WO2014135255A2 - Spannungsversorgung in einem bordnetz für einen verdichter einer luftversorgungsanlage - Google Patents

Spannungsversorgung in einem bordnetz für einen verdichter einer luftversorgungsanlage Download PDF

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compressed air
electrical
vehicle
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Frank Meissner
Marco Seeger
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B49/00—Control, e.g. of pump delivery, or pump pressure of, or safety measures for, machines, pumps, or pumping installations, not otherwise provided for, or of interest apart from, groups F04B1/00 - F04B47/00
    • F04B49/06—Control using electricity

Definitions

  • the present invention relates to an electrical circuit for controlling a compressor for generating compressed air, in particular for a compressed air supply system of a vehicle. Furthermore, the present invention relates to a corresponding compressor arrangement for generating compressed air. Furthermore, the present invention relates to an electrical system of a vehicle with a compressor and an electrical circuit for driving the compressor. The invention also relates to a method for operating a compressor.
  • Air supply systems for air suspension or other applications in a vehicle are known. Such air supply systems generate compressed air in order to supply them to the air suspension exemplified.
  • the compressed air is generated by means of a compressor which is driven by an electric motor.
  • an electric motor usually a brushed DC motor is used for this purpose.
  • This is supplied in the electrical system of the vehicle, especially cars, with electrical energy from a battery.
  • batteries have, for example, an electrical voltage at their terminals in the range of 9 to 15V. The voltage amplitude depends in particular on the current load of the battery and its state of charge.
  • the electric motor of a compressor For operating the electric motor of a compressor, it can be electrically connected to the battery by means of a relay. The voltage of 9 to 15 V, to remain in this example, then is applied to the motor and the motor is thereby driven.
  • a very high starting current can occur, which also leads to an at least temporary voltage drop of the battery.
  • the operation of other consumers in the electrical system in particular the start of other consumers in the electrical system, can also lower the battery voltage or switching off such a consumer can raise the battery voltage again.
  • Such fluctuating voltages of the battery lead to different currents, which in turn can lead to in the electric motor to not optimal operating conditions and, for example. To higher brush wear.
  • different rotational speeds of the electric motor and thus of the compressor result, resulting in different noise emissions.
  • Unfavorable in this respect is a strong dependence of the speed of the voltage level in the electrical system. For example, with fluctuations of 9 to 16 V speed fluctuations of delta approx. 1750 rpm were measured. For lightweight models, such as so-called. Medium Power / Light Weight models result in extreme cases (also load-dependent) speed fluctuations of about 1,650 to 3,550 rpm for the voltage range of 9 to 16 V. Sog. Lightweight engines have a steeper speed-voltage curve and board voltage changes thus produce even greater speed differences than previous or other series engines with higher el. Efficiency. At low voltages, the performance of such lightweight motors thus falls even more clearly than in previous production engines.
  • a 36 A peak can occur at 29 V peak at 9 V compared to 13 V for a lightweight motor (MP-LW).
  • MP-LW lightweight motor
  • a higher ripple is observed, which loads the electrical system and could be an indication of the transition to the so-called.
  • Taumel dam An irregular running of the engine and a much higher noise level of the environment due to airborne noise (in [dB (A)]) and / or vibrations due to structure-borne noise (in [g or m / s 2 ]) at 9 V compared to 13 V, for example are other disadvantages.
  • the invention begins, the object of which is to specify a device and a method which address at least one of the above-mentioned problems and at least alleviate the associated disadvantages; at least an alternative embodiment to previous solutions should be proposed.
  • an object is to provide a device and a method by means of which an electric motor of a compressor with the least possible effort in a high voltage on-board network can be used.
  • this should be possible in a vehicle electrical system with a voltage of 36 to 48 V or 200 to 650 V, as can occur in electric vehicles or hybrid vehicles.
  • an electric circuit for driving a compressor for generating compressed air, in particular for a compressed air supply system of a vehicle proposed.
  • the compressor has a compressor and a compressor driving electric motor, which is operated with DC or a DC voltage.
  • the electrical circuit has a DC voltage output to which a constant DC supply voltage having a first output amplitude for driving the electric motor is provided.
  • the electrical circuit has a first DC voltage input for connection to a first DC voltage source and / or a second DC voltage input for connection to a second DC voltage source.
  • the first DC voltage source provides a first variable input voltage.
  • this corresponds to the desired voltage amplitude of the DC supply voltage. It corresponds to this DC supply voltage in the Amplitude but only approximately, because the DC supply voltage is kept as constant as possible, whereas the first variable input voltage can fluctuate.
  • the first variable input voltage varies by the output amplitude, ie by the DC supply voltage.
  • the first variable input voltage can also fluctuate only in a range below and up to the first output amplitude of the DC supply voltage, or from and above the first output amplitude of the DC supply voltage. Fluctuations or variations and thus deviations from this first output amplitude can be in the range of a few volts, preferably at most 50%, if appropriate also over 50%, but in particular below 70% of this first output amplitude.
  • only the input voltage should fluctuate, in particular in the abovementioned% ranges of the first output amplitude.
  • the output voltage should be kept as constant as possible in order to avoid audible abnormalities.
  • the second DC voltage source further provides a second input voltage that is greater than the first output amplitude. In particular, it can be significantly greater than the first output amplitude of the constant DC supply voltage.
  • the second DC voltage source may in particular be a high-voltage vehicle electrical system or a corresponding energy store, such as a battery of such a high-voltage vehicle electrical system.
  • the electrical circuit according to the invention comprises a DC-DC converter for generating the DC supply voltage.
  • the provision of the constant DC supply voltage is achieved according to the concept of the invention by the DC-DC converter.
  • the DC-DC converter is in particular provided to form the constant supply DC voltage from the first variable input voltage.
  • it is provided, in particular, for generating the constant DC supply voltage from the second input voltage.
  • a first DC input is present, which is adapted to an input voltage which is approximately in the range of the desired output voltage, as is the case with a conventional car battery.
  • a second DC input is also present. seen, which is adapted to a larger, namely in particular significantly larger input voltage, namely in particular to the voltage of a battery of an electric car, so the battery that powers a traction motor of the electric vehicle.
  • the first and the second DC voltage input are present.
  • the first DC power source may be a known car battery of about 12V, 24V, 42V or 49V and the output voltage may be matched to a 12V, 24V, 42V or 48V motor with the input and output voltages not equal have to be.
  • the DC-DC converter generates a constant DC supply voltage.
  • the first DC voltage correspond approximately to the first output amplitude, approximately twice or three times thereof, or approximately half or one third thereof, in particular that the first DC voltage is in a range from 50% to 150% of the output amplitude, twice or in three times the output amplitude or in a range of 50% to 150% of a half or a third output amplitude.
  • the first DC voltage fluctuates or varies by the respective value, namely preferably by 50% above or below it.
  • the DC-DC converter which can also be referred to as a controller, changes the input voltage to the desired output voltage and compensates for these variations in the DC input voltage, if they occur.
  • the DC-DC converter can perform such a dual function, namely increase or decrease the voltage and compensate for voltage fluctuations.
  • a DC voltage of about 12 V at the DC voltage input to 42 V or 49 V at the DC output is set high, the 42 V or 48 V of this example are achieved even with fluctuating DC voltage at the DC voltage input, so for example, be achieved even if the DC voltage at the DC voltage input not exact and constant 12 V, but between 9 V to 12 V fluctuates.
  • the DC voltage at the DC input may be 42V or 49V and may vary by one of these values and be ramped down to a 12V DC voltage output, keeping the 12V constant.
  • the DC-DC converter has a step-down converter, which controls a higher DC voltage, in particular, this higher second input voltage down to the constant DC supply voltage.
  • the buck converter may in this case be connected directly between the second input voltage and the constant DC supply voltage, or additional elements may be present.
  • a step-down converter can be provided in order to control the first variable input voltage down to the constant supply voltage, provided that the first variable input voltage lies at least partially above the constant DC supply voltage.
  • a step-up converter is proposed if the first variable input voltage is at least partially below the constant DC supply voltage.
  • a described step-down converter or a described step-up converter can each form the DC-DC converter, or the DC-DC converter has the step-down converter and / or the step-up converter as well as any further elements, in particular electronic circuit elements.
  • the DC-DC converter has a step-up converter, which is connected to the first input voltage source and controls the first variable input voltage to an intermediate voltage and provides it accordingly at an intermediate voltage node.
