本发明涉及一种用于车辆的压缩空气供应设施。本发明还涉及一种用于运行此类压缩空气供应设施的方法。
背景技术：
1、在机动车辆中，压缩空气供应设施例如能够向作为压缩空气耗用器的空气弹簧设施和/或作为压缩空气耗用器的气动的制动设施供应压缩空气。为了能够为此类压缩空气耗用器提供具有足够高压力的压缩空气，需要压气机或压缩机用来进行压缩空气产生。此类压气机或压缩机典型地由电动马达驱动，电动马达在运行中消耗马达电流。在本说明书中，压气机或压缩机作为同义词使用，并且均指的是对空气进行压缩、即对空气进行压气的机组。
2、除了一个压缩空气耗用器或多个压缩空气耗用器、压气机或压缩机及其驱动器外，压缩空气供应设施的主要组成部分还有能够被压缩空气控制部控制（即例如打开或关闭）的能电控制的阀。以该方式，能够有针对性地向压缩空气供应设施的各个压缩空气耗用器输送压缩空气，或者也能够排放压缩空气。根据在各自的运行情况下需要向哪个压缩空气耗用器供应压缩空气而定，需要由压缩机所完成的压缩工作可能极不相同。如下文还将详细解释，由压缩机或压气机的驱动器所要送出的转矩与用于各自的运行情况的压缩空气需要具有哪种压力有关。当压缩机或压气机由电动马达驱动时，电动马达的电流消耗在通过车辆的车载电网典型提供的供应电压的情况下与所要送出的转矩（即驱动器的运行负载）有关。
3、优选地，压气机或压缩机及所属的驱动器、尤其是所属的电动马达被组合成结构性单元（其在下文被称为压缩机模块）。压缩机模块例如被用于机动车辆的压缩空气供应设施。
4、作为用于驱动压缩机或压气机的电动马达优选使用无刷的直流电马达（bldc马达：brush less direct current-motor）。无刷的直流电马达作为所谓的内动子典型地具有装有电磁线圈（即带线圈）的定子、装有永磁体的转子和马达电子器件。马达电子器件作为电子换向器被配置成使马达电子器件经由功率开关控制向定子的线圈（下文也被称为定子线圈）的电流输送，使得定子线圈周期性地轮流被供应电流，使得得到旋转磁场，该旋转磁场经由磁力引起装有永磁体的转子同步转动。因此，此类装有永磁体的转子的无刷的直流电马达也被称为pmsm马达，其中，pmsm是指永磁同步马达（permanent magnetsynchronous motor）。缩写pmsm在此典型地被用于正弦换向的无刷电动马达，而缩写bldc（brushless direct current，无刷直流电流）通常被用于方波换向的无刷电动马达。在方波换向的情况下，对（例如三个或n乘以三个）定子线圈的通电进行数字式转换，即对各自的定子线圈或相的定子线圈要么施加零电流要么施加全电流。在正弦换向的情况下，马达的每个定子线圈都以120°偏移的正弦曲线通电，从而得到强度恒定的持续不断地转动的定子磁场。
5、对于众所周知的无刷电动马达的转速调节而言，该电动马达具有用于转子角度检测的器件，该器件具有电子传感器（例如霍尔传感器）用来检测转子定位。因此，也能够检测到所施加的旋转场与转子的机械旋转之间的相位角，并相应地调节旋转场的相位角。因此，bldc马达与机械换向的直流电马达表现相似。然而，无刷直流电马达比具有电刷换向器的电动马达更高效、磨损更少且可以更好地进行转速调节。
6、在用于例如机动车辆的压缩空气供应设施中的用于压缩空气产生的压缩机模块中，产生压缩空气的压缩机及其被用作驱动器的电动马达形成结构性单元。为了实现高效且环保的运行，电动马达（即无刷的直流电马达）的设计和运行是特别的挑战。该挑战尤其在于，压缩机模块应能够随时在各种不同的可能的运行情况下（以及罕见的运行情况）地在各自的压缩空气供应设施中提供足够的压缩空气。这意味着，即使在仅罕见出现的不利的条件下（最差的运行情况）下，压缩机模块也必须为压缩空气供应设施提供足够的压缩空气。为此，驱动器（即例如优选是无刷的直流电马达）也必须进行相应设计。在直流电马达的供应电压已给定的情况下，更高的机械负载（即更高的机械输出功率）必然导致直流电马达的电流消耗更大。然而，为了保护机动车辆的车载电网，必须限制直流电马达的最大电流消耗。
