KR20160117484A - 축압기 랙 - Google Patents

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KR20160117484A
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로렌조 세라오
줄리오 오르넬라
에토레 코솔리
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다나 이탈리아 에스피에이
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Abstract

본 발명은 수압-공기압 에너지 저장 시스템(1)을 충전하는 방법에 관한 것이며, 상기 시스템(1)은 제 1 중공형 용기(5a) 및 상기 제 1 중공형 용기(5a) 내부에 배치되는, 제 1 양의 가스를 함유하는 제 1 압축 가능한 용적(7a)을 포함하는 제 1 수압-공기압 축압기(2a); 그리고 제 2 중공형 용기(5b) 및 상기 제 2 중공형 용기(5b) 내부에 배치되는, 제 2 양의 가스를 함유하는 제 2 압축 가능한 용적(7b)을 포함하는 제 2 수압-공기압 축압기(2b)를 포함하며, 상기 방법은: 제 1 용적(7a) 내에 함유된 가스를 제 1 정수압 예비-충전 압력으로 예비-가압하고 제 2 용적(7b) 내에 함유된 가스를 제 1 정수압 예비-충전 압력보다 더 높은 제 2 정수압 예비-충전 압력으로 예비-가압하는 단계; 제 2 용적(7b) 내에 함유된 가스의 압력을 제 2 예비-충전 압력에서 유지하기 위해서 제 2 용기(5b) 내에 함유된 비-압축 가능한 유압 유체의 양을 일정하게 유지하면서 비-압축 가능한 유압 유체를 제 1 용기(5a) 내측으로 배출함으로써 제 1 용적(7a) 내의 가스를 가압하는 단계; 및 제 1 용적(7a) 내의 가스의 압력이 제 2 예비-충전 압력에 도달할 때, 비-압축 가능한 유압 유체를 제 2 용기(5b) 내측으로 배출함으로써 제 2 용적(7b) 내의 가스를 가압하는 단계를 포함한다. 본 발명은 또한, 수압-공기압 에너지 저장 시스템(1)을 배출하기 위한 방법 및 제안된 충전 및 배출 방법들을 수행하기 위한 수압-공기압 에너지 저장 시스템(1)에 관한 것이다.

Description

축압기 랙 {ACCUMULATOR RACKS}
본 발명은 주로, 수압-공기압(hydro-pneumatic) 에너지 저장 시스템 및 저장 시스템을 충전하고 배출하는 방법들에 관한 것이다. 수압-공기압 에너지 저장 시스템들은 통상적으로, 예를 들어, 농업, 광업 또는 건설업에 사용되는 작업 기계들에서 그 용례들을 찾을 수 있다.
본 문서는 2014년 2월 4일자로 출원된 미국 가 특허출원 번호 61/935,665호를 우선권으로 주장하며, 그 전체가 참조로 본 발명에 포함된다.
수압-공기압 에너지 저장 시스템들은 보통, 적어도 하나의 수압-공기압 축압기를 포함하며, 축압기는 저장 공간을 둘러싸는 강성의 중공형 용기를 포함한다. 정상적으로, 저장 공간은 질소와 같은 공정 가스(process gas)의 양으로 채워지는 폐쇄된 압축 가능한 용적과 오일과 같은 비-압축 가능한 유압 유체를 수용하기 위한 가변 공간으로 나누어진다. 통상적으로, 가변 공간은 하나 또는 그 초과의 밸브들을 통해서 용기의 외부와 유체 연통된다.
에너지는 용기 안쪽의 폐쇄 용적 내에 함유된 공정 가스가 압축되고 가압되도록 비-압축 가능한 유압 유체의 양을 용기 안쪽의 가변 공간으로 배출함으로써 시스템 내에 저장될 수 있다. 가스는 그 후에, 밸브를 폐쇄함으로써 가압 상태로 유지될 수 있다. 필요 시, 가압 가스 내에 저장된 정수압 에너지는 밸브를 개방하고 가스를 팽창시킴으로써 방출될 수 있으며, 그에 의해서 팽창 가스는 용기 내부에 저장된 비-압축 가능한 유압 유체를 용기의 밖으로 변위시키며, 따라서 유체 흐름을 생성한다. 팽창 가스에 의해 발생된 유압 유체의 흐름은 그 후에, 예를 들어 유압 모터 또는 유압 피스톤과 같은 유압 장치를 구동할 수 있다.
수압-공기압 에너지-저장 시스템 내에 저장될 수 있는 에너지의 양은 시스템 크기를 증가시키고/시키거나 공정 가스의 예비충전 압력(precharge pressure)을 증가시킴으로써 증가될 수 있다는 것이 공지되어 있다. 그러나, 저장 시스템의 축압기들을 수용하기 위한 공간은 종종 제한된다. 게다가, 공정 가스의 예비충전 압력은 보통, 저장 시스템이 연결되게 되어 있는 유압 회로의 작동 압력과 어느 정도 일치되어야 한다.
그러므로, 본 발명의 목적은 저장 시스템이 연결되게 되어 있는 유압 회로의 작동 조건들과 양립될 수 있는 증가된 에너지 밀도를 갖도록 수압-공기압 에너지 저장 시스템을 설계하고자 하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 그 시스템을 충전하고 배출하기 위한 방법들을 명시하고자 하는 것이다.
이러한 문제는 독립항들에 따른 수압-공기압 에너지 저장 시스템을 충전하고 배출하기 위한 방법들 및 종속 체제 항(subordinate system claim)에 명시된 바와 같은 이들 방법들을 수행하도록 구성되는 수압-공기압 에너지 저장 시스템에 의해 해결된다.
따라서, 수압-공기압 에너지 저장 시스템을 충전하기 위한 방법이 제안된다. 이 시스템은 제 1 강성 중공형 용기를 포함하는 제 1 수압-공기압 축압기를 포함한다. 제 1 용기에 의해 둘러싸인 저장 공간은 제 1 양의 가스로 충전된 제 1 압축 가능한 용적을 포함하며, 제 1 용기에 의해 둘러싸인 저장 공간은 비-압축 가능한 유압 유체를 수용하기 위한 제 1 가변 공간을 포함한다. 이 시스템은 제 2 강성 중공형 용기를 포함하는 제 2 수압-공기압 축압기를 더 포함한다. 제 2 용기에 의해 둘러싸인 저장 공간은 제 2 양의 가스로 충전된 제 2 압축 가능한 용적을 포함하며, 제 2 용기에 의해 둘러싸인 저장 공간은 비-압축 가능한 유압 유체를 수용하기 위한 제 2 가변 공간을 포함한다.
상기 시스템을 충전하기 위한 방법은:
제 1 용적 내에 함유된 가스를 제 1 정수압 예비-충전 압력(p01)으로 예비-가압하고 제 2 용적 내에 함유된 가스를 제 1 정수압 예비-충전 압력보다 더 높은 제 2 정수압 예비-충전 압력(p02)으로(p02 > p01) 예비-가압하는 단계;
제 2 용적 내에 함유된 가스의 압력을 제 2 예비-충전 압력(p02)에서 유지하기 위해서 제 2 용기 내에 함유된 비-압축 가능한 유압 유체의 양(아마도 0)을 일정하게 유지하면서 비-압축 가능한 유압 유체를 제 1 용기 내측으로 배출함으로써 제 1 용적 내의 가스를 가압하는 단계; 및
제 1 용적 내의 가스의 압력이 제 2 예비-충전 압력(p02)에 도달할 때, 비-압축 가능한 유압 유체를 제 2 용기 내측으로 배출함으로써 제 2 용적 내의 가스를 가압하는 단계를 포함한다.
다음에서는 수압-공기압 에너지 저장 시스템을 충전하기 위한 종래의 방법에 대한 본 발명에 따른 방법의 장점을 예시할 수 있다. 이는 종래의 시스템과 본 발명에 따른 시스템 모두가 동일한 전체 예비충전 용적(V0)을 가진다고 가정한 것이다.
