図4および図5の曲線30、31をそれぞれ参照)蓄圧器13a、13b内のプロセスガスが圧縮され得る最大の圧力はPmax=4・p=240バールに限られているが、現在提案されている方法では(図4および図5の曲線20、21をそれぞれ参照)到達できる圧力の範囲は、pmax,2〜4・p02=920バールまでの値に拡大され得ることを明確に示す。結果として、現在提案されている方法に従ってシステムを充填する場合、より多くのエネルギーが蓄えられ得る。実際には、最大の圧力値は、システム1が接続される油圧回路の最大圧力により限定され得る。例えば、自動車の静水圧変速機において最大動作圧力は、通常、450バールの範囲にある。
当業者は、本明細書で提案され、図3のaからc、図4、図5および図6で示される充填方法は、2よりも多くの蓄圧器に拡張され得ることは、容易に理解する。これらは、次に、複数の異なるプレチャージ圧に予め加圧され、上記の2個の蓄圧器システム1の充填と同様に、連続的に充填される。例えば、n個の蓄圧器システムのそれぞれの蓄圧器は、プレチャージ圧であるp0j=pmax,j−1=4・p0,j−1に予め加圧され得る。ここで、j−1は、j番目の蓄圧器に先行する蓄圧器を示す。
システム1を充填する方法の先の記載から、図3のaで図示されたプレチャージ状態に達するべくシステムがどのように排出され得るかは、当業者には直ちに明らかである。従って、第1の体積7aが第1の最大圧力に加圧されたプロセスガスの量を含む場合、および第2の体積7bが第2の最大圧力に加圧されたプロセスガスの量を含むとき、システム1を排出する対応する方法であって、第2の最大圧力は、第1の最大圧力より大きいかまたは少なくともそれに等しい、方法は、少なくとも以下の段階を備える。つまり、第2の容器5bに含まれる非圧縮性作動液を、第1の容器5aに含まれる非圧縮性作動液の量を一定に保つ一方で、第2の容器5bから外へ少なくとも部分的に移動させるべく、第2の体積7bに含まれるガスを膨張させる段階と、第2の体積7bに含まれるガスの圧力が第1の最大圧力に降下したとき、第1の体積7aに含まれるガスを膨張させ、第1の容器5aに含まれる非圧縮性作動液を少なくとも部分的に第1の容器5aから外に移動させる段階と、第2の体積7bに含まれるガスの圧力が、第1の最大圧力に等しいか、またはそれより小さい第2のプレチャージ圧に降下したとき、第2の体積7bに含まれるガスの膨張を中止させ、第2の体積7bに含まれるガスの圧力を第2のプレチャージ圧に保つ段階と、第1の体積7aに含まれるガスの圧力が、第2のプレチャージ圧より小さい第1のプレチャージ圧に降下したとき、第1の体積7aに含まれるガスの膨張を中止させ、第1の体積7aに含まれるガスの圧力を第1のプレチャージ圧に保つ段階である。

Claims (13)

  1. 油圧空気圧式エネルギー貯蔵システムを充填する方法であって、前記システムは、第1の中空容器を有する第1の油圧空気圧式蓄圧器と、前記第1の中空容器内に配置された、第1の量のガスを含む第1の圧縮性容積と、を含み、前記システムは、第2の中空容器を有する第2の油圧空気圧式蓄圧器と、前記第2の中空容器内に配置された、第2の量のガスを含む第2の圧縮性容積と、を含み、前記システムは、前記第1の油圧空気圧式蓄圧器及び前記第2の油圧空気圧式蓄圧器に接続する供給管を含んでおり、
    前記第1の圧縮性容積に含まれる前記ガスを第1の静水プレチャージ圧に予め加圧し、前記第2の圧縮性容積に含まれる前記ガスを第2の静水プレチャージ圧に予め加圧する段階であって、前記第2の静水プレチャージ圧は、前記第1の静水プレチャージ圧より高い、段階と、
