KR20190016031A - 차량용 직렬 유압 하이브리드 시스템 및 차량용 직렬 유압 하이브리드 시스템을 동작시키는 방법 - Google Patents

차량용 직렬 유압 하이브리드 시스템 및 차량용 직렬 유압 하이브리드 시스템을 동작시키는 방법 Download PDF

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KR1020187036023A
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율리오 올넬라
카를로스 막시밀리아노 조르조 보르
다비드 모저
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다나 이탈리아 에스.알.엘
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Abstract

본 발명은 차량용 직렬 유압 하이브리드 시스템(1)에 관한 것이며, 그 시스템은, 제2 유압 변위 유닛(7)과 유체 연통하는 제1 유압 변위 유닛(6)을 포함하는 유압 회로(2), 유압 엑추에이터(4), 및 유압 어큐뮬레이터 어셈블리(5)를 포함하며, 여기서, 유압 어큐뮬레이터 어셈블리(5)는 적어도 하나의 제어가능한 회로 밸브(12a, 12b, 13a, 13b)에 의해 유압 회로(2)와 선택적으로 유체 연통하고, 그리고 유압 어큐뮬레이터 어셈블리(5)는 적어도 하나의 제어가능한 엑추에이터 밸브(17a, 17b)에 의해 유압 엑추에이터(4)와 선택적으로 유체 연통하여, 유압 어큐뮬레이터 어셈블리(5)가 적어도 하나의 회로 밸브(12a, 12b, 13a, 13b)의 제어 위치와 독립적으로 적어도 하나의 엑추에이터 밸브(17a, 17b)에 의해 유압 엑추에이터(4)와 선택적으로 유체 연결되고 유압 엑추에이터(4)로부터 선택적으로 유체 연결해제되도록 구성된다. 본 발명은 또한 시스템(1)을 동작시키는 방법에 관한 것이다.

Description

차량용 직렬 유압 하이브리드 시스템 및 차량용 직렬 유압 하이브리드 시스템을 동작시키는 방법{SERIES HYDRAULIC HYBRID SYSTEM FOR A VEHICLE AND METHOD OF OPERATING A SERIES HYDRAULIC HYBRID SYSTEM FOR A VEHICLE}
본 발명은 차량용 직렬 유압 하이브리드 시스템 및 차량용 직렬 유압 하이브리드 시스템을 동작시키는 방법에 관한 것이다.
유압 에너지를 저장하고, 차량을 추진시키기 위해 정수압 회로(hydrostatic circuit) 내의 유압 어큐뮬레이터 어셈블리에 저장된 유압 에너지를 선택적으로 분사하기 위한 유압 어큐뮬레이터 어셈블리를 포함하는 차량용 직렬 유압 하이브리드 시스템들이 일반적으로 종래 기술로부터 알려져 있다.
WO2015144349A1호는 정수압 회로, 유압 어큐뮬레이터 어셈블리, 및 정수압 펌프의 유압 변위를 제어하기 위한 유압 엑추에이터를 포함하는 유압 하이브리드 드라이브라인을 개시한다. 복수의 셔틀 밸브들은 정수압 회로의 유압 압력 및 유압 어큐뮬레이터 어셈블리의 유압 압력에 의존하여 유압 엑추에이터를 정수압 회로 또는 어큐뮬레이터 어셈블리와 유체 연결하도록 구성된다.
종래 기술에 기초하여, 본 발명의 기반이 되는 기술적인 문제점은 유압 회로 및 유압 엑추에이터를 포함하는 차량용 직렬 유압 하이브리드 시스템을 설계하는 것에 있으며, 여기서, 시스템은, 바람직하게는 높은 효율로 그리고 바람직하게는 많은 수의 상이한 동작 조건들 하에서 유압 회로 및 유압 엑추에이터 둘 모두에 에너지를 공급하도록 구성된다.
이러한 목적은 청구항 제1항에 따른 직렬 유압 하이브리드 시스템 및 상기 시스템을 동작시키는 방법에 의해 해결된다. 특수한 실시예들은 종속 청구항들에서 설명된다.
따라서, 차량용 직렬 유압 하이브리드 시스템이 제안되며, 그 차량용 직렬 유압 하이브리드 시스템은:
제2 유압 변위 유닛과 유체 연통하는 제1 유압 변위 유닛을 포함하는 유압 회로,
유압 엑추에이터, 및
유압 어큐뮬레이터(accumulator) 어셈블리를 포함하며,
유압 어큐뮬레이터 어셈블리는 적어도 하나의 제어가능한 회로 밸브에 의해 유압 회로와 선택적으로 유체 연통하고,
유압 어큐뮬레이터 어셈블리는 적어도 하나의 제어가능한 엑추에이터 밸브에 의해 유압 엑추에이터와 선택적으로 유체 연통하여, 유압 어큐뮬레이터 어셈블리가 적어도 하나의 회로 밸브의 제어 위치와 독립적으로 적어도 하나의 엑추에이터 밸브에 의해 유압 엑추에이터와 선택적으로 유체 연결되고 유압 엑추에이터로부터 선택적으로 유체 연결해제되도록 구성된다.
예를 들어, 시스템은 유압 어큐뮬레이터 어셈블리를 유압 회로와 선택적으로 유체 연결하는 제1 유체 연결부 및 유압 어큐뮬레이터 어셈블리를 유압 엑추에이터와 선택적으로 유체 연결하는 제2 유체 연결부를 포함할 수 있으며, 여기서, 제1 유체 연결부는 적어도 하나의 회로 밸브를 포함하고, 제2 유체 연결부는 적어도 하나의 엑추에이터 밸브를 포함한다. 제1 유체 연결부 및 제2 유체 연결부는 유압 어큐뮬레이터 어셈블리에 대해 병렬로 배열될 수 있는데, 즉 제1 유체 연결부는 적어도 하나의 엑추에이터 밸브를 포함하지 않고, 제2 유체 연결부는 적어도 하나의 회로 밸브를 포함하지 않는다.
제안된 시스템은 유압 어큐뮬레이터 어셈블리에 저장된 에너지를 유압 회로 또는 정수압 회로 및 유압 엑추에이터에 높은 효율 및 유연성으로 제공하는 것을 허용한다.
제1 유압 변위 유닛은 정수압 축방향 피스톤 펌프와 같은 유압 펌프를 포함할 수 있다. 제1 유압 변위 유닛은 가변적인 유압 변위를 가질 수 있다. 제1 유압 변위 유닛은 차량의 엔진과 구동가능하게 맞물리거나(engaged) 또는 선택적으로 구동가능하게 맞물릴 수 있다. 엔진은, 예를 들어 내연 기관(ICE) 또는 전기 엔진을 포함할 수 있다. 제2 유압 변위 유닛은 정수압 축방향 피스톤 모터와 같은 유압 모터를 포함할 수 있다. 제2 유압 변위 유닛은 직렬 유압 하이브리드 시스템의 차량 출력부와 구동가능하게 맞물리거나 또는 선택적으로 구동가능하게 맞물릴 수 있다. 차량 출력부는, 예를 들어, 구동샤프트, 최종 구동부, 차량 액슬(axle) 및 지면 맞물림 구조, 특히 하나 이상의 휠들 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
유압 엑추에이터는 적어도 하나의 유압 실린더 및/또는 적어도 하나의 유압 모터를 포함할 수 있다.
유압 어큐뮬레이터 어셈블리는 적어도 하나의 유공압(hydropneumatic) 어큐뮬레이터를 포함할 수 있다. 예를 들어, 어큐뮬레이터 또는 어큐뮬레이터들은 압축 가스 어큐뮬레이터들로서 구성될 수 있다. 어큐뮬레이터는 오일과 같은 유압 유체로 어큐뮬레이터를 채우거나 또는 부분적으로 채움으로써 가압되어, 그에 의해, 어큐뮬레이터에 포함된 가스의 양을 압축할 수 있다. 가스는 질소와 같은 비활성 가스일 수 있다. 유사하게, 어큐뮬레이터는 어큐뮬레이터에 포함된 압축 가스를 팽창하게 함으로써 감압(de-pressurize)하여, 그에 의해 어큐뮬레이터에 포함된 유압 유체를 어큐뮬레이터 밖으로 밀어내고 유체 유동을 생성할 수 있다. 어큐뮬레이터들 또는 어큐뮬레이터들 중 적어도 일부는, 예를 들어, 적어도 200 bar 또는 적어도 400 bar의 최대 동작 압력까지의 정수압 압력들에서 동작하도록 구성될 수 있다.
적어도 하나의 회로 밸브는 전자기력들 또는 유압력들을 통해, 예를 들어 밸브에 인가된 파일럿 압력을 통해 제어가능할 수 있다.
유압 어큐뮬레이터 어셈블리는 그러한 방식으로 유압 회로 및 유압 엑추에이터와 선택적으로 유체 연통할 수 있으며, 적어도 하나의 회로 밸브 및 적어도 하나의 엑추에이터 밸브는, 시스템이 적어도 3개의 구성들 사이에서 선택적으로 스위칭될 수 있는 그러한 방식으로 제어가능할 수 있다. 일 구성에서, 유압 어큐뮬레이터 어셈블리는 유압 엑추에이터와 유체 연결되고 유압 회로로부터 유체 연결해제된다. 다른 구성에서, 유압 어큐뮬레이터 어셈블리는 유압 회로와 유체 연결되고 유압 엑추에이터로부터 유체 연결해제된다. 다른 구성에서, 유압 어큐뮬레이터 어셈블리는 유압 회로 및 유압 엑추에이터로부터 유체 연결해제된다. 이러한 방식으로, 유압 어큐뮬레이터 어셈블리는 유압 회로 및/또는 유압 엑추에이터에 전력공급하거나 또는 부가적으로 전력공급하기 위해 특히 유연하게 사용될 수 있다. 유압 어큐뮬레이터 어셈블리가 유압 회로 및 유압 엑추에이터 둘 모두와 유체 연결되는 또 다른 구성으로 시스템이 스위칭될 수 있다는 것이 가능하다.
적어도 하나의 엑추에이터 밸브, 바람직하게는 적어도 하나의 엑추에이터 밸브 및 적어도 하나의 회로 밸브 둘 모두는, 특히 유압 회로 및 유압 어큐뮬레이터 어셈블리 내의 유압 압력과 독립적으로 외부에서 제어되도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 시스템은 적어도 하나의 엑추에이터 밸브 및/또는 적어도 하나의 회로 밸브를 제어하기위한 제어 유닛을 포함할 수 있다. 제어 유닛은 통상적으로 전자 회로, 예컨대, 적어도 하나의 마이크로프로세서 또는 적어도 하나의 FPGA를 포함한다. 제어 유닛은, 예를 들어 제어 유닛으로부터 적어도 하나의 엑추에이터 밸브 및/또는 적어도 하나의 회로 밸브에 전송되는 전자기 신호들을 통해 적어도 하나의 엑추에이터 밸브 및/또는 적어도 하나의 회로 밸브를 독립적으로 제어하도록 구성될 수 있다. 적어도 하나의 엑추에이터 밸브 및/또는 적어도 하나의 회로 밸브가 유압 제어 회로를 통해 제어가능한 경우, 이러한 유압 제어 회로는 바람직하게, 제1 및 제2 유압 변위 유닛을 포함하는 유압 회로 및 유압 어큐뮬레이터 어셈블리로부터 유체 격리된다.
유압 어큐뮬레이터 어셈블리는 고압 유압 어큐뮬레이터 및 저압 유압 어큐뮬레이터를 포함할 수 있다. 적어도 하나의 회로 밸브는 고압 유압 어큐뮬레이터 및 저압 유압 어큐뮬레이터 중 적어도 하나를 유압 회로와 선택적으로 유체 연결하도록 구성될 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 적어도 하나의 엑추에이터 밸브는 고압 유압 어큐뮬레이터 및 저압 유압 어큐뮬레이터 중 적어도 하나를 유압 엑추에이터와 선택적으로 유체 연결하도록 구성될 수 있다. 저압 유압 어큐뮬레이터가 저압 유체 저장소, 예를 들어, 대기압의 유체 저장소로서 구성(또는 그와 교체)된다는 것이 가능하다. 그러나, 통상적으로 저압 유압 어큐뮬레이터는 적어도 3 bar, 적어도 5 bar 또는 적어도 10 bar의 최소 유압 압력을 갖는 유공압 어큐뮬레이터로서 구성된다.
제어 유닛은 고압 유압 어큐뮬레이터를 유압 회로와 선택적으로 유체 연결하고 저압 유압 어큐뮬레이터를 유압 회로와 선택적으로 유체 연결하기 위해 적어도 하나의 회로 밸브를 제어하도록 구성될 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 제어 유닛은 고압 유압 어큐뮬레이터를 유압 엑추에이터와 선택적으로 유체 연결하고 저압 유압 어큐뮬레이터를 유압 엑추에이터와 선택적으로 유체 연결하기 위해 적어도 하나의 엑추에이터 밸브를 제어하도록 구성될 수 있다.
유압 회로는, 제1 유압 변위 유닛의 제1 유체 포트를 제2 유압 변위 유닛의 제1 유체 포트와 유체 연결하거나 또는 선택적으로 유체 연결하는 제1 메인 유체 라인, 및 제1 유압 변위 유닛의 제2 유체 포트를 제2 유압 변위 유닛의 제2 유체 포트와 유체 연결하거나 또는 선택적으로 유체 연결하는 제2 메인 유체 라인을 포함할 수 있다. 이어서, 적어도 하나의 회로 밸브는, 선택적으로,
유압 회로로부터 유압 어큐뮬레이터들을 유체 연결해제하고,
고압 유압 어큐뮬레이터를 제1 메인 유체 라인 및 제2 메인 유체 라인 중 적어도 하나와 유체 연결하며, 그리고
저압 유압 어큐뮬레이터를 제1 메인 유체 라인 및 제2 메인 유체 라인 중 적어도 하나와 유체 연결하도록
구성될 수 있다.
예를 들어, 제어 유닛은, 선택적으로,
유압 회로로부터 유압 어큐뮬레이터들을 유체 연결해제하고;
제2 메인 유체 라인으로부터 고압 유압 어큐뮬레이터를 유체 연결해제하고 제1 메인 유체 라인으로부터 저압 유압 어큐뮬레이터를 유체 연결해제하면서, 고압 유압 어큐뮬레이터를 제1 메인 유체 라인과 유체 연결하고 저압 유압 어큐뮬레이터를 제2 메인 유체 라인과 유체 연결하며; 그리고
제2 메인 유체 라인으로부터 저압 유압 어큐뮬레이터를 유체 연결해제하고 제1 메인 유체 라인으로부터 고압 유압 어큐뮬레이터를 유체 연결해제하면서, 저압 유압 어큐뮬레이터를 제1 메인 유체 라인과 유체 연결하고 고압 유압 어큐뮬레이터를 제2 메인 유체 라인과 유체 연결하기 위해
적어도 하나의 회로 밸브를 제어하도록 구성될 수 있다.
직렬 유압 하이브리드 시스템은 유압 어큐뮬레이터 어셈블리에서 어큐뮬레이터 압력을 측정하도록 구성된 적어도 하나의 어큐뮬레이터 압력 센서를 포함할 수 있다. 어큐뮬레이터 압력 센서는 측정 데이터를 제어 유닛에 전송하기 위해 제어 유닛과 통신할 수 있다.
유압 엑추에이터는 제1 유체 포트 및 제2 유체 포트를 포함할 수 있다. 유압 엑추에이터는 유압 엑추에이터의 제1 유체 포트를 통해 고압 유압 어큐뮬레이터와 유체 연결되거나 또는 선택적으로 유체 연결될 수 있고, 유압 엑추에이터는 유압 엑추에이터의 제2 유체 포트를 통해 저압 유압 어큐뮬레이터와 유체 연결되거나 또는 선택적으로 유체 연결될 수 있다. 즉, 유압 엑추에이터는 그러한 방식으로 구성될 수 있으며, 예를 들어, 피스톤 또는 샤프트와 같은 유압 엑추에이터의 이동가능한 부재를 이동시킴으로써 고압 유압 어큐뮬레이터 및 저압 유압 어큐뮬레이터가 유압 엑추에이터를 가동시킬 때, 유체는 고압 유압 어큐뮬레이터로부터 유압 엑추에이터로 변위되고, 동시에 유체가 유압 엑추에이터로부터 저압 유압 어큐뮬레이터로 변위되는 그러한 방식으로 고압 유압 어큐뮬레이터 및 저압 유압 어큐뮬레이터와 유체 연통하거나 또는 선택적으로 유체 연통할 수 있다.
예를 들어, 제어 유닛은, 고압 유압 어큐뮬레이터를 유압 엑추에이터의 제1 유체 포트와 선택적으로 유체 연결하고 저압 유압 어큐뮬레이터를 유압 엑추에이터의 제2 유체 포트와 선택적으로 유체 연결하기 위해 적어도 하나의 엑추에이터 밸브를 제어하도록 구성될 수 있다.
직렬 유압 하이브리드 시스템은 차량을 조향시키기 위한 조향 배열(steering arrangement)을 포함할 수 있으며, 여기서, 유압 엑추에이터는 조향 배열을 선택적으로 가동시키기 위해 조향 배열과 구동가능하게 맞물린다. 예를 들어, 유압 엑추에이터는 하나 또는 그 초과의 조향 실린더들을 포함할 수 있다. 통상적으로, 조향 배열은 하나 또는 그 초과의 차량 휠들에 연결된 하나 또는 그 초과의 샤프트들 및 하나 또는 그 초과의 접합부들을 포함한다.
직렬 유압 하이브리드 시스템은 유압 엑추에이터를 선택적으로 가압하기 위해 유압 엑추에이터와 유체 연결되거나 또는 선택적으로 유체 연결된 유압 작동 펌프를 더 포함할 수 있다. 유압 작동 펌프는 체크 밸브에 의해 유압 엑추에이터와 유체 연통할 수 있으며, 여기서, 체크 밸브는, 유압 작동 펌프로부터 유압 엑추에이터로의 유체의 유동을 허용하고 유압 어큐뮬레이터 어셈블리로부터 그리고/또는 유압 엑추에이터로부터 유압 작동 펌프로의 유체의 유동을 방지하여, 유압 작동 펌프가 특히 고압 유압 어큐뮬레이터에서 높은 유압 압력들로부터 보호될 수 있도록 구성된다. 유압 작동 펌프는 엔진과 구동가능하게 맞물리거나 또는 선택적으로 구동가능하게 맞물릴 수 있다. 또한, 유압 작동 펌프는 유체 저장소, 예를 들어, 대기압의 유체 저장소와 유체 연통할 수 있다.
직렬 유압 하이브리드 시스템은 제어 유닛, 예를 들어, 위에서-설명된 제어 유닛을 포함할 수 있으며, 여기서, 제어 유닛은 유압 어큐뮬레이터 어셈블리 내의 어큐뮬레이터 압력을 미리 결정된 최소 엑추에이터 압력과 비교하도록 구성된다. 제어 유닛은, 어큐뮬레이터 압력이 최소 엑추에이터 압력을 초과하면 또는 그 때 또는 그 경우, 유압 어큐뮬레이터 어셈블리를 유압 엑추에이터와 선택적으로 유체 연결하기 위해 적어도 하나의 엑추에이터 밸브를 제어하도록 추가로 구성될 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 제어 유닛은, 어큐뮬레이터 압력이 최소 엑추에이터 압력 미만으로 떨어지면 또는 그 때 또는 그 경우, 유압 엑추에이터로부터 유압 어큐뮬레이터 어셈블리를 선택적으로 유체 연결해제하기 위해 적어도 하나의 엑추에이터 밸브를 제어하도록 구성될 수 있다. 최소 엑추에이터 압력은 유압 엑추에이터를 가동시키는 데 요구되는 최소 유압 압력일 수 있다. 예를 들어, 유압 엑추에이터가 조향 배열과 구동가능하게 맞물리면, 최소 엑추에이터 압력은 차량 휠들을 조향하기 위해, 즉 차량 섀시(chassis)에 대해 휠들의 배향을 변경시키기 위해 유압 엑추에이터에 인가될 필요가 있는 최소 유압 압력일 수 있다.
유압 작동 펌프는 가변적인 유압 변위를 가질 수 있다. 예를 들어, 유압 작동 펌프는 이동가능한 사판(swashplate) 또는 구부러진 축 설계를 가질 수 있다. 유압 작동 펌프에 의해 소비되는 에너지의 양을 감소시키기 위해, 제어 유닛은, 유압 어큐뮬레이터 어셈블리가 유압 엑추에이터와 유체 연결될 경우 유압 작동 펌프의 유압 변위를 감소시키도록 추가로 구성될 수 있다.
유압 어큐뮬레이터 어셈블리의 유압 엑추에이터로의 매끄러운 연결/유압 어큐뮬레이터 어셈블리의 유압 엑추에이터로부터의 매끄러운 연결해제를 보장하기 위해, 제어 유닛은, 특히 유압 작동 펌프의 유압 변위 및/또는 유압 작동 펌프의 회전 속도에서 적어도 하나의 엑추에이터 밸브 및 유압 작동 펌프를 제어하여, 제어 유닛이 유압 어큐뮬레이터 어셈블리를 유압 엑추에이터와 유체 연결하거나/유압 어큐뮬레이터 어셈블리를 유압 엑추에이터로부터 유체 연결해제할 경우, 유압 어큐뮬레이터 어셈블리 및/또는 유압 작동 펌프로부터 유압 엑추에이터를 향해 유동하는 유체의 유량(flow of fluid) 및/또는 유압 엑추에이터에 작용하는 엑추에이터 압력이 일정하게 유지되도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 유압 엑추에이터가 차량을 조향하기 위해 조향 배열과 구동가능하게 맞물리는 조향 실린더로서 구성되면, 유압 어큐뮬레이터 어셈블리의 유압 엑추에이터로의 매끄러운 연결/유압 어큐뮬레이터 어셈블리의 유압 엑추에이터로부터의 매끄러운 연결해제는 조향 조작 동안 높은 수준의 제어가능성 및 안전을 보장한다.
직렬 유압 하이브리드 시스템은 유압 엑추에이터에 가해지는 엑추에이터 압력을 측정하기 위한 엑추에이터 압력 센서 및/또는 유압 어큐뮬레이터 어셈블리와 유압 엑추에이터 사이의 유체의 유량을 측정하기 위한 적어도 하나의 유량 센서를 더 포함할 수 있다. 엑추에이터 압력 센서 및/또는 적어도 하나의 유량 센서는 측정 데이터를 제어 유닛에 전송하기 위해 제어 유닛과 통신할 수 있다. 예를 들어, 제1 유량 센서는 고압 유압 어큐뮬레이터로부터 유압 엑추에이터, 특히 유압 엑추에이터의 제1 유체 포트로 유동하는 유체의 유량을 측정하도록 구성될 수 있다. 유사하게, 제2 유량 센서는 유압 엑추에이터, 특히 유압 엑추에이터의 제2 유체 포트로부터 저압 유압 어큐뮬레이터로 유동하는 유체의 유량을 측정하도록 구성될 수 있다.
제어 유닛은, 어큐뮬레이터 압력, 엑추에이터 압력, 및 유압 엑추에이터와 유압 어큐뮬레이터 어셈블리 사이의 유체 유동 중 적어도 하나에 기초하여, 적어도 하나의 엑추에이터 밸브 및 유압 작동 펌프, 특히 유압 작동 펌프의 유압 변위 및/또는 유압 작동 펌프의 회전 속도를 제어하도록 구성될 수 있다.
또한, 위에서-설명된 직렬 유압 하이브리드 시스템을 동작시키는 방법이 현재 제안되어 있으며, 그 방법은:
유압 어큐뮬레이터 어셈블리 내의 어큐뮬레이터 압력을 미리 결정된 최소 엑추에이터 압력과 비교하는 단계, 및
어큐뮬레이터 압력이 최소 엑추에이터 압력을 초과하고, 사용자가 유압 엑추에이터의 이동을 요구하고 있다면, 유압 엑추에이터를 가압하기 위해 유압 어큐뮬레이터 어셈블리를 유압 엑추에이터와 유체 연결하도록 적어도 하나의 엑추에이터 밸브를 제어하는 단계를 포함한다.
유압 엑추에이터가 차량의 조향 배열과 구동가능하게 맞물리는 조향 실린더를 포함하는 경우, 유압 엑추에이터를 가압하는 단계는 차량을 조향하는 단계, 특히 차량 섀시에 대해 하나 또는 그 초과의 차량 휠들의 배향을 변경시키는 단계를 포함할 수 있다.
방법은, 유압 어큐뮬레이터 어셈블리가 유압 엑추에이터와 유체 연결될 때 또는 그 경우, 유압 엑추에이터를 가압하기 위해 유압 엑추에이터와 유체 연통하는 유압 작동 펌프의 펌프 레이트를 감소시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 유압 작동 펌프의 펌프 레이트는, 예를 들어 초당 리터 단위로 측정될 수 있다. 유압 작동 펌프의 펌프 레이트를 감소시키는 단계는 유압 작동 펌프의 유압 변위를 감소시키는 단계를 포함할 수 있다.
방법은, 유압 엑추에이터와 유체 연통하는 적어도 하나의 엑추에이터 밸브 및/또는 유압 작동 펌프, 특히 유압 작동 펌프의 유압 변위 및/또는 유압 작동의 회전 속도를 제어하여, 유압 어큐뮬레이터 어셈블리가 유압 엑추에이터와 유체 연결되고 그리고/또는 유압 엑추에이터로부터 유체 연결해제될 경우, 유압 어큐뮬레이터 어셈블리 및/또는 유압 작동 펌프로부터 유압 엑추에이터를 향해 유동하는 유체의 유량 및/또는 유압 엑추에이터에 작용하는 엑추에이터 압력이 일정하게 유지되게 하는 단계를 더 포함할 수 있다.