  • This intermediate voltage should have an amplitude that is higher than the first variable input voltage and also higher than the constant supply voltage.
  • a step-down converter is provided which is arranged between the intermediate voltage node and the DC voltage output in order to reduce the intermediate voltage of the intermediate voltage node to the constant DC supply voltage. terzutransformieren.
  • a solution is thus provided for the case in which the first variable input voltage fluctuates around the first output amplitude, that is to say around the voltage level of the constant DC supply voltage and can therefore be above and below this constant DC supply voltage.
  • the constant DC supply voltage is to be understood as meaning, in particular, also a desired value, which is however also approximately realized with the proposed electrical circuit.
  • this first variable input voltage can be raised to a value above the constant DC supply voltage and then represents an input to the downstream step-down converter.
  • the intermediate voltage can be selected with such a high amplitude that it corresponds to the voltage amplitude of the second input voltage.
  • the downstream step-down converter can then optionally, at least in accordance with a development, control the intermediate voltage or the second input voltage down to the constant DC supply voltage.
  • the buck converter is also connected to the second DC voltage source to selectively drive down the intermediate voltage or the second input voltage.
  • a second step-down converter can be connected in parallel with this described step-down converter in order to control the second input voltage of the second DC voltage source down to the constant supply voltage.
  • two step-down converters are provided, which are adapted to different input voltages in order to convert the same constant DC supply voltage from them.
  • An advantageous embodiment proposes that at least one electronic relay is provided to interrupt a connection from the DC-DC converter to the DC output or the connection from the DC voltage input to the DC-DC converter. Additionally or alternatively, an electronic relay for electrically interrupting a connection of the boost converter disposed between the first input voltage source and the intermediate voltage node may be provided toward this intermediate voltage node.
  • an electronic relay for electrically interrupting a connection of the boost converter disposed between the first input voltage source and the intermediate voltage node may be provided toward this intermediate voltage node.
  • an electronic relay is to be understood as meaning a semiconductor switch together with activation, which produces an electrical interruption and, to that extent, acts in a manner similar to a relay, but does not act mechanically. nisch works. In particular, wear of a mechanical relay can thereby be avoided and it is also faster lossless switching operations can be achieved.
  • the present invention particularly, but not exclusively, relates to voltage ranges of approximately 9 to 16 V, 12 to 21 V or 18 to 32 V for the first variable input voltage and thus for the first DC voltage source.
  • Such voltage ranges are particularly for automotive batteries or similar electrical storage devices be expected in a motor vehicle and should therefore be taken into account by the proposed circuit.
  • the second input voltage is in particular from 200 to 650 V and thus corresponds to common high-voltage on-board networks of motor vehicles.
  • high-voltage is understood to mean such a voltage range of 200 to 650 V, so the term is to be understood in the sense of a person skilled in vehicle electronics:
  • the first output amplitude is preferably 13 V, 16 V or 24 V.
  • the first output amplitude of 13 V is associated with a further variable input voltage in the range from 9 to 16 V or in this sense 16 V assigned to the range 12 to 21 V or 24 V corresponding to the range 18 to 32 V.
  • the proposed circuit thus provides a constant driving voltage for the electric motor and thus avoids all the disadvantages of the electric motor, which are related to fluctuating voltages on the electric motor.
  • the electric motor can thus be operated by the proposed circuit with constant voltage, resulting in various advantages in which one will be described.
  • a development provides for the possibility of a throttled operation of the electric motor.
  • the electrical circuit in particular the DC-DC converter, is adapted to provide at the DC voltage output a constant DC supply voltage having a second output amplitude for driving the electric motor of the compressor in the throttled operation.
  • This second output amplitude is smaller than the first output amplitude, resulting in the throttled operation of the electric motor.
  • the electrical circuit provides at least one communication interface for integrating the electrical circuit into an overall control of the vehicle.
  • a communication interface can be provided in particular for communication with a bus system, such as, for example, a CAN bus.
  • ECU electronice control unit
  • the described communication of the electrical circuit can also be designed so that the DC-DC converter, the boost converter and / or the buck converter perform the communication. For example. can directly control the overall control via the bus system, the DC-DC converter, the boost converter and / or the buck converter. Also, a control of the electronic relay comes into consideration.
  • a monitoring unit is provided in order to control the DC-DC converter and / or to carry out measurements there.
  • a functional behavior of the compressed air supply system can be checked and this opens up the possibility of supplying recorded test values to the overall control of the vehicle.
  • the DC-DC converter in particular the current controlled by it to the DC output current to the function or operation of the electric motor and thus to a functional behavior of the compressed air supply system.
  • Recorded test values can be supplied to the overall control of the vehicle, as far as a corresponding communication between the circuit and the overall control exists.
  • the first and / or the second DC voltage source and / or the electric motor may be part of the electrical circuit.
  • an electric motor is designed as a brushed DC motor.
  • the electric motor is a brushless DC motor.
  • the object with regard to the device is solved by the invention further with a compressor arrangement for generating compressed air of claim 11.
  • the compressor arrangement is designed in particular for a compressed air supply system of a vehicle.
  • the compressor arrangement has a compressor with a grain Pressor and a compressor driving the electric motor and according to the invention an electrical circuit for driving the compressor according to the invention, in particular according to at least one of the above-described developments.
  • the concept of the invention also leads to an electrical system of claim 13 for a vehicle, in particular a vehicle electrical system for a car.
  • the vehicle electrical system has an electrical circuit for driving the compressor according to the invention, in particular according to at least one of the embodiments explained above.
  • a car is also an electric car or a hybrid car into consideration.
  • the electrical system is designed in particular for driving electrical devices of the vehicle.
  • the vehicle electrical system comprises a first DC voltage source and, in addition or alternatively, a second DC voltage source, as have been explained above in connection with the electrical circuit.
  • electrical lines for transmitting the electrical energy from at least one of the DC voltage sources to the electrical devices in the electrical system are proposed.
  • the vehicle electrical system comprises a compressor, which may also constitute an electrical device in the electrical system, and an electrical circuit according to at least one of the developments described above.
  • the electrical system comprises a low-voltage electrical system, which has in particular voltage ranges, which have been described above in connection with the first DC voltage source, and a high-voltage onboard, in particular with a voltage range of 200 to 650 V.
  • the concept of the invention also leads to a compressed air supply system of claim 15, a compressed air supply system of claim 16 and a vehicle of claim 17.
  • the concept of the invention also leads to a method of claim 18 for operating a compressor for generating compressed air, in particular for a compressed air supply system of a vehicle.
  • the method comprises at least the steps: Providing electrical energy with a variable DC voltage,
  • an electrical circuit according to at least one of the developments described above is used.
  • the operation of the compressor is coordinated with the operation of at least one further electrical device in the electrical system in which the compressor is also operated.
  • a simultaneous activation in particular a simultaneous start of the compressor and at least one further electrical device, be avoided.
  • a control of the compressor with respect to the control of at least one further electrical device is delayed, or vice versa, the control of the further electrical device is delayed.
  • Fig. 1 is a circuit diagram of a compressed air supply system according to a particularly preferred embodiment
  • FIG. 2 schematically shows a section of a vehicle electrical system according to the prior art
  • FIG. 4 schematically shows a detail of a vehicle electrical system according to a preferred embodiment
  • FIG. 6 schematically shows a detail of a vehicle electrical system according to yet another embodiment, wherein three variants I, II, III of a connection of one or more vehicle electrical system voltages is described;
  • FIG. 7 schematically shows a detail of a vehicle electrical system according to a likewise further embodiment
  • FIG. 8 shows an acceleration spectrum for an electric motor at different input voltages
  • 9 is a block diagram showing a BL motor with a functional diagram of a controller structure with a controller comprising a supply voltage and solenoid valves of a compressed air supply system and / or pneumatic system, in particular for an air spring system, wherein the control loop, the controller, the ECU, sensors and a BUS includes.
  • the compressed air supply system 1000 shows a compressed air supply system 1000, which in the present case is designed to supply a pneumatic system 1001 in the form of an air filter system of a passenger vehicle.
  • the compressed air supply system 1000 has a compressor arrangement with a compressor and a feed line 230 to the compressed air supply 1.
  • the pneumatic feed line 230 ambient air can be drawn in via a filter 0.1 and an air feed line 0 and fed to the compressor 330.
  • the compressor 330 has for this purpose a driven by an electric motor 332 compressor 331.