    前記第2の中空容器に含まれる非圧縮性作動液の量を一定に保ち、前記第2の圧縮性容積に含まれる前記ガスの圧力を前記第2の静水プレチャージ圧で保つ一方で、非圧縮性作動液を前記供給管から前記第1の中空容器の中へと充填することにより、前記第1の圧縮性容積内の前記ガスを加圧する段階と、
    前記第1の圧縮性容積内の前記ガスの前記圧力が前記第2の静水プレチャージ圧に達した場合、非圧縮性作動液を前記第2の中空容器の中へと充填することにより、前記第2の圧縮性容積内の前記ガスを加圧する段階と、を備える、方法。
  2. 前記第1の圧縮性容積内の前記ガスの前記圧力が、前記第2の静水プレチャージ圧に等しい、または前記第2の静水プレチャージ圧より高い第1の最大圧力に達した場合、前記第1の中空容器に含まれる非圧縮性作動液の前記量を一定に保ち、前記第1の圧縮性容積内の前記ガスの前記圧力を前記第1の最大圧力に保つ段階をさらに備える、請求項1に記載の方法。
  3. 前記第1の圧縮性容積に含まれる前記ガスを前記第1の静水プレチャージ圧に予め加圧する段階は、前記第1の圧縮性容積に含まれる前記ガスの量を調節する段階を含み、前記第2の圧縮性容積に含まれる前記ガスを前記第2の静水プレチャージ圧に予め加圧する段階は、前記第2の圧縮性容積に含まれる前記ガスの量を調節する段階を含む、請求項1または2に記載の方法。
  4. 前記非圧縮性作動液は、自動車の車両出力により、またはエンジンにより駆動される油圧移動ユニットを介して前記第1の中空容器の中へ、および前記第2の中空容器の中へと充填される、請求項1から3のいずれか一項に記載の方法。
  5. 油圧空気圧式エネルギー貯蔵システムを排出する方法であって、前記システムは、第1の中空容器を有する第1の油圧空気圧式蓄圧器と、前記第1の中空容器内に配置された、ある量の非圧縮性作動液および第1の最大静水圧力における第1の量のガスを含む第1の体積とを含み、前記システムは、第2の中空容器を有する第2の油圧空気圧式蓄圧器と、前記第2の中空容器内に配置された、ある量の非圧縮性作動液および第2の最大静水圧力における第2の量のガスを含む第2の体積とを含み、前記第2の最大静水圧力は、前記第1の最大静水圧力より高いか、または前記第1の最大静水圧力に等しく、前記方法は、
    前記第2の体積に含まれる前記ガスを膨張させ、前記第1の中空容器に含まれる前記非圧縮性作動液の前記量を一定に保つ一方で、前記第2の中空容器に含まれる非圧縮性作動液を前記第2の中空容器から外へ少なくとも部分的に移動させる、段階と、
    前記第2の体積に含まれる前記ガスの前記圧力が、前記第1の最大静水圧力に降下した場合、前記第1の体積に含まれる前記ガスを膨張させ、前記第1の中空容器に含まれる前記非圧縮性作動液を前記第1の中空容器から外へ少なくとも部分的に移動させる段階と、
    前記第2の体積に含まれる前記ガスの前記圧力が、前記第1の最大静水圧力に等しいか、または前記第1の最大静水圧力より小さい第2の静水プレチャージ圧に降下した場合、前記第2の体積に含まれる前記ガスの前記膨張を中止し、前記第2の体積に含まれる前記ガスの前記圧力を前記第2の静水プレチャージ圧に保つ段階と、
    前記第1の体積に含まれる前記ガスの前記圧力が、前記第2の静水プレチャージ圧より小さい第1の静水プレチャージ圧に降下した場合、前記第1の体積に含まれる前記ガスの前記膨張を中止し、前記第1の体積に含まれる前記ガスの前記圧力を前記第1の静水プレチャージ圧に保つ段階と、を備える、方法。
  6. 前記第1の中空容器から外へ、および前記第2の中空容器から外へ移動させられた前記非圧縮性作動液は、自動車の車両出力またはエンジンに駆動可能に係合された油圧移動ユニットを駆動する、請求項5に記載の方法。