7、由wo 2020/225024 a1已知一种bldc马达，其被用于驱动压缩机以恒定转速运行并且为了避免马达规格被过度确定，需要依赖于负载条件（运行电压和负载（转矩））降低该转速。
技术实现思路
1、本发明的任务在于，以尽可能简单的方式确保压缩机模块的可靠且环保的运行。
2、为了解决该任务，根据本发明说明了一种根据权利要求1的压缩空气供应设施。该压缩空气供应设施、尤其是用于机动车辆的压缩空气供应设施至少具有以下部件：
3、- 一个或多个压缩空气耗用器，
4、- 压缩空气线路，
5、- 能电控制的阀，
6、- 用于驱控能电控制的阀的压缩空气控制部，
7、- 具有电动马达作为驱动器的压缩机或压气机，以及
8、- 优选压力存储器。
9、在一个具有压缩空气存储器的实施变型方案中，一个或多个压缩空气耗用器经由压缩空气线路和能电控制的阀与压缩机或压气机和/或压力存储器气动连接或能气动连接，使得压缩空气供应设施可以要么在开放运行模式下运行，要么在封闭运行模式下运行。
10、在封闭运行模式下，将压缩空气从压力存储器输送给一个或多个压缩空气耗用器，或将压缩空气从压缩空气耗用器输送给压力存储器。为此，能电控制的阀由压缩空气控制部按照封闭运行模式来驱控。在开放运行模式下，借助压缩机或压气机将压缩空气从环境输送给一个或多个压缩空气耗用器或压力存储器。为此，能电控制的阀由压缩空气控制部按照开放运行模式来驱控。
11、根据本发明，压缩空气控制部具有针对至少以下信号的信号输入端：
12、- 代表对压缩空气供应设施的请求的请求信号，
13、- 优选代表压力存储器中压力的值的压力存储器压力信号，
14、- 代表压力耗用器中压力的值的压力耗用器压力信号。
15、压缩空气控制部被构造成根据请求信号，
16、- 关于与请求信号sanf相应的压力耗用器的目标状态来评估当前的压力耗用器压力信号（压力耗用器实际压力信号pabn）以及（如果存在压力存储器的话）优选当前的压力存储器压力信号（压力存储器实际压力信号pr），并且
17、- 依赖于通过请求信号sanf所限定的压力耗用器的目标状态以及由当前的压力耗用器压力信号pabn和必要时当前的压力存储器压力信号pr表征的压缩空气供应设施的实际状态，确定针对电动马达的目标转速和/或针对压缩空气供应设施的运行模式（开放或封闭）的运行预定方案，使得直至达到压力耗用器的目标状态都不超过最大马达电流（即电动马达的最大电流消耗），并且
18、- 输出与所确定的运行预定方案相应的控制信号（例如，下文的nsoll、s1、s2、...sn）。
19、为此，压缩空气控制部可以被构造成：预测在压力耗用器达到与请求信号相应的状态的时间点t时在压缩机或压气机的输出端处的输出压力和/或由驱动压缩机或压气机的电动马达所要消耗的马达电流（ib）。
20、由压缩空气控制部所要输出的控制信号例如可以是针对电动马达的转速调节器的目标转速，或者是用于按照开放或封闭运行模式启用或停用压缩空气供应设施的阀的控制信号。
21、然而，取代首先预测压缩机或压气机的输出端处的输出压力和/或由驱动压缩机或压气机的电动马达所要消耗的马达电流（ib）地，压缩空气控制部也可以被构造成：直接从输入信号推导出运行预定方案和相应要输出的控制信号，例如借助相应的综合特性曲线或训练过的神经网络来推导。
22、本发明能够实现基于输入信号来实现针对工作状态对电动马达的功耗的预判。压缩空气控制部将可以从固定数量的转速中选出任意一个转速，以便确保在工作周期结束时（即直至达到目标状态）的电流消耗低于所预定的最大值。该选出在压气机启动之前进行，从而使得在整个工作周期期间，直至达到通过请求信号限定的目标状态，都不需要转速改变。这具有很大的优势，即，在工作周期期间（即从压缩机启动直至达到目标状态），转速都不改变，这导致在更好的声学特性方面显著地改善循环。
23、本发明的有利的改进方案，尤其是功率电路组件的有利的改进方案可以由从属权利要求得知，并详细说明了在任务范畴内以及就其他优点而言实现上述构思的有利的可行方案。