종래의 방법에 따라서, (아마도 상이한 축압기들 전반에 걸쳐 분포될 수 있는)전체 예비충전 용적(V0)은 동일한 예비충전 압력(p01)으로 예비-가압된다. 종래의 방법에 따라서, 시스템을 충전하는 것은 시스템 전반에 걸쳐 압력을 균일하게 증가시키는 것을 포함한다. 즉, 종래의 방법에 따라서 압력은 임의의 주어진 시간에 시스템 전반에 걸쳐 균일하다.
대조적으로, 본 발명의 방법에 따라서 전체 예비충전 용적(V0)의 일부분(제 1 축압기 내의 제 1 압축 가능한 용적)은 종래의 시스템과 동일한 예비충전 압력(p01)으로 예비-가압되는 반면에, 다른 부분(제 2 축압기 내의 제 2 압축 가능한 용적)은 예비충전 압력(p02)으로 예비-가압된다(여기서, p02 > p01). 또한, 전체 예비충전 용적(V0)은 구획되며, 적어도 제 1 용적은 시스템 내측으로 배출되는 비-압축 가능한 유압 유체의 임의의 용적이 더 큰 압력 증가를 초래하고 종래의 시스템에서 보다 본 발명에 따른 시스템에서 더 많은 양의 에너지를 축적하도록 별도로 충전된다.
게다가, 많은 종류의 수압-공기압 축압기들에서 최대 달성 가능한 압축 비율은 제한된다. 예를 들어, 블래더-형 축압기에서 블래더 내측의 공정 가스의 압력은 약 4·p0 초과로 증가되지 않아야 한다(여기서, p0는 예비충전 압력임). 그러므로, 본 발명에서 제안된 구획화는 시스템의 접근 가능한 압력 범위를 확장할 수 있다. 예를 들어, 제 1 축압기와 제 2 축압기가 블래더-형 축압기들이라고 가정하면, 제 2 예비충전 압력(p02)은 제 1 축압기 내의 가스의 최대 압력으로 즉, p02 = 4·p01로 설정될 수 있다. 제 2 축압기 내의 가스는 그 후에 4·p02 = 4·4·p01 = 16·p01의 최대 압력까지 가압될 수 있다.
제 1 충전 압력(p01)은 축압기들이 연결될 수 있는 유압 시스템 또는 회로의 작동 압력과 양립될 수 있는 압력일 수 있다. 게다가, 비-압축 가능한 유압 유체는 통상적으로, 동일한 공급 파이프를 통해서 두 개의 축압기들 내측으로 배출된다. 단지, 제 1 축압기 내의 공정 가스의 압력이 제 2 예비충전 압력(p02)에 도달할 때만 또는 단지, 그때 꼭 한 번만 비-압축 가능한 유압 유체를 제 2 축압기 내측으로 배출하기 위한 공정을 초기화하는 것은 따라서 제 1 축압기를 충전하기 위한 공정을 제 2 축압기를 충전하기 위한 공정으로의 매끄러운 과도기를 보장할 수 있다.
제안된 충전 방법은 제 1 용적 내의 가스의 압력이 제 2 예비충전 압력보다 높거나 같은 제 1 최대 압력에 도달할 때, 제 1 최대 압력에서 제 1 용적 내의 가스의 압력을 유지하기 위해서 제 1 용기 내에 함유된 비-압축 가능한 유압 유체의 양을 일정하게 유지하는 단계를 더 포함할 수 있다. 제 1 최대 압력은 제 1 축압기의 압력 한계일 수 있으며, 그 압력 한계 위에서는 제 1 용적 내의 가스가 예를 들어, 제 1 축압기에 대한 잠재적 손상을 유발함이 없이 가압될 수 없다.
제 1 예비충전 압력으로 제 1 용적 내에 함유된 가스를 예비-가압하는 것은 제 1 양의 가스를 조절하는 것을 포함할 수 있으며, 제 2 정수압 예비충전 압력으로 제 2 용적 내에 함유된 가스를 예비-가압하는 것은 제 2 양의 가스를 조절하는 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제 1 용적 및 제 2 용적은 대응하는 밸브들을 통해서 압축기와 유체 연통할 수 있다. 비-압축 가능한 유압 유체를 각각 제 1 및 제 2 용기 내측으로 배출함으로써 제 1 및 제 2 용적 내에 함유된 가스를 예비-가압하는 것과는 반대로, 제 1 및 제 2 용적 내의 가스량을 조절함으로써 축압기들 내에 함유된 가스를 예비-가압하는 것은 감소된 예비충전 용적의 희생으로 가능하지 않다.
비-압축 가능한 유압 유체는 엔진에 의해 또는 자동차의 차량 출력에 의해 구동되는 유압식 변위 유닛을 통해서 제 1 용기 및 제 2 용기 내측으로 배출될 수 있다. 예를 들어, 제안된 시스템은 차량, 통상적으로 비-포장도로용 차량(off-highway vehicle)의 직렬 유압식 하이브리드 변속기의 정수압 회로와 유체 연통될 수 있다.
또한, 전술한 수압-공기압 에너지 저장 시스템을 배출하기 위한 방법이 제안된다. 당업자에게 용이하게 이해될 수 있듯이, 제안된 배출 방법은 전술한 충전 방법과 반대이다.
그 방법의 출발점은 제 1 용기가 비-압축 가능한 유압 유체로 적어도 부분적으로 충전되며 제 1 용적 내의 가스가 제 1 최대 압력으로 가압되는 시스템의 상태이다. 제 1 최대 압력은 (그럴 수 있지만)반드시 제 1 축압기의 상한 압력일 필요는 없다. 그 용어는 단지, 제 1 용적 내의 가스 압력이 여기로부터 감소된다는 것을 나타내려는 것이다.
유사하게, 제안된 배출 방법의 출발점은 제 2 용기가 비-압축 가능한 유압 유체로 적어도 부분적으로 충전되며 제 2 용적 내의 가스가 제 1 최대 압력보다 통상적으로 훨씬 더 높거나 같은 제 2 최대 압력으로 가압되는 것을 포함한다. 또한, 제 2 최대 압력은 (그럴 수 있지만)반드시 제 2 축압기의 상한 압력일 필요는 없다. 그 용어는 단지, 제 2 용적 내의 가스 압력이 여기로부터 감소된다는 것을 나타내려는 것이다.
상기 시스템을 배출하기 위한 방법은:
제 1 용적 내의 가스의 압력을 제 1 최대 압력에서 유지하기 위해서 제 1 용기 내에 함유된 비-압축 가능한 유압 유체의 양을 일정하게 유지하면서 제 2 용기 내에 함유된 비-압축 가능한 유압 유체를 제 2 용기의 밖으로 적어도 부분적으로 변위시키도록 제 2 용적 내에 함유된 가스를 팽창시키는 단계;
제 2 용적 내에 함유된 가스의 압력이 제 1 최대 압력으로 떨어졌을 때, 제 1 용기 내에 함유된 비-압축 가능한 유압 유체를 제 1 용기의 밖으로 적어도 부분적으로 변위시키기 위해서 제 1 용적 내에 함유된 가스를 팽창시키는 단계;
제 2 용적 내에 함유된 가스의 압력이 제 1 최대 압력보다 작거나 같은 제 2 예비-충전 압력으로 떨어졌을 때, 제 2 용적 내에 함유된 가스의 압력을 제 2 예비-충전 압력에서 유지하기 위해서 제 2 용적 내에 함유된 가스의 팽창을 멈추는 단계; 및
제 1 용적 내에 함유된 가스의 압력이 제 2 예비-충전 압력보다 작은 제 1 예비-충전 압력으로 떨어졌을 때, 제 1 용적 내에 함유된 가스의 압력을 제 1 예비-충전 압력에서 유지하기 위해서 제 1 용적 내에 함유된 가스의 팽창을 멈추는 단계를 포함한다.
제 1 용기 및 제 2 용기의 밖으로 변위되는 비-압축 가능한 유압 유체는 동일한 공급 파이프로 공급되고 변위 유닛을 구동시키기 위해서 엔진에 또는 자동차의 차량 출력에 구동 결합되는(drivingly engaged) 유압식 변위 유닛으로 전향될 수 있다. 차량 출력은 예를 들어, 기어박스, 구동축, 최종 구동기, 차축 및 하나 또는 그 초과의 차륜들 중에 적어도 하나를 포함할 수 있다.
제안된 충전 방법 및 제안된 배출 방법 모두를 참조하면, 다음 관계식, 즉
Figure pct00001
, 바람직하게
Figure pct00002
, 더 바람직하게
Figure pct00003
을 가질 수 있으며, 여기서 p01은 제 1 예비충전 압력이며, p02는 제 2 예비충전 압력이며, pmax,1은 제 1 최대 압력이다. 환언하면, 제 1 용적 내에 함유된 가스를 가압하기 위한 공정은 보통, 제 1 용적 내의 압력이 제 2 예비충전 압력에 도달한 바로 그때 또는 단지 그 직후만 정지된다.
제안된 충전 방법 및 제안된 배출 방법 모두를 추가로 참조하면, 제 1 예비충전 압력은 적어도 10 바, 바람직하게 적어도 30 바, 더 바람직하게 적어도 50 바일 수 있다. 인용된 값들은 예를 들어, 직렬 유압식 하이브리드 변속기의 정수압 회로의 주 라인들의 통상적인 작동 압력 값들이다.
제안된 충전 방법 및 제안된 배출 방법 모두를 추가로 참조하면, 제 1 예비충전 압력(p01) 및 제 2 예비충전 압력(p02)에 대해 다음의 관계식, 즉
Figure pct00004
, 바람직하게
Figure pct00005
Figure pct00006
, 더 바람직하게
Figure pct00007
이 유지될 수 있다. 환언하면, 제 2 예비충전 압력은 바람직하게, 가능한 한 많이 시스템의 압력 범위를 확장하기 위해서 제 1 용적 내의 가스의 최대 가능한/허용 가능한 압력에 가깝다. 예를 들어, 제 2 예비충전 압력(p02)은 제 1 용적 내의 가스의 최대 가능한/허용 가능한 압력의 적어도 90% 또는 적어도 95%일 수 있다.
게다가, 수압-공기압 에너지 저장 시스템이 제안된다. 이 시스템은:
제 1 중공형 용기 및 제 1 중공형 용기 내부에 배치되는, 제 1 양의 가스를 함유하는 제 1 압축 가능한 용적을 포함하는 제 1 수압-공기압 축압기;
제 2 중공형 용기 및 제 2 중공형 용기 내부에 배치되는, 제 2 양의 가스를 함유하는 제 2 압축 가능한 용적을 포함하는 제 2 수압-공기압 축압기;
공급 파이프;
축압기들을 공급 파이프에 선택적으로 유동적으로 연결하는 적어도 하나의 제어 밸브;
공급 파이프 내의 및/또는 축압기들 내의 정수압을 측정하기 위한 적어도 하나의 압력 센서; 및
충전 모드와 배출 모드를 가지는 적어도 하나의 제어 밸브를 제어하기 위한 제어 유닛을 포함한다.
제어 유닛이 충전 모드일 때, 제어 유닛은 전술한 충전 방법의 단계들을 수행하기 위해서 축압기들을 공급 파이프에 선택적으로 유동적으로 연결하고 축압기들을 공급 파이프로부터 선택적으로 유동적으로 분리하도록 구성된다. 대조적으로, 제어 유닛이 배출 모드일 때, 제어 유닛은 전술한 배출 방법의 단계들을 수행하기 위해서 축압기들을 공급 파이프에 선택적으로 유동적으로 연결하고 축압기들을 공급 파이프로부터 선택적으로 유동적으로 분리하도록 구성된다.
상기 시스템은 제 1 용적에 그리고 제 2 용적에 유체 연통되는 압축기 유닛을 포함할 수 있으며, 압축기는 제 1 양의 가스를 조절함으로써 제 1 용적 내에 함유된 가스를 제 1 예비충전 압력으로 예비-가압하도록 구성되며, 압축기는 제 2 양의 가스를 조절함으로써 제 2 용적 내에 함유된 가스를 제 2 예비충전 압력으로 예비-가압하도록 구성된다.
제 1 용적 및/또는 제 2 용적은 예를 들어, 폐쇄형 블래더(bladder), 탄성 다이어프램(diaphragm) 및 부동식(floating) 피스톤 중 하나에 의해 형성될 수 있다.
본 발명에서 제안된 시스템의 바람직한 실시예들은 다음의 상세한 설명에서 설명되고 첨부 도면에 도시된다.
도 1은 공통의 공급 파이프와 유체 연통되는 두 개의 유압식 축압기들을 포함하는 수압-공기압 에너지 저장 시스템을 도시하며,
도 2a 내지 도 2c는 종래기술에 따른 두 개의 유압식 축압기들을 충전/배출하기 위한 공정의 상이한 단계들을 도시하며,
도 3a 내지 도 3c는 도 1의 두 개의 유압식 축압기들을 충전/배출하기 위한 공정의 상이한 단계들을 도시하며,
도 4는 도 2 및 도 3의 축압기들 내에 함유된 공정 가스의 압력-용적 다이어그램들을 도시하며,
도 5는 도 2 및 도 3의 축압기들 내에 함유된 공정 가스의 에너지-압력 다이어그램들을 도시하며,
도 6은 도 2 및 도 3의 축압기들 내에 함유된 공정 가스의 에너지-용적 다이어그램들을 도시하며,
도 7은 폴리트로프 변환(polytropic transformation)의 압력-용적 다이어그램이며,
도 8은 단열 변환들(adiabatic transformations) 가정하의 예비충전 압력의 효과를 도시한다.
첨부 도면들에 예시되고 다음의 명세서에 설명되는 특정 장치들 및 공정들은 단순히, 여기에 정의된 본 발명의 개념들에 대한 예시적인 실시예들이라는 것이 이해된다. 여기서, 개시된 실시예들과 관련된 구체적인 치수들, 방향들 또는 다른 물리적인 특징들은 달리 명시적으로 언급되지 않는 한 제한적인 것으로 고려되어서는 안 된다.
유압식 하이브리드 차량에서, 유압식 축압기들의 최적 용적 및 예비충전 압력은 차량 및 듀티 사이클(duty cycle) 특징들에 의존한다. 정상적으로, 축압기 크기는 설계 단계에서 결정되며 예비충전은 차량 설정 단계(그러나 작동 단계 중은 아님)에서 변화될 수 있는 조정 매개변수(tuning parameter)로서 정의된다. 이들 매개변수들은 절충의 결과이고 특정 경우들에서 최적과는 전혀 별개이다.
여기서 설명되는 바와 같은 발명은 전체 용적 및/또는 예비충전 레벨의 역학적 변경을 허용하도록 배열되며, 따라서 하이브리드 파워트레인(powertrain) 제어에 대한 자유도를 증가시키고 축압기 매개변수들을 현재 작동 조건들에 일치시킴으로써 전체 성능을 개선하는 에너지 저장장치로서 축압기들의 랙(rack)을 사용한다.
하이브리드 차량들은 통상적으로, 내연 기관과 짝을 이루는 가역 에너지 저장 시스템(RESS)을 포함한다. RESS는 다음의 통상적인 하이브리드 차량 특징들:
- 제동 중 운동 에너지 회생
- 엔진 동력 버퍼링(buffering) 및 파워트레인 작동 지점의 최적 관리를 가능하게 한다.
유압식 재충전 가능한 에너지 저장 장치(HRESS)는 통상적으로, 일정한 질량의 공기를 압축하고, 따라서 그의 압력을 증가시킴으로써 에너지를 저장하는 블래더 또는 피스톤 형태인 하나 또는 그 초과의 축압기들로 구성된다. 압력 증가는 변형 형태의 효과가 강조되어 있는 도 7에 나타낸 바와 같은 폴리트로프 변환으로서 모델화될 수 있는, 축압기 내의 가스의 열역학적 변환과 직결된다. 대부분의 경우들에서, 실제 변환은 단열에 아주 가깝다. 도 8은 단열 변환들 가정하의 예비충전 압력의 효과를 도시한다. 각각의 곡선의 제 1 부분은 나머지 부분보다 더 평탄하며 축압기의 최초 충전에 대응한다.