  7. (pmax,1−02)/(p02−01)≦0.2であり、p 01は前記第1の静水プレチャージ圧であり、p02は、前記第2の静水プレチャージ圧であり、pmax,1は前記第1の最大静水圧力である、請求項5または6に記載の方法。
  8. 前記第1の静水プレチャージ圧は、少なくとも10バールである、請求項5から7のいずれか一項に記載の方法。
  9. 前記第2の静水プレチャージ圧は、前記第1の静水プレチャージ圧の少なくとも2倍である、請求項5から8のいずれか一項に記載の方法。
  10. 油圧空気圧式エネルギー貯蔵システムであって、
    前記第1の中空容器内に配置された、第1の量のガスを含む第1の圧縮性容積を含む、第1の中空容器を有する第1の油圧空気圧式蓄圧器と、
    第2の中空容器内に配置された、第2の量のガスを含む第2の圧縮性容積を含む、第2の中空容器を有する第2の油圧空気圧式蓄圧器と、
    供給管と、
    前記第1の油圧空気圧式蓄圧器および前記第2の油圧空気圧式蓄圧器を前記供給管に選択的に流体的に接続する少なくとも1つの制御弁と、
    前記供給管ならびに前記第1の油圧空気圧式蓄圧器および前記第2の油圧空気圧式蓄圧器のうち少なくとも1つにおける静水圧力を測定するための少なくとも1つの圧力センサと、
    前記少なくとも1つの制御弁を制御するための、充填モードおよび排出モードを有する制御ユニットと、を備え、
    前記制御ユニットが前記充填モードにある場合、前記制御ユニットは、前記第1の油圧空気圧式蓄圧器および前記第2の油圧空気圧式蓄圧器を前記供給管に選択的に流体的に接続し、且つ前記供給管から前記第1の油圧空気圧式蓄圧器および前記第2の油圧空気圧式蓄圧器を選択的に流体的に切り離し、請求項1から4のいずれか一項に記載の複数の方法段階を実行し、
    前記制御ユニットが前記排出モードにある場合、前記制御ユニットは、前記第1の油圧空気圧式蓄圧器および前記第2の油圧空気圧式蓄圧器を前記供給管に選択的に流体的に接続し、且つ前記第1の油圧空気圧式蓄圧器および前記第2の油圧空気圧式蓄圧器を前記供給管から選択的に流体的に切り離し、請求項5から9のいずれか一項に記載の方法を実行する、
    油圧空気圧式エネルギー貯蔵システム。
  11. 前記第1の油圧空気圧式蓄圧器および前記第2の油圧空気圧式蓄圧器と前記供給管を介して流体連通している油圧移動ユニットをさらに備え、前記油圧移動ユニットは、自動車のエンジン、自動車の車両出力および油圧装置のうち少なくとも1つと駆動可能に係合され、または選択的に推進的に係合されている、請求項10に記載の油圧空気圧式エネルギー貯蔵システム。
  12. 前記第1の圧縮性容積および前記第2の圧縮性容積と流体連通しているコンプレッサをさらに備え、前記コンプレッサは、前記第1の量のガスを調節することにより、前記第1の圧縮性容積に含まれる前記ガスを第1のプレチャージ圧に予め加圧し、前記コンプレッサは、前記第2の量のガスを調節することにより、前記第2の圧縮性容積に含まれる前記ガスを第2のプレチャージ圧に予め加圧する、請求項10または11に記載の油圧空気圧式エネルギー貯蔵システム。
  13. 前記第1の圧縮性容積及び前記第2の圧縮性容積のうち少なくとも1つは、閉じたブラダー、弾性ダイアフラムおよびフローティングピストンのうちの1つで形成される、請求項10から12のいずれか一項に記載の油圧空気圧式エネルギー貯蔵システム。
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