24、由压缩空气控制部通过评估输入信号sanf、pabn、pr等来确定控制信号nsoll、s1、s2、...sn实施的控制算法也可以作为自学习的变型方案来实现，该自学习的变型方案在压缩机的使用寿命期间（例如通过测量运转期间与所计算的值相比的当前偏差）调节比功耗，以便确保在最大容许的电流消耗的同时实现最大功率。
25、在第一实施变型方案中，压缩空气控制部与目标转速数据存储器连接，在该目标转速数据存储器中存储了多个预定的目标转速值。在此实施变型方案中，压缩空气控制部被构造成：
26、- 根据请求信号预测在压力耗用器达到与请求信号相应的状态的时间点t时在压缩机或压气机的输出端处的输出压力，
27、- 并且依赖于所预测的输出压力，选出预定的目标转速值之一作为针对驱动压缩机或压气机的电动马达的目标转速值，并将其预定用于直流电马达的转速调节，使得在压力耗用器达到与请求信号相应的状态的时间点t时由驱动压缩机或压气机的电动马达所要消耗的马达电流不超过最大马达电流。
28、根据第二实施变型方案，压缩空气控制部被构造成：依赖于所预测的输出压力，
29、- 要么当所预测的输出压力大于或等于针对输出压力的预定的最大值或者所预测的马达电流大于或等于马达电流的预定的最大值时，按照压缩空气供应设施的开放运行模式驱控能电控制的阀；
30、- 要么当所预测的输出压力小于针对输出压力的预定的最大值或者所预测的马达电流小于马达电流的预定的最大值时，按照压缩空气供应设施的封闭运行模式驱控能电控制的阀。
31、两种实施变型方案的共同点是，压缩空气控制部都是基于描述实际状态的输入信号和通过请求信号限定的目标状态来确定运行预定方案和相应的控制信号，使得避免直至达到目标状态地超过预定的最大马达电流，而无需在电动马达启动后改变针对电动马达的预定的目标转速。
32、为此，压缩空气控制部可以首先预测为了达到通过请求信号限定的目标状态所需克服的最大负载。最大负载例如可以是由驱动压缩机或压气机的电动马达所要送出的最大转矩，或者可以是由驱动压缩机或压气机的电动马达所要消耗的最大马达电流。
33、本发明允许，将电动马达符合标准地设计成恒定转速。根据本发明，以如下方式通过预测性限制压缩机或压气机的功耗来防止超过其容许的电流消耗（通常为35a），即，要么预定合适的转速，该转速直至达到压缩空气供应设施的所请求的状态都不导致超过容许的电流消耗，要么如果预测表明，在预定的转速下，封闭运行模式将导致超过容许的电流消耗，则从一开始就启用开放运行模式。为此，对用于驱动压缩机或压气机的电动马达的当前的电流消耗进行获知，在超过所限定的边界值时，终止压缩空气供应设施的封闭运行，并在开放运行模式下进行调节，直至结束。
34、优选地，压缩空气控制部具有电流信号信号输入端，该电流信号信号输入端与电流传感器连接，该电流传感器被构造成检测由驱动压缩机或压气机的电动马达所消耗的马达电流ib，并将代表该马达电流的信号输出给压缩空气控制部。
35、在一个优选的实施情况中，压缩空气耗用器是车辆的空气弹簧设施，该空气弹簧设施具有一个或多个气囊。
36、优选地，压缩机或压气机与电动马达以压缩机模块的形式组合成结构性单元，并且因此一方面相互间最佳协调，并且另一方面轻巧地作为单元被集成到压缩空气供应设施中。
37、电动马达优选是转速调节的bldc马达，在运行中给该bldc马达预定至少一个目标转速。
38、尤其是关于从压缩空气耗用器中排放空气，例如在利用空气弹簧设施降低车辆时有利的是，压缩空气控制部被构造成：基于压缩空气供应设施中的空气压力和对压缩空气耗用器的请求（尤其是“下降”请求），预测性地确定由电动马达所要消耗的马达电流，并且当预测性确定的马达电流达到或超过马达电流的预定的最大值时，从一开始就启用开放运行模式（也就是说相应地驱控压缩空气供应设施的阀）。这是因为否则在下降时进行所需的从封闭运行到开放运行的转换将需要启用多个阀。利用根据本发明的预测性控制可以避免这种情况。
39、优选地，压缩空气供应设施具有压力传感器，该压力传感器被布置和构造成：使它在运行时检测压缩空气供应设施中存在的空气压力，并将代表该空气压力的压力信号输出给压缩空气控制部。基于该压力信号和请求信号，压缩空气控制部可以预测性确定所需的马达电流，并将其与预定的最大马达电流imax进行比较，以便选出合适的运行模式。