유압식 하이브리드 시스템들의 가장 도전적인 특징들 중의 하나는 압력-용적 곡선에서의 급격한 변화로 인한, 축압기 배출 중의 신속한 압력 감소이다. 이는 압력이 충분히 높거나, - 예비충전이 높은 값들로 설정된 경우 - 흐름 또는 변위 부분화(partialization)로 인한 손실들을 도입함으로써 전체 시스템 효율을 감소시키는 그의 작동 범위의 단지 일부분에서만 축압기를 이용 가능하게 만든다. 이런 이유들로, 이상적인 유압식 축압기는 전체 용적 범위에 대해 가장 적합한 압력으로 유지하기 위해서 그의 압력을 거의 일정하게 유지할 수 있다. 이상적으로, 압력 레벨은 용례 및 작동 조건들에 따라 설정되어야 한다.
다른 한편으로, 특정 용적의 오일 교환이 주어지면 압력-용적 곡선들의 가파른 범위에서의 작업은 축압기 에너지 밀도를 증가시킨다.
대부분의 하이브리드 용례들에서, 에너지 저장의 전체 용적은 패키징 및 비용 문제들로 여러 축압기들로 분할된다. 표준 구성에서, 축압기들은 모두 동일한 예비충전 압력이고(적어도 정상적으로) 흐름이 이들 사이에 동등하게 나누어진다.
제안된 발명은 HRESS 에너지 밀도를 최대화하는 것을 목적으로 하는 여러 축압기들의 배열을 포함한다. 그 해법이 도 1에 도시된다.
각각의 축압기는 유압 제어들 또는 전자 제어들 중 어느 하나를 사용하여, 상이한 레벨로 예비충전될 수 있고 주 압력 라인에 개별적으로 연결될 수 있다. 통상적인 작동에서, 축압기들은 예비충전을 증가시키는 순서, 즉 압력 임계값이 제 1 축압기에 도달될 때, 대응하는 밸브가 폐쇄되며 제 2 축압기가 연결되며, 따라서 상이한 예비충전 압력 때문에 압력-용적 특징들을 변경시키는 순서로 충전된다. 따라서 공정은 제 2 축압기 내의 압력 임계값에 도달될 때, 등등 제 3 축압기들에 대해 반복된다. 모든 축압기들이 동일한 레벨로 예비충전되더라도, 개별적인 연결은 전체 용적의 역학적 리사이징(dynamic resizing)을 허용한다.
연결/분리 논리는 압력-작동식 밸브들의 적절한 조합에 의한 순수한 유압 제어로서 실시될 수 있거나, 더 큰 융통성을 위해 전자 제어식 밸브들을 사용하여 실시될 수 있다. 제 1 경우에, 결과적인 HRESS는 도 4에 도시된 바와 같이 증가된 에너지 밀도의 장점을 갖는, 표준 축압기(단지 상이한 작동 특징들만을 갖는)와 동등한 수동적 부품으로서 전체 시스템에 통합될 수 있다. 제 2 경우에, 능동적 HRESS 관리는 추가의 자유도들이 도입되기 때문에, 하이브리드 파워트레인 에너지 관리 전략의 통합 부분을 형성한다.
도 1은 본 발명에 따른 수압-공기압 에너지 저장 시스템(1)을 도시한다. 시스템(1)은 제 1 수압-공기압 축압기(2a) 및 각각 축압기 밸브들(4a,4b)을 통해서 공통의 공급 파이프(3)와 유체 연통되는 제 2 수압-공기압 축압기(2b)를 포함한다. 가장 간단한 경우에, 축압기 밸브들(4a,4b)은 각각 2/2-방식 차단 밸브들로서 구성된다.
제 1 축압기(2a)는 제 1 저장 공간(6a)을 둘러싸는 제 1 강성 용기(5a)를 포함한다. 제 1 용기(5a)는 예를 들어, 적어도 400 바의 최대 압력까지의 정수압에 견디도록 구성된다. 제 1 저장 공간(6a)은 제 1 압축 가능한 용적(7a) 및 제 1 가변 공간(8a)을 포함한다. 제 1 압축 가능한 용적(7a)은 예를 들어, 질소와 같은 제 1 양의 공정 가스로 충전된 폐쇄형 탄성 블래더에 의해 형성된다. 제 1 압축 가능한 용적(7a) 내에 함유된 공정 가스의 용적은 V01 = 10L의 제 1 예비충전 용적까지 확대될 수 있다. 제 1 축압기(2a)는 제 1 용적(7a) 내에 함유된 가스의 압력을 나타내는 제 1 가변 용적(8a) 내의 비-압축 가능한 유압 유체의 유압을 결정하도록 구성되는 제 1 압력 센서(9a)를 더 포함한다.
공급 파이프(3) 내의 비-압축 가능한 유압 유체의 정수압이 제 1 압축 가능한 용적(7a) 내에 함유된 공정 가스의 정수압보다 더 높을 때, 비-압축 가능한 유압 유체는 차단 밸브(4a)를 개방함으로써 제 1 가변 공간(8a)의 내측으로 배출될 수 있으며, 그에 의해서 제 1 압축 가능한 공간(7a) 내에 함유된 공정 가스를 가압한다. 유사하게, 제 1 압축 가능한 용적(7a) 내에 함유된 공정 가스의 정수압이 공급 파이프(3) 내의 비-압축 가능한 유압 유체의 정수압보다 더 높을 때, 제 1 가변 공간(8a) 내에 함유된 비-압축 가능한 유압 유체는 밸브(4a)를 개방함으로써 그리고 따라서 제 1 압축 가능한 용적(7a) 내에 함유된 공정 가스를 팽창시킴으로써 제 1 가변 공간(8a)의 밖으로 그리고 공급 파이프(3)의 내측으로 적어도 부분적으로 변위될 수 있으며, 그에 의해서 유체 흐름을 생성한다. 제 1 가변 공간(8a)은 밸브(4a)를 폐쇄함으로써 공급 파이프(3)로부터 유동적으로 분리될 수 있다.
여기서, 제 2 축압기(2b)는 제 1 축압기(2a)와 동일하다. 제 2 축압기(2b)는 제 2 저장 공간(6b)을 둘러싸는 제 2 강성 용기(5b)를 포함한다. 제 2 저장 공간(6b)은 제 2 양의 공정 가스로 충전된 폐쇄형 탄성 블래더에 의해 형성되는 제 2 압축 가능한 용적(7b), 및 제 2 가변 공간(8b)을 포함한다. 제 2 압축 가능한 용적(7b) 내에 함유된 공정 가스의 용적은 V02 = 10L의 제 2 예비충전 용적까지 확대될 수 있다. 제 1 축압기(2a)와 유사하게, 제 2 축압기(2b)는 제 2 용적(7b) 내에 함유된 가스의 압력을 나타내는 제 2 가변 공간(8b) 내의 비-압축 가능한 유압 유체의 유압을 결정하도록 구성되는 제 2 압력 센서(9b)를 포함한다.
제 2 압축 가능한 용적(7b) 내에 함유된 가스는 제 1 축압기(2a)에 대해 전술한 바와 동일한 방식으로, 밸브(4b)를 개방하고 폐쇄함으로써 가압되고 감압될 수 있으며, 그에 의해서 비-압축 가능한 유압 유체를 공급 파이프(3)로부터 제 2 가변 공간(8b)으로 배출하거나 제 2 가변 공간(8b) 내에 함유된 비-압축 가능한 유압 유체를 제 2 가변 공간(8b)의 밖으로 그리고 공급 파이프(3)의 내측으로 변위시킨다.
공급 파이프(3)는 정수압 펌프 및/또는 정수압 모터와 같은 적어도 하나의 유압식 변위 유닛을 포함하는 유압 회로와 유체 연통할 수 있다. 유압식 변위 유닛은 자동차의 엔진에 또는 자동차의 출력에 구동 결합되거나 선택적으로 구동 결합될 수 있다. 예를 들어, 공급 파이프는 수압-공기압 에너지 저장 시스템(1)과, 자동차의 엔진과 차량 출력 간의 정수압 변속기의 정수압 회로의 주 유체 라인들 사이에 유체 연통을 제공할 수 있다.