  • the compressed air supply 1 is followed by a main pneumatic line 210 to the compressed air connection 2, via which compressed air of the pneumatic system 1001 can be fed by means of the compressor 330.
  • the pneumatic system 1001 is for this purpose connected to the compressed air connection via a further pneumatic line 240, which connects to a gallery 250, from which in turn branch lines 251, 252, 253, 254, 255 depart.
  • branch lines 251 to 255 2/2-way valves 301, 302, 303, 304, 305 are arranged to control a supply of compressed air to a bellows of an air spring 311, 312, 313, 314 and a compressed air reservoir 315.
  • Connected to the gallery 250 is also a voltage pressure sensor 406 or directly connected to the compressed air reservoir 315 is another voltage pressure sensor 405.
  • the air springs or the associated 2/2-way valve 301 to 305 is in each case a travel sensor 401, 402, 403, 404 for assigned to the front axle and rear axle.
  • the switching state of the 2/2-way valves 301 to 305 can be adjusted via control power lines 300, which connect to an electrical system 100 of the compressed air supply system 1002 and actuated via a vehicle control or by the vehicle control 410 outgoing signal lines 300.1.
  • said sensors 401-406 are actuated via signal lines 400.1 to the vehicle controller 410 (ECU) and supplied with power via sensor lines 400.
  • Signals of the signal lines 300.1, 400.1 are also provided to a vehicle bus 420, here in the form of a CAN bus.
  • the operation of the compressed air supply system 1000 is now as follows. Replaced and / or supplemented by relay 8 or blocks 10 and / or blocks 36, 46/48, 56/58 via a relay control line 510 between vehicle control 410 (ECU) and a relay 520 -in the following FIGS. 2 to 7 , 68 for a soft start and / or for stepping down and / or boosting a voltage to control the compressor 330, the compressor is actuated to generate compressed air; the relay 520 receives this to a power supply via the power lines 500 and in accordance with the electrical system 100.
  • the compressed air supply 1 available compressed air is fed in the main pneumatic line 210 via an air dryer 211 and a throttle 212 to the compressed air connection 2 and then continue on the further pneumatic line 240 of the gallery 250 of the pneumatic system 1001 provided.
  • venting the pneumatic system 1001 and / or the compressed air supply system 1000 or pneumatic parts of the same can be performed in the reverse direction compressed air from the compressed air port 2 via the throttle 212 and under regeneration of the air dryer 211 in the main pneumatic line 210; the further venting takes place here under diversion of the compressed air to be vented at the compressed air supply 1 in a vent line 220th
  • a pilot-controlled venting valve 322 is actuated by a control pressure located in the pneumatic control line 240, in that the control valve 321 opens the pneumatic control line 240 to the actuating piston of the venting valve 322.
  • the control valve 321 is controllable via a vent valve control power line 310, d. H. the solenoid of the same is energized and transfers the control valve 321 from the first switching position to the second switching position against the spring force of a symbolically illustrated spring of the control valve 321st
  • the compressed air supply system 1002 shown and described in FIG. 1 serves merely to illustrate a basic mode of operation of a general compressed air supply system and various modifications to modifications are possible.
  • a pilot-operated check valve may also be provided, which is not shown here in more detail in FIG.
  • other electrical components in particular on the electrical system 100, can be operated instead of or in addition to the relay 520;
  • FIGS. 2 to 7 various variants of a vehicle electrical system 100A, 100B, 100C, 100D, 100E, 100F are presented below with reference to FIGS. 2 to 7, which are used to operate the compressor 330, ie here an electric motor 332 for operating the compressor 331. are advantageous.
  • FIG. 2 shows a detail of a vehicle electrical system or, in schematic, symbolic representation, a complete electrical system in which a few elements are representative of further elements present in the electrical system.
  • This vehicle electrical system 100A has a first DC voltage source 11, which is designed here as a battery and is powered by a so-called. Alternator 2, that is, a generator, namely charged. At the output of the first DC voltage source 11 and thus also to output terminals of the generator 5 is typically a DC voltage of 9 to 15 V at. There are two electrical loads 4, or electrical devices 4 located, which are representative of other consumers or electrical equipment in the electrical system 100A. They are fed by the first DC voltage source 11.
  • an electric motor 6 -in Fig. 1, the electric motor 332- is provided, which can be switched via a relay 8 -in Fig. 1, the relay 520-.
  • the relay 8 closes, the first DC voltage source 11 also directly feeds the electric motor 6, to which the voltage of 9 to 15 V of the first DC voltage source 11 is thus applied - in FIG.
  • the electric motor 6 rotates more or less quickly and accordingly drives a compressor of a Beerverteilstrom, which is abbreviated here as LVA and by this abbreviation in this and Further Fig. 1 to Fig. 9 is only indicated.
  • the switching on and off of the electric motor and thus the starting and stopping of the compressor of the air distribution system is thus carried out via the relay 8 -in Fig. 1 relay 520-, which in turn by an electronic control unit ECU -in Fig. 1, the vehicle control 410- is made.
  • This electrical control unit In particular, the switching behavior of the relay 8 -in Fig. 1 relay 520-- evaluate.
  • the actual operating state, in particular the rotational speed of the electric motor 6, depends on the voltage which arises and thus in particular on the first, variable input voltage 21. Also, corresponding inrush currents occur when closing the relay 8 on the electric motor 6 and thus act on the first DC voltage source 11 and thereby also on the first, variable input voltage 21 and thus also on other consumers 4 in the electrical system 100A.
  • Compressorsanftstartblock CSS may be provided according to a variant.
  • This soft start block 10 which is also referred to in the art as the English term "Compressor Soft Start” CSS, may include or replace a switching relay 8, such as the relay 520 of FIG. 1 or a similar switching element.
  • a bus system such as a CAN bus in Fig. 1 vehicle bus 420 may be used.
  • the remaining elements of the vehicle electrical system 100B correspond to those shown in FIG. Even if differences should be present, the remaining elements essentially correspond, so that the same reference numerals are used in this respect. This also applies to FIGS. 3 to 7.
  • FIG. 4 shows a vehicle electrical system 100C according to an embodiment of the invention.
  • This vehicle electrical system 100C has a first DC voltage source 11 with a feeding generator 5.
  • These elements may be the same as or different from those of the vehicle electrical system 100A and 100B of FIGS. 2 and 3.
  • a so-called. Hochvoltbordnetz be provided, so that instead of the generator 5 with the first DC voltage source 11 another, second DC voltage source is provided which provides a high voltage, which may be, for example. 200 to 650 V.
  • the illustrated first DC voltage source 11 together with the generator 5 may, as in the previous embodiments, provide a DC voltage with an amplitude of up to 15V. In the present case, a DC voltage of more than 15 V is provided.
  • This voltage is applied to an electrical circuit 30, which is shown as a dashed block. This voltage is applied to a first DC voltage input 31 of the electrical circuit 30.
  • the electrical circuit 30 also has a DC voltage output 34, to which the electric motor 6 is connected, which drives a compressor of an air distribution system LVA.
  • the electrical circuit 30 and thus the vehicle electrical system 100C has for this purpose a buck converter block 36 which controls the variable voltage provided at the first DC voltage input 31, namely the first variable input voltage 21, to a constant DC voltage at the DC voltage output 34.
  • the buck converter block 36 can also be referred to as a buck converter 36 because the buck converter block 36 includes the buck converter.
  • an electric motor of a compressor with an amplitude of 9 V can thereby be operated at the DC voltage output 34, while the amplitude at the DC voltage input can be 31 to 15 V or, as in this embodiment, more than 15 V.
  • the buck converter block 36 may also be provided a controller in the general sense, the voltage can set up and down, when the input voltage 21 to the desired DC supply voltage 24 varies, so it can be above and below. Possibilities for such a controller are described below with reference to FIG 4 but generally valid, so are not limited to the embodiment of Figure 4.
  • the actuator provides its optimized voltage to an optimized motor at the DC output 34, in which startup and operating behavior are always reproducible. Only one step-up converter or one step-down converter makes sense each time the motor is designed for the corresponding operating range.
  • variable 9 ... 16 V at the DC input 31 would be for a motor that works optimally at 9 V, a step-down converter and for a motor that works optimally at 16 V, a boost converter needed.
  • a step-up converter is provided as undervoltage compensation, which, in the case of an undervoltage at the DC voltage input, correspondingly boosts it to the desired output DC voltage.
