Hydraulický/servo hybridní pohonný systém je hnací ústrojí, které spojuje servomotory řízené hydraulickým čerpadlem/motory s akumulátory. Čerpadlo/motory pohánějí stroj a akumulátory ukládají brzdnou energii pro pozdější použití. Jeho hlavním úkolem je snižovat spotřebu paliva a zvyšovat účinnost prostřednictvím hydrostatického pohonu a rekuperačního brzdění. Podle údajů EPA zveřejněných organizací STLE dokáží takové systémy rekuperovat 70 % nebo více brzdné energie, která by jinak byla ztracena jako teplo. Tuto funkci nese pět vrstev: motor, pohonná jednotka, čerpadlo/motory, akumulátory a elektronická řídicí deska. Každá vrstva určuje, jak hydraulický/servo hybridní pohonný systém dodává energii a jak musí být navržena jeho řídicí elektronika.
Key Takeaways
Hybridní hydraulické systémy šetří palivo a prodlužují životnost brzd zachycováním energie při brzdění.
Servomotory s konstantními čerpadly zvyšují účinnost za všech jízdních podmínek.
Akumulátory ukládají brzdnou energii pro pozdější použití, což snižuje spotřebu paliva.
Dobrý návrh desky plošných spojů odděluje obvody s vysokým výkonem od citlivých obvodů. To pomáhá předcházet poruchám.
Pro zajištění spolehlivého provozu systému často kontrolujte nastavení přednabíjení a kolísání napětí akumulátoru.
Architektura hydraulického/servo hybridního pohonného systému
Motor, pohonná jednotka a čerpadlo/motory
Motor vyrábí mechanickou energii. Pohonná jednotka tuto energii připravuje a posílá ji do čerpadla/motorů. Servomotorem řízené čerpadlo/motor přeměňuje mechanickou energii na hydraulickou energii nebo naopak. Vysokotlaký akumulátor udržuje kapalinu pod tlakem, aby ji bylo možné později použít.
Tyto součásti nahrazují v běžném hnacím ústrojí převodovku, měnič točivého momentu a mechanickou hřídel. Výkon se přenáší z motoru do pohonné jednotky, poté do čerpadla/motorů a nakonec ke kolům nebo nářadí. Když stroj brzdí, tok plynule probíhá opačným směrem.
Servohydraulický pohonný blok obvykle obsahuje konstantní čerpadlo, servomotor a měnič s vestavěným servohydraulickým softwarem. Měnič obsahuje regulační smyčky tlaku a průtoku, takže blok nepotřebuje samostatnou skříň hydraulického řízení.
Poznámka: Servomotor spotřebovává energii pouze tehdy, když ji stroj potřebuje. Standardní motor běží neustále a v tradičním hydraulickém okruhu plýtvá energií.
Akumulátory a úložiště energie
Vysokotlaký akumulátor je uzavřená nádoba, která drží hydraulickou kapalinu proti stlačené plynové náplni. Funguje jako nárazník mezi poptávkou a nabídkou. Plynová náplň určuje pásmo provozního tlaku.
Akumulátor absorbuje špičky průtoku během akcelerace a vrací kapalinu zpět během špičkového zatížení. To umožňuje motoru běžet v stabilnějším provozním bodě. Dimenzování závisí na tlakovém pásmu a na tom, kolik kapaliny musí okruh vyměnit při brzdění.
Porovnání konfigurací balíčků pohonů
Níže uvedená tabulka porovnává tři běžné konfigurace z hlediska energetické účinnosti.
Konfigurace systému | Energetická účinnost |
|---|---|
Standardní motor + konstantní čerpadlo | Nízké |
Standardní motor + variabilní čerpadlo | Střední |
Servomotor + konstantní čerpadlo | Vysoký |
Čerpadlo s proměnným výtlakem upravuje průtok na otáčku. Čerpadlo s konstantním výtlakem a vestavěným servomotorem místo toho upravuje otáčky. Druhý přístup udržuje vysokou účinnost v celém pracovním cyklu.
Sada obsahuje aktuátor, servomotor, pohon, řídicí jednotku a software do jedné jednotky. Technici by měli přizpůsobit výtlačný objem požadovanému průtoku při cílovém tlaku. Nepředimenzujte čerpadlo, protože příliš velký výtlačný objem snižuje účinnost při částečném zatížení.
