高能量密度弹性储能器及其使用方法

摘要

本发明是储能器，该储能器通过响应于加压流体的流动而从它的原始形状变形，进而存储能量。当流体流动反向且储能器返回到它的原始形状时，返回所存储的能量。所述储能器的新颖之处的至少一个部分是它吸收可伸展囊的弹性应变能量，而不是如同在传统的储能器中通常看到的那样依靠气体和金属用于能量存储。

权利要求

1.一种储能器，包括：

具有恒定的未伸展直径的管状可膨胀构件，其中所述管状可膨胀构件具有开口端和闭合端，其中所述管状可膨胀构件具有大约1000psi的最小屈服强度，其中所述管状可膨胀构件具有大约100％的最小伸长率，其中所述管状可膨胀构件能存储最小20kJ的应变能量；

外壳，所述外壳围绕所述管状可膨胀构件，使得完全膨胀构造的所述管状可膨胀构件被容纳在所述外壳内，其中所述外壳将所述管状可膨胀构件的径向膨胀限制为小于所述管状可膨胀构件的最大不受拘束径向膨胀的膨胀点，其中所述外壳和完全膨胀构造的所述管状可膨胀构件在所述外壳的管状内腔和所述管状可膨胀构件的闭合端之间限定空隙。

2.如权利要求1所述的储能器，进一步包括与所述管状可膨胀构件流体连通的液压流体源。

3.一种储能器，包括：

囊，其中所述囊具有第一端，其中所述第一端限定开口，使得流体能进入所述囊以径向地和轴向地膨胀所述囊，其中所述囊是弹性体；

具有第一端的罩壳，其中所述罩壳围绕所述囊，其中所述罩壳限制所述囊的径向膨胀，使得所述囊不会伸展到所述囊的最大不受拘束径向膨胀，其中所述罩壳的长度大于完全膨胀构造的所述囊的长度，其中所述罩壳的第一端限定围绕所述囊的开口的第一开口，使得流体能进入所述罩壳到所述囊中；

其中所述罩壳限定第二开口，使得当所述囊填充流体并且在所述罩壳内膨胀时空气可以排出所述罩壳。

4.如权利要求3所述的储能器，进一步包括在所述罩壳上的润滑剂，从而润滑所述囊和所述罩壳之间的接触。

5.如权利要求3所述的储能器，其中所述囊是聚氨酯。

6.如权利要求3所述的储能器，其中所述囊是丁腈橡胶。

7.如权利要求3所述的储能器，其中所述囊具有圆形横截面形状。

8.一种储能器，包括：

膨胀构件，其中所述膨胀构件限定用于流体源进入和流出的开口，其中所述膨胀构件具有内表面和外表面，其中所述膨胀构件适于响应于流体连通而从第一构造膨胀到完全膨胀的第二构造，并且然后返回到第一构造；

围绕所述膨胀构件的刚性支撑结构，其中所述刚性支撑结构的内直径小于所述膨胀构件在它膨胀到最大不受拘束径向膨胀时的外表面的直径，其中所述刚性支撑结构的长度大于第二构造的所述膨胀构件的长度；

与所述膨胀构件流体连通的流体源；

用于提供所述膨胀构件和所述流体源之间的流体连接的管道。

9.如权利要求8所述的储能器，其中所述膨胀构件是可重复膨胀的材料。

10.如权利要求8所述的储能器，其中所述膨胀构件的内表面具有轴向凹槽，所述轴向凹槽在所述构件的长度上延伸，使得所述构件的膨胀能使所述凹槽膨胀。

11.如权利要求8所述的储能器，其中在所述膨胀构件的开口附近所述膨胀构件的厚度减小，使得当流体进入所述构件时所述构件的膨胀在这个位置处开始。

12.如权利要求8所述的储能器，其中所述刚性支撑结构具有圆形横截面形状。

13.如权利要求8所述的储能器，其中所述刚性支撑结构具有大约2000psi的最小压力额定值。

14.如权利要求8所述的储能器，其中所述刚性支撑结构具有排气孔。

说明书

高能量密度弹性储能器及其使用方法

[0001] 本申请要求2009年4月6日提交的、发明名称为“高能量存储密度弹性体储能器”的第61/167,073号美国临时专利申请的优先权，其以引用的方式被全文结合到这里。

[0002] 我们知道，居住在4601Park Ave.，Nashville，TN 37209的美国公民Eric J.Barth；居住在513Cedar Brook Lane，Nolensville，TN 37135的美国公民Alexander V.Pedchenko；居住在846Shoreline Cricle，Ponte Vedra Beach，FL32082的美国公民Karl Brandt；和居住在1130South Tamarisk Drive，Anaheim Hills，CA 92807的美国公民Oliver E.Tan，已经发明了新的和有用的“高能量密度弹性储能器及其使用方法”。

[0003] 关于联邦政府资助的研究或开发的声明

[0004] 本发明部分地获得了国家科学基金会的小型和高效流体动力工程研究中心下的联邦政府资助款，资助号为0540834。美国政府在本发明中具有某些权利。

[0005] 参考的微缩胶片附录

[0006] 不适用。

背景技术

[0007] 储能器设计中的一个最紧迫的挑战是制作可以用在多种工业中的轻量装置。液压储能器是一般用来提供补充性的流体动力且吸收震动的能量存储装置。这些装置的一个尤其有趣的最近应用是再生制动。尽管在理论上是吸引人的概念，但是，由于传统的储能器的一些主要的固有缺陷和不理想的性能，液压再生刹车(HRB)是难以实现的。

