液压变压器的效率定义以及FCT80的第一个测试结果

欢迎大家，感谢你们今天早上加入我。今天，我想谈谈液压变压器的效率。更具体地说，是关于我们制造的样机变压器（称为 FCT80）的效率。

然而，该变压器只是一个更大的液压系统中的单个组件。因此，在我们深入研究单个组件的性能之前，我想首先向您解释为什么我们首先构建这个样机，以及它对整个系统有什么样的 影响。

为此，我们将研究典型液压系统中的能量损失。在这种情况 下，我将向您展示具有传统负载敏感系统的实际轮式装载机的损失计算。

如果我们暂时忽略驱动功能，这款轮式装载机具有三种工作功能：转向、倾斜和举升。每个功能所使用的能量的相对量通过该图中箭头的大小来说明。在左侧，您可以看到泵需要提供的功率明显多于油缸实际需要的功率。这是因为该系统的负载感应架构会限制大量液压动力，该架构使用比例阀和压力补偿器来控制油缸运动。

可能不太明显的是，发送到工作功能的功率仅部分用于有效地完成工作。例如，在轮式装载机中，每当您提升和降低负载时，您也会提升和降低铲斗和斗杆。这些部件有一定的重量，这意味着你正在移动势能。不幸的是，在这样的传统系统中，无法重复使用或回收这种势能。这种势能的损失是此类系统中能量损失的重要组成部分。

除了这两个主要的液压系统损失之外，还有第三大损失来源，可以在该图的左侧找到。

您需要从泵获得液压功率，但不幸的是，该泵在非常低效的条件下运行。

在 2022 年于亚琛举行的上一届 IFK上，博世力士乐的 Steffen Haack 博士和 Alexander Flaig 博士展示了这张幻灯片。他们描述说，他们的泵的大部分二氧化碳排放是在运行过程中排放的。通过对客户的调查，他们发现用于操作工作功能（如提升和倾斜油缸）的泵的平均效率仅为57%。

这个数字是如此之低，因为这需要是一个在部分条件下运行的变量泵，基本上一 直在运行。

当我们将这种效率纳入损失计算时，我们发现我们需要为该系统提供大量能量才能使其正常工作。事实上，如果您查看这些数字，您会发现，对于每个有效工作单元，您需要提供 5 倍以上的数量才能弥补所有这些损失。

这实际上是为什么在这样的机器中不能简单地用电机替换内燃机的原因之一。您最终要么拥有一台配备非常大、非常昂贵的电池的机器，要么拥有一台工作几个小时后需要充电的机器。客户不会接受这样的机器。

然而，有一些好消息：这里描述的损失并不是液压系统固有的。它们只是我们传统上为这些机器设计控制架构的方式所固有的，当时我们不必担心燃料成本或二氧化碳排放。实际上有其他方法可以使用液压系统来控制这台机器。

这些替代系统架构之一是 INNAS 过去几十年来一直致力于研究的替代方案。该系统的支柱称为“共压轨”或 CPR。

这种CPR系统依赖于多个压力轨，通常有一个高压轨和一个低压轨。压力轨本身基本上只不过是一个蓄能器，可以由系统中的不同负载共享。在任何给定时刻，这两个轨道之间都存在压力差 Δp，这意味着您始终拥有可用的势能。

此处添加的组件代表液压变压器。它由两个公共压力轨提供压力。变压器可以使用内部控制参数，利用提供的压差来创建第三个压力水平。由于您可以完全动态控制该参数以及输出压力，因此您可以使用该压力来控制负载函数

所以我们可以在变压器的工作端口上连接一个油缸。当我们在一定压力值下从蓄能器获取动力时，该压力值会转换为操作油缸所需的压力。由于这种控制方式依赖于动力变换而不是耗散，因此液压动力不再受到节流。

该系统的另一个好处是，转换过程也可以反过来进行。因此，变压器可以使用例如用于举起手臂的势能来为压力轨的蓄能器再补油。

因此，使用液压变压器已经解决了我们之前遇到的两个主要系统损失：可以在没有节流损失的情况下控制工作功能，并且我们可以回收势能。

如果您有多种工作功能，只需将另一个变压器连接到共享压力轨即可添加它们。每个变压器都可以使用蓄能器中的当前能量，并且可以独立于其他变压器进行操作。

在某个时间点，蓄能器将供油不足。因此，为了向该系统提供能量，您将需要一个补油泵来为蓄能器补油。

由于蓄能器的使用，能源消耗者（变压器+工作功能）与能源供应（补油泵）分离。这意味着您可以使用恒定排量泵，只要系统需要补油，该泵就可以在接近其最佳效率工作点的情况下运行，同时可以空转或关闭。这样，第三次重大系统损失也就避免了。