Režimy hybridní hydraulické a servopohonové technologie
Hydrostatický pohon při nízkých rychlostech
Při nízké rychlosti motor otáčí čerpadlem a čerpadlo posílá tlakovou kapalinu do čerpadla/motorů u kol. Stroj se pohybuje pouze pomocí hydraulické síly. Palubní řídicí jednotka koordinuje čerpadla, hydrostatické motory a akumulátory pro pohon vozidla v hydrostatickém režimu. Konstrukce systému zlepšuje účinnost tím, že přizpůsobuje zatížení motoru potřebám vozidla. Před přepnutím na mechanický pohon při rychlosti na dálnici využívá uloženou brzdnou energii k pohonu akcelerace.
Tento režim funguje dobře pro jízdu s častým zastavováním a rozjížděním. Motor si udržuje stabilnější otáčky, místo aby při každém rozjezdu prudce rostl. Rekuperační brzdění je k dispozici po celou dobu a zachycená energie se vrací při dalším rozjezdu. Níže uvedená tabulka ukazuje, jak se rozsah rychlosti vztahuje k jízdnímu režimu.
Rychlostní rozsah | Režim pohonu | charakteristika |
|---|---|---|
0-25 mph | Dvourychlostní hydrostatický pohon (nízká rychlost) | Jízda ve městě; podporovaná rekuperace brzdné energie |
26-45 mph | Dvourychlostní hydrostatický pohon (vysokorychlostní) | Hydrostatický provoz pokračuje; rekuperace brzdné energie je podporována |
Více než 45 mph | Mechanický přímý pohon | Efektivní provoz při vysokých rychlostech; plynulé automatické řazení; brzdná energie je stále rekuperovatelná, protože primární čerpadlo zůstává připojeno k hnací hřídeli a funguje jako čerpadlo, které vyvíjí točivý moment a nabíjí akumulátor |
Dvoustupňové hydrostatické uspořádání umožňuje regulátoru udržovat čerpadlo a motor v efektivním pásmu v celém rozsahu nízkých otáček.
Přímý mechanický pohon při vysokých rychlostech
Nad bodem přepnutí se hnací ústrojí zablokuje do mechanické dráhy. Výkon motoru se dostává na kola s menším počtem kroků přeměny, takže ztráty při jízdě na dálnici klesají. Řazení probíhá automaticky a řidič nepociťuje žádné přerušení. Primární čerpadlo zůstává připojeno k hnací hřídeli. Během zpomalování obrací svou roli, vyvíjí brzdný moment a dobíjí akumulátor, takže rekuperace energie pokračuje i v mechanickém režimu.
Elektrohydraulický hybridní systém Kawasaki ukazuje, jak řízení objemu podporuje toto rozdělení. Variabilní objemové čerpadlo přepíná mezi velkým a malým nastavením. Ve stavu vysokého tlaku čerpadlo klesá na menší objem. Požadovaný točivý moment klesá a kapacita motoru se může odpovídajícím způsobem zmenšit. Přizpůsobení objemu tlakovým podmínkám udržuje kompaktní konstrukci.
Logika přepínání a výběr režimu
Řídicí jednotka určuje bod přepnutí na základě rychlosti vozidla, tlaku a požadavku. Hystereze kolem prahové hodnoty zabraňuje kolísání mezi režimy. Před uvolněním byste měli ověřit přechod za naložených a nenaložených podmínek.
Kritérium | Hydrostatický režim | Mechanický režim |
|---|---|---|
Rychlostní pásmo | Nízká až střední | Vysoký |
Obnovení energie | Nepřetržitý | Nepřetržitě přes připojené čerpadlo |
Nejlepší využití | Cykly start-stop | Stabilní plavba |
Tyto režimy přinášejí další výhody. Hluk zůstává nízký, klesá tvorba tepla a hydraulický obvod potřebuje méně ventilů. Společně podporují vysoce dynamické a vysoce přesné pohony v hybridní hydraulické a servopohonné technologii.
Servohydraulické pohony a rekuperační brzdění
Zachycení kinetické energie v akumulátorech
Když stroj brzdí, servohydraulické pohony se přepnou na jinou funkci. Řídicí jednotka dá pokyn čerpadlu/motoru, aby pracoval jako čerpadlo. Hybnost stroje roztáčí hřídel a jednotka vtlačuje kapalinu do vysokotlakého akumulátoru. Přesným ovládáním nastavení kývavé desky nebo ventilu může systém plynule aplikovat brzdný moment.
Elektrohydraulické servopohony reagují v milisekundách, takže brzdná síla se řídí pedálem řidiče nebo požadavkem regulátoru. Nabíjení akumulátoru se zvyšuje s brzdnou silou, která roste s celkovou setrvačností a s druhou mocninou rychlosti stroje. Servoválce pro funkce zvedání nebo řízení mohou stejnou měrou rekuperovat energii.
Tip: Před každým zkušebním provozem zkontrolujte tlak předplnění akumulátoru. Nízká náplň plynu snižuje skladovací kapacitu a zvyšuje teplotu kapaliny.
Opětovné využití uložené energie při zrychlení
Při dalším spuštění se uložený tlak zvýší výkon motoru. Řídicí jednotka otevře hydraulický akumulátor a tlaková kapalina pohání přímo čerpadlo/motor nebo hydraulický pohon. Toto zvýšení výkonu snižuje točivý moment, který musí motor dodávat.
Případ hybridního lineárního aktuátoru jasně ukazuje princip. Brzdná energie z osy stroje je napájena palubním systémem, jako je obvod zdvihu nebo upínacího mechanismu, místo aby se vracela zpět do motoru. Hybridní lineární aktuátory proto snižují spotřebu paliva i dobu cyklu. Lineární servopohony s programovatelným řízením polohy a síly aplikují uvolněný tlak s přesným řízením síly a rychlosti.
Porovnání cest energetického využití
Níže uvedená tabulka porovnává dvě cesty obnovy z hlediska odezvy a složitosti obvodu.
Cesta obnovy | Odpověď | Složitost obvodu |
|---|---|---|
Akumulační úložiště | Rychlé, přímé | Středně |
Pomalejší konverzní řetězec | Vyšší |
Akumulační úložiště funguje dobře pro krátkodobé cykly s vysokým výkonem. Servomotor pohánějící čerpadlo zvyšuje flexibilitu výtlačného objemu a variabilní výtlačný objem umožňuje regulátoru přizpůsobit průtok poptávce. Vyberte cestu, která odpovídá pracovnímu cyklu, a poté podle potřeby dimenzujte akumulátor nebo úložnou baterii.
Servopohony řízené servopohony: Návrh a výroba na úrovni desek plošných spojů
Řízení solenoidů a servoventilů pomocí PWM Ditheringu
Proporcionální solenoid přeměňuje proud cívky na sílu. Odpor mědi roste s teplotou, takže proud a síla se mění, pokud budič neuzavře smyčku. Měli byste navrhnout PWM stupeň s interním řízením proudu v uzavřené smyčce. Zjistěte maximální odběr proudu při nejvyšší očekávané teplotě cívky a nejnižším napájecím napětí, protože nárůst teploty snižuje výstup.
Chvění (dither) udržuje cívku v pohybu i při malých povelech. Statické tření může ventil zaseknout a malá, nepostřehnutelná vibrace ho zastaví. Ovladače montované na ventily se často dodávají s továrně nastavenou frekvencí, amplitudou, pásmem necitlivosti a vstupním režimem chvění. Univerzální ovladače musí tato nastavení nabízet jako nastavitelná. Vyhněte se řízení cívky pomocí reostatu; plýtvá energií, vytváří teplo a neposkytuje žádnou zpětnou vazbu ohledně chvění ani proudu, takže hystereze se pohybuje mimo publikované limity.
Převodníky tlaku a průtoku uzavírají vnější smyčku. Přijímají analogové vstupy z PLC nebo regulátor, včetně 0–5 V DC, 0–10 V DC a 4–20 mA. Proudová smyčka potlačuje rušení na dlouhých kabelech. Zpětná vazba polohy cívky zajišťuje stabilnější chování a podporuje kolísání signálu od budiče.
Parametr | Akce návrhu |
|---|---|
Frekvence chvění | Odpovídá specifikaci ventilu; nastavitelná velikost na univerzálních ovladačích |
Amplituda chvění | Udržujte nenápadné; zkontrolujte, zda nedochází k překmitnutí cívky |
Proudová smyčka | Zavřete zevnitř pro opakovatelnou sílu |
Režim zadávání | Podpora napěťových a proudových vstupů 4–20 mA |
Tip: Zkontrolujte nastavení ditheru na skutečném ventilu, nejen v datovém listu. Malé signály příkazů nejprve ukazují stick.
Dělení smíšených signálů, ochrana a kompromisy DFM
Budiče solenoidů s vysokým proudem a obvody přesných servopohonů sdílejí jednu desku , proto je rozdělte podle zón. H-můstku použijte široké měděné vodiče, přímou návratovou rovinu a Kelvinův bočník. Pro MCU nebo FPGA vyhraďte klidnou uzemňovací oblast s hustým oddělením. Diferenciální páry enkodéru veďte dál od hran hradlového pohonu a napájecích průchodů. U bezpečnostní bariéry umístěte štěrbiny pro detekci povrchových cest a izolované DC-DC rozteče. Většinu poruch způsobuje špatné oddělení spínacích smyček a snímacích obvodů.