[0008] 气囊储能器和预先充气的活塞式储能器(PAGPs)使用气体进行能量存储，并且因此，是比它们的弹簧活塞对应部件轻很多的。在这些储能器中，被囊或活塞分离开的气体，占据否则被不可压缩的流体填充的容器的一定容积。当强迫流体进入这个容器时，分离的容积内侧的气体被压缩并且将能量存储在热域(thermal domain)中(气体动力学理论)。这种储能器有两个严重的缺点：1)由于热损失导致效率低下；和2)气体通过囊扩散到液压流体中。由于热损失而引起的无效率的缺点是可克服的，但是气体扩散问题引起与气体通常从流体出来的“放出(bleeding)”相关的高维护成本。

[0009] 关于效率低下，如果不很快取回存储在这种储能器的压缩气体中的能量，热从气体流到它的紧邻围绕物导致能取回的能量更少。已经示出，当气体压缩和膨胀之间经过的时间低至50秒时，活塞式气体储能器的效率能降低到大约60％。Pourmovahed，A.，Baum，S.A.，Fronczak，F.J.，和Beachley，N.H.，1988.“Experimental Evaluation of Hydraulic Accumulator Efficiency With and Without Elastomeric Foam”.Journal of Propulsion and Power，4(2)，March-April，pp.188。因为在红灯时保持这么长时间或更长时间车辆保持固定不动，这使得气囊和预先充气的活塞式储能器对于HRB应用来说不是理想的。已经提出了减轻这些热损失的几种方法。对于预先充气的活塞式储能器，一种方法包括将弹性体泡沫放置在气体壳体(enclosure)中。这个泡沫起到吸收在气体压缩期间产生的热的目的，否则的话在所述气体压缩期间产生的热被传递到气体壳体的壁，并且最终损失掉。泡沫能收集大量的这种产生的热并且当气体膨胀时能将它返回给气体。根据Pourmovahed，“将合适量的弹性体泡沫插入到气体壳体中…[能]实质上消除热损失”。Pourmovahed，A.，Baum，S.A.，Fronczak，F.J.，和Beachley，N.H.，1988.“Experimental Evaluation of Hydraulic Accumulator Efficiency With and Without Elastomeric Foam”.Journal of Propulsion and Power，4(2)，March-April，pp.188。包括弹性体泡沫已经显示能如何改进储能器的效率，然而，这种修改仍不能解决与现有储能器相关的其它问题。

发明内容

[0010] 本发明披露了用于依靠应变材料而存储液压能量的储能器。所披露的储能器可以用来接纳流体，诸如液压流体，以在储能器内膨胀弹性囊。储能器将保持所存储的应变能量直到释放流体，从而弹性囊返回到第一构造。在某些实施方式中，储能器包括具有恒定的未伸展的直径的管状可膨胀构件，诸如囊，其中管状可膨胀构件具有开口端和闭合端，其中所述构件具有大约1000psi的最小屈服强度，其中所述构件具有大约100％的最小伸长率，和外壳，所述外壳围绕所述构件，使得所述膨胀构件被容纳在所述外壳内，其中所述外壳将所述构件的径向膨胀限制到小于所述构件的最大不受拘束径向膨胀的膨胀点。本发明的其它实施方式包括与所述管状可膨胀构件流体连通的液压流体源。本发明的另一实施方式是一种储能器，所述储能器包括囊，其中所述囊具有第一端，其中所述第一端限定开口，使得流体可以进入所述囊以径向地和轴向地膨胀所述囊，其中所述囊是弹性体；具有第一端和第二端的罩壳，其中所述罩壳围绕所述囊，其中所述罩壳限制所述囊的径向膨胀，使得所述囊不会伸展到所述囊的最大不受拘束径向膨胀，其中所述罩壳的第一端限定围绕所述囊的开口的开口，使得流体可以进入所述罩壳到所述囊中；其中所述罩壳限定第二开口，使得当所述囊填充流体并且在所述罩壳内膨胀时空气可以排出所述罩壳。所述储能器的其它实施方式包括在所述罩壳上的润滑剂，使得所述囊和所述罩壳之间的接触被润滑。在所述储能器的再其它实施方式中，所述囊是弹性体，诸如聚氨酯或丁腈橡胶。在所述储能器的再其它实施方式中，所述囊具有圆形横截面形状。本发明的另一实施方式是一种储能器，该储能器包括膨胀构件，其中所述膨胀构件限定用于流体源进入和流出的开口，其中所述膨胀构件具有内表面和外表面，其中所述膨胀构件适于响应于流体连通而从第一构造膨胀到第二构造，并且然后返回到第一构造；围绕所述膨胀构件的刚性支撑结构，其中所述刚性支撑结构的内直径小于所述膨胀构件的在所述膨胀构件膨胀到最大不受拘束径向膨胀时的外表面的直径；与所述膨胀构件流体连通的流体源；和用于提供所述膨胀构件和所述流体源之间的流体连接的管道。在所述储能器在再其它实施方式中，所述膨胀构件是可反复地膨胀的材料。在所述储能器的其它实施方式中，所述膨胀构件的内表面具有轴向凹槽，所述轴向凹槽沿所述构件的长度延伸，使得所述构件的膨胀能膨胀所述凹槽。在所述储能器的更其它实施方式中，在所述膨胀构件的开口附近所述膨胀构件的厚度减小，使得当流体进入所述构件时所述构件的膨胀在那个位置处开始，因此通过促进滚动运动而减少构件在刚性支撑结构上的滑动。在本发明的更其它实施方式中，所述刚性支撑结构具有圆形横截面形状。在本发明的再另一实施方式中，所述刚性支撑结构具有至少2000psi的压力定额。在本发明的更另一实施方式中，所述刚性支撑结构是有排气孔的。