正如您所看到的，这种不同的控制架构具有巨大的节能潜力。然而，存在一个大问题：该系统依赖于高效且动态的液压变压器。目前，市场上还没有商用液压变压器。

这正是我们开发液压变压器原型的原因。在这里您可以看到我们制造的实际机器的图片。它被称为浮杯变压器80，或 FCT80。这台机器的设计已经在 2023 年Tampere的 SICFP 上进 行了展示和讨论，所以我不会详细介绍这台机器的内部结构。

在本次会议中，我们重点测量新原型的 FCT80 性能效率。

该幻灯片显示了两条效率等值线。左图显示供给压力为 200 bar 时的效率，右图显示供给压力为 300 bar 时的效率。横轴表示工作口处的油流量。您可以看到，该机器的最大流量约为180 l/min，可满足工作功能。纵轴显示压力比，其定义为工作压力除以供给压力。正如您所看到的，FCT80 还能够放大供给压力（比率 > 1）。在我们的测量中，我们使用的最大工作压力为 350bar，这解释了两个数字之间最大压力比的差异。

结果显示最大效率略低于 90%。当你看到更高的输出功率、高流量和高压时，效率相当不错。在工作区域的边缘附近，特别是在较低的压比下，变压器的性能明显较差。这绝对是未来原型中需要改进的地方。

需要注意的一件事是 FCT80 有一个内置液压执行器来控制机器。因此，该执行器也从蓄能器汲取一些功率。在这里显示的图中，这些控制损耗包含在输入功率中。因此，您看到的数字是变压器的效率，包括与控制相关的损耗。

那么变压器的效率为80%或90%是什么意思呢？为了回答这个问题，让我们看一下之前见过的同一款轮式装载机，但现在我们将使用两台 FCT80 来操作它。

在右侧，我们假设机器需要执行相同的有效工作。然而，我们现在将使用变压器为提升油缸提供操作此工作功能所需的功率。

由于我们看到 FCT80 的效率不是 100%，所以这里仍然会有一 些损失。这些变压器损耗用红色箭头显示。

如前所述，变压器可以重新利用油缸中的势能为 CPR 蓄能器再次补油。因为这也是一个转变的过程，所以也会造成一些损失。

正如您所看到的，这些能量流可能会变得非常混乱，因此为了 清楚起见，让我们稍微简化一下该图。

这显示了相同的恢复过程，但被压缩为返回 CPR 的单个循 环。两个彩虹块仍然代表一个单一的变压器思想。

如果我们假设倾斜油缸也使用 FCT80，您会发现结果非常相似。我们失去了更多的能量，我们也可以将一些能量发送回CPR系统。

对于转向，情况略有不同。首先，该做功函数的输出功率比较低。其次，转向油缸在水平面内工作，这意味着在这个工作过程中没有太多的势能可以被回收。因此，我们选择保持转向功能的控制不变。

为了完成该系统，我们需要通过泵为CPR系统提供液压能。

如前所述，该系统中的泵可以是恒定排量单元，在接近其最佳操作条件的情况下运行。虽然市场上肯定有更高效的泵，但我们对该泵的效率进行相当保守的估计，即 80%。

从数字来看，此图显示您需要为该系统提供不到 2 倍的有效输出功率。

如果我们将这些发现与原始系统进行比较，我们可以看到使用变压器可以减少三分之二的能源使用。当然，这些只是基于假设的计算和估计。但正如您所看到的，节能潜力巨大。

我们想知道这些变压器在实际用例中的表现如何。这就是为什么我们目前正在与一家 OEM 合作，在实际机器中构建这些样机变压器。我们非常期待知道我们是否能够实现这些节能目标。

感谢您的关注！

原文始发于微信公众号（液压传动与控制）：液压变压器的效率定义以及FCT80的第一个测试结果