40、优选地，压缩空气供应设施具有储备器阀，该储备器阀在气动方面布置在压力存储器与气动的主压力线路之间。
41、同样有利的是，压缩空气供应设施具有增压阀，该增压阀在气动方面布置在压力存储器与增压和回流线路之间。
42、另外的方面涉及权利要求12的方法。该方法用于运行压缩空气供应设施，尤其是运行用于机动车辆的压缩空气供应设施，该压缩空气供应设施具有：
43、- 一个或多个压缩空气耗用器，
44、- 压缩空气线路，
45、- 能电控制的阀，
46、- 用于驱控能电控制的阀的压缩空气控制部，
47、- 具有电动马达作为驱动器的压缩机或压气机，以及
48、- 优选压力存储器。
49、根据该方法，检测并评估
50、- 优选代表压力存储器中压力的值的压力存储器压力信号pr，以及
51、- 代表压力耗用器中压力的值的压力耗用器压力信号pabn。
52、然后，根据请求信号，对当前的压力耗用器压力信号和优选当前的压力存储器压力信号进行检测，并且关于与请求信号相应的压力耗用器的目标状态地进行评估。接着，依赖于通过请求信号限定的压力耗用器的目标状态以及由当前的压力耗用器压力信号和必要时当前的压力存储器压力信号表征的压缩空气供应设施的实际状态来确定针对电动马达的目标转速和/或针对压缩空气供应设施的运行模式（开放或封闭）的运行预定方案，使得直至达到压力耗用器的目标状态都不超过最大马达电流。然后，输出与所确定的运行预定方案相应的控制信号，并相应地控制压缩空气供应设施。
53、根据一个优选的方法变型方案，该方法变型方案用于借助与目标转速数据存储器连接的压缩空气控制部来运行压缩空气供应设施，在该目标转速数据存储器中存储了多个预定的目标转速值，
54、根据请求信号sanf
55、- 预测在压力耗用器达到与请求信号相应的状态的时间点t时在压缩机或压气机的输出端处的输出压力，
56、- 并且依赖于所预测的输出压力，选出预定的目标转速值之一作为针对驱动压缩机或压气机的电动马达的目标转速值，并将其预定用于电动马达的转速调节，使得在压力耗用器达到与请求信号相应的状态的时间点t时由驱动压缩机或压气机的电动马达所要消耗的马达电流（ib）不超过最大马达电流（ib max）。
57、预定的固定数量的转速是有利的，以便改善声学特性。这些转速可以被调设到具有良好声学和/或气动的性能的运行点。对合适的目标转速的预测性选出即使在因没有压力存储器而使得压缩空气供应设施无法在封闭运行模式下工作的情况下也可以进行。
58、根据优选的第二方法变型方案，该方法变型方案用于运行压缩空气供应设施，在该压缩空气供应设施中，一个或多个压缩空气耗用器经由压缩空气线路和能电控制的阀与压缩机或压气机和/或压力存储器气动连接或能气动连接，使得压缩空气供应设施要么可以在开放运行模式下运行，要么可以在封闭运行模式下运行，根据请求信号预测在压力耗用器达到与请求信号相应的状态的时间点t时在压缩机或压气机的输出端处的输出压力和/或由驱动压缩机或压气机的电动马达所要消耗的马达电流（ib）。
59、依赖于所预测的输出压力，
60、- 要么当所预测的输出压力大于或等于针对输出压力的预定的最大值或者所预测的马达电流大于或等于马达电流的预定的最大值时，按照压缩空气供应设施的开放运行模式驱控能电控制的阀；
61、- 要么当所预测的输出压力小于针对输出压力的预定的最大值或者所预测的马达电流小于马达电流的预定的最大值时，按照压缩空气供应设施的封闭运行模式驱控能电控制的阀。
62、预测性选出运行模式可以与预测性选出目标转速相结合。
63、优选地，在运行中，附加地检测并评估
64、- 代表可供使用的供应电压的值的电压信号和/或
65、- 代表环境中的空气压力的环境压力信号和/或
66、- 代表环境中的空气温度的空气温度信号，
67、并且依赖于电压信号和/或环境压力信号和/或空气温度信号来预测在压力耗用器达到与请求信号相应的状态的时间点t时在压缩机或压气机的输出端处的输出压力和/或由驱动压缩机或压气机的电动马达所要消耗的马达电流。
68、一种用于运行如下压缩空气供应设施的方法是优选的，该压缩空气供应设施具有在压缩空气压力存储器处的压力传感器、以及排放阀、回流阀和储备器阀，储备器阀与压力存储器气动连接，在该方法中，压缩空气控制部针对应从压力耗用器排放压缩空气的情况，当压力存储器中的当前存储器压力低于存储器压力边界值时，启用封闭运行模式，或者当压力存储器中的当前存储器压力大于存储器压力边界值时，启用开放运行模式。
69、一种用于运行如下压缩空气供应设施的方法是优选的，该压缩空气供应设施具有在压缩空气存储器处的压力传感器、以及排放阀、回流阀和储备器阀，储备器阀与压力存储器气动连接，在该方法中，针对应从压力耗用器排放压缩空气的情况，压缩空气控制部基于有关压力存储器中的存储器压力和压力存储器的容积、压缩空气耗用器或压缩空气耗用器的其中一个或多个部件中的压力及其容积和高度状态的现有信息，事先计算或估计所期望的存储器压力，并且针对所计算或估计出的存储器压力超过预定的存储器压力边界值的情况，通过关断压缩机、关闭（停用）回流阀和储备器阀以及打开（启用）排放阀来启用开放运行模式。
70、如下方法同样是优选的，在该方法中，压缩空气控制部根据在压缩机模块的运行中学习到的背压与电流消耗的相关性自适应地设定存储器压力边界值。
71、优选地，当给压力耗用器输送压缩空气时，通过停用增压阀来实现从封闭运行模式出发启用开放运行模式。为此，压缩空气供应设施具有增压阀，该增压阀与压力存储器气动连接。
72、优选地，当从压力耗用器排出压缩空气时，通过关断压缩机、关闭（停用）回流阀和储备器阀以及打开（启用）排放阀来实现从封闭运行模式出发来启用开放运行模式。为此，压缩空气供应设施具有排放阀、回流阀和储备器阀，储备器阀与压力存储器气动连接。
73、由于马达电流与由压缩机分别所需的驱动力矩（力矩需求）成比例，因此仅基于影响压缩机在给定转速下的转矩需求的影响参量及其可预见的时间上的演变（例如随着压力存储器填充而增长的背压），可以凭借预测性控制来选出开放运行模式或封闭运行模式和/或合适的目标转速。这种方式（即选出合适的目标转速和/或预测性地选出开放或封闭运行模式，并对压缩空气供应设施进行相应的驱控）旨在为达到压力耗用器的目标状态，所选出的运行预定方案，不超过预定的最大马达电流。
74、根据有利的第一变型方案，针对应从压力耗用器排出压缩空气的情况，当压力存储器中的压力低于预定的或学习到的存储器压力边界值时，压缩空气控制部启用封闭运行模式，或者当压力存储器中的压力高于预定的或学习到的存储器压力边界值时，压缩空气控制部启用开放运行模式。为此，压缩空气供应设施具有在压缩空气存储器处的压力传感器、以及排放阀、回流阀和储备器阀，储备器阀与压力存储器气动连接。
75、根据有利的第二变型方案，针对应从压力耗用器排出压缩空气的情况，压缩空气控制部通过如下方式启用开放运行模式，即，基于有关压力存储器中的存储器压力和压力存储器的容积、压缩空气耗用器或压缩空气耗用器的其中一个或多个部件中的压力及其容积和高度状态的现有信息，事先计算或估计所期望的存储器压力，并且在所计算或估计出的存储器压力超过预定的存储器压力边界值时启用开放运行模式。然后，关断压缩机，关闭（停用）回流阀和储备器阀，并打开（启用）排放阀。
76、优选地，压缩空气控制部根据在压缩机模块的运行中学习到的背压与电流消耗的相关性自适应地设定存储器压力边界值。
77、现在，接下来借助附图描述本发明的实施方式。这些附图不一定按比例示出实施方式，而是将用于阐释的附图能以示意性的和/或轻微失真的形式实施。在对能从附图直接了解的教导的补充方面可以参考相关的现有技术。在此要注意的是，可以关于实施方式的形式和细节进行多种多样的修改和改变，而不偏离本发明的总体思想。在说明书、附图以及权利要求中公开的本发明的特征可以不仅单独地而且以任意组合地都对本发明的改进而言是重要的。此外，说明书、附图和/或权利要求中公开的特征中的至少两个特征所组成的所有组合均落入本发明的范畴。本发明的总体思想并不局限于下文中示出和说明的优选的实施方式的精确的形式或细节，或者不限于与权利要求中要求保护的主题相比受到限制的主题。在说明尺寸范围的情况下，也应将在所述边界内的数值作为边界值进行公开并能任意使用且能要求保护。