Ochrana se řídí stejným pravidlem. Snímejte proud na bočníku, přidejte omezení zkratu a zajistěte dráhy volnoběhu a zpětného chodu pro každou indukční zátěž. Naplánujte výkon sečtením současných proudů kanálů plus odběru a rezervy regulátoru. Vypočítejte úbytek napětí na zdroji, ochraně, konektoru, mědi, propojce, kabelu a zpětném vodiči a poté jej potvrďte měřením na zatíženém konektoru. Umístěte objemové kondenzátory na vstup do kolejnice a na odbočky s rychlými kroky zátěže.
Izolace mezi hydraulickou stranou a řídicí logikou chrání obě strany. Přizpůsobte ochranu proti přepólování, přepětí a nadproudu zdroji energie a pravděpodobným poruchám kabeláže. U DFM (Definitivního proměnného proudu) vyberte hmotnost a vrstvení mědi na základě proudu, nárůstu teploty a hustoty trasy a poté s výrobcem potvrďte pravidla pro rozteč a propojení.
Poznámka: Sdílené piny konektoru a tenké zemnící vodiče posouvají lokální logickou referenci v důsledku přechodového proudu, což způsobuje resetování.
Tepelný návrh a ověřování poruch
Přivažte odkryté kontakty k souvislé mědi pomocí tepelného propojení a poté změřte sestavenou desku za nejhoršího pravděpodobného profilu pohybu. Vedle každého výsledku zaznamenejte vstupní napětí, aktivní kanály, mechanické zatížení, průtok vzduchu, stav krytu, okolní teplotu a dobu prohřívání. Porovnejte aktivní místa s limity zařízení a zásadami pro snížení výkonu. Zkontrolujte jmenovitý proud pro každý kanál; některé vícekanálové desky dodávají mnohem menší celkový proud, než naznačuje počet kanálů. Desky s jmenovitým napětím 24 V by měly být vybaveny ochranou proti přepólování a tepelným vypnutím.
Když se objeví porucha, reprodukujte ji s přesnou kombinací spojů, zrychlení a zatížení. Změřte minimální napětí na kolejnici a dobu trvání přechodového jevu v lokálních testovacích bodech s dostatečnou šířkou pásma. Korelujte napájecí napětí, reset, řídicí signál a výstup poruchy na jedné časové bázi. Izolujte příčiny testováním jednoho aktuátoru najednou a přesměrováním kabelů. Znovu spusťte nejhorší možný pohyb v rámci zamýšlených podmínek vstupního napětí a teploty, abyste potvrdili opravu.
Výhody, omezení a tržní kontext
Úspora paliva, životnost brzd a údržba
Reálná čísla z vozových parků popelářských vozů ukazují, jak velké mohou být zisky. Úředníci města Miami hlásí 51% úsporu paliva se systémem Parker RunWise a úředníci okresu Miami-Dade hlásí 45 %. Stejný systém ušetří 20–30 galonů paliva denně v závislosti na hustotě trasy a míře využití vozového parku. Parker uvádí přibližně 50% úsporu v různých aplikacích.
Životnost brzd se také výrazně prodlužuje. Většina popelářských vozů potřebuje nové brzdy 3–4krát ročně. Záznamy o vozovém parku města Miami ukazují, že brzdy vydržely bez zásahu více než 6 let. Jose Davilla, superintendent města Miami, říká, že úspory na údržbě brzd dosáhnou do 6 let z 10letého životního cyklu vozidla 81 000 dolarů.
metrický | Hodnota |
|---|---|
Úspora paliva, město Miami | 51% |
Úspora paliva, okres Miami-Dade | 45% |
Úspora na údržbě brzd, bod po 6 letech | $81,000 |
Výměna základní brzdy | 3–4krát ročně |
Dosažen interval servisu brzd | Více než 6 let, nedotčené |
Hybridní elektrohydraulické pohony také v několika ohledech překonávají tradiční hydraulické systémy. Konstrukce s napájením na vyžádání využívá energii efektivněji než motor, který běží neustále. Vestavěné servořízení umožňuje přesné ovládání polohy, rychlosti a síly. Plně utěsněný systém s uzavřeným okruhem nevyžaduje doplňování kapalin a vestavěný filtr s životností přes 8 000 hodin podporuje bezúdržbový provoz. Tyto jednotky zvládají rázová zatížení a boční zatížení a dosahují síly až 667 kN (150 000 liber).
Tip: Při hodnocení hybridních pohonných řešení porovnávejte nejen pořizovací cenu, ale i intervaly údržby.
Soutěžní a palivově nezávislé schopnosti
Elektrická energie v některých třídách strojů přímo soupeří. O vítězi rozhodují náklady na baterie, nabíjecí infrastruktura a shoda s pracovním cyklem. Hydraulické systémy mají výhodu v aplikacích s vysokou silou a rázy, kde hybridní lineární aktuátor poskytuje o 300 % vyšší hustotu výkonu než elektromagnetický aktuátor srovnatelné velikosti.
Provoz na jakékoli palivo je klíčovou silnou stránkou. Vrstva motoru přijímá naftu, zemní plyn nebo jiná paliva bez nutnosti přepracovávání hydraulického okruhu. Hybridní lineární aktuátor a další hybridní lineární aktuátory rekuperují brzdnou energii bez ohledu na to, jaké palivo se spaluje. Dvě nastavení objemového objemu na čerpadle udržují kompaktní konstrukci napříč tlakovými podmínkami. Inženýři by měli před výběrem mezi elektrohydraulickou a bateriově-elektrickou cestou zvážit pracovní cyklus a infrastrukturu.
Omezení a konstrukční omezení
Velikost akumulátoru omezuje množství energie, které systém ukládá na jednu brzdnou událost. Nízké předplnění plynem snižuje kapacitu a zvyšuje teplotu kapaliny. Konstrukci omezuje i uspořádanost, protože vysokotlaké nádoby potřebují prostor a strukturální ochranu.
Složitost řízení se zvyšuje s přepínáním režimů. Řídicí jednotka musí řídit hysterezi, tlaková pásma a odezvu na poruchu v celém měniči. Před uvolněním byste měli ověřit chování při přechodu za zatížení i bez zatížení.
Konstrukce umožňuje dva způsoby řízení stroje. Tyto režimy spolu s rekuperačním brzděním vytvářejí úspory paliva a údržby. Řídicí deska tuto schopnost promění v přesný a opakovatelný pohyb.
Pro inženýry představuje hydraulický/servo hybridní pohonný systém pohonné jednotky hnací ústrojí, které běží na jakékoli palivo a je snadno udržovatelné. Jeho elektronická vrstva stále vyžaduje pečlivé rozdělení smíšených signálů a tepelný návrh. Tyto dvě oblasti považujte za nejvyšší priority, ne za věci, o kterých budete přemýšlet později.
Přísnější emisní předpisy upřednostňují pohonné jednotky, které spalují méně paliva a rekuperují brzdnou energii. Týmy, které se seznámí s hydraulickou i elektronickou vrstvou, zjistí, že platforma se tomuto směru dobře hodí. Pečlivá konstrukční práce se zde vyplácí po celou dobu životnosti stroje.
Nejčastější dotazy
Jak byste měli zkontrolovat předběžné nabití akumulátoru před zkušebním provozem?
Před každým spuštěním zkontrolujte, zda je náplň plynu v souladu se specifikovaným tlakovým pásmem. Nízká náplň snižuje úložnou kapacitu a zvyšuje teplotu kapaliny. Odečtěte hodnotu na hydraulickém obvodu a poté si ji zapište vedle zkušebních podmínek. Kontrolu proveďte znovu po každém servisu, při kterém se otevírá nádoba.
Proč proporcionální budič solenoidu potřebuje PWM dither?
Statické tření může způsobit, že se šoupátko ventilu zasekne i při malých povelech. Malá vibrace, kterou si nemůžete všimnout, udržuje šoupátko v pohybu. Nastavte frekvenci a amplitudu chvění podle specifikace ventilu a na univerzálních měničích proveďte nastavení obou parametrů. Zkontrolujte nastavení na skutečném ventilu, nejen v datovém listu.
Jak rozdělit ovladače solenoidů pro vysoký proud a obvody přesných serv na jednu desku?
Rozdělte desku do zón . Pro H-můstek použijte široké měděné vodiče, přímou návratovou rovinu a Kelvinův bočník. Pro regulátor ponechte tichou uzemňovací oblast s hustým oddělením. Diferenciální páry enkodéru veďte dál od hran hradlového budiče. Většina poruch vzniká kvůli špatnému oddělení mezi spínacími smyčkami a snímacími obvody.
Co byste měli ověřit před vydáním disku s přepínáním režimů?
Otestujte přechod s měničem se zátěží a bez zátěže. Ověřte, zda hystereze kolem bodu přepnutí přestala kolísat mezi režimy. Zarovnejte napájecí napětí, reset, řídicí signál a poruchový výstup na jedné časové bázi. Před uvolněním znovu spusťte nejhorší možný pohyb v rámci plánovaných podmínek vstupního napětí a teploty.