시스템(1)은 각각, 압축기 밸브들(11a,11b)을 통해서 제 1 압축 가능한 용적(7a)과 제 2 압축 가능한 용적(7b)과 유체 연통하는 압축기(10)를 더 포함한다. 여기서, 밸브들(11a,11b)은 2/2-방식 차단 밸브들로서 구성된다. 압축기(10)와 압축기 밸브들(11a,11b)을 통해서, 제 1 압축 가능한 용적(7a) 내에 함유된 공정 가스의 제 1 양과 제 2 압축 가능한 용적(7b) 내에 함유된 공정 가스의 제 2 양은 증가되거나 감소될 수 있다. 특히, 압축기(10)는 제 1 용적(7a) 내의 공정 가스의 제 1 예비충전 압력(p01)을 조절하고 제 2 용적(7b) 내의 공정 가스의 제 2 예비충전 압력(p02)을 조절하는데 사용될 수 있다. 예비충전 압력들(p01,p02)은 독립적으로 조절될 수 있다.
시스템(1)은 밸브들(4a,4b,11a,11b) 및 압축기(10)를 제어하도록 구성되는 전자 제어 유닛(12)을 더 포함한다. 제어 유닛(10)은 예를 들어, 하나 또는 그 초과의 프로세서들을 포함할 수 있다. 제어 유닛(12)은 독립적으로 밸브들(4a,4b,11a,11b) 및 압축기(10)를 제어할 수 있다. 제어 유닛(12)은 작동자로부터의 입력에 기초하여 및/또는 압력 센서들(9a,9b)로부터의 압력 신호들에 기초하여 밸브들(4a,4b)을 제어할 수 있으며, 압력 신호들은 각각, 제 1 및 제 2 압축 가능한 용적(7a,7b) 내에 함유된 공정 가스의 정수압을 나타낸다. 특히, 제어 유닛(12)은 충전 모드 및 배출 모드로 작동될 수 있다. 충전 모드로 작동될 때, 제어 유닛(12)은 시스템(1)을 충전하기 위한 방법에 따라서 밸브들(4a,4b,11a,11b) 및 압축기(10)를 작동시킨다. 배출 모드로 작동될 때, 제어 유닛(12)은 시스템(1)을 배출하기 위한 방법에 따라서 밸브들(4a,4b)을 작동시킨다. 충전 방법 및 배출 방법은 아래에서 추가로 더 상세히 설명된다.
도 2a 내지 도 2c는 종래기술로부터 공지된 축압기들(13a,13b)을 충전하기 위한 방법의 상이한 단계들에 있는 두 개의 유압식 축압기들(13a,13b)을 도시한다. 도 2a 내지 도 2c에 예시된 종래의 방법을 본 발명에서 제안된 개선된 방법과 비교하기 위해서, 축압기들(13a,13b)은 도 1의 시스템(1)의 축압기들(2a,2b)과 동일한 것으로 가정된다.
도 2a에 도시된 제 1 단계에서, 축압기들(13a,13b)은 60 바의 동일한 예비충전 압력(p0)으로 예비충전된다. 도 2a에서, 압축 가능한 블래더들(14a,14b) 내에 함유된 공정 가스의 예비 충전 용적은 각각 10L이며, V0 = 20L의 전체 예비충전 용적에 이른다.
도 2의 공지된 충전 방법에 따라서, 두 개의 축압기들(13a,13b)은 도 2b에 도시된 바와 같이, 축압기들의 가변 공간들(15a,15b)을 공통의 가압 공급 파이프(도시 않음)에 유동적으로 연결함으로써 그리고 공급 파이프로부터 가변 공간들(15a,15b)로 비-압축 가능한 유압 유체를 변위시킴으로써 충전되며, 그에 의해서 블래더들(14a,14b) 내의 공정 가스를 압력(p>p0)으로 가압한다. 축압기들(13a,13b)이 동일한 공급 파이프를 통해서 동시에 충전되기 때문에, 제 1 블래더(14a) 내의 가스의 정수압은 제 2 블래더(14b) 내의 가스의 정수압과 항상 동일하다.
도 2c에서, 축압기들(13a,13b)은 최대 압력(pmax)으로 각각 완전히 충전된다. 블래더-형 축압기에서, pmax는
Figure pct00008
로 제한된다. 이는 도 2의 예에서
Figure pct00009
240 바이다.
도 2의 축압기들(13a,13b)을 배출하기 위한 공지된 방법에서, 전술한 충전 공정은 단순히 뒤바뀐다. 환언하면, 축압기들(13a,13b)을 배출하기 위한 공지된 방법에 따라서, 도 2b 또는 도 2c의 축압기들(13a,13b)의 가변 공간들(15a,15b) 내에 함유된 비-압축 가능한 유압 유체는 블래더들(14a,14b) 내의 압력(p)이 배출 동안에 항상 동일해지도록 공통의 공급 파이프를 통해 균일하게 배출된다.
압축 또는 팽창 중의 일정한 양의 공정 가스의 열역학적 변환은 폴리트로프 변환에 의해 설명될 수 있다:
방정식(1)
Figure pct00010
.
V1으로부터 V2로 가스의 용적의 변경시 가스 내에 축적되거나 가스로부터 얻은 에너지(E)의 양은 다음의 적분에 의해 주어진다:
방정식(2)
Figure pct00011
.
방정식(1) 및 방정식(2)으로부터, 압력(p) 및 용적(V), 예비충전 압력(p0) 및 예비충전 용적(V0)을 갖는 가스 내에 저장된 에너지(E)의 양은 다음과 같이 표현될 수 있다:
방정식(3)
Figure pct00012
, 또는
방정식(4)
Figure pct00013
.
가스 내에 축적될 수 있는 에너지의 실제로 실현 가능한 최대량은 최대 가능한 압력에 의해서 방정식(3)의 압력(p)을 치환함으로써 결정될 수 있다. 블래더-형 축압기에 대해서, 그 값은
Figure pct00014
로 주어지며, 다음 방정식이 만들어진다:
방정식(5)
Figure pct00015
.
질소(k=1.4)에 대해서, 그 값은
Figure pct00016
로 주어진다.
도 4는 도 2a에 도시된 예비충전 용적(V0 = 20L)으로부터 도 2c에 도시된 최소 용적으로 가스의 압축 중에 도 2의 축압기들(13a,13b)의 블래더들(14a,14b) 내에 함유된 가스의 압력(p(VOIL))(참조 부호 30)을 도시한다. 도 4의 압력(p(VOIL))은 가변 공간들(15a,15b) 내측으로 배출되는 비-압축 가능한 유압 유체의 용적(VOIL)의 함수로서 그려지며, 여기서 p(VOIL)는 방정식(1)에 따라 그리고 VOIL = V0 - V에 따라 결정된다. 사용된 값들은 V0 = 20L, pO = 60 바 및 질소의 단열 지수 k = 1.4이다. 도 4에서 압력(30)은 도 2a의 예비충전 압력(pO = 60 바)으로부터 도 2c에 도시된 축압기들(13a,13b)의 최대 가능한 압력(
Figure pct00017
바)으로 점진적으로 증가된다. 도 4의 곡선(30) 아래의 구역은 압축 동안에 축압기들(13a,13b) 내에 함유된 가스 내에 축적된 에너지의 양을 나타낸다.
도 5는 도 2a 내지 도 2c에 예시된 공정 중에 가스의 균일한 압력(p)의 함수로서 블래더들(14a,14b) 내에 함유된 가스 내에 축적된 에너지(E(p))(참조 부호 31)를 도시한다. 도 5의 E(p)는 방정식(3)에 따라서 결정된다. 또한, V0 = 20L, pO = 60 바 및 k = 1.4이다. 또한, 블래더들(14a,14b) 내에 함유된 질소 가스의 압력(p)이 그의 최대 압력(
Figure pct00018
바)으로 증가됨을 알 수 있다. 이러한 공정 중에, 가스 내에 축적된 에너지의 양은 대략 150 kJ의 그의 최대 값에 도달할 때까지 증가한다.