[0011] 因此，本发明的一个方面是提供利用应变能量存储液压能量的储能器。

[0012] 本发明的另一方面是提供用于通过使用可膨胀的储能器存储能量的方法。

[0013] 本发明的再另一提供是提供小型的和轻量的储能器，使得它可以用在客车上。

附图说明

[0014] 图1是本发明的一实施方式的分解图的透视图。在其内示出了由刚性外壳设备围绕的管状可膨胀囊。

[0015] 图2是本发明的一实施方式的横截面图。示出了具有囊的储能器。囊被保护性外壳围绕。囊是空的并且处于未膨胀的构造。当囊填充加压流体并膨胀时这种构造将变化，如同在图3和4中所示的那样。

[0016] 图3是图2中所示的实施方式在一些加压流体开始膨胀所述囊之后的横截面图。这个图和图4没有示出提供加压流体的流体源或流体管道。在图7中示出了那些物品。

[0017] 图4是图3中所示的实施方式在更多的加压流体膨胀所述囊之后的横截面图。在其内示出了充满流体已经完全膨胀了的囊。囊紧缩的相反过程将在压力下强制地排出流体。也示出了保护外壳限制所述囊的径向膨胀。

[0018] 图5是这里所描述的囊的一实施方式的横截面图。在其内示出了轴对称地或以其它方式的、在囊的开口附近的切口，其减少囊的厚度，以促使囊的径向膨胀在那个位置开始。

[0019] 图6是囊连接到流体管道的一实施方式的侧视图。在其内示出了由压缩环和连接螺母围绕的囊的颈部。当连接螺母紧固到流体管道的螺纹部分时所述囊的颈部与流体管道流体连接。

[0020] 图7是本发明的一实施方式的侧视图。在其内示出了与储能器流体连通的流体源，诸如车辆的液压流体系统。当液压流体通过流体管道进入在保护罩壳内的囊时，存储应变能量。如果附接的液压系统允许流体在由囊的强有力的紧缩供应的压力下流出所述囊，那么本发明将以液压能量的形式释放它的存储的应变能量。两个托架将罩壳附接到车辆的另一部件(未示出)，从而以稳定的方式设置所述罩壳。

[0021] 图8是在图7中所示的本发明的实施方式的沿着图7中所示的线的横截面图。在其内示出了罩壳和囊。

[0022] 图9是囊的另一实施方式的横截面图。不是具有如同图8的实施方式的囊所示的圆形内表面，这个另一实施方式具有带有凹槽的内表面。

[0023] 图10是用于测试囊的系统的一实施方式的示意性的图表，如同这里进一步描述的那样。

[0024] 图11是操作图10中所披露的系统的方法的步骤的示意性的图表。

[0025] 图12示出了被称作NBR6212的材料的三个样品的应力-应变曲线，如同这里进一步描述的那样。

具体实施方式

[0026] 本发明披露了具有管状可膨胀囊12的弹性储能器10，所述管状可膨胀囊12可反复地膨胀和基本返回到它的原始形状而不会疲劳。外壳14围绕储能器10的囊12，所述外壳14限制所述囊12的径向膨胀，以防止过渡膨胀导致的囊12的塑性变形。在使用时，流体，诸如液压流体，在压力下进入囊12并且将囊12膨胀到与外壳14相接触的点。当期望取回所存储的能量时，使流体流动反向并且强制排出流体，随着囊12恢复到它的原始形状和构造，将应变能量转变回成液压能量。

[0027] 现在参考图1，示出了本发明的一实施方式的分解图。储能器10包括在外壳14内的管状可膨胀囊12。囊12的颈部18附接到流体管道28，使得囊12的本体22可以如同这里所披露的那样地膨胀和缩回。外壳14的第一端24包括与囊12的用于流体流动的开口28相对准的开口26。在某些实施方式中，囊12可以通过开口26被插入到外壳14中。

[0028] 液压储能器

[0029] 作为背景技术，对于液压储能器，使用下面的等式能得到最高可达到的系统的体积能量密度：

[0030]

[0031]

[0032] 其中Vfluid是用于能量存储的流体的体积，Estored是存储在系统中的能量的量，P是能量存储发生时的压力，Vstorage_device是能量存储装置的体积(其中能量存储装置被定义为除了加压流体之外的每件事物)，并且estorage_device是能量存储装置的体积能量密度。使用等式(1)和(2)并结合体积能量密度的定义，我们得到系统的体积能量密度，esystem：

[0033]

[0034] 本发明是紧凑的、轻量的能量存储装置。本发明具有低的制造成本和低的/没有维护成本。在本发明的某些实施方式中，高能量密度储能器10可以用在连接到液压驱动系统的流体动力式汽车再生刹车系统(液压混合动力)中。这种高能量密度的储能器10适于串联的或并联的液压混合动力车辆。对于小型到中型客车(储能器系统的能量密度>10kJ/升)来说，在可接收的重量和体积的成套设备中，在峰值功率为90kW时，需要200kJ的能量(在35mph时3500lbs)的能量存储(在4.5秒内从35mph到零)。本发明目标是通过以下方式消除传统储能器的问题，(i)减少制作成本，(ii)通过避免气体预先装载的使用而消除由气体扩散引起的维护需求，和(iii)很大程度上减少由于传递到环境的热而引起的能量损失。部分地，因为本发明使用不传统地用在现有储能器中的能量存储机构，避免了传统储能器的一些问题。

[0035] 作为背景技术，传统的刹车系统使用刹车片和刹车盘之间的摩擦使车辆慢下来。这种方法导致能量被浪费为热。相反，再生刹车利用在刹车期间车辆的动能，而不是让它以热的形式浪费掉。这种收集的能量然后能用在车辆加速，因此增加燃料效率。液压再生刹车(HRB)，尤其是，通过车轮将流体泵送到抵抗该流体流动并且存储所产生的车辆的动能减少的装置，而使轮转速降低。尽管在理论上是吸引人的概念，由于传统的储能器的一些主要的固有缺陷，液压再生刹车是难以实现的。

[0036] 弹簧活塞式储能器的阻碍它们用在HRB中的主要缺陷是它们的低重量能量密度。使用线性分析，弹簧钢和钛合金具有大约1到1.5kJ/kg的重量能量密度。M.F.Ashby，Materials Selection in Mechanical Design，Pergamon，Oxford，1992。因此，为了存储足以将中型4门轿车(质量＝3500lb(1590kg))从35mph(15.65m/s)静止下来的能量，储能器弹簧将不得不重约130kg到195kg。在汽车制造时车辆重量最小化是至关重要的，包括这种重部件将是非常不切实际的。

[0037] 本发明的设计

[0038] 为了确保本发明的设计适于在用于客车的HRB中实现，存在大体性能标准，其包3
括：(i)在峰值功率为90kW时能存储200kJ的能量；(ii)5MJ/m或以上的体积能量密度；
(iii)5kJ/kg或以上的重量能量密度。通过使用下面的等式四(“Eq.(4)”)表达的动能的经典力学等式达到200kJ的存储能力的需求，其中Ek是动能，单位为焦耳(“J”)，m是质量，单位为kg，并且v是速度，单位为米每秒(m/s)。

[0039] Ek＝1/2mv2 (4)

[0040] 普通的4门轿车具有大约m＝3500lbs(1590kg)的质量。在不旋转的简化假定下(允许使用Eq.(4))工作，这个重量的车是经历v＝35mph(56.3km/h)的平移刚性本体运动的点质量，Ek＝194,713J≈200kJ。这个数字表示在传统刹车中为使车辆停止而将被散失为热的能量的量。在HRB中，这是系统应当吸收的能量的量，假如有100％的效率。

[0041] 为了确保储能器10将不显著地增加车辆的重量，重量能力密度需求被规定为5kJ/kg。在这种约束下，能存储200kJ的能量的储能器10的重量将不多于40kg，不包括(barring)工作流体。体积能量密度限制被选择成类似于钛合金的体积能量密度。这限制
3
了确保储能器10将不占据多于0.04m，不包括工作流体。

[0042] 为了了解哪种材料满足能量密度需求，使用CES Material Selector version4.8.0，其是易于从商业上得到的，例如从Granta Design Limited得到。所述CES Material Selector是具有大量材料和制造方法数据库的软件包；之所以使用它，尤其是因为它的图形地比较用户限定的材料的性能的能力。在最初选择过程时，所有材料组都被考虑。在假设为线性弹性的情况下，用Eq.(5)计算某些组的材料的体积能量密度值，[0043] u＝(σy2)/(2E) (5)

[0044] 其中u是材料的体积能量密度，单位为J/m3，σy是材料的屈服应力，单位为Pa，并且E是材料的弹性模量，单位为Pa。然后通过简单地用从Eq.(5)获得的给定材料的体积能量密度u除以它的单位为kg/m的质量密度ρ，计算用w表示的、单位为J/kg的材料的重量能量密度，如同在Eq.(6)中所示的那样，

[0045] e＝u/ρ (6)

[0046] 几种弹性体材料以具有比其它材料家族所展示出的那些体积和重量能量密度值更高的体积和重量能量密度值而著名。关于这些弹性体材料，对于能量密度而言，聚氨酯和天然橡胶不仅极大地超过特定目标规格，而且超越这些种类中的所有其它材料。事实上，聚氨酯的重量能量密度比钛合金的重量密度高大约两个数量级。尽管橡胶和聚氨酯看起来都是用于囊12的结构体的合适的材料，但是由于更大可能的最大值和它的商业上的可得到性，在某些实施方式中，聚氨酯是用于这里所描述的发明的材料的良好选择。这里指出它是重要的，即，应变硬化使弹性体的线性弹性的应用使得实际上需谨慎地使用。为了获得能量存储能力的更加准确的估算值，应当考察材料的应力-应变曲线。

[0047] 来自初步测试的结果允许全尺寸的储能器10的体积和重量以及囊12的合适材料结构的初始预测。初始的初步测试包括使用乳胶管，所述乳胶管一端用帽封住并且在另一端处通过使用具有压力计的泵加压。最初，随着空气被强制进入到这个圆柱形弹性体容器中，增加的压力引起体积的非常轻微的增加。当压力达到大约17psig(218.6kPa)时，管在第一区域中突然膨胀。紧接着这之后，压力降到大约13psig(191.0kPa)。然后随着更多空气被强制进入乳胶圆柱体中，压力逗留在这个新值同时体积继续增加。也就是说，径向膨胀沿着轴向继续进行。下面结合囊12的结构体的材料的选择，概念性地进一步讨论这种类型的膨胀行为。在这种类型的膨胀行为之后的储能器10可以具有用Eq.(7)估算的存储在储能器10中的能量。

[0048] Eest＝Phold(Vf-Vi) (7)

[0049] Eest是所存储的能量的估算值，单位为J，Phold是径向膨胀传播时的恒定表压，单位为Pa，Vinit是在储能器10被装载之前容纳工作流体的储能器10所占据的初始体积，并且3
Vf是在装载结束时容纳工作流体的储能器10所占据的最大体积，单位为m 。

[0050] 使用Eq.(7)并且使Eest等于195kJ，对于不同的Phold值可以获得多个(Vf－Vinit)估算值。此外，假如使用具有与液压流体类似密度的工作流体(采取的是ρhyd＝890kg/3
m)，所获得的(Vf－Vinit)估算值接着用来获得单位为kg的系统质量近似值Mf的变化。对于不同的Phold值，(Vf－Vinit)和Mf的值将导致195kJ的能量存储，如同下面所示的那样。
这些值是工作流体的体积和质量的估算值。

[0051]

[0052] 如同上面能看到的那样，对于能用在3000psig和5000psig之间的范围内的Phold值起作用的储能器系统，在装载之前，囊12的外侧的工作流体被估算为重量在大约11lbs3 3 3 3
和19lbs(5kg和9kg)之间并且占据0.2ft和0.33ft (0.006m和0.009m )之间。尽管这些质量和体积值不考虑囊的初始体积和质量，它们的小量级用来指示弹性体储能器10应当在理论上是HRB应用的可行选项。

[0053] 囊性能

[0054] 为了检查所构造的囊12的第一实施方式的特性，构建了系统100。在本发明的一实施方式中，囊12由Andur RT 9002AP构成，其是可从密歇根州的Anderson Development Company of Adrian商业上得到的聚氨酯。囊12是可室温固化的聚氨酯，其允许使用一次性蜡模铸造囊12，所述一次性腊模随后从最终囊12熔化掉。下面列出了Andur RT材料的由厂家指定的几个机械性能。材料具有高最大延长率同时也维持相对高的弹性模量，使得它是用于储能器10的可行材料的候选。

[0055]

[0056]

[0057] 下面是由Andur RT 9002AP构成的囊12的尺寸：3.5英寸长，和从大约1.5英寸到大约1.8英寸的厚度。

[0058] 使用每单位体积所存储的能量的等式，Eq.(8)，结合估算应力-应变曲线的多项式，允许获得材料的不同伸长比的理论上的体积能量密度值。

[0059] u＝∫σdε (8)

[0060] 在Eq.(8)中，σ是应力(Pa)，ε是伸长比，并且εf是计算体积能量密度时的伸长比。对于在400％和600％(εf＝4和εf＝60)之间的伸长，这个等式预测囊12具有在25.6MJ/m3和45.0MJ/m3之间的体积能量密度。现在参考图10，示出了用于囊12的测试系统100，其包括125psig压力源102，压力源102附接到第一螺线管阀104，第一螺线管阀104附接到第二螺线管阀106，第二螺线管阀106分别附接到两个2升的压力罐108和112。
第三螺线管阀112附接到罐108和110。第三阀112附接到阻尼阀(orifice valve)114，流量计116，压力传感器118，安全释放阀120，施克拉德阀(schrader valve)122和囊12。
125psig(963kPa)驱动压力起作用以强制水进入囊12中。最初，从螺线管阀(SV)1104通向两个2L的压力罐108和110的管线被拆卸，并且从罐到囊12的系统被填充水。为了确保正确的结果，通过使用附接在施克拉德阀122处的手持式真空泵，排出系统的填充了水的部分的空气。额外的水被灌注到罐108和110中，补偿由于排出过程导致的损失。然后关闭所有的SV并且将来自SV1104的管线重新附接到压力罐。

[0061] 使用计算机完成所有阀的控制和传感器数据的采集，这是本领域普通技术人员已知的。可手动调节的阻尼阀114被设置到单独的测试运行之间的特定位置。增量式调节这个阀允许确定能量存储的不同速率的装载/卸载的影响。根据图11中所示的方法的步骤进行各独立的测试运行。简要地，方法在200处开始，在用如下发生的步骤指示的位置处：(1)关闭SV1、2和3，202，(2)打开SV1，204，(3)打开SV3,206，(4)在一段时期(T3)过去之后，关闭SV3，208，(5)关闭SV1，210，(6)打开SV2，212，(7)在预计的保持时间(Th)过去之后，打开SV3以释放工作流体，214，和(8)等待一段时间(Td)，用于使系统变得减压，216。

[0062] 求来自流量计(Q)116和压力传感器(P)的即时读数的积分，如同在Eq.(9)中所示的那样，以获得存储在囊12中和从囊12取回的能量。

[0063] E＝∫PQdt (9)

[0064] 其中to是SV3112打开的时间，并且tf是SV3112关闭的时间。当水正在流入囊12中时，Eq.(7)中的E表示能量存储(Ein)并且tf－to＝T3。当水正在流出囊12时，Eq.(7)中的E表示能量取回(Eout)并且tf-to＝Td

[0065] 这些值用来计算储能器的体积能量密度(Evp)，存储器的重量能量密度(Egρ)和系统的能量效率(η)。获得储能器10的能量密度值和储能器材料的能量密度值之间的差别是重要的。不同在于储能器10的能量密度包括在它们的计算中的工作流体的重量和体积，而储能器材料的能量密度不包括，通过使用Eq.(10)确定Evρ，

[0066] Evp＝(Ein)/V0+∫Qdt (10)

[0067] 其中Vo是在储能器10被加压之前囊12和工作流体的原始体积。由Eq.(11)确定Egρ，

[0068] Egp＝(Ein)/m0+∫Qdt·ρw (10)

[0069] 其中mo是在储能器被加压之前包括工作流体的储能器的原始质量，并且ρw是水的密度。最后，使用Eq.(12)确定η。

[0070] η＝(Eout/Ein)×100％ (12)

[0071] 为了确定大量加载/卸载循环对囊12的能量存储能力和效率是否有显著有害的影响，对于可手动调节的阻尼阀的各个位置，测量几次Evρ，Emρ和η。

[0072] 使用为由Andur RT 9002AP(ρPUa≈1039kg/m3)构成的囊12的前面所提及的伸长和质量密度而获得的体积能量密度的估算值，可以估算能存储195kJ的囊12的体积和质3 3
量。取决于所使用的伸长率，囊12被预测成由0.0043m到0.0076m 的材料制成并且重量为4.50kg和7.90kg之间的值。将这些值添加到较早讨论的工作流体规划中，可以得到系统能量密度的估算值。近似参数在下面被示出了并且应当被认为是估算值，因为它们的导出不包括囊12中的装载之前的工作流体的原始体积(相对于存储在囊中的液压流体的最终体积来说，期望是小的)，和其它系统部件诸如控制工作流体的流动所需要的装备。估算的系统能量密度(系统被定义为用于能量存储的弹性体材料和液压流体部分)：系统体积(升)：10.3(上限(upper bound))，16.6(下限(lower bound))；系统质量(kg)：9.57(上
3
限)，16.27(下限)；系统体积能量密度(MJ/m)：18.93(上限)，11.27(下限)；系统重量能量密度(kJ/kg)：20.38(上限)，11.99(下限)。

[0073] 现在参考图12，示出了被识别为NBR 6212并且由Gates Corporation制造的丁腈橡胶的现有形式的三个单独的样品的应力-应变曲线。这个材料的应力应变曲线显示，材3
料的有用的体积应变能量密度是33MJ/m，其用“星号”标记。如果由这个材料制造的并且能存储加压到34.5Mpa的流体的囊展示出与其它超弹性材料诸如橡胶相同的相对恒定的压力体积膨胀，等式3能用来以下面的方式得到系统的能量密度。

[0074] 为了存储200KJ：所需要的材料体积：200KJ/33MJ/m3＝0.0061m3(6.1L)[0075] 所需要的流体体积：200KJ/34.5MJ/m3＝0.00565m3(5.65L)

[0076] 所需要的总体积：0.0061m3+0.00565m3＝0.01175m3(11.7L)

[0077] 理想的体积系统能量密度：200KJ/0.01175m3≈17MJ/m3

[0078] 由NBR 6212构成的储能器10的理想的体积系统能量密度稍小于所陈述的体积系统能量的上限。

[0079] 本发明的实施方式

[0080] 现在参考图2，示出了储能器10的横截面图。在图2-4中示出了当流体30在压力下正在进入膨胀中的囊12时囊12的膨胀的进展。通常，囊12的径向膨胀在囊12的颈部18附近开始。囊12的径向膨胀受到外壳14的限制。如同在图2-4的进展中所示的那样，囊12的径向膨胀沿着囊12轴向地延伸。囊12的本体22从它的图2中所示的原始形状，第一构造，膨胀到图4中所示的第二构造，其正在存储能量。在本发明的某些实施方式中，外壳14可以具有排气孔32，当囊12的本体22膨胀到第二构造时空气可以通过所述排气孔32排出外壳14。在图7中示出了这种排气孔32的一实施方式。在某些实施方式中，排气孔32是用于所陈述的目的的足够大小的开口。排气孔32的特定位置不是关键的。在某些实施方式中，外壳14可以具有多个排气孔32。在再其它实施方式中，排气孔32可以包括过滤材料，诸如GORE- ，使得颗粒和碎屑不能进入外壳14，因为它们可能导致损坏囊12。

[0081] 如同这里所使用的那样，囊12也可以被称作膨胀构件，或其它合适的术语，其是这里所披露的功能的描述。在某些实施方式中，囊2由能执行这里所描述的功能的材料构成。在本发明的某些实施方式中，囊12是弹性体。在其它实施方式中，囊12是聚氨酯、丁腈橡胶、聚异戊二烯或天然橡胶。这种材料是易于从商业上得到的，诸如从科罗拉多州的Gates Rubber Corporation of Denver。在本发明的某些实施方式中，囊12可以由Gates Corporation的NBR 6212丁腈橡胶构成。在本发明的再其它实施方式中，用于囊12的合适的能量存储材料是具有高体积能量密度、高重量(或者尤其是质量)能量密度、和有效地存储所吸收的能量大约数分钟的持续时间的能力的材料。在本发明再其它实施方式中，囊12可以由本领域普通技术人员已知的合适的另外的已知材料构成。本领域普通技术人员熟悉用来制造具有如同这里所描述的那样的性能和特性的囊12的模制和构造技术。而且，这些制造工作是易于从商业上得到的。

[0082] 囊的有效的能量存储

[0083] 如同这里所使用的那样，屈服强度具有与本领域普通技术人员已知的相同的意思。也就是说，材料的屈服强度是材料开始塑性变形时的应力。最小屈服强度意味着材料具有至少给定的psi的屈服强度。例如，在本发明的某些实施方式中，囊12具有大约1000psi的最小屈服强度。

[0084] 在本发明的某些实施方式中，囊12的结构材料是展示出至少1的应变的弹性行为的材料。在本申请中，上面初始讨论了应力-应变曲线。应力-应变曲线提供关于材料的膨胀行为的信息。多种弹性体材料显示出超弹性的膨胀行为。这种材料是非常适于用作囊12的。这些材料能被制作成可高伸展的囊，对于填充体积的范围来说，所述囊能产生相对平坦的压力-体积曲线。也就是说，当体积增加时，压力保持恒定。在由非常适于用在囊12中的超弹性材料制成较小囊中观察到的另一个有利特性，是自始至终直到失效，没有能量密度和往返变形效率的统计学上的显著减低。囊12的较小比例的原型的疲劳测试显示：
直到失败，执行特性没有退化。使用ABAQUS软件建立初始有限元分析模型，ABAQUS软件是可从商业上得到的，在罗德岛州具有办事处的Dassault Systems S.A.，商标为在SIMULIA。
因此，能用来形成具有大体上平坦的压力-体积曲线的流体容器的材料是所期望的用于用在囊12的构造的材料。

[0085] 如同在图1-4中最好地看到的那样，囊12被容纳在外壳14之内，并且可以具有大体上圆柱形的形状。在本发明的再其它实施方式中，囊12可以具有类似的形状，诸如卵形、八边形、六边形或类似形状，如同本领域技术人员通常已知的那样。因此，在本发明的某些实施方式中，外壳14也可以具有这种类似形状。

[0086] 在本发明的某些实施方式中，囊12可以具有大约30到大约40英寸的长度。在其它实施方式中，长度可以是从大约31英寸到大约35英寸。在本发明的某些实施方式中，囊12未膨胀时可以具有大约4英寸的外表面直径和大约2英寸的内表面直径，意味着囊12具有大约1英寸的厚度。在本发明的其它实施方式中，囊12在闭合端36处的厚度具有大约
4英寸的厚度。

[0087] 在本发明的某些实施方式中，外壳14，也被称作罩壳或刚性支撑结构，的比例与囊12的尺寸特性相关。外壳14用于将囊12的径向膨胀限制到小于囊12的最大不受拘束径向膨胀的膨胀点。外壳14的使用已经示出，当在膨胀期间外壳14将囊12的最大外直径限制到当膨胀是不受限制的时所能获得的外直径的大约63％时，将小型囊的疲劳寿命延长至
4.5倍。因此，在本发明的某些实施方式中，外壳14在膨胀期间将囊12的最大外直径限制到当膨胀不受限制时所获得的外直径的大约50％到大约70％。在本发明的再其它实施方式中，外壳14在膨胀期间将囊12的最大外直径限制到当膨胀不受限制时所获得的外直径的大约60％到大约65％。在本发明的再其它实施方式中，外壳14在膨胀期间将囊12的最大外直径限制到当膨胀不受限制时获得的外直径的大约63％。进一步地，外壳14的使用获得更高的保持压力、更高的能量密度，并且用来使应力在整个囊12上的分布更均匀。因此，与在上段中所披露的囊12的尺寸特性相关，在某些实施方式中，外壳14可以具有大约55英寸到大约65英寸的长度。在本发明的其它实施方式中，外壳14的长度可以是大约59英寸到大约63英寸。在本发明的某些实施方式中，外壳14的直径是大约8.25英寸。在本发明的再其它实施方式中，外壳14的直径可以是从大约7英寸到大约9英寸。在本发明的再其它实施方式中，外壳14的厚度是从大约0.12英寸到大约0.14英寸。在本发明的再其它实施方式中，外壳14的厚度可以是从大约八分之一英寸到大约四分之一英寸。如同本领域普通技术人员已知的那样，外壳14的厚度取决于外壳14的所期望的最大额定压力。在本发明的某些实施方式中，外壳14具有至少2000psi的压力定额。如同下面进一步指出的那样，本领域普通技术人员理解，当所期望的能量存储能力改变时，本发明的尺寸可以改变。

[0088] 仍然参考外壳14，除了厚度之外，结构的材料是有关的。在本发明的某些实施方式中，外壳14的结构材料是刚性结构材料。在本发明的某些其它实施方式中，外壳14由钢、碳纤维、聚碳酸酯、编织的压力容器材料、玻璃纤维、铝或类似材料构成。这种材料的外壳14的制作方法对本领域普通技术人员来说是众所周知的，并且这种制作服务工作是易于从商业上得到的。如同本领域普通技术人员已知的那样，这里所披露的发明是可按比例缩放的以达到所期望的能量存储的量。因此，尽管这里提供了特定尺寸，但是本领域普通技术人员熟悉那些尺寸的修改，以基于储能器10所应用的工业达到特定的能量存储特性。

[0089] 现在参考图5，示出了从囊12的侧部观察到的横截面图。在所示的囊12的实施方式中，切口34存在于囊12的颈部18附近，以减少囊12的厚度。在那个特定位置处的较薄的壁导致囊12的径向膨胀的开始点。因此，如同在图2-4中最好地看到的那样，径向膨胀在囊12的颈部18附近开始并且沿着囊12的长度轴向向下前进。这种膨胀减少与囊12的不可预测的膨胀相关的不期望的结果的可能性，诸如弯曲、扭曲或干扰。切口34的特定形状，诸如卵形、或类似形状，对本领域技术人员而言是已知的。

[0090] 现在参考图6，示出了本发明的一实施方式，其中囊12具有延伸超过外壳14的颈部18。在本发明的某些实施方式中，颈部18的长度可以是从大约1.5英寸到大约3.5英寸。图6示出了将囊12的颈部18附接到流体管道18的夹具40的单独零件。尤其是，示出了在压缩环42上滑动并且螺纹地啮合流体管道38的螺纹元件的连接螺母44的侧视图。当转动连接螺母44时，囊12与流体管道38流体连通。导致流体连通的其它类型的夹具对本领域普通技术人员而言是已知。

[0091] 现在参考外壳14，外壳14的颈部18具有开口26，在某些实施方式中，所述开口26具有大约4.25英寸到大约6.25英寸的直径。外壳14的开口26的大小被设定成大于囊12内的开口28。在本发明的某些实施方式中，尽管囊的颈部18可以接触外壳14的开口26，但是囊12和外壳14不直接连接。囊12设置在外壳14内。外壳14附接到另一结构构件，使得囊12不折叠、扭转或以其它方式经历不期望的应变，这会妨碍它的功能，如同这里所描述的那样。在本发明的某些实施方式中，外壳1所附接到结构构件可以是支撑结构，或类似结构，其位于在例如储能器在其中起作用的车辆，或其它装置内的外壳14的位置附近。在本发明的再其它实施方式中，储能器10可以用在车辆中，使得外壳14固定地附接到在其附近的车辆结构部件。在本发明的再其它实施方式中，外壳14可以附接到夹具40。

[0092] 现在参考图7，示出了可以用在车辆中的储能器10的实施方式。为了工作，储能器10需要流体源37。流体源37，它可以是液压泵或者能在所期望的压力下提供流动的任何机构，将是用于经由流体流动为储能器10提供能量的能量源，储能器10将其存储为应变能量。同样，通过在高压力下将流动提供到液压马达或其它流体动力装置，储能器10能返回它的存储的能量。在车辆系统中，这种流体源37可以是液压流体。在图7中所示的实施方式中，流体源37提供液压流体的源和足够的压力，以将液压流体推过流体管道38并且推到储能器10的囊12中。在本发明的某些实施方式中，囊12被附接到流体管道38并且与流体管道38流体连通。外壳14可以被附接到单个托架46或多个托架46，使得外壳14通过这种托架46被附接到车辆(未示出)。

[0093] 现在参考图8，示出了囊12的厚度。囊12也具有内表面52和外表面54。囊12限定囊腔50。图8是沿着图7中所示的横截面线的横截面图。在本发明的某些实施方式中，囊12的内表面52是圆形的，如同在图8中所示的那样。在本发明的其它实施方式中，囊12的内表面52不是圆形的，并且可以具有多突部(multi-lobed)的卵形形状，如同在图9中最好地看到的那样。在本发明的某些实施方式中，囊12的内表面52具有凹槽56，当囊
12反复地从第一构造膨胀到第二构造，并且然后返回到第一构造时，所述凹槽56可以提高囊12的耐久性。

[0094] 这里所披露的所有参考文献、出版物和专利以引用的方式被显式地结合到这里。

[0095] 这样，可以看到，本发明的储能器易于获得所提及的以及其内固有的那些目的和好处。尽管为了本披露的目的已经示出和描述了本发明的某些优选实施方式，但是本领域技术人员可以对零件的布置和构造进行多种变化，这些变化包含在本发明的范围和精神之内，如同由下面的权利要求所限定的那样。