적어도 하나의 엑추에이터 밸브 및/또는 유압 작동 펌프는, 유압 어큐뮬레이터 어셈블리 내의 어큐뮬레이터 압력, 유압 엑추에이터에 작용하는 엑추에이터 압력, 및 유압 어큐뮬레이터 어셈블리와 유압 엑추에이터 사이의 유체의 유동, 특히 특히 고압 유압 어큐뮬레이터로부터 유압 엑추에이터로의 유체의 유동 및/또는 유압 엑추에이터로부터 저압 유압 엑추에이터로의 유체의 유동 중 적어도 하나 또는 그들 모두에 기초하여 제어될 수 있다.
현재 제안된 직렬 유압 시스템 및 동작 방법의 일 실시 예가 다음의 상세한 설명에서 설명되고 첨부 도면에 도시된다.
도 1은 직렬 유압 하이브리드 시스템의 일 실시예를 도시한다.
도 1은 직렬 유압 하이브리드 시스템(1)의 일 실시예를 도시한다. 시스템(1)은 휠 로더(wheel loader), 광산 차량(mining vehicle) 또는 트랙터와 같은 오프-하이웨이 차량에 배열될 수 있다. 시스템(1)은 유압 또는 정수압 회로(2), 유압 엑추에이터(4), 고압 유압 어큐뮬레이터(5a) 및 저압 유압 어큐뮬레이터(5b)를 포함하는 유압 어큐뮬레이터 어셈블리(5), 및 제어 유닛(16)을 포함한다.
유압 회로(2)는 제1 메인 유체 라인(8) 및 제2 메인 유체 라인(9)을 통해 제2 유압 변위 유닛(7)과 유체 연통하는 제1 유압 변위 유닛(6)을 포함한다. 제1 유압 변위 유닛(6)은 축방향 피스톤 펌프 또는 반경방향 피스톤 펌프와 같은 유압 펌프를 포함한다. 제1 유압 변위 유닛(6)은 가변적인 유압 변위를 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 유압 변위 유닛(6)은 이동가능한 사판을 포함할 수 있다. 제2 유압 변위 유닛(7)은 축방향 피스톤 모터 또는 반경방향 피스톤 모터와 같은 유압 모터를 포함한다. 제2 유압 변위 유닛(7)은 가변적인 유압 변위를 가질 수 있다. 예를 들어, 제2 유압 변위 유닛(7)은 이동가능한 사판을 포함할 수 있다. 제1 유압 변위 유닛(6)은 내연 기관(ICE) 또는 전기 엔진과 같은 엔진(10)과 구동가능하게 맞물리거나 또는 선택적으로 구동가능하게 맞물린다. 제2 유압 변위 유닛(7)은 차량 출력부(도시되지 않음)와 구동가능하게 맞물리거나 또는 선택적으로 구동가능하게 맞물린다. 차량 출력부는, 예를 들어, 구동 샤프트, 최종 구동부, 차량 액슬, 및 하나 또는 그 초과의 휠들을 포함할 수 있다.
제1 메인 유체 라인(8)은 제1 유압 변위 유닛(6)의 제1 유체 포트(6a)를 제2 유압 변위 유닛(7)의 제1 유체 포트(7a)와 선택적으로 유체 연결한다. 제2 메인 유체 라인(9)은 제1 유압 변위 유닛(6)의 제2 유체 포트(6b)를 제2 유압 변위 유닛(7)의 제2 유체 포트(7b)와 선택적으로 유체 연결한다. 엔진(10)은 정수압 트랜스미션들의 분야에서 잘 알려진 바와 같이, 제1 유압 변위 유닛(6)을 구동시키고 제1 유압 변위 유닛(6)으로부터 유압 회로(2)를 통해 제2 유압 변위 유닛(7)으로 에너지를 전달함으로써 제2 유압 변위 유닛(7)을 구동시킬 수 있다. 통상적으로, 변위 유닛들(6, 7) 및 유체 라인들(8, 9)을 포함하는 유압 또는 정수압 회로(2)는 폐쇄된 유압 회로로서 구성된다. 예를 들어, 유압 회로(2) 내의 최소 유압 압력은 적어도 5 bar 또는 적어도 10 bar일 수 있다. 그러나, 대기압에 있을 수 있는 저압 유체 저장소로 저압 유압 어큐뮬레이터(5b)를 대체하는 것이 유사하게 가능하다.
유압 어큐뮬레이터 어셈블리(5)는 회로 밸브들(12a, 12b, 13a, 13b) 및 유체 라인들(11a, 11b, 14a, 14b, 15a, 15b)을 통해 유압 회로(2)와 선택적으로 유체 연결된다. 여기서, 회로 밸브들(12a, 12b, 13a, 13b)은 개방 위치와 폐쇄 위치 사이에서 스위칭될 수 있는 2/2-웨이(2/2-way) 셧 오프(shut off) 밸브들로서 구성된다. 고압 유압 어큐뮬레이터(5a)는 유체 라인(11a), 회로 밸브(12a) 및 유체 라인(14a)을 통해 유체 라인(8)과 선택적으로 유체 연통한다. 고압 유압 어큐뮬레이터(5a)는 유체 라인(11a), 회로 밸브(13a) 및 유체 라인(15a)을 통해 유체 라인(9)과 선택적으로 유체 연통한다. 저압 유압 어큐뮬레이터(5b)는 유체 라인(11b), 회로 밸브(13b) 및 유체 라인(15b)을 통해 유체 라인(9)과 선택적으로 유체 연통한다. 저압 유압 어큐뮬레이터(5b)는 유체 라인(11b), 회로 밸브(12b) 및 유체 라인(14b)을 통해 유체 라인(8)과 선택적으로 유체 연통한다. 회로 밸브들(12a, 12b, 13a, 13b)이 유압 어큐뮬레이터들(5a, 5b)을 유압 회로(2)의 유체 라인들(8, 9)에 선택적으로 유체 연결하도록 구성된 밸브들의 다른 조합들을 포함할 수 있다는 것이 이해된다.
제어 유닛(16)은 통상적으로 전기 회로를 포함한다. 예를 들어, 제어 유닛(16)은 마이크로프로세서 또는 FPGA를 포함할 수 있다. 제어 유닛(16)은, 예를 들어 전자기 신호들을 통해 회로 밸브들(12a, 12b, 13a, 13b)을 제어하기 위해 회로 밸브들(12a, 12b, 13a, 13b)과 연통한다. 제어 유닛(16)은 유압 어큐뮬레이터 어셈블리(5)에 저장된 에너지를 유압 회로에 제공하고 그리고/또는 유압 회로로부터 에너지를 흡수하고 유압 어큐뮬레이터 어셈블리(5)에 흡수된 에너지를 저장하기 위해 회로 밸브들(12a, 12b, 13a, 13b)을 제어하도록 구성된다.
제어 유닛(16)은 유압 회로(2)로부터 유압 어큐뮬레이터 어셈블리(5)를 유체 연결해제하기 위해 회로 밸브들(12a, 12b, 13a, 13b)을 제어할 수 있다. 제어 유닛(16)은 고압 유압 어큐뮬레이터(5a)를 제2 유압 변위 유닛(7)의 유체 포트들(7a, 7b) 중 하나와 유체 연결하고, 동시에 저압 유압 어큐뮬레이터(5b)를 제2 유압 변위 유닛(7)의 유체 포트들(7a, 7b) 중 다른 하나와 유체 연결하기 위해 회로 밸브들(12a, 12b, 13a, 13b)을 제어할 수 있다. 예를 들어, 유압 어큐뮬레이터 어셈블리(5)가 유압 회로(2)와 유체 연결될 경우, 유압 어큐뮬레이터 어셈블리(5)는 고압 유압 어큐뮬레이터(5a)로부터 저압 유압 어큐뮬레이터(5b)로 제2 유압 변위 유닛(7)을 통해 변위시킴으로써 제2 유압 변위 유닛(7)을 구동시키거나 또는 부가적으로 구동시킬 수 있다.
또한, 제1 유압 변위 유닛(6) 및/또는 제2 유압 변위 유닛(7)은 유압 어큐뮬레이터 어셈블리(5)를 충전시키기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 엔진(10)은 저압 유압 어큐뮬레이터(5b)로부터 고압 유압 어큐뮬레이터(5a)로 유체를 변위시키기 위해 제1 유압 변위 유닛(6)을 구동시킬 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 제2 유압 변위 유닛(7)은 차량 출력부로부터 에너지를 흡수할 수 있으며, 흡수된 에너지를 사용하여, 저압 유압 어큐뮬레이터(5b)로부터 고압 유압 어큐뮬레이터(5a)로 유체를 변위시킬 수 있다(회생 제동(regenerative braking)). 둘 모두의 경우들에서, 고압 유압 어큐뮬레이터(5a)와 저압 유압 어큐뮬레이터(5b) 사이의 압력 구배(gradient)가 증가된다.
유압 엑추에이터(4)는 유압 압력을 기계적인 힘으로 변환하고 그리고/또는 유체 유동을 강체의 선형 운동 또는 회전 운동으로 변환하도록 구성된다. 도 1에 도시된 실시예에서, 유압 엑추에이터(4)는 유압 실린더 및 그 실린더 내부에서 이동가능한 피스톤(4c)을 포함한다. 예를 들어, 유압 엑추에이터(4)가 유사하게 유압 모터를 포함할 수 있다는 것이 이해된다. 도 1에 도시된 실시예에서, 시스템(1)은 조향 배열(3)을 더 포함한다. 조향 배열(3)은 하나 또는 그 초과의 차량 휠들 및 하나 또는 그 초과의 샤프트들을 포함하며, 여기서, 하나 또는 그 초과의 샤프트들은 하나 또는 그 초과의 접합부들(도시되지 않음)을 통해 하나 또는 그 초과의 휠들에 연결된다. 조향 배열(3)은 시스템(1)이 배치된 차량을 조향하도록 구성된다. 특히, 조향 배열(3)은 차량 섀시에 대해 조향 배열(3)의 하나 또는 그 초과의 휠들의 배향을 변경시키도록 구성된다. 유압 엑추에이터(4)는 조향 배열(3)을 선택적으로 가동시키기 위해 조향 배열(3)과 구동가능하게 맞물린다. 예를 들어, 유압 엑추에이터(4)는 조향 배열(3)의 샤프트들 중 하나와 구동가능하게 맞물릴 수 있다.
시스템(1)은 유압 엑추에이터(4)의 로드 감지 포트에 유체 연결되고 제어 유닛(16)과 연통하는 엑추에이터 압력 센서(23)를 더 포함한다. 예를 들어, 엑추에이터 압력 센서(23)는, 조향 배열(3)의 휠들이 조향될 경우 제로가 아니거나 또는 미리 결정된 임계치 값을 초과하는 압력을 감지하도록 구성될 수 있다.
유압 엑추에이터(4)는 제1 유체 포트(4a) 및 제2 유체 포트(4b)를 갖는다. 유체 포트들(4a, 4b)은 피스톤(4c)의 다른 측면들 상에 배치된다. 고압 유압 어큐뮬레이터(5a)는 유체 라인(11a), 제1 엑추에이터 밸브(17a) 및 유체 라인(18a)을 통해 유압 엑추에이터(4)의 제1 유체 포트(4a)와 선택적으로 유체 연결된다. 저압 유압 어큐뮬레이터(5b)는 유체 라인(11b), 제2 엑추에이터 밸브(17b) 및 유체 라인(18b)을 통해 유압 엑추에이터(4)의 제2 유체 포트(4b)와 선택적으로 유체 연결된다. 여기서, 제1 엑추에이터 밸브들(17a)은 개방 위치와 폐쇄 위치 사이에서 스위칭될 수 있는 2/2-웨이 셧 오프 밸브로서 구성되며, 제2 엑추에이터 밸브(17b)는, 유압 엑추에이터(4)의 제2 유체 포트(4b)를 저압 유압 어큐뮬레이터(5b) 및 대기압에 있을 수 있는 유체 저장소(19) 중 하나와 선택적으로 유체 연결할 수 있는 3/2-웨이 밸브로서 구성된다. 대안적인 실시예에서, 제2 엑추에이터 밸브(17b)가 도 1의 제1 엑추에이터 밸브(17a)와 마찬가지로 개방 및 폐쇄 위치를 갖는 2/2-웨이 밸브로서 구성될 수 있다는 것이 이해된다. 즉, 제2 엑추에이터 밸브(17b)가 2/2-웨이 밸브로서 구성되는 대안적인 실시예에서, 유압 엑추에이터(4)의 제2 유체 포트(4b)를 제2 엑추에이터 밸브(17b)를 통해 유체 저장소(19)와 유체 연결할 어떠한 가능성도 존재하지 않는다. 엑추에이터 밸브들(17a, 17b)이 유압 어큐뮬레이터들(5a, 5b)을 유압 엑추에이터(4)의 유체 포트들(4a, 4b)과 선택적으로 유체 연결하도록 구성된 외부적으로 제어가능한 밸브들의 다른 조합들로 대체될 수 있다는 것이 이해된다.
회로 밸브들(12a, 13a) 및 엑추에이터 밸브(17a)는 고압 유압 어큐뮬레이터(5a)에 대해 병렬로 배열된다. 특히, 고압 유압 어큐뮬레이터(5a)는 회로 밸브들(12a, 13a) 및 엑추에이터 밸브(17a) 각각의 유체 포트와 직접 유체 연결된다. 유사하게, 회로 밸브들(12b, 13b) 및 엑추에이터 밸브(17b)는 저압 유압 어큐뮬레이터(5b)에 대해 병렬로 배열된다. 특히, 저압 유압 어큐뮬레이터(5b)는 회로 밸브들(12b, 13b) 및 엑추에이터 밸브(17b) 각각의 유체 포트와 직접 유체 연결된다.
따라서, 어큐뮬레이터 어셈블리(5)는 회로 밸브들(12a, 12b, 13a, 13b)의 상태와 독립적으로 엑추에이터 밸브들(17a, 17b)을 통해 유압 엑추에이터(4)와 유체 연결되거나 또는 유압 엑추에이터(4)로부터 유체 연결해제되도록 구성된다. 특히, 어큐뮬레이터 어셈블리(5)는, 유압 어큐뮬레이터 어셈블리(5)가 유압 회로(2)와 유체 연결되는지 또는 유압 회로(2)로부터 유체 연결해제되는지와 독립적으로 엑추에이터 밸브들(17a, 17b)을 통해 유압 엑추에이터(4)와 유체 연결되거나 또는 유압 엑추에이터(4)로부터 유체 연결해제되도록 구성된다. 또한, 제어 유닛(16)은 유압 회로(2) 또는 어큐뮬레이터 어셈블리(5) 내의 유압 압력과 독립적으로 엑추에이터 밸브들(17a, 17b)을 제어하도록 구성된다.
제어 유닛(16)이 적어도 3개의 구성들 사이에서 시스템(1)을 선택적으로 스위칭할 수 있는 방식으로, 유압 어큐뮬레이터 어셈블리(5)는 회로 밸브들(12a, 12b, 13a, 13b)을 통해 유압 회로(2) 및 엑추에이터 밸브들(17a, 17b)을 통해 유압 엑추에이터(4)와 선택적으로 유체 연통한다. 일 구성에서, 유압 어큐뮬레이터 어셈블리(5)는 유압 엑추에이터(4)와 유체 연결되고 유압 회로(2)로부터 유체 연결해제된다. 다른 구성에서, 유압 어큐뮬레이터 어셈블리(5)는 유압 회로(4)와 유체 연결되고 유압 엑추에이터로부터 유체 연결해제된다. 다른 구성에서, 유압 어큐뮬레이터 어셈블리(5)는 유압 회로(2) 및 유압 엑추에이터(4) 둘 모두로부터 유체 연결해제된다. 유압 어큐뮬레이터 어셈블리(5)가 유압 회로(2) 및 유압 엑추에이터(4) 둘 모두와 유체 연결되는 또 다른 구성으로 제어 유닛(16)이 시스템(1)을 스위칭하도록 구성된다는 것이 가능하다.
시스템(1)은 유압 엑추에이터(4)를 가압하거나 또는 선택적으로 가압하기 위해 유압 엑추에이터(4)와 유체 연통하는 유압 작동 펌프(20)를 더 포함한다. 특히, 유압 작동 펌프(20)는 유압 엑추에이터의 피스톤(4c)을 이동시키기 위해 유압 엑추에이터를 가압할 수 있다. 유압 작동 펌프(20)는 제1 유체 포트(20a) 및 제2 유체 포트(20b)를 갖는다. 유압 작동 펌프(20)의 제1 유체 포트(20a)는 유압 엑추에이터(4)의 제1 유체 포트(4a)와 유체 연통한다. 특히, 유압 작동 펌프(20)의 제1 유체 포트(20a)는 체크 밸브(22)를 통해 유압 엑추에이터(4)의 제1 유체 포트(4a)와 유체 연통한다. 체크 밸브(22)는, 유압 작동 펌프(20)로부터 유압 엑추에이터(4)로의 유체의 유동을 허용하고 유압 엑추에이터(4) 및/또는 고압 유압 어큐뮬레이터(5a)로부터 유압 작동 펌프(20)로의 유체의 유동을 차단하도록 구성되며, 그에 의해, 그렇지 않으면 유압 작동 펌프(2)를 손상시킬 수 있는 높은 유압 압력으로부터 유압 작동 펌프(20)를 보호한다. 유압 작동 펌프(20)의 제2 유체 포트(20b)는 유체 저장소(19)와 유체 연통한다. 유압 작동 펌프(20)는 엔진(10)과 구동가능하게 맞물리거나 또는 선택적으로 구동가능하게 맞물릴 수 있으며, 즉 유압 작동 펌프(20)는 엔진(10)을 통해 구동되거나 또는 선택적으로 구동될 수 있다.
유압 작동 펌프(20)는 가변적인 유압 변위를 가질 수 있다. 예를 들어, 유압 작동 펌프(20)는 이동가능한 사판을 포함할 수 있다. 그러나, 유압 작동 펌프(20)가 유압 작동 펌프(20)의 유압 변위를 변경시키기 위한 다른 알려진 메커니즘들을 포함할 수 있다는 것이 이해된다. 제어 유닛(16)은, 예를 들어, 유압 작동 펌프(20)의 유압 변위를 제어함으로써 유압 작동 펌프(20)의 펌프 레이트(예를 들어, 초당 리터 단위로 측정됨)를 제어하기 위해 유압 작동 펌프(20)와 연통할 수 있다.
제어 유닛(16)은, 선택적으로 유압 어큐뮬레이터 어셈블리(5)를 유압 엑추에이터(4)와 유체 연결하거나/유압 어큐뮬레이터 어셈블리(5)를 유압 엑추에이터(4)로부터 유체 연결해제하기 위해, 예를 들어, 제어 유닛(16)으로부터 엑추에이터 밸브들(17a, 17b)로 전송된 전자기 신호들을 통해 엑추에이터 밸브들(17a, 17b)을 제어하도록 구성된다. 이러한 방식으로, 어큐뮬레이터 어셈블리(5)에 저장된 유압 에너지는, 예를 들어, 조향 어셈블리(3)를 가동시키기 위해 유압 엑추에이터(4)를 가압하는 데 사용되거나 또는 부가적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 고압 유압 어큐뮬레이터(5a)를 유압 엑추에이터(4)의 제1 유체 포트(4a)와 유체 연결하고 동시에 저압 유압 어큐뮬레이터(5b)를 유압 엑추에이터의 제2 유체 포트(4b)와 유체 연결함으로써, 고압 유체는 고압 유압 어큐뮬레이터(5a)로부터 유압 엑추에이터(4)의 제1 유체 포트(4a)를 통해 유압 엑추에이터(4)의 실린더로 변위될 수 있고, 저압 유체는 유압 엑추에이터의 실린더로부터 유압 엑추에이터(4)의 제2 유체 포트(4b)를 통해 저압 유압 어큐뮬레이터(5b)로 변위될 수 있으며, 그에 의해, 도 4의 하방 방향으로 유압 엑추에이터(4)의 피스톤(4c)을 이동시킨다. 제어 유닛(16)은 엑추에이터 압력 센서(23)가 조향 배열(3)이 차량의 조작자에 의해 가동되고 있음을 검출하는 경우에만 유압 어큐뮬레이터 어셈블리(5)를 유압 엑추에이터(4)와 유체 연결하도록 구성될 수 있다.
여기에 도시되지 않은 대안적인 실시예에서, 고압 유압 어큐뮬레이터(5a)가 유압 엑추에이터의 제1 유체 포트(4a) 및 제2 유체 포트(4b) 둘 모두와 선택적으로 유체 연결될 수 있고, 저압 유압 어큐뮬레이터(5b)가 유압 엑추에이터의 제1 유체 포트(4a) 및 제2 유체 포트(4b) 둘 모두와 선택적으로 유체 연결될 수 있으므로, 어큐뮬레이터 어셈블리(5)가 도 1의 상방 방향으로 피스톤(4c)을 이동시키기 위해 부가적으로 사용될 수 있다는 것이 이해된다.
시스템(1)은 유압 어큐뮬레이터 어셈블리(5) 내의 어큐뮬레이터 압력을 측정하기 위한 제1 압력 센서(21a) 및 제2 압력 센서(21b)를 더 포함한다. 특히, 제1 압력 센서(21a)는 고압 유압 어큐뮬레이터(5a) 내의 압력을 측정하도록 구성되고, 제2 압력 센서(21b)는 저압 유압 어큐뮬레이터(5b) 내의 압력을 측정하도록 구성된다. 측정된 어큐뮬레이터 압력은 제1 압력 센서(21a)에 의해 측정된 제1(높은) 압력과 제2 압력 센서(21b)에 의해 측정된 제2(낮은) 압력 사이의 압력 차이를 포함할 수 있다. 압력 센서들(21a, 21b)은 압력 센서들(21a, 21b)로부터 제어 유닛(16)으로 측정 데이터를 송신하기 위해 제어 유닛(16)(도시되지 않음)과 통신한다.
제어 유닛(16)은 측정된 어큐뮬레이터 압력에 기초하여, 회로 밸브들(12a, 12b, 13a, 13b)을 제어하고 그리고/또는 엑추에이터 밸브들(17a, 17b)을 제어하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 제어 유닛(16)은 어큐뮬레이터 압력을 미리 결정된 최소 엑추에이터 압력과 비교하도록 구성될 수 있다. 이어서, 제어 유닛(16)은, 어큐뮬레이터 압력이 최소 엑추에이터 압력을 초과하면 또는 그 경우, 유압 어큐뮬레이터 어셈블리(5)를 유압 엑추에이터(4)와 유체 연결하기 위해 엑추에이터 밸브(17a, 17b)를 제어하도록 추가로 구성될 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 제어 유닛(16)은, 어큐뮬레이터 압력이 최소 엑추에이터 압력 미만으로 떨어지면 또는 그 경우, 유압 엑추에이터(4)로부터 유압 어큐뮬레이터 어셈블리(5)를 유체 연결해제하기 위해 엑추에이터 밸브(17a, 17b)를 제어하도록 구성될 수 있다. 최소 엑추에이터 압력은 조향 배열(3)을 가동시키기 위해 유압 엑추에이터(4)에 인가되어야 하는 최소 압력일 수 있다. 최소 엑추에이터 압력은 차량 속도, 타이어 압력 및 조향 각도 중 적어도 하나를 포함할 수 있는 부가적인 파라미터들에 의존할 수 있다. 이러한 방식으로, 어큐뮬레이터 어셈블리에 저장된 유압 에너지가 유압 작동 펌프(20)에 의해 유압 엑추에이터(4)로 제공되는 에너지를 보충하거나 또는 심지어 대체할 만큼 충분히 높으면, 어큐뮬레이터 어셈블리(5)에 저장된 유압 에너지는 유압 엑추에이터(4)를 가압하는 데 사용되거나 또는 부가적으로 사용될 수 있다.
제어 유닛(16)은, 예를 들어, 유압 어큐뮬레이터 어셈블리(5)가 유압 엑추에이터(4)와 유체 연결될 때 또는 그 경우, 특히 어큐뮬레이터 압력이 최소 엑추에이터 압력을 초과할 때, 일단 유압 작동 펌프(20)의 유압 변위를 감소시킴으로써 유압 작동 펌프(20)의 펌프 레이트를 감소시키도록 추가로 구성될 수 있다. 이러한 방식으로, 유압 작동 펌프(20)의 전력 소비가 유리하게 감소될 수 있다.
유압 어큐뮬레이터 어셈블리(5)의 유압 엑추에이터(4)로의 매끄러운 연결 및 유압 엑추에이터(4)로부터의 유압 어큐뮬레이터 어셈블리(5)의 매끄러운 연결해제를 보장하기 위해, 제어 유닛(16)은, 엑추에이터 밸브들(17a, 17b) 및 유압 작동 펌프(20), 특히 유압 작동 펌프(20)의 유압 변위 및/또는 유압 작동 펌프(20)의 회전 속도를 제어하여, 유압 어큐뮬레이터 어셈블리(5)를 유압 엑추에이터(4)에 유체 연결하는 프로세스 동안 및/또는 유압 엑추에이터(4)로부터 유압 어큐뮬레이터 어셈블리(5)를 유체 연결해제하는 프로세스 동안, 유압 어큐뮬레이터 어셈블리(5) 및/또는 유압 작동 펌프(20)로부터 유압 엑추에이터(4)를 향해 유동하는 유체의 유량 및/또는 유압 엑추에이터(4)에 작용하는 엑추에이터 압력이 일정하게 유지되도록 구성될 수 있다.
다시 말하면, 어큐뮬레이터 어셈블리(5)를 유압 엑추에이터(4)에 유체 연결하는 프로세스 동안 및/또는 유압 엑추에이터(4)로부터 어큐뮬레이터 어셈블리(5)를 유체 연결해제하는 프로세스 동안, 제어 유닛(16)은 다음과 같도록 엑추에이터 밸브들(17a, 17b) 및 유압 작동 펌프(20)의 펌프 레이트를 제어할 수 있으며,
Figure pct00001
여기서, Qact는 유체 라인(18a)을 통해 유체 엑추에이터(4), 특히 유압 엑추에이터(4)의 제1 유체 포트(4a)로 유동하는 유체의 총 유량이고; Qacc는 유압 어큐뮬레이터 어셈블리(5)로부터 유압 엑추에이터(4)로, 특히 고압 유압 어큐뮬레이터(5a)로부터 유압 엑추에이터의 제1 유체 포트(4a)로 유동하는 유체의 유량이며; Qwp는 유압 작동 펌프(20)로부터 유압 엑추에이터(4), 특히 유압 엑추에이터(4)의 제1 유체 포트(4a)로 유동하는 유체의 유량이고; const.는 일정한 유체 유량이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 유압 엑추에이터(4)가 조향 배열(3)와 구동 맞물림 상태에 있다면, 제어 유닛(16)은 드라이버 요청에 기초하여 const.의 값을 계산하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, const.의 값은 요구되는 조향 각도 φ, 요구되는 조향 레이트
Figure pct00002
, 및 현재 차량 속도 v의 미리 정의된 함수
Figure pct00003
에 의해 제공될 수 있다. 이어서,
Figure pct00004
의 형상은 통상적으로, 조향 배열(3)의 응답을 결정하며, 그것은 조향 배열(3)의 원하는 제어가능성에 기초하여 정의될 수 있다.
(시간 스텝들 i-1과 i 사이에서 정의된) 시간 간격 j 동안 유압 어큐뮬레이터 어셈블리(5)에 의해 제공되는 유체의 유량 Qacc,j은 다음과 같이 제공될 수 있으며:
Figure pct00005
여기서, Vi 및 Vi-1은 각각 j번째 시간 간격의 시작 및 말단에서 유압 어큐뮬레이터 어셈블리(5)에 저장된 유체의 양을 나타내고, Qacc,j -1은 앞선 시간 간격 동안 유압 어큐뮬레이터 어셈블리(5)에 의해 제공되는 유체의 유량을 나타내고, Δtj -1은 앞선 시간 간격의 지속기간을 나타내고, γ는 어큐뮬레이터 어셈블리(5)에 저장된 가스의 단열 지수(adiabatic exponent)(예를 들어, 질소에 대해 γ = 1.4)를 나타내며, pj 및 pj -1은 각각 j번째 시간 간격의 시작 및 말단에서 측정된 유압 어큐뮬레이터 어셈블리(5) 내의 압력을 나타낸다. 이어서, 유압 엑추에이터(4)로부터 유압 어큐뮬레이터들(5a, 5b)의 매끄러운 연결해제를 제공하는 유압 작동 펌프(20)의 변위 α의 값을 계산하는 것이 추가로 가능할 수 있으며:
Figure pct00006
여기서, Vp는 유압 작동 펌프(20)의 알려진 스트로크를 나타내고, ω는 유압 작동 펌프(20)의 회전 속도를 나타낸다.
유압 작동 펌프(20)가 압력의 셋팅된 포인트를 이용하여 지휘(command)되면, 어큐뮬레이터들(5a, 5b)의 매끄러운 연결해제가 더 용이하게 달성될 수 있다. 이러한 경우, 유압 작동 펌프(20)는 유압 작동 펌프(20)에 압력 값을 전달함으로써 제어될 수 있으며, 이러한 압력 값은 유압 어큐뮬레이터 어셈블리(5), 특히 고압 유압 어큐뮬레이터(5a) 내의 유압 압력과 매칭한다. 예를 들어, 고압 유압 어큐뮬레이터(5a)에 의해 생성된 유체 유동이 유압 작동 펌프(20)가 제공할 수 있는 최대 유체 유량보다 낮을 만큼 고압 유압 어큐뮬레이터(5a) 내의 압력이 충분히 낮으면, 유압 엑추에이터(4)로부터 유압 어큐뮬레이터 어셈블리(5)의 매끄러운 연결해제가 제공될 수 있다.
도 1에 도시된 실시예는 단일 조향 액슬에 대해 설명되었다. 그러나, 개념은 모듈식이며, 대안적인 실시예들에서, 차량 상에서 이용가능한 다수의 조향 액슬들은, 어큐뮬레이터들에 저장된 압력 및 에너지가 다수의 조향 실린더들을 이동시킬 만큼 충분히 높다고 가정하면, 하나 또는 그 초과의 유압 어큐뮬레이터들에 의해 가동될 수 있다.
도 1에 도시된 실시예는 조향 배열(3), 및 하나의 고압 유압 어큐뮬레이터(5a) 및 하나의 저압 유압 어큐뮬레이터(5b)를 포함하는 유압 어큐뮬레이터 어셈블리(5)를 포함한다. 그러나, 대안적인 실시예들에서, 다수의 고압 유압 어큐뮬레이터들 및 다수의 저압 유압 어큐뮬레이터들이 사용될 수 있다는 것이 이해된다. 시스템이 상이한 프리차지(precharge) 압력들로 프리차징되는 다수의 고압 유압 어큐뮬레이터들을 포함하고 그리고/또는 시스템이 상이한 프리차지 압력들로 프리차징되는 다수의 저압 유압 어큐뮬레이터들을 포함하는 것이 심지어 가능하다. 높은 프리-차지 압력(예를 들어, 100 내지 140 bar)을 갖는 다수의 어큐뮬레이터들은, 더 많은 에너지를 저장하고 따라서 조향 배열(3)의 유압 실린더를 지휘할 더 많은 유동을 제공하는 데 사용될 수 있다.

Claims (15)

  1. 차량용 직렬 유압 하이브리드 시스템(1)으로서,
    제2 유압 변위 유닛(7)과 유체 연통하는 제1 유압 변위 유닛(6)을 포함하는 유압 회로(2),
    유압 엑추에이터(4), 및
    유압 어큐뮬레이터(accumulator) 어셈블리(5)를 포함하며,
    상기 유압 어큐뮬레이터 어셈블리(5)는 적어도 하나의 제어가능한 회로 밸브(12a, 12b, 13a, 13b)에 의해 상기 유압 회로(2)와 선택적으로 유체 연통하고,
    상기 유압 어큐뮬레이터 어셈블리(5)는 적어도 하나의 제어가능한 엑추에이터 밸브(17a, 17b)에 의해 상기 유압 엑추에이터(4)와 선택적으로 유체 연통하여, 상기 유압 어큐뮬레이터 어셈블리(5)가 상기 적어도 하나의 회로 밸브(12a, 12b, 13a, 13b)의 제어 위치와 독립적으로 상기 적어도 하나의 엑추에이터 밸브(17a, 17b)에 의해 상기 유압 엑추에이터(4)와 선택적으로 유체 연결되고 상기 유압 엑추에이터(4)로부터 선택적으로 유체 연결해제되도록 구성되는, 차량용 직렬 유압 하이브리드 시스템(1).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유압 어큐뮬레이터 어셈블리(5)는 이러한 방식으로 상기 유압 회로(2) 및 상기 유압 엑추에이터(4)와 선택적으로 유체 연통하며,
    상기 적어도 하나의 회로 밸브(12a, 12b, 13a, 13b) 및 상기 적어도 하나의 엑추에이터 밸브(17a, 17b)는, 상기 유압 어큐뮬레이터 어셈블리(5)가 선택적으로,
    a) 상기 유압 엑추에이터(4)와 유체 연결되고 상기 유압 회로(2)로부터 유체 연결해제되고,
    b) 상기 유압 회로(2)와 유체 연결되고 상기 유압 엑추에이터(4)로부터 유체 연결해제되며, 그리고
    c) 상기 유압 회로(2)로부터 유체 연결해제되고 상기 유압 엑추에이터(4)로부터 유체 연결해제되는
    방식으로 제어가능한, 차량용 직렬 유압 하이브리드 시스템(1).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    구동샤프트, 최종 구동부, 차량 액슬(axle), 및 지면 맞물림(engaging) 구조, 특히 하나 이상의 휠들 중 적어도 하나를 포함하는 차량 출력부를 더 포함하며,
    상기 제2 유압 변위 유닛은 상기 차량 출력부와 구동가능하게 맞물리거나 또는 선택적으로 구동가능하게 맞물리는, 차량용 직렬 유압 하이브리드 시스템(1).
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 엑추에이터 밸브(17a, 17b) 및/또는 상기 적어도 하나의 회로 밸브(12a, 12b, 13a, 13b)를 제어하도록 구성된 제어 유닛(16)을 포함하는, 차량용 직렬 유압 하이브리드 시스템(1).
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유압 어큐뮬레이터 어셈블리(5)는 고압 유압 어큐뮬레이터(5a) 및 저압 유압 어큐뮬레이터(5b)를 포함하고,
    상기 적어도 하나의 회로 밸브(12a, 12b, 13a, 13b)는 상기 고압 유압 어큐뮬레이터(5a)를 상기 유압 회로(2)와 선택적으로 유체 연결하고, 상기 저압 유압 어큐뮬레이터(5b)를 상기 유압 회로(2)와 선택적으로 유체 연결하도록 구성되며, 그리고/또는
    상기 적어도 하나의 엑추에이터 밸브(17a, 17b)는 상기 고압 유압 어큐뮬레이터(5a)를 상기 유압 엑추에이터(4)와 선택적으로 유체 연결하고, 상기 저압 유압 어큐뮬레이터(5b)를 상기 유압 엑추에이터(4)와 선택적으로 유체 연결하도록 구성되는, 차량용 직렬 유압 하이브리드 시스템(1).
  6. 제5항에 있어서,
    상기 유압 회로(2)는, 상기 제1 유압 변위 유닛(6)의 제1 유체 포트(6a)를 상기 제2 유압 변위 유닛(7)의 제1 유체 포트(7a)와 유체 연결하거나 또는 선택적으로 유체 연결하는 제1 메인 유체 라인(8)을 포함하고,
    상기 유압 회로(2)는, 상기 제1 유압 변위 유닛(6)의 제2 유체 포트(6b)를 상기 제2 유압 변위 유닛(7)의 제2 유체 포트(7b)와 유체 연결하거나 또는 선택적으로 유체 연결하는 제2 메인 유체 라인(9)을 포함하며,
    상기 적어도 하나의 회로 밸브(12a, 12b, 13a, 13b)는 선택적으로,
    상기 유압 회로(2)로부터 상기 유압 어큐뮬레이터들(5a, 5b)을 유체 연결해제하고;
    상기 제2 메인 유체 라인(9)으로부터 상기 고압 유압 어큐뮬레이터(5a)를 유체 연결해제하고 상기 제1 메인 유체 라인(8)으로부터 상기 저압 유압 어큐뮬레이터(5b)를 유체 연결해제하면서, 상기 고압 유압 어큐뮬레이터(5a)를 상기 제1 메인 유체 라인(8)과 유체 연결하고 상기 저압 유압 어큐뮬레이터(5b)를 상기 제2 메인 유체 라인(9)과 유체 연결하며; 그리고
    상기 제2 메인 유체 라인(9)으로부터 상기 저압 유압 어큐뮬레이터(5b)를 유체 연결해제하고 상기 제1 메인 유체 라인(8)으로부터 상기 고압 유압 어큐뮬레이터(5a)를 유체 연결해제하면서, 상기 저압 유압 어큐뮬레이터(5b)를 상기 제1 메인 유체 라인(8)과 유체 연결하고 상기 고압 유압 어큐뮬레이터(5a)를 상기 제2 메인 유체 라인(9)과 유체 연결하도록
    구성되는, 차량용 직렬 유압 하이브리드 시스템(1).
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유압 어큐뮬레이터 어셈블리(5)에서 어큐뮬레이터 압력을 측정하도록 구성된 적어도 하나의 어큐뮬레이터 압력 센서(21a, 21b)를 포함하는, 차량용 직렬 유압 하이브리드 시스템(1).
  8. 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유압 엑추에이터(4)는 제1 유체 포트(4a) 및 제2 유체 포트(4b)를 포함하고,
    상기 적어도 하나의 엑추에이터 밸브(17a, 17b)는 상기 고압 유압 어큐뮬레이터(5a)를 상기 유압 엑추에이터(4)의 제1 유체 포트(4a)와 선택적으로 유체 연결하고, 상기 저압 유압 어큐뮬레이터(5b)를 상기 유압 엑추에이터(4)의 제2 유체 포트(4b)와 선택적으로 유체 연결하도록 구성되는, 차량용 직렬 유압 하이브리드 시스템(1).
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    차량을 조향시키기 위한 조향 배열(steering arrangement)(3)을 포함하며,
    상기 유압 엑추에이터(4)는 상기 조향 배열(3)을 선택적으로 가동시키기 위해 상기 조향 배열(3)과 구동가능하게 맞물리는, 차량용 직렬 유압 하이브리드 시스템(1).
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유압 엑추에이터(4)를 선택적으로 가압하기 위해 상기 유압 엑추에이터(4)와 유체 연결되거나 또는 선택적으로 유체 연결되는 유압 작동 펌프(20)를 포함하며,
    상기 유압 작동 펌프(20)는 바람직하게는 체크 밸브(22)에 의해 상기 유압 엑추에이터(4)와 유체 연통하고,
    상기 체크 밸브(22)는, 상기 유압 작동 펌프(20)로부터 상기 유압 엑추에이터(4)로의 유체의 유동을 허용하고 상기 유압 어큐뮬레이터 어셈블리(5) 및/또는 상기 유압 엑추에이터(4)로부터 상기 유압 작동 펌프(20)로의 유체의 유동을 차단하도록 구성되는, 차량용 직렬 유압 하이브리드 시스템(1).
  11. 제4항 내지 제6항 및 제7항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 유닛(16)은 상기 어큐뮬레이터 압력을 미리 결정된 최소 엑추에이터 압력과 비교하도록 구성되고,
    상기 제어 유닛(16)은, 상기 어큐뮬레이터 압력이 상기 최소 엑추에이터 압력을 초과하면, 상기 유압 어큐뮬레이터 어셈블리(5)를 상기 유압 엑추에이터(4)와 유체 연결하기 위해 상기 적어도 하나의 엑추에이터 밸브(17a, 17b)를 제어하도록 구성되고, 그리고/또는
    상기 제어 유닛(16)은, 상기 어큐뮬레이터 압력이 상기 최소 엑추에이터 압력 미만으로 떨어지면, 상기 유압 엑추에이터(4)로부터 상기 유압 어큐뮬레이터 어셈블리(5)를 유체 연결해제하기 위해 상기 적어도 하나의 엑추에이터 밸브(17a, 17b)를 제어하도록 구성되는, 차량용 직렬 유압 하이브리드 시스템(1).
  12. 제11항에 있어서,
    상기 유압 작동 펌프(20)는 가변적인 유압 변위를 가지며,
    상기 제어 유닛(16)은, 상기 유압 어큐뮬레이터 어셈블리(5)가 상기 유압 엑추에이터(4)와 유체 연결될 경우 상기 유압 작동 펌프(20)의 유압 변위를 감소시키도록 구성되는, 차량용 직렬 유압 하이브리드 시스템(1).
  13. 제4항 내지 제9항 및 제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유압 작동 펌프(20)는 가변적인 유압 변위를 가지며,
    상기 제어 유닛(16)은 상기 적어도 하나의 엑추에이터 밸브(17a, 17b) 및 상기 유압 작동 펌프(20)의 유압 변위를 제어하여, 상기 유압 어큐뮬레이터 어셈블리(5)가 상기 유압 엑추에이터(4)와 유체 연결되는 경우 및/또는 상기 유압 어큐뮬레이터 어셈블리(5)가 상기 유압 엑추에이터(4)로부터 유체 연결해제되는 경우, 상기 유압 엑추에이터(4)를 향해 유동하는 유체의 유량(flow of fluid) 및/또는 유압 엑추에이터(4)에 작용하는 엑추에이터 압력이 일정하게 유지되도록 구성되는, 차량용 직렬 유압 하이브리드 시스템(1).
  14. 제13항에 있어서,
    상기 엑추에이터 압력을 측정하기 위한 엑추에이터 압력 센서를 더 포함하며,
    상기 제어 유닛(16)은, 상기 어큐뮬레이터 압력 및 상기 엑추에이터 압력에 기초하여, 상기 적어도 하나의 엑추에이터 밸브(17a, 17b) 및 상기 작동 펌프(20)의 유압 변위를 제어하도록 구성되는, 차량용 직렬 유압 하이브리드 시스템(1).
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항의 직렬 유압 하이브리드 시스템(1)을 동작시키는 방법으로서,
    유압 어큐뮬레이터 어셈블리(5) 내의 어큐뮬레이터 압력을 미리 결정된 최소 엑추에이터 압력과 비교하는 단계, 및
    상기 어큐뮬레이터 압력이 상기 최소 엑추에이터 압력을 초과하면, 유압 엑추에이터(4)를 가압하기 위해 상기 유압 어큐뮬레이터 어셈블리(5)를 상기 유압 엑추에이터(4)와 유체 연결하도록 적어도 하나의 엑추에이터 밸브(17a, 17b)를 제어하는 단계를 포함하는, 직렬 유압 하이브리드 시스템(1)을 동작시키는 방법.
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