도 6은 충전 공정 중에 가변 공간들(15a,15b) 내측으로 배출되는 비-압축 가능한 유압 유체의 용적(VOIL)의 함수로서 블래더들(14a,14b) 내에 함유된 가스 내에 축적된 에너지(E(VOIL))(참조 부호 32)를 도시한다. 도 6의 E(VOIL)는 방정식(4)에 따라 그리고 VOIL = V0 - V에 따라 결정된다. 도 6은 완전한 충전 공정을 도시하지 않는다. 또한, 도 6에서 V0 = 20L, pO = 60 바 및 k = 1.4이다. 가스가 압축되어감에 따라 가스 내에 축적된 에너지의 양은 증가한다.
도 3a 내지 도 3c는 도 1의 수압-공기압 에너지 저장 시스템(1)을 충전하기 위한 본 발명에서 제안된 방법의 상이한 단계들을 도시한다. 상기 방법은 하나 또는 그 초과의 입력 장치들을 통한 작동자로부터의 명령에 의해 또는 제어 알고리즘에 의해 개시될 수 있다. 상기 방법은 전자 제어 유닛(12)의 프로세서에서 실행되는 제어 알고리즘의 충전 모드를 사용하여 수행된다.
도 3a는 시스템(1)을 충전하기 위한 제안된 방법의 제 1 단계를 도시한다. 제 1 단계에서, 제어 유닛(12)은 제 1 용적(7a) 내의 가스를 V01 = 10L의 예비충전 용적에서 60 바의 제 1 예비충전 압력(p01)으로 예비-가압하기 위해서 압축기 밸브(11a)를 통해서 제 1 축압기(2a)의 제 1 용적(7a) 내에 함유된 질소 가스의 양을 조절할 것을 압축기(10)에 명령한다. 일단 예비충전 압력(p01)이 설정되었으면, 제어 유닛(12)은 폐쇄될 것을 압축기 밸브(11a)에 명령한다. 여전히 도 3a를 참조하면, 제어 유닛(12)은 그 후에, 제 2 용적(7b) 내의 가스를 V02 = 10L의 예비충전 용적에서 230 바의 제 2 예비충전 압력(p02)으로 예비-가압하기 위해서 압축기 밸브(11b)를 통해서 제 2 축압기(2b)의 제 2 용적(7b) 내에 함유된 질소 가스의 양을 조절할 것을 압축기(10)에 명령한다. 따라서, 제 2 축압기(2b)의 제 2 용적(7b) 내에 함유된 질소 가스의 제 2 예비충전 압력(p02)은 제 1 블래더 축압기(2a)의 약
Figure pct00019
바의 최대 가능한 압력보다 단지 조금 더 작다. 일단 예비충전 압력(p02)이 설정되었으면, 제어 유닛(12)은 폐쇄될 것을 밸브(11b)에 명령한다. 밸브들(4a,4b)은 도 3a의 제 1 단계 중에 폐쇄 상태를 유지한다.
제 1 용적(7a) 및 제 2 용적(7b)이 예비-가압된 이후에, 축압기들(2a,2b)은 비-압축 가능한 유압 유체가 제 1 축압기의 가변 공간(8a) 내측으로 배출될 준비를 한다. 제 1 예비충전 압력(p01)의 값은 바람직하게, 시스템(1)이 충전 공정에 결합되는 유압 회로의 통상적인 작동 압력과 일치하도록 선택된다. 특정 상황에 따라서, 제 1 예비충전 압력(p01)의 상이한 값들이 선택될 수 있다.
일단 축압기들(2a,2b)의 공통의 공급 파이프(3) 내의 압력이 제 1 축압기(2a)의 제 1 예비충전 압력(p01)에 도달하거나 그 압력을 초과하면, 제어 유닛(12)은 제 1 축압기(2a)의 제 1 가변 공간(8a)을 공급 파이프(3)에 유동적으로 연결시키도록 개방할 것을 제 1 축압기 밸브(4a)에 명령한다. 동시에, 제 2 축압기 밸브(4b)가 폐쇄 상태를 유지하며, 그에 의해서 공급 파이프(3)로부터 제 2 축압기(2b)를 유동적으로 분리시킨다.
제 1 축압기 밸브(4a)의 개방시, 비-압축 가능한 유압 유체, 통상적으로 오일은 공급 파이프(3)를 통해서 제 1 축압기(2a)의 제 1 가변 공간(8a) 내측으로 배출되며, 그에 의해서 제 1 용적(7a)을 압축하고 제 1 용적(7a) 내에 함유된 질소 가스의 정수압(p1)을 증가시킨다. 공급 파이프(3)는 차량의 내연 기관에 의해, 또는 예를 들어, 회생 제동 절차 중의 차량의 차량 출력에 의해 구동되는 차량의 정수압 변속기의 정수압 펌프/모터에 의해 가압될 수 있다. 제 1 축압기(2a)의 충전 중에, 제어 유닛(12)은 제 2 축압기 밸브(4b)를 차단 상태로 유지하여 제 2 축압기 밸브(4b)의 정수압을 제 2 예비충전 압력(p02)으로 유지한다.
제 1 용적(7a)은 제 1 용적 내에 함유된 가스의 정수압(p1)이 제 2 예비충전 압력(p02)에 도달할 때까지 추가로 가압된다. 이 지점까지, 제 2 축압기 밸브(4b)는 폐쇄 상태로 유지된다. 도달된 지금의 상황이 도 3b에 예시된다. 양 용적들(7a,7b) 내에 함유된 가스는 제 2 예비충전 압력(p02)으로 가압된다. 그러나, 제 1 용적(7a)은 거의 완전히 압축되는 반면에, 제 2 용적(7b)은 여전히 V02 = 10L의 예비충전 용적에 있다.
도 4에서, 도 3a의 p=p01으로부터 도 3b의 p=p02으로의 압축 중에 제 1 용적(7a) 내의 압력(P(VOIL))은 곡선(20)의 제 1 섹션(20a)에 의해 나타나 있다. 단지 제 1 용적(7a)만이 이 단계 중에 충전되기 때문에, 도 4의 곡선(20)의 섹션(20a)에 의해 나타낸 압력의 증가는 동일한 양의 오일에 의해 유발되는 종래의 방법에서 대응하는 압력 증가보다 더 크다. 환언하면, 시스템(1) 내측으로 배출되는 주어진 용적의 비-압축 가능한 유압 유체에 대하여, 종래의 방법의 경우에서보다 본 발명에서 제안된 방법의 경우에서 더 많은 에너지가 축적된다.
이는 본 발명에서 제안된 방법에 따른 도 1의 시스템(1)에서 축적된 에너지(E(VOIL))의 양을 나타내는 곡선(22)이 종래의 방법을 나타내는 곡선(32) 위에 놓여있는 도 6에 추가로 예시된다.
도 3b에서, 제 1 용적(7a) 및/또는 공급 파이프(3) 내의 압력이 제 2 예비충전 압력(p02)에 도달할 때, 제어 유닛(12)은 폐쇄될 것을 제 1 축압기 밸브(4a)에 명령한다. 따라서, 제 1 축압기(2a)는 제 1 축압기(2a) 내의 압축 가스의 압력을 제 2 예비충전 압력(p02)으로 유지하기 위해서 공급 파이프(3)로부터 유동적으로 분리된다. 동시에, 제어 유닛(12)은 개방될 것을 제 2 축압기 밸브(4b)에 명령한다. 따라서, 제 2 축압기(2b)는 공급 파이프(3)에 유동적으로 연결되며 비-압축 가능한 유압 유체는 공급 파이프(3)를 통해서 제 2 축압기(2b)의 제 2 가변 용적(8b)으로 배출된다.
그러나, 공급 파이프(3)로부터 제 1 축압기(2a)의 분리 및 공급 파이프(3)로 제 2 압축기(2b)의 연결은 동시에 발생하지 않는 것이 고려될 수 있다. 예를 들어, 일단 제 2 축압기(2b)가 공급 파이프(3)에 유동적으로 연결되면, 제 1 축압기(2a)는 제 1 용적(7a) 내의 가스가 최대 가능한 압력(
Figure pct00020
)에 도달할 때까지 공급 파이프(3)에 유동적으로 연결된 상태를 유지할 수 있다. 환언하면, 한동안 비-압축 가능한 유압 유체는 병행해서/동시에 두 개의 축압기들(2a,2b) 내측으로 배출될 수 있다. 이는 제 1 축압기(2a)의 충전으로부터 제 2 축압기(2b)의 충전으로의 과도기를 매끄럽게 할 수 있다.
도 4 및 도 5에서, 제 1 축압기(2a)의 충전으로부터 제 2 축압기(2b)의 충전으로의 과도기는 곡선들(20,21)이 매끄럽지 않은 지점으로서 보인다. 도 4 및 도 5에서, 이러한 과도기 지점은 각각 도면 부호 20c, 21c로 표시된다. 도 4에서 과도기 지점(20c)은 곡선(20)을 두 개의 섹션들(20a,20b)로 나눈다. 유사하게, 도 5의 과도기 지점(21c)은 곡선(21)을 두 개의 섹션들(21a,21b)로 나눈다. P(VOIL) 및 E(p)가 각각 도면 부호 20c, 21c에서 증가하는 비율의 급격한 변경은 과도기 지점에서 공급 파이프(3)에 결합되는 가스 용적 내의 변경으로 인한 것이다. 도면 부호 20c 및 21c에서, 제 1 축압기(2a)의 가스 용적(7a)은 거의 완전히 압축되는 반면에, 제 2 축압기(2b)의 가스 용적(7b)은 여전히 그의 예비충전 값(V02)에 있다.
일단 제 2 축압기 밸브(4b)가 개방되면, 비-압축 가능한 유압 유체는 제 2 축압기(2b)의 제 2 가변 용적(8b)으로 배출되며 제 2 축압기(2b)의 제 2 가스 용적(7b)은
Figure pct00021
바 = 920 바의 그의 최대 가능한 값에 도달할 때까지 압축된다. 이 상태 동안에, 제 1 축압기 밸브(4a)는 제 1 가변 공간(8a) 내의 오일의 양 및 제 1 용적(7a) 내의 압력을 일정하게 유지하기 위해서 폐쇄 상태를 유지한다. 축압기들(2a,2b)은 그들의 최대 충전 상태로 도 3c에 예시된다.
도 4 및 도 5는 종래의 방법(각각, 도 4 및 도 5의 곡선들(30,31) 참조)에서 축압기들(13a,13b) 내의 공정 가스가 압축될 수 있는 최대 압력이
Figure pct00022
바로 제한되는 반면에, 본 발명에서 제안된 방법(각각, 도 4 및 도 5의 곡선들(20,21) 참조)에서 접근 가능한 압력의 범위는 최대
Figure pct00023
바의 값으로 확대될 수 있다는 것을 명확하게 도시한다. 결과적으로, 본 발명에서 제안된 방법에 따라서 시스템을 충전할 때 더 많은 더 많은 에너지가 저장될 수 있다. 실제로, 최대 압력 값은 시스템(1)이 연결되는 유압 회로의 최대 압력에 의해 제한될 수 있다. 예를 들어, 자동차의 정수압 변속기에서 최대 작동 압력은 통상적으로 450 바의 범위에 있다.
당업자는 여기서 제안되고 도 3 내지 도 6에서 예시된 충전 방법이 두 개 초과의 축압기들로 확대될 수 있다는 것을 용이하게 이해한다. 이들은 따라서 상이한 예비충전 압력들로 예비-가압되고, 계속해서 전술한 2-축압기 시스템(1)의 충전과 유사하게 충전될 수 있다. 예를 들어, n 개의-축압기 시스템의 각각의 축압기는 예비충전 압력(
Figure pct00024
)까지 예비-가압될 수 있으며, 여기서 j-1은 j번째 축압기 이전의 축압기를 나타낸다.
시스템(1)을 충전하는 방법의 앞선 설명으로부터, 도 3a에 도시된 예비충전 상태에 도달하기 위해서 시스템이 어떻게 배출될 수 있는지에 대해서 당업자에게 즉시 자명해진다. 따라서, 제 1 용적(7a)이 제 1 최대 압력으로 가압되는 공정 가스의 양을 함유할 때 그리고 제 2 용적(7b)이 제 1 최대 압력보다 크거나 적어도 같은 제 2 최대 압력으로 가압되는 공정 가스의 양을 함유할 때 시스템(1)을 배출하기 위한 대응하는 방법은 적어도 다음 단계들:
제 1 용기(5a) 내에 함유된 비-압축 가능한 유압 유체의 양을 일정하게 유지하면서 제 2 용기(5b) 내에 함유된 비-압축 가능한 유압 유체를 제 2 용기(5b)의 밖으로 적어도 부분적으로 변위시키도록 제 2 용적(7b) 내에 함유된 가스를 팽창시키는 단계;
제 2 용적(7b) 내에 함유된 가스의 압력이 제 1 최대 압력으로 떨어졌을 때, 제 1 용기(5a) 내에 함유된 비-압축 가능한 유압 유체를 제 1 용기(5a)의 밖으로 적어도 부분적으로 변위시키기 위해서 제 1 용적(7a) 내에 함유된 가스를 팽창시키는 단계;
제 2 용적(7b) 내에 함유된 가스의 압력이 제 1 최대 압력보다 작거나 같은 제 2 예비-충전 압력으로 떨어졌을 때, 제 2 용적(7b) 내에 함유된 가스의 압력을 제 2 예비-충전 압력에서 유지하기 위해서 제 2 용적(7b) 내에 함유된 가스의 팽창을 멈추는 단계; 및
제 1 용적(7a) 내에 함유된 가스의 압력이 제 2 예비-충전 압력보다 더 작은 제 1 예비-충전 압력으로 떨어졌을 때, 제 1 용적(7a) 내에 함유된 가스의 압력을 제 1 예비-충전 압력에서 유지하기 위해서 제 1 용적(7a) 내에 함유된 가스의 팽창을 멈추는 단계를 포함한다.

Claims (13)

  1. 수압-공기압 에너지 저장 시스템(1)을 충전하는 방법으로서,
    상기 시스템(1)은 제 1 중공형 용기(5a) 및 이 제 1 중공형 용기(5a) 내부에 배치되는, 제 1 양의 가스를 함유하는 제 1 압축 가능한 용적(7a)을 포함하는 제 1 수압-공기압 축압기(2a); 그리고 제 2 중공형 용기(5b) 및 이 제 2 중공형 용기(5b) 내부에 배치되는, 제 2 양의 가스를 함유하는 제 2 압축 가능한 용적(7b)을 포함하는 제 2 수압-공기압 축압기(2b)를 포함하며,
    상기 방법은:
    제 1 용적(7a) 내에 함유된 가스를 제 1 정수압 예비-충전 압력으로 예비-가압하고 제 2 용적(7b) 내에 함유된 가스를 제 1 정수압 예비-충전 압력보다 더 높은 제 2 정수압 예비-충전 압력으로 예비-가압하는 단계;
    제 2 용적(7b) 내에 함유된 가스의 압력을 제 2 예비-충전 압력에서 유지하기 위해서 제 2 용기(5b) 내에 함유된 비-압축 가능한 유압 유체의 양을 일정하게 유지하면서 비-압축 가능한 유압 유체를 제 1 용기(5a) 내측으로 배출함으로써 제 1 용적(7a) 내의 가스를 가압하는 단계; 및
    제 1 용적(7a) 내의 가스의 압력이 제 2 예비-충전 압력에 도달할 때, 비-압축 가능한 유압 유체를 제 2 용기(5b) 내측으로 배출함으로써 제 2 용적(7b) 내의 가스를 가압하는 단계를 포함하는 수압-공기압 에너지 저장 시스템을 충전하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 용적(7a) 내의 가스의 압력이 제 2 예비-충전 압력보다 더 높거나 같은 제 1 최대 압력에 도달할 때, 제 1 용적(7a) 내의 가스의 압력을 제 1 최대 압력에서 유지하기 위해서 제 1 용기(5a) 내에 함유된 비-압축 가능한 유압 유체의 양을 일정하게 유지하는 단계를 더 포함하는 수압-공기압 에너지 저장 시스템을 충전하는 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 용적(7a) 내에 함유된 가스를 제 1 예비-충전 압력으로 예비-가압하는 단계는 제 1 양의 가스를 조절하는 단계를 포함하며, 상기 제 2 용적(7b) 내에 함유된 가스를 제 2 정수압 예비-충전 압력으로 예비-가압하는 단계는 제 2 양의 가스를 조절하는 단계를 포함하는 수압-공기압 에너지 저장 시스템을 충전하는 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 비-압축 가능한 유압 유체는 엔진에 의해서 또는 자동차의 차량 출력에 의해서 구동되는 유압식 변위 유닛을 통해서 제 1 용기(5a)의 내측으로 그리고 제 2 용기(5b)의 내측으로 배출되는 수압-공기압 에너지 저장 시스템을 충전하는 방법.
  5. 수압-공기압 에너지 저장 시스템(1)을 배출하는 방법으로서,
    상기 시스템(1)은 제 1 중공형 용기 및 이 제 1 중공형 용기(5a) 내부에 배치되는, 비-압축 가능한 유압 유체의 양 및 제 1 최대 정수압에서 제 1 양의 가스를 함유하는 제 1 용적(7a)을 포함하는 제 1 수압-공기압 축압기(2a); 그리고 제 2 중공형 용기 및 이 제 2 중공형 용기(5b) 내부에 배치되는, 비-압축 가능한 유압 유체의 양 및 제 1 최대 정수압보다 높거나 같은 제 2 최대 정수압에서 제 2 양의 가스를 함유하는 제 2 용적(7b)을 포함하는 제 2 수압-공기압 축압기(2b)를 포함하며,
    상기 방법은:
    상기 제 1 용기(5a) 내에 함유된 비-압축 가능한 유압 유체의 양을 일정하게 유지하면서 제 2 용기(5b) 내에 함유된 비-압축 가능한 유압 유체를 제 2 용기(5b)의 밖으로 적어도 부분적으로 변위시키도록 제 2 용적(7b) 내에 함유된 가스를 팽창시키는 단계;
    상기 제 2 용적(7b) 내에 함유된 가스의 압력이 제 1 최대 압력으로 떨어졌을 때, 상기 제 1 용기(5a) 내에 함유된 비-압축 가능한 유압 유체를 제 1 용기(5a)의 밖으로 적어도 부분적으로 변위시키기 위해서 제 1 용적(7a) 내에 함유된 가스를 팽창시키는 단계;
    상기 제 2 용적(7b) 내에 함유된 가스의 압력이 제 1 최대 압력보다 작거나 같은 제 2 예비-충전 압력으로 떨어졌을 때, 상기 제 2 용적(7b) 내에 함유된 가스의 압력을 제 2 예비-충전 압력에서 유지하기 위해서 제 2 용적(7b) 내에 함유된 가스의 팽창을 멈추는 단계; 및
    상기 제 1 용적(7a) 내에 함유된 가스의 압력이 제 2 예비-충전 압력보다 더 작은 제 1 예비-충전 압력으로 떨어졌을 때, 상기 제 1 용적(7a) 내에 함유된 가스의 압력을 제 1 예비-충전 압력에서 유지하기 위해서 제 1 용적(7a) 내에 함유된 가스의 팽창을 멈추는 단계를 포함하는 수압-공기압 에너지 저장 시스템을 배출하는 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 용기(5a)의 밖으로 그리고 제 2 용기(5b)의 밖으로 변위되는 비-압축 가능한 유압 유체는 엔진에 또는 자동차의 차량 출력에 구동 결합되는(drivingly engaged) 유압식 변위 유닛을 구동시키는 수압-공기압 에너지 저장 시스템을 배출하는 방법.
  7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
    (pmax,1 -p02)/(p02-p01)≤0.2, 바람직하게 (pmax,1 -p02)/(p02-p01)≤0.1이며, 여기서 p01은 제 1 예비-충전 압력이며, p02는 제 2 예비-충전 압력이며 pmax,1은 제 1 최대 압력인 수압-공기압 에너지 저장 시스템을 배출하는 방법.
  8. 제 5 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 예비-충전 압력은 적어도 10 바(bar), 바람직하게 적어도 30 바, 더 바람직하게 적어도 50바인 수압-공기압 에너지 저장 시스템을 배출하는 방법.
  9. 제 5 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 예비-충전 압력은 제 1 예비-충전 압력의 적어도 두 배, 바람직하게 제 1 예비-충전 압력의 적어도 세 배, 더 바람직하게 제 1 예비-충전 압력의 적어도 3.5배인 수압-공기압 에너지 저장 시스템을 배출하는 방법.
  10. 수압-공기압 에너지 저장 시스템(1)으로서,
    제 1 중공형 용기 및 이 제 1 중공형 용기(5a) 내부에 배치되는, 제 1 양의 가스를 함유하는 제 1 압축 가능한 용적을 포함하는 제 1 수압-공기압 축압기(2a);
    제 2 중공형 용기 및 이 제 2 중공형 용기(5b) 내부에 배치되는, 제 2 양의 가스를 함유하는 제 2 압축 가능한 용적을 포함하는 제 2 수압-공기압 축압기(2b);
    공급 파이프(3);
    상기 축압기들을 공급 파이프(3)에 선택적으로 유동적으로 연결하는 적어도 하나의 제어 밸브(4a,4b);
    상기 공급 파이프(3) 내의 및/또는 상기 축압기들(2a,2b) 내의 정수압을 측정하기 위한 적어도 하나의 압력 센서(9a,9b); 및
    충전 모드와 배출 모드를 가지는 적어도 하나의 제어 밸브(4a,4b)를 제어하기 위한 제어 유닛(12)을 포함하며;
    상기 제어 유닛(12)이 충전 모드일 때, 이 제어 유닛(12)은 제 1 항, 제 2 항, 제 4 항, 제 7 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항의 방법 단계들을 수행하기 위해서 축압기들을 공급 파이프에 선택적으로 유동적으로 연결하고 축압기들을 공급 파이프로부터 선택적으로 유동적으로 분리하도록 구성되며;
    상기 제어 유닛(12)이 배출 모드일 때, 이 제어 유닛(12)은 제 5 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항의 방법 단계들을 수행하기 위해서 축압기들을 공급 파이프에 선택적으로 유동적으로 연결하고 축압기들을 공급 파이프로부터 선택적으로 유동적으로 분리하도록 구성되는 수압-공기압 에너지 저장 시스템(1).
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 공급 파이프(3)를 통해서 축압기들(2a,2b)과 유체 연통되는 유압식 변위 유닛을 더 포함하며, 상기 유압식 변위 유닛은 자동차의 엔진, 자동차의 차량 출력 및 유압식 기구 중의 적어도 하나에 구동 결합되거나 선택적으로 구동 결합되는 수압-공기압 에너지 저장 시스템(1).
  12. 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,
    상기 제 1 용적(7a)에 그리고 제 2 용적(7b)에 유체 연통되는 압축기(10)를 더 포함하며, 상기 압축기는 제 1 양의 가스를 조절함으로써 제 1 용적(7a) 내에 함유된 가스를 제 1 예비-충전 압력으로 예비-가압하도록 구성되며, 상기 압축기(10)는 제 2 양의 가스를 조절함으로써 제 2 용적(7b) 내에 함유된 가스를 제 2 예비-충전 압력으로 예비-가압하도록 구성되는 수압-공기압 에너지 저장 시스템(1).
  13. 제 10 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 용적(7a) 및/또는 제 2 용적(7b)은 폐쇄형 블래더(bladder), 탄성 다이어프램(diaphragm) 및 부동식 피스톤 중 하나에 의해 형성되는 수압-공기압 에너지 저장 시스템(1).
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