  • z. B. at 9 V or less at the DC voltage input or to the battery for a 12 V engine at the DC output would also raise a lower vehicle electrical system voltage to the rated motor voltage of 12 V, a preferred embodiment, while higher voltages at the DC input of the whilr would be ignored, so they would not be reduced, which can be described as an overflow.
  • Such an operation may be sufficient, because too high a voltage for structure-borne noise or vibration are not so critical.
  • a connected compressor turns faster, but still runs around.
  • the triggering of the buck converter 36 can take place via an electronic control unit ECU and / or by means of a CAN bus or other bus system.
  • buck converter block 36 may include an electronic relay to interrupt an output of buck converter 36 toward DC output 34.
  • Such an electronic relay can also be controlled by the electronic control unit ECU or a bus system.
  • FIG. 5 shows a further embodiment of a vehicle electrical system 100D, which substantially corresponds to the shelf 100C of FIG. 3 and differs substantially in the electrical circuit 40.
  • the generator 5 together with the first DC voltage source 11 provide a first, variable input voltage 21, which thus also applied to the first DC voltage input 41 of the electrical circuit 40.
  • the generator 5 together with the first DC voltage source 11 can be regarded as a whole as a first DC voltage source 11, which is also true for the other embodiments and the described prior art.
  • This first variable input voltage 21 is now boosted up to an intermediate voltage 28 at an intermediate voltage node 26 by means of a boost converter provided on a boost converter block 48.
  • This intermediate voltage 28 is then controlled down to a constant output voltage at the DC output 44 by means of a buck converter block 46, which includes a step-down converter.
  • a constant voltage of, for example, 13 V at can thus lead to a uniform operation of the electric motor 6, which thus advantageously drives a compressor of an air distribution system.
  • an electronic relay may be provided in the step-down converter block 46 in order to completely interrupt a triggering of the electric motor 6.
  • an electrical relay may be provided in the boost converter block 48. Thereby, an interruption to the intermediate voltage node 26 can be performed. Accordingly, a boost converter in the boost converter block 48 and / or the buck converter block does not need to work when the electric motor 6 is not to be controlled.
  • Both the boost converter block 48 and the buck converter block 46 can be controlled and evaluated via an electronic control unit ECU or bus system.
  • FIG. 6 shows a further embodiment for an on-board network, namely electrical system 100E with an electrical circuit 50.
  • This electrical circuit 50 also uses a boost converter block 58 to boost the variable input voltage 21 at the first DC voltage input 51 to an intermediate voltage 28 at the intermediate voltage node 26. From there According to a first variant I, a reduction ern by means of the buck converter block 56 from the first DC voltage input 52.1 of the buck converter block 56 to a constant voltage at the DC voltage output 54 for driving the electric motor 6 with a constant voltage.
  • Both the booster block 58 as an alternative or in addition also the buck converter block 56 may each have an electronic relay to make an interruption to the intermediate voltage node 26. Accordingly, a boost converter in the boost converter block 58 and / or the buck converter block 56 does not need to work when the electric motor 6 is not to be driven. Both blocks can also be controlled via the electronic control unit ECU or a bus system.
  • the circuit 50 has a multiple second DC voltage connection 52, this with inputs 52.1, 52.2, 52.3.
  • the buck converter block 56 also has a second DC voltage input 52.2 and a third DC voltage input 52.3.
  • the DC voltage input 52.2 is shown here as a node on the dashed line of the electrical circuit 50 and to be understood as a voltage input with respect to the ground or ground.
  • a second DC voltage source 12, which provides a second input voltage 22, can accordingly be connected to this second DC voltage input.
  • This second input voltage 22 is not equal to the voltage at the intermediate node 26.
  • the buck converter block 56 has a third DC voltage input 52.3, to which a third DC voltage source 13 is connected, which provides a third input voltage 23.
  • the second input voltage 22 has a comparatively high voltage, namely that of another electrical system with high voltage and can be in the range of about 48 V and is connected according to a second variant II to the second DC voltage input 52.2 of the Wegsetzstellerblocks 56.
  • the third input voltage 23 has a comparatively very high voltage, namely that of a high-voltage vehicle electrical system with a very high voltage and can be in the range of 200 to 650 V and is connected to the third DC voltage input 52.3 of the buck converter block 56 according to a third variant III.
  • a third variant III In order to equip vehicles with a vehicle electrical system with increased voltage, it has also proven to be advantageous to provide this in addition to a previous vehicle electrical system with a lower vehicle electrical system voltage (in the range 9-15 V), so that all three DC voltage voltage inputs of the buck converter block 56 may be provided.
  • the variants I, II, III can also be provided individually or as any two-combination.
  • This very high and / or high voltage can also be controlled down to the constant DC supply voltage 54 in the buck converter block 56.
  • the buck converter block 56 has a further buck converter adapted thereto.
  • the electronics can also be adapted otherwise by, for example, a voltage reduction of this high, second input voltage 22 being effected in one step and then being controlled down to the constant DC supply voltage 54 with a step-down converter.
  • the third input voltage 23 can have a comparatively very high voltage, namely that of a high-voltage vehicle electrical system with a very high voltage, which in the present case is in the range 200-650 V and which is connected to a third DC voltage input 52.3 of the step-down converter 56 ,
  • the first DC voltage input 52.1 is in the present case in the first variant with the supply line to the intermediate voltage node 26 between boost converter block 58 and buck converter block 56.
  • the supply line may optionally have a diode to a return of the lower vehicle electrical system voltage (in the range 9-15 V) to the high vehicle electrical system voltage (48 V here) to avoid.
  • a high and / or very high vehicle electrical system voltage in the range 48 V and / or 200 V to 650 V
  • a variant I, II, III with three vehicle electrical system voltages proves to be advantageous for use in a hybrid vehicle.
  • the electrical system 100E, and thus the electrical circuit 50 is thus adapted to different input voltages, and thus to different input voltage sources, and can use these optionally.
  • a high-voltage vehicle electrical system occurs in particular in electric vehicles or hybrid vehicles. The existing there high voltage can thus be used and also a generated by an alternator, significantly lower voltage can be used.
  • FIG. 7 essentially corresponds to the embodiment of FIG. 4, wherein the electrical circuit 60 of the vehicle electrical system 100F has a step-up converter.
  • block 68 provides.
  • This boost converter block 68 converts the first, variable input voltage 21 at the first DC voltage input 61 into a higher, constant DC supply voltage 24, which may be, for example, 15 V.
  • This is particularly advantageous for a variable, first input voltage 21, which varies in amplitudes below or up to the amplitude of the constant DC supply voltage 24.
  • a boost converter which is implemented in the boost converter block 68, this variable, first input voltage 21 is thus brought to a constant value and the electric motor 6 can thus be operated correspondingly advantageous.
  • an advantageously available voltage source can be used for compressor operation, in particular an optimally available voltage source.
  • FIG. 8 shows acceleration amplitudes which give conclusions about expected acoustic properties.
  • the measurements are intended for a compressor which is driven by an electric motor which corresponds to an electric motor 6 according to one of the illustrations of FIGS. 2 to 7. Different input voltages were considered.
  • the abscissa represents the frequency in Hz and the ordinate the acceleration amplitude by specifying an acceleration a in g. This is based on a measurement in which a compressor driven by the electric motor is suspended elastically and its accelerations or oscillations in the piston stroke direction are measured.
  • FIG. 8 shows three measurements in which the engine under test was quasi-stationary, ie was not at startup or shutdown.
  • this high noise level also has a comparatively low frequency, since the electric motor rotates correspondingly slowly.
  • This high peak also makes it clear that the electric motor is near a tumbling operation where high accelerations due to tumbling can occur.
  • the proposed solution is applicable for air supply systems with brush motor and also suitable for mass production. It is also suitable for air supply systems with lightweight brush motors. Air supply systems with brush motor and additional electronics for current limitation during start-up (CSS) can be retrofitted.
  • CCS start-up
  • a boost converter to bring a variable on-board voltage of typically 9 to 16 V in the car to a constant level, namely for the above example to 16 or 24 V, so that the compressor as possible at optimum operating voltage and thus speed running.
  • the electronics provided as an electronic relay switch the compressor operation.
  • Fig. 9 shows, in particular supplementing the Fig.1 and using the same reference numerals for the same or similar features or features the same or similar function, a BL motor --also for use as an electric motor 332- with a functional scheme of a regulator structure 600, which is preferably designed to achieve at least one of the aforementioned aspects.
  • the regulator structure 600 comprises a regulator 601 which cooperates-by means of a control current and supply current line 500 connected to the power line 610, inter alia with a supply voltage 11, 12, 13, 21, 22, 23.
  • This supply voltage 11, 12, 13 21, 22, 23 also supplies, inter alia solenoid valves 301, 302, 303, 304, 305 z. B. for lifting and / or lowering a vehicle via control power lines 300 a Druckluftmakerssaniage 1000 and / or the pneumatic system 1001, in particular for an air spring system of FIG. 1.
  • the controller structure 600 includes the vehicle control 410 (ECU), sensors -such as temperature, Height or other sensors 401, 402, 403, 404, 405 or the like sensors of a Druck Kunststoffbuchsaniage and / or pneumatic system (here air spring system) - and the bellows 311, 312, 313, 314, etc., and a vehicle bus 420, here a CAN bus , These are also connected to the vehicle electrical system 100 or can communicate with it.
  • the control current and supply current line 500 between the supply voltage 11, 12, 13, 21, 22, 23 and the electric motor 332 as a BL motor are supplied by the controller 601 with a DC input and an AC output; as described with reference to FIGS. 2 to 7.
  • the controller structure 600 designed with a brushless regulator 601 regulates a rotational speed of the electric motor 332 according to specification from the vehicle control 410 (ECU) and is connected to the latter via a bidirectional control line 502;
  • the brushless regulator 601 also reads out an un- energized coil via a likewise bidirectional control line 501 and thus determines a current rotational speed of the BL motor; this as required in addition to or as part of the relay control line 510. A correction of the determined speed takes place via a rotating field change.
  • the controller 601 may, for. B. be integrated in the motor housing.
  • the vehicle controller 410 via the control line 502 a speed based on the CAN data before and / or can, for. B. error (engine stopped) by CAN or another vehicle bus 420 pass.
  • the vehicle controller 410 (ECU) and the controller 601 may be integrated into a common circuit; In particular, also the controller 601 and / or the vehicle control 410 (ECU) can be integrated in the motor housing.
  • this leads to a compact construction and, on the other hand, owing to the short signal paths, to more efficient signal utilization and EMC-improving shielding, for example. From the AC output of the regulator up to and including the winding of the motor armature.
  • the power supply of at least one of the supply voltages 11, 12, 13, 21, 22, 23 connected power lines 500, 300, 610 may be by step-up / down controller of the vehicle electrical system 100, 100A-100F adaptable to various vehicle on-board voltage networks.
  • FIG. 9 also shows the signal lines 400.1 between sensors 401..405 and vehicle bus 420 (CAN) and signal lines 300.1 between vehicle control (ECU) and solenoid valve 301, as shown in FIG. 1.
  • the control lines or the bus lines 501, 502, 510, 420, 30, 1, z. This can be implemented, for example, via a CAN bus or own protocols (such as PWM or, for example, 0-5V ⁇ 0-5000rpm, as a digital signal for a default speed).
  • PWM or, for example, 0-5V ⁇ 0-5000rpm, as a digital signal for a default speed.
  • a setting of a constant voltage to the motor 332 is possible and additionally or alternatively, the setting of a constant speed.
  • a constant speed can be achieved over all on-board voltages.
  • a control system can preferably correct minor fluctuations in synchronization and support a network protection operation.
  • higher mechanical synchronous fluctuations can be compensated by the speed and the moment of inertia of the motor 332.
  • this can be supported by an external rotor principle of the motor 332.
  • the aforementioned aspects are conducive to a realization of the motor 332 as a compact unit, especially as an integral unit with controller 601 and motor 332.
  • the motor 332 could thus be designed completely independent of the on-board voltage.
  • An optimal design of the bearing and / or damping can then be converted to a fundamental frequency of a constant speed and / or constant voltage on the motor 332.
  • an air supply system 1000 can be configured individually (eg during an EOL test).
  • control structure 600 allows the realization of a compressor operation with different speeds.
  • the boost converter or other DC-DC converter, can also compensate for a series dispersion of the electric motors used and this can be done balancing the DC-DC converter to the specific electric motor used in each case; - A lower noise level by the best possible design of a decoupling can be possible, in particular, a better quality can be realized in the sense that less acoustically conspicuous returns in the case of a series production can be expected;
  • the compressor in particular the electric motor, can be designed for a defined voltage, regardless of the vehicle electrical system voltage, in particular, a stable speed, regardless of electrical system voltage fluctuations can be achieved;
  • synchronism fluctuations can be compensated as a result of voltage fluctuations and reduce the structure-borne noise and / or always equally stable start-up behavior including monitoring is achievable;
  • a start-up current limit is possible in a simple manner, in particular a starting current and behavior can be adjusted via a setting of the DC-DC converter;
  • the DC-DC converter which is referred to in principle as a controller, can comparatively with little effort in a control and / or monitoring of a bus system, such as.
  • the actuator can also achieve the function of a contactless and thus wear-free switch by using an electronic relay;
  • the flow of compressed air for filling or supplying the corresponding compressed air devices can be independent of the on-board voltage, so regardless of the voltage in the electrical system;
  • a compressor start by a corresponding control signal, eg. As a CAN signal to prevent, so that in such a state of an almost empty battery, this is not additionally charged;
  • the overall system can be improved in its availability, because less heating occurs, shorter start-up times are achievable and the duty cycle is calculable;
  • the proposed solution is advantageous; so can be controlled by the control of the DC-DC converter and or the Vorse- hen an electronic relay in an integration with an overall control of the vehicle also be carried out monitoring whether the electric motor of the compressor is running; From this, the further activation of valve sequences for distributing the compressed air can be made dependent; a Piausibiiticians phenomenon and possible warning of a total failure can be achieved.
  • a patina is advantageously formed as uniform as possible and important for the contact resistance surface coating on the electrically effective surfaces of the commutator, which forms only during operation; in particular as part of a run-in effect of the brushes on the commutator.
  • the ability to diagnose faults (motor defect, motor current and speed measurement and thus comparison with plausibility check) and / or a detection of motor standstill by comparison: rotary field frequency compared to the determined frequency from the currentless coil. It can also be the optimal coordination of the acoustics (speed) on the vehicle, made possible and used for each individual device;
  • the controller should be able to determine the current crankshaft position; it can thus influence the start and stop behavior (the determination of the crankshaft position can be determined from the current peak (TDC) and the current position must then be determined together with the information on the speed);
  • the "whisper operation" can be implemented at a reduced speed above the tumbling operation of the compressor, for example, in electric or hybrid vehicles in city traffic or in the state, fast lifting from the compressor with increased speed (only bellows, without memory)
  • step-up converter limited lifting z. B. to allow loading / towing (even with significant undervoltage) possible; if significant undervoltage is present, there may be no additional battery capacity available to other consumers.
  • the scheme can exploit the energy storage capacity of the rotor and produce a "smooth" current profile; As a result, the retroactive effect on the on-board network can be reduced in order to avoid peaks being overlapped by several consumers used at the same time. This leads to a lower EMC load;
  • An outlet with the lowest power consumption relieves the electrical system by reducing the current edge (hard shutdown at current minimum - the controller has this every revolution as a reference).

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Schaltung zum Ansteuern eines Verdichters zur Erzeugung von Druckluft, insbesondere für eine Druckluftversorgungsanlage eines Fahrzeugs, wobei der Verdichter einen Kompressor und einen den Kompressor antreibenden Elektromotor aufweist, und die elektrische Schaltung umfasst einen Gleichspannungsausgang zum Bereitstellen einer konstanten Versorgungsgleichspannung mit einer ersten Ausgangsamplitude zum Ansteuern des Elektromotors des Verdichters und eine Anzahl Gleichspannungseingänge zum Anschließen an einer Anzahl von Gleichspannungsquellen.

Description

Spannungsversorgung in einem Bordnetz für einen Verdichter einer Luftversorgungsanlage
Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Schaltung zum Ansteuern eines Verdichters zur Erzeugung von Druckluft, insbesondere für eine Druckluftversorgungsanlage eines Fahrzeugs. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung eine entsprechende Verdichteranordnung zum Erzeugen von Druckluft. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Bordnetz eines Fahrzeugs mit einem Verdichter und einer elektrischen Schaltung zum Ansteuern des Verdichters. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben eines Verdichters.
Luftversorgungsanlagen für Luftfederungen oder andere Anwendungen in einem Fahrzeug sind bekannt. Solche Luftversorgungsanlagen erzeugen eine Druckluft, um diese der beispielhaft genannten Luftfederung zuzuführen. Die Druckluft wird mittels eines Kompressors erzeugt, der durch einen Elektromotor angetrieben wird. Als Elektromotor wird hierfür üblicherweise ein bürstenbehafteter Gleichstrommotor verwendet. Dieser wird im Bordnetz des Fahrzeugs, insbesondere PKW, mit elektrischer Energie aus einer Batterie versorgt. Solche Batterien weisen bspw. eine elektrische Spannung an ihren Anschlussklemmen im Bereich von 9 bis 15 V auf. Die Spannungsamplitude hängt insbesondere von der aktuellen Belastung der Batterie und ihrem Ladezustand ab.
Zum Betreiben des Elektromotors eines Verdichters kann dieser mittels eines Relais elektrisch mit der Batterie verbunden werden. Die Spannung von 9 bis 15 V, um bei diesem Beispiel zu bleiben, liegt dann an dem Motor an und der Motor wird dadurch angetrieben. Beim Anlaufen des Motors kann ein sehr hoher Anlaufstrom auftreten, der auch zu einem zumindest temporären Spannungsabfall der Batterie führt. Der Betrieb anderer Verbraucher im Bordnetz, insbesondere das Anlaufen anderer Verbraucher im Bordnetz, kann die Batteriespannung ebenfalls absenken bzw. das Abschalten eines solchen Verbrauchers kann die Batteriespannung wieder anheben. Solche schwankenden Spannungen der Batterie führen zu unterschiedlichen Strömen, die wiederum in dem Elektromotor zu nicht optimalen Betriebsverhältnissen und bspw. zu höherem Bürstenverschleiß führen können. Zudem resultieren unterschiedliche Drehzahlen des Elektromotors und damit des Kompressors, was zu unterschiedlichen Geräuschent-
BESTÄTIGUNGSKOPIE wicklungen führen kann. Insbesondere ist eine Geräuschdämmung auf eine vorbestimmte Geräuschfrequenz schlecht abstimmbar.
Ungünstig ist insofern eine starke Abhängigkeit der Drehzahl von der Spannungslage im Bordnetz. Es sind bspw. bei Schwankungen von 9 bis 16 V Drehzahlschwankungen von delta ca. 1750 U/min gemessen worden. Für Leichtbaumodelle, wie sog. Medium Power/Light Weight Modelle ergeben sich im Extremfall (auch lastabhängig) Drehzahlschwankungen von ca. 1.650 bis 3.550 U/min für den Spannungsbereich von 9 bis 16 V. Sog. leichtgewichtige Motoren (Light Weight Motoren) haben eine steilere Drehzahl- Spannungskennlinie und Bordspannungsänderungen erzeugen somit noch größere Drehzahldifferenzen, als bisherige bzw. andere Serienmotoren mit höheren el. Wirkungsgrad. Bei niedrigen Spannungen sinkt die Leistungsfähigkeit solcher Leichtbaumotoren somit noch deutlicher, als bei bisherigen Serienmotoren. Daraus resultiert auch eine höhere Anfälligkeit für einen Taumelbetrieb, als auch für Anlaufprobleme, als bisher bekannt. Es resultieren also eine deutliche schlechtere Leistungsfähigkeit sowie ein schlechterer Wirkungsgrad bei Unterspannung mit dem Ergebnis erheblich verlängerter Füllzeiten für das Befüllen eines Druckreservoirs mit Druckluft. Bspw. wurde beobachtet, dass eine Befüllung bei 9 V ca. die doppelte Zeit als bei 16 V benötigt wenn ein Leichtbaumotor verwendet wird.
Durch die Spannungsschwankungen ergibt sich zudem ein höherer Aufwand für Entkopplung von Körperschall vom Fahrzeug, die über viele Frequenzbereiche vorzunehmen ist. Außerdem ergibt sich auch ein hoher Aufwand für die Minderung eines Stromanstiegsgradienten und für die Minderung eines maximalen Anlaufstroms durch den Einsatz einer Regelungselektronik für einen Kompressorsanftanlauf (sog. Compressor Soft Start/CSS). Ein Bürstenverschlei ist temperatur-, feuchte- und besonders stromabhängig, so dass sich bei niedriger Spannung insbesondere ein zu hoher Bürstenverschleiß ergibt, soweit der Strom jedenfalls nicht begrenzt werden kann. Bei einem Betrieb mit Unterspannung, also insbesondere von 9 V, entstehen hohe Stromspitzen im laufenden Betrieb. Bspw. können 36 A Spitze gegenüber 29 A Spitze bei 9 V im Vergleich zu 13 V bei einem Leichtbaumotor (MP-LW) auftreten. Zudem wird eine höhere Welligkeit beobachtet, die das Bordnetz belastet und ein Hinweis auf den Übergang zum sog. Taumelbetrieb sein könnte. Ein unrunder Motorlauf und eine viel höhere Geräuschbelastung der Umwelt durch ein Geräusch per Luftschall (in [dB(A)]) und/oder durch Körperschall hervorrufende Vibrationen (in [g oder m/s2]) bei bspw. 9 V gegenüber 13 V sind weitere Nachteile. Ein Relais als elektromechanischer Schalter, der bisher verwendet wurde, weist zudem eine Alterung mit höheren Kontaktwiderständen auf. Die Lebensdauer kann bspw. auch durch Kontaktabbrand verkürzt werden. Beim Anlauf des Motors können hohe Stromspitzen von 90 bis 120A je nach Motortyp auftreten. Auch sog. Relaiskleber werden vom System bislang nur in möglichen höheren Ausbaustufen des Steuergerätes - z. B. unter Zuhilfenahme eines Sensors (Shunt etc.) detektiert und können zu Ausfällen führen.
Erste Vorschläge, die einen sog. Sanftanlauf des Kompressors (sog. Compressor Soft Start /CSS) vorschlagen, weisen Spannungsabfälle von 0,5 bis 1 V auf, verringern aber möglicherweise die Verfügbarkeit der Luftverteilanlage mindestens ebenso wie beim Einsatz eines Relais mit einem alterungsbedingten variablen Spannungsabfall. Eine solche Sanftanlaufvorrichtung erzeugt eine Drehzahlreduzierung von etwa 100 bis 250 U/min.
Zudem macht ein solcher CSS eine neue Motorauslegung notwendig, damit der Motor an den zusätzlichen Spannungsabfall angepasst ist. Zudem sind auch Kosten für einen solchen Kompressorsanftanlauf nicht zu vernachlässigen.
Weitere Nachteile, insbesondere eines relaisgeschalteten Elektromotors, bestehen darin, dass dies für eine Verwendung in einem Hochspannungsbordnetz nicht direkt möglich ist; es müsste vielmehr ein entsprechender Niederspannungskompressor durch einen anderen ersetzt werden. Andernfalls könnten sich hohe Drehfrequenzen ergeben, die mit internen Ventilen in der Luftverteilanlage evtl. nicht kompatibel ist. Zumindest kann ein sog. Liefergrad nachlassen. Es besteht die Gefahr, dass die Kolbengeschwindigkeit einen zulässigen Betriebsbereich überschreitet, insbesondere weil die Lagerung nicht für hohe Drehfrequenzen ausgelegt ist. Es kann bei höheren Spannungen das Fördervolumen pro Umdrehung sinken, insbesondere bedingt durch höhere Anzahl Lastwechseln/Umdrehungen, was zu einem hohen Verschleiß ohne proportionaler Verbesserung der Leistungsfähigkeit, insbesondere Füllzeit führt.
Bei einem Betrieb mit Überspannungen, bspw. oberhalb von 15 V, entstehen sehr viel höhere Stromspitzen im Anlauf als bei einer Nennspannung von 12 oder 13 V; beispielsweise liegen Stromspitzen bei einem 13 V-Betrieb eher unter 100 A (z. B. bei 90 A) während Stromspitzen bei einem 16 V-Betrieb deutlich oberhalb von 100 A liegen können (z. B. bei 120 A). Wünschenswert ist es, die vorgenannten Nachteile weitestgehend zu vermeiden, insbesondere eine starke Abhängigkeit der Drehzahl von der Spannungslage im Bordnetz weitestgehend zu entschärfen. Wünschenswert wäre es auch, den Verschleiß des Elektromotors und/oder anderer Komponenten möglichst gering zu halten.
An dieser Stelle setzt die Erfindung an, deren Aufgabe es ist, eine Vorrichtung und ein Verfahren anzugeben, die wenigstens eines der oben genannten Probleme adressieren und die damit verbundenen Nachteile zumindest mildert; zumindest soll eine zu bisherigen Lösungen alternative Ausführungsform vorgeschlagen werden.
Insbesondere soll hinsichtlich der Vorrichtung und des Verfahrens der Betrieb eines Verdichters einer Luftverteilanlage, insbesondere der Betrieb des dafür verwendeten Elektromotors, mit möglichst geringem Aufwand verbessert werden. Insbesondere liegt eine Aufgabe darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren anzugeben, mittels der ein Elektromotor eines Kompressors mit möglichst geringem Aufwand in einem Hochspannungsbordnetz einsetzbar ist. Insbesondere soll dies in einem Bordnetz mit einer Spannung von 36 bis 48 V oder 200 bis 650 V möglich sein, wie sie bei Elektrofahr- zeugen oder Hybridfahrzeugen auftreten können.
Die Aufgabe wird hinsichtlich der Vorrichtung durch die Erfindung mit einer elektrischen Schaltung gemäß Anspruch 1 gelöst.
Demnach wird eine elektrische Schaltung zum Ansteuern eines Verdichters zur Erzeugung von Druckluft, insbesondere für eine Druckluftversorgungsanlage eines Fahrzeugs, vorgeschlagen. Der Verdichter weist einen Kompressor und einen den Kompressor antreibenden Elektromotor auf, der mit Gleichstrom bzw. einer Gleichspannung betrieben wird. Die elektrische Schaltung weist einen Gleichspannungsausgang auf, an dem eine konstante Versorgungsgleichspannung mit einer ersten Ausgangsamplitude zum Ansteuern des Elektromotors bereitgestellt wird. Die elektrische Schaltung weist einen ersten Gleichspannungseingang zum Anschließen an eine erste Gleichspannungsquelle und/oder einen zweiten Gleichspannungseingang zum Anschließen an eine zweite Gleichspannungsquelle auf. Erfindungsgemäß stellt die erste Gleichspannungsquelle eine erste variable Eingangsspannung bereit.
Mit anderen Worten entspricht diese der gewünschten Spannungsamplitude der Versorgungsgleichspannung. Sie entspricht dieser Versorgungsgleichspannung in der Amplitude aber nur in etwa, weil die Versorgungsgleichspannung möglichst konstant gehalten wird, wohingegen die erste variable Eingangsspannung schwanken kann. Insbesondere schwankt die erste variable Eingangsspannung um die Ausgangsamplitude, also um die Versorgungsgleichspannung. Die erste variable Eingangsspannung kann auch nur in einem Bereich unterhalb und bis zur ersten Ausgangsamplitude der Versorgungsgleichspannung schwanken, oder ab und oberhalb der ersten Ausgangsamplitude der Versorgungsgleichspannung. Schwankungen bzw. Variationen und damit Abweichungen von dieser ersten Ausgangsamplitude können im Bereich von einigen Volt, vorzugsweise maximal 50 %, ggfs. auch über 50 %, insbesondere aber unter 70 % dieser ersten Ausgangsamplitude liegen. Besonders bevorzugt sollte aber nur die Eingangsspannung, insbesondere in den vorgenannten %-Bereichen der ersten Ausgangsamplitude schwanken. Die Ausgangsspannung sollte möglichst konstant gehalten werden, um akustische Auffälligkeiten zu vermeiden.
Erfindungsgemäß stellt weiter die zweite Gleichspannungsquelle eine zweite Eingangsspannung bereit, die größer als die erste Ausgangsamplitude ist. Insbesondere kann sie signifikant größer als die erste Ausgangsamplitude der konstanten Versorgungsgleichspannung sein. Die zweite Gleichspannungsquelle kann insbesondere ein Hochvoltbordnetz eines Kraftfahrzeugs sein bzw. ein entsprechender Energiespeicher, wie eine Batterie eines solchen Hochvoltbordnetzes.
Weiterhin umfasst die elektrische Schaltung erfindungsgemäß einen Gleichspannungswandler zum Erzeugen der Versorgungsgleichspannung. Das Bereitstellen der konstanten Versorgungsgleichspannung wird gemäß dem Konzept der Erfindung durch den Gleichspannungswandler erreicht. Der Gleichspannungswandler ist insbesondere dazu vorgesehen, aus der ersten variablen Eingangsspannung die konstante Versorgungsgleichspannung zu formen. Außerdem oder alternativ ist er insbesondere dazu vorgesehen, aus der zweiten Eingangsspannung die konstante Versorgungsgleichspannung zu erzeugen.
Es soll somit eine möglichst konstante Versorgungsgleichspannung zum Ansteuern des Elektromotors des Kompressors bereitgestellt werden. Drei Varianten werden hierfür vorgeschlagen. Gemäß einer ersten liegt ein erster Gleichspannungseingang vor, der an eine Eingangsspannung angepasst ist, die etwa im Bereich der gewünschten Ausgangsspannung liegt, wie das bei einer herkömmlichen Autobatterie der Fall ist. Gemäß einer zweiten Variante ist außerdem ein zweiter Gleichspannungseingang vor- gesehen, der an eine größere, nämlich insbesondere deutlich größere Eingangsspannung angepasst ist, nämlich insbesondere an die Spannung einer Batterie eines Elektroautos, also die Batterie, die einen Fahrmotor des Elektrofahrzeugs speist. Gemäß einer dritten Variante liegen der erste und der zweite Gleichspannungseingang vor.
Die erste Gleichspannungsquelle kann eine bekannte Autobatterie mit etwa 12 V, 24 V, 42 V oder 49 V sein und die Ausgangsspannung kann an einen 12 V, 24 V, 42 V oder 48 V Motor angepasst sein, wobei die Eingangs- und Ausgangsspannungen nicht gleich sein müssen.
Es wird somit auch vorgeschlagen, dass der Gleichspannungswandler eine konstante Versorgungsgleichspannung erzeugt.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen und geben im Einzelnen vorteilhafte Möglichkeiten an, dass oben erläuterte Konzept im Rahmen der Aufgabenstellung sowie hinsichtlich weiterer Vorteile zu realisieren.
Gemäß einer Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass die erste Gleichspannung etwa der ersten Ausgangsamplitude, etwa dem Doppelten, Dreifachen davon oder etwa der Hälfte oder einem Drittel davon entspricht, insbesondere dass die erste Gleichspannung in einem Bereich von 50 % bis 150 % der Ausgangsamplitude, des Doppelten oder des Dreifachen der Ausgangsamplitude bzw. in einem Bereich von 50 % bis 150 % einer halben oder einer drittel Ausgangsamplitude liegt. Insbesondere schwankt bzw. variiert die erste Gleichspannung um den jeweiligen Wert, nämlich vorzugsweise um 50 % darüber oder darunter. Der Gleichspannungswandler, der auch als Steller bezeichnet werden kann, ändert die Eingangsspannung auf die gewünschte Ausgangsspannung und gleicht dabei diese Variationen der Eingangsgleichspannung aus, sofern sie auftreten. Damit kann der Gleichspannungswandler eine solche Doppelfunktion ausführen, nämlich die Spannung erhöhen oder verringern und Spannungsschwankungen ausgleichen.
Bspw. wird eine Gleichspannung von etwa 12 V am Gleichspannungseingang auf 42 V oder 49V am Gleichspannungsausgang hochgesetzt, wobei die 42 V bzw. 48 V dieses Beispiels auch bei schwankender Gleichspannung am Gleichspannungseingang erreicht werden, also bspw. auch dann erreicht werden, wenn die Gleichspannung am Gleichspannungseingang nicht exakt und konstant 12 V beträgt, sondern zwischen 9 V bis 12 V schwankt. Ebenso, um ein weiteres Beispiel zu nennen, kann die Gleichspannung am Gleichspannungseingang 42 V oder 49 V betragen und um einen dieser Werte schwanken, und auf eine Spannung von 12 V am Gleichspannungsausgang heruntergesetzt werden, wobei dann die 12 V konstant gehalten werden.
Vorzugsweise weist der Gleichspannungswandler einen Tiefsetzsteller auf, der eine höhere Gleichspannung, insbesondere nämlich diese höhere zweite Eingangsspannung auf die konstante Versorgungsgleichspannung herunter steuert. Der Tiefsetzsteller kann hierbei unmittelbar zwischen der zweiten Eingangsspannung und der konstanten Versorgungsgleichspannung verschaltet sein, oder es können ergänzende Elemente vorhanden sein.
Außerdem oder alternativ kann ein Tiefsetzsteller vorgesehen sein, um die erste variable Eingangsspannung auf die konstante Versorgungsspannung herunter zusteuern, sofern die erste variable Eingangsspannung zumindest teilweise oberhalb der konstanten Versorgungsgleichspannung liegt.
Zum Hochsteuern der ersten variablen Eingangsspannung auf die konstante Versorgungsgleichspannung wird ein Hochsetzsteller vorgeschlagen, wenn die erste variable Eingangsspannung zumindest teilweise unterhalb der konstanten Versorgungsgleichspannung liegt.
Ein beschriebener Tiefsetzsteller oder ein beschriebener Hochsetzsteller kann jeweils den Gleichspannungswandler bilden oder der Gleichspannungswandler weist den Tiefsetzsteller und/oder den Hochsetzsteller sowie etwaige weitere Elemente, insbesondere elektronische Schaltungselemente, auf.
Gemäß einer Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass der Gleichspannungswandler einen Hochsetzsteller aufweist, der mit der ersten Eingangsspannungsquelle verbunden ist und die erste variable Eingangsspannung auf eine Zwischenspannung hochsteuert und an einem Zwischenspannungsknoten entsprechend bereitstellt. Diese Zwischenspannung soll eine Amplitude aufweisen, die höher als die erste variable Eingangsspannung und auch höher als die konstante Versorgungsspannung ist. Es wird weiterhin ein Tiefsetzsteller vorgeschlagen, der zwischen dem Zwischenspannungsknoten und dem Gleichspannungsausgang angeordnet ist, um die Zwischenspannung des Zwischenspannungsknotens auf die konstante Versorgungsgleichspannung herun- terzutransformieren. Es wird somit auch insbesondere eine Lösung für den Fall geschaffen, dass die erste variable Eingangsspannung um die erste Ausgangsamplitude, also um die Spannungshöhe der konstanten Versorgungsgleichspannung schwankt und insoweit oberhalb und unterhalb dieser konstanten Versorgungsgleichspannung liegen kann. Unter der konstanten Versorgungsgleichspannung ist hierbei insbesondere auch ein Sollwert zu verstehen, der aber mit der vorgeschlagenen elektrischen Schaltung auch näherungsweise realisiert wird. Somit kann diese erste variable Eingangsspannung auf einen Wert oberhalb der konstanten Versorgungsgleichspannung angehoben werden und stellt dann eine Eingangsgröße für den nachgeschalteten Tiefsetzsteller dar. Vorzugsweise kann die Zwischenspannung mit einer so hohen Amplitude gewählt werden, dass sie der Spannungsamplitude der zweiten Eingangsspannung entspricht. Der nachgeschaltete Tiefsetzsteller kann dann wahlweise, jedenfalls gemäß einer Weiterbildung, die Zwischenspannung oder die zweite Eingangsspannung auf die konstante Versorgungsgleichspannung herunter steuern.
Insbesondere wird gemäß einer Weiterbildung vorgeschlagen, dass der Tiefsetzsteller außerdem mit der zweiten Gleichspannungsquelle verbunden ist, um wahlweise die Zwischenspannung oder die zweite Eingangsspannung herunter zusteuern. Außerdem oder alternativ kann ein zweiter Tiefsetzsteller zu diesem beschriebenen Tiefsetzsteller parallel geschaltet werden, um die zweite Eingangsspannung der zweiten Gleichspannungsquelle auf die konstante Versorgungsspannung herunter zusteuern. Somit wären zwei Tiefsetzsteller vorgesehen, die auf unterschiedliche Eingangsspannungen ange- passt sind, um daraus aber die gleiche konstante Versorgungsgleichspannung zu wandeln.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung schlägt vor, dass wenigstens ein elektronisches Relais vorgesehen ist, um eine Verbindung vom Gleichspannungswandler zum Gleichspannungsausgang oder die Verbindung vom Gleichspannungseingang zum Gleichspannungswandler zu unterbrechen. Außerdem oder alternativ kann ein elektronisches Relais zum elektrischen Unterbrechen einer Verbindung des Hochsetzstellers, der zwischen erster Eingangsspannungsquelle und dem Zwischenspannungsknoten angeordnet ist, zu diesem Zwischenspannungsknoten hin vorgesehen sein. Durch diese vorgeschlagenen elektronischen Relais kann jeweils eine Schaltung, nämlich Ein- oder Ausschaltung des Elektromotors erreicht werden. Unter einem elektronischen Relais ist insoweit ein Halbleiterschalter nebst Ansteuerung zu verstehen, der eine elektrische Unterbrechung herstellt und insoweit ähnlich wie ein Relais wirkt, aber nicht mecha- nisch arbeitet. Insbesondere kann hierdurch ein Verschleiß eines mechanisch arbeitenden Relais vermieden werden und es sind auch schnellere verlustärmere Schalthandlungen erzielbar.
Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere, aber nicht ausschließlich, für die erste variable Eingangsspannung und damit für die erste Gleichspannungsquelle Spannungsbereiche von etwa 9 bis 16 V, 12 bis 21 V oder 18 bis 32 V. Solche Spannungsbereiche sind insbesondere für Autobatterien oder ähnliche, elektrische Speicher in einem Kraftfahrzeug zu erwarten und sollen somit durch die vorgeschlagene Schaltung berücksichtigt werden.
Die zweite Eingangsspannung liegt insbesondere von 200 bis 650 V und entspricht damit gängigen Hochvoltbordnetzen von Kraftfahrzeugen. Insoweit ist hier unter Hochvolt ein solcher Spannungsbereich von 200 bis 650 V zu verstehen, der Begriff ist also im Sinne eines Fachmanns für Fahrzeugelektronik zu verstehen:
Die erste Ausgangsamplitude, also insbesondere die konstante Versorgungsgleichspannung, beträgt vorzugsweise 13 V, 16 V oder 24 V. Insbesondere ist die erste Ausgangsamplitude von 13 V einer Weiterbildung mit einer ersten variablen Eingangsspannung im Bereich von 9 bis 16 V zugeordnet, oder in diesem Sinne sind 16 V dem Bereich 12 bis 21 V zugeordnet bzw. entsprechend 24 V dem Bereich 18 bis 32 V.
Die vorgeschlagene Schaltung schafft somit eine konstante Ansteuerspannung für den Elektromotor und vermeidet damit sämtliche Nachteile des Elektromotors, die mit schwankenden Spannungen am Elektromotor zusammenhängen. Der Elektromotor kann somit durch die vorgeschlagene Schaltung mit konstanter Spannung betrieben werden, woraus sich diverse Vorteile ergeben, in dem eins noch beschrieben werden.
Vorzugsweise sieht eine Weiterbildung die Möglichkeit eines gedrosselten Betriebs des Elektromotors vor. Hierzu ist die elektrische Schaltung, insbesondere der Gleichspannungswandler, dazu ausgebildet, an dem Gleichspannungsausgang eine konstante Versorgungsgleichspannung mit einer zweiten Ausgangsamplitude zum Ansteuern des Elektromotors des Verdichters in dem gedrosselten Betrieb bereitzustellen. Diese zweite Ausgangsamplitude ist kleiner als die erste Ausgangsamplitude, so dass sich der gedrosselte Betrieb des Elektromotors ergibt. Durch die Verwendung eines Gleich- spannungswandlers kann dieser gedrosselte Betrieb gezielt erreicht werden, ohne dass besondere Verluste auftreten.
Außerdem wird eine bevorzugte Weiterbildung vorgeschlagen, bei der die elektrische Schaltung wenigstens eine Kommunikationsschnittstelle zum Einbinden der elektrischen Schaltung in eine Gesamtsteuerung des Fahrzeugs vorsieht. Eine solche Kommunikationsschnittstelle kann insbesondere zu einer Kommunikation mit einem Bussystem, wie bspw. ein CAN-Bus, vorgesehen sein. Außerdem oder dadurch wird eine Kommunikation mit einer elektronischen Steuereinheit (ECU) geschaffen. Die beschriebene Kommunikation der elektrischen Schaltung kann auch so ausgeführt sein, dass der Gleichspