本發(fā)明涉及一種高能量密度液壓儲(chǔ)能裝置及儲(chǔ)能方法，屬于液壓傳動(dòng)與控制。

背景技術(shù)：

1、液壓傳動(dòng)作為現(xiàn)代工業(yè)傳動(dòng)的重要形式之一，盡管有著高功率比、高可靠性、無(wú)級(jí)速度調(diào)節(jié)等優(yōu)勢(shì)，但其在運(yùn)行過(guò)程中有節(jié)流損失和溢流損失，使得傳動(dòng)效率相對(duì)較低。為了提高傳動(dòng)效率，一種方法是在設(shè)計(jì)或使用中盡量減少節(jié)流損失和溢流損失，但這種方法效率提高是有限的；另一種方法是對(duì)液壓系統(tǒng)中的節(jié)流損失和溢流損失的能量進(jìn)行回收、儲(chǔ)存和再利用，這是提高液壓系統(tǒng)能效的重要手段。

2、采用合適且高效的儲(chǔ)能方法以有效儲(chǔ)存液壓系統(tǒng)中的能量，才能提高液壓系統(tǒng)運(yùn)行效率，達(dá)到節(jié)能減排的目的?；钊叫钅芷魇峭诰驒C(jī)液壓系統(tǒng)中一種常用的液壓能量?jī)?chǔ)存裝置，它在適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)將液壓系統(tǒng)中的液壓能量轉(zhuǎn)換為氣體壓縮能量?jī)?chǔ)存起來(lái)，當(dāng)系統(tǒng)需要時(shí)，又將氣體壓縮能量轉(zhuǎn)換為液壓能量釋放出來(lái)，用于補(bǔ)給液壓系統(tǒng)。但是，在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)：雖然液壓蓄能器功率密度高于其他的儲(chǔ)能元件，但是其能量密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于常用燃料電池等儲(chǔ)能元件，并且存在體積大、成本高等缺點(diǎn)。另外，由于系統(tǒng)的能量損失，使得傳統(tǒng)蓄能器釋放能量時(shí)的輸出壓力略低于存儲(chǔ)能量時(shí)的液壓油壓力，因此常常需要液壓泵的額外供液才能保證液壓系統(tǒng)正常工作，不僅使整個(gè)液壓系統(tǒng)變得復(fù)雜，還降低了效率。

3、儲(chǔ)能密度、功率密度和效率是液壓儲(chǔ)能的三個(gè)重要指標(biāo)。目前，液壓蓄能器的高功率密度可以保證其儲(chǔ)存及釋放能量的快速性，為了能夠達(dá)到更優(yōu)的儲(chǔ)能效果，使蓄能器體積小、成本低，現(xiàn)階段還需要對(duì)蓄能器進(jìn)一步改進(jìn)，使其在工作過(guò)程中有足夠的儲(chǔ)能量以及較高的能量利用率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種高能量密度液壓儲(chǔ)能裝置及儲(chǔ)能方法，該儲(chǔ)能裝置及方法能夠在蓄能器體積小、成本低的前提下，實(shí)現(xiàn)更高的儲(chǔ)能密度。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種高能量密度液壓儲(chǔ)能裝置，包括儲(chǔ)氣罐，還包括體積相同的第一儲(chǔ)能缸、第二儲(chǔ)能缸和第三儲(chǔ)能缸，所述第一儲(chǔ)能缸、第二儲(chǔ)能缸和第三儲(chǔ)能缸的上部氣腔按照距離儲(chǔ)氣罐由近及遠(yuǎn)的順序依次通過(guò)管路與儲(chǔ)氣罐串聯(lián)連接；

3、第一儲(chǔ)能缸、第二儲(chǔ)能缸和第三儲(chǔ)能缸沿其內(nèi)壁均滑動(dòng)設(shè)置有面積相同的活塞，各活塞上端面均連接有一端伸出缸體頂端的活塞桿，各活塞桿的伸出段上均設(shè)置有伸出行程開(kāi)關(guān)和縮回行程開(kāi)關(guān)；各活塞下方為缸體下部液腔，各液腔分別通過(guò)管路以及設(shè)置在管路上的電磁閥與充/放液口連通；

4、第一儲(chǔ)能缸的氣腔氣體作用在其內(nèi)部活塞上的面積大于第二儲(chǔ)能缸的氣腔氣體作用在其內(nèi)部活塞上的面積，第二儲(chǔ)能缸的氣腔氣體作用在其內(nèi)部活塞上的面積大于第三儲(chǔ)能缸的氣腔氣體作用在其內(nèi)部活塞上的面積。

5、進(jìn)一步地，所述第一儲(chǔ)能缸的下部液腔通過(guò)管路以及設(shè)置在管路上的第一電磁閥與充/放液口連通，其上部氣腔內(nèi)沿其內(nèi)壁滑動(dòng)設(shè)置活塞一，活塞一的上端面與活塞桿一的下端連接，活塞桿一的上端伸出第一儲(chǔ)能缸頂蓋，并在伸出段上設(shè)置有伸出行程開(kāi)關(guān)一和縮回行程開(kāi)關(guān)一，其中伸出行程開(kāi)關(guān)一位于靠近活塞桿一上端的桿體上，縮回行程開(kāi)關(guān)一的最大行程與活塞一下端面與第一儲(chǔ)能缸下部液腔底部之間的最大距離相適配；

6、所述第二儲(chǔ)能缸的下部液腔通過(guò)管路以及設(shè)置在管路上的第二電磁閥與充/放液口連通，其上部氣腔內(nèi)沿其內(nèi)壁滑動(dòng)設(shè)置活塞二，活塞二的上端面與活塞桿二的下端連接，活塞桿二的上端伸出第二儲(chǔ)能缸頂蓋，并在伸出段上設(shè)置有伸出行程開(kāi)關(guān)二和縮回行程開(kāi)關(guān)二，其中伸出行程開(kāi)關(guān)二位于靠近活塞桿二上端的桿體上，縮回行程開(kāi)關(guān)二的最大行程與活塞二下端面與第二儲(chǔ)能缸下部液腔底部之間的最大距離相適配；

7、所述第三儲(chǔ)能缸的下部液腔通過(guò)管路以及設(shè)置在管路上的第三電磁閥與充/放液口連通，其上部氣腔內(nèi)沿其內(nèi)壁滑動(dòng)設(shè)置活塞三，活塞三的上端面與活塞桿三的下端連接，活塞桿三的上端伸出第三儲(chǔ)能缸頂蓋，并在伸出段上設(shè)置有伸出行程開(kāi)關(guān)三和縮回行程開(kāi)關(guān)三，其中伸出行程開(kāi)關(guān)三位于靠近活塞桿三上端的桿體上，縮回行程開(kāi)關(guān)三的最大行程與活塞三下端面與第三儲(chǔ)能缸下部液腔底部之間的最大距離相適配；

8、活塞桿一的桿體直徑小于活塞桿二的桿體直徑，活塞桿二的桿體直徑小于活塞桿三的桿體直徑。

9、一種高能量密度液壓儲(chǔ)能方法，包括如下步驟：

10、步驟一、存儲(chǔ)能量前，第一電磁閥、第二電磁閥和第三電磁閥都得電，第一儲(chǔ)能缸、第二儲(chǔ)能缸和第三儲(chǔ)能缸液腔內(nèi)的油液通過(guò)充/放液口排出；通過(guò)儲(chǔ)氣罐分別向第一儲(chǔ)能缸、第二儲(chǔ)能缸和第三儲(chǔ)能缸的氣腔充氣，使活塞一、活塞二和活塞三的下端面分別與第一儲(chǔ)能缸、第二儲(chǔ)能缸和第三儲(chǔ)能缸的液腔底部接觸，分別由縮回行程開(kāi)關(guān)一、縮回行程開(kāi)關(guān)二和縮回行程開(kāi)關(guān)三進(jìn)行位置檢測(cè)；第一儲(chǔ)能缸、第二儲(chǔ)能缸和第三儲(chǔ)能缸內(nèi)部的油液在活塞壓縮作用下經(jīng)充/放液口排空；此時(shí)，第一儲(chǔ)能缸、第二儲(chǔ)能缸和第三儲(chǔ)能缸的氣腔以及儲(chǔ)氣罐中的氣壓達(dá)到初始?jí)毫q1，初始?xì)怏w總體積為：

11、vq1＝v0++v1++v2++v3；

12、式中，v0為儲(chǔ)氣罐氣腔體積，v1為第一儲(chǔ)能缸氣腔最大體積；v2為第二儲(chǔ)能缸氣腔最大體積；v3為第三蓄能缸氣腔最大體積；

13、步驟二、儲(chǔ)能時(shí)，使第一電磁閥得電，第二電磁閥和第三電磁閥斷電，經(jīng)過(guò)第一電磁閥向第一儲(chǔ)能缸液腔充液、儲(chǔ)能，此時(shí)活塞一在油液的作用下上移，第一儲(chǔ)能缸氣腔內(nèi)的氣體被壓縮并排出，直至活塞一上移至與第一儲(chǔ)能缸內(nèi)壁頂部接觸，同時(shí)，伸出行程開(kāi)關(guān)一發(fā)出信號(hào)，第一電磁閥斷電，停止第一儲(chǔ)能缸儲(chǔ)能；此過(guò)程中第一儲(chǔ)能缸的氣腔壓縮量為v1，設(shè)第一儲(chǔ)能缸液腔內(nèi)的油液體積為vy1，則vy1和v1的關(guān)系為：

14、

15、式中，a為活塞的面積，活塞一、活塞二和活塞三的面積相等，均為a；a1為第一儲(chǔ)能缸氣腔的有效面積，即第一儲(chǔ)能缸氣腔氣體作用在活塞一上的有效面積；

16、第一儲(chǔ)能缸開(kāi)始儲(chǔ)能時(shí)的壓力py11為：

17、

18、由氣體狀態(tài)方程得第一儲(chǔ)能缸儲(chǔ)能結(jié)束時(shí)第一儲(chǔ)能缸液腔液壓力py12為：

19、

20、步驟三、第一儲(chǔ)能缸結(jié)束第一電磁閥斷電的同時(shí)，第二電磁閥通電，壓力油液通過(guò)第二電磁閥向第二儲(chǔ)能缸液腔充液、儲(chǔ)能，此時(shí)活塞二在油液的作用下上移，第二儲(chǔ)能缸氣腔內(nèi)的氣體被壓縮并排出，直至活塞二上移至與第二儲(chǔ)能缸內(nèi)壁頂部接觸，同時(shí)，伸出行程開(kāi)關(guān)二發(fā)出信號(hào)，第二電磁閥斷電，停止第二儲(chǔ)能缸儲(chǔ)能；此過(guò)程中第二儲(chǔ)能缸的氣腔壓縮量為v2，設(shè)第一儲(chǔ)能缸液腔內(nèi)的油液體積為vy2，則vy2和v2的關(guān)系為：

21、

22、式中，a2為第二儲(chǔ)能缸氣腔的有效面積，第二儲(chǔ)能缸氣腔氣體作用在活塞二上的有效面積；

23、第二儲(chǔ)能缸開(kāi)始儲(chǔ)能時(shí)的壓力py21為：

24、

25、由氣體狀態(tài)方程得第二儲(chǔ)能缸儲(chǔ)能結(jié)束時(shí)第二儲(chǔ)能缸液腔液壓力py22為：

26、

27、步驟四、第二儲(chǔ)能缸結(jié)束第二電磁閥斷電的同時(shí)，第三電磁閥通電，壓力油液通過(guò)第三電磁閥向第三儲(chǔ)能缸液腔充液、儲(chǔ)能，此時(shí)活塞三在油液的作用下上移，第三儲(chǔ)能缸氣腔內(nèi)的氣體被壓縮并排出，直至活塞三上移至與第三儲(chǔ)能缸內(nèi)壁頂部接觸，同時(shí)，伸出行程開(kāi)關(guān)三發(fā)出信號(hào)，第三電磁閥斷電，停止第三儲(chǔ)能缸儲(chǔ)能；此過(guò)程中第三儲(chǔ)能缸的氣腔壓縮量為v3，設(shè)第一儲(chǔ)能缸液腔內(nèi)的油液體積為vy3，則vy3和v3的關(guān)系為：

28、

29、式中，a3為第三儲(chǔ)能缸氣腔的有效面積，即第三儲(chǔ)能缸氣腔氣體作用在活塞三上的有效面積；

30、第三儲(chǔ)能缸開(kāi)始儲(chǔ)能時(shí)的壓力py31為：

31、

32、由氣體狀態(tài)方程得第三儲(chǔ)能缸儲(chǔ)能結(jié)束時(shí)第三儲(chǔ)能缸液腔液壓力py32為：

33、

34、步驟五、當(dāng)?shù)谌齼?chǔ)能缸儲(chǔ)能結(jié)束，整個(gè)儲(chǔ)能裝置儲(chǔ)能結(jié)束，氣腔總壓縮量為：

35、δvq＝v1++v2++v3；

36、三個(gè)儲(chǔ)能缸儲(chǔ)存的液壓油總體積δvy為：

37、

38、由于活塞面積a大于氣腔氣體作用在各活塞上的有效面積，由此得到儲(chǔ)存的液壓油的總體積δvy大于氣腔總壓縮量δvq；

39、步驟六、釋放能量時(shí)，先使第三電磁閥通電，第三儲(chǔ)能缸在氣腔作用下經(jīng)充/放液口釋放油液，活塞三下移，當(dāng)活塞三下移至與第三儲(chǔ)能缸內(nèi)壁底端接觸時(shí)，縮回行程開(kāi)關(guān)三發(fā)出信號(hào)，第三儲(chǔ)能缸結(jié)束能量釋放；使第二電磁閥通電，第二儲(chǔ)能缸在氣腔作用下經(jīng)充/放液口釋放油液，活塞二下移，當(dāng)活塞二下移至與第二儲(chǔ)能缸內(nèi)壁底端接觸時(shí)，縮回行程開(kāi)關(guān)二發(fā)出信號(hào)，第二儲(chǔ)能缸結(jié)束能量釋放；使第一電磁閥通電，第一儲(chǔ)能缸在氣腔作用下經(jīng)充/放液口釋放油液，活塞一下移，當(dāng)活塞一下移至與第一儲(chǔ)能缸內(nèi)壁底端接觸時(shí)，縮回行程開(kāi)關(guān)一發(fā)出信號(hào)，第一儲(chǔ)能缸結(jié)束能量釋放。

40、本發(fā)明通過(guò)設(shè)置體積相同的第一儲(chǔ)能缸、第二儲(chǔ)能缸和第三儲(chǔ)能缸，并將這三個(gè)儲(chǔ)能缸的氣腔依次通過(guò)管路與儲(chǔ)氣罐串聯(lián)，且第一儲(chǔ)能缸的氣腔有效面積大于第二儲(chǔ)能缸的氣腔有效面積，第二儲(chǔ)能缸的氣腔有效面積大于第三儲(chǔ)能缸的氣腔有效面積，在儲(chǔ)能時(shí)按照順序分別儲(chǔ)能，使得第二儲(chǔ)能缸開(kāi)始儲(chǔ)能時(shí)的油液壓力比第一儲(chǔ)能缸儲(chǔ)能結(jié)束的壓力小，第三儲(chǔ)能缸開(kāi)始儲(chǔ)能時(shí)的油液壓力比第二儲(chǔ)能缸儲(chǔ)能結(jié)束的壓力小，實(shí)現(xiàn)快速儲(chǔ)能的同時(shí)提高了儲(chǔ)能的能量密度；釋放能量時(shí)，按照與儲(chǔ)能相反的過(guò)程進(jìn)行放液，第三儲(chǔ)能缸首先釋放油液，其次第二儲(chǔ)能缸釋放油液，最后第一儲(chǔ)能缸釋放油液；第二儲(chǔ)能缸開(kāi)始釋放油液的壓力比第三儲(chǔ)能缸釋放油液的最后壓力高，第一儲(chǔ)能缸開(kāi)始釋放油液的壓力比第二儲(chǔ)能缸釋放油液的最后壓力高，提高了放液效率。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明在氣腔初始體積和初始?jí)毫Σ蛔兊那闆r下，相同氣體的壓縮量，儲(chǔ)存的油液體積大、儲(chǔ)存的油量多，大大提高了蓄能器在工作過(guò)程中的儲(chǔ)能量以及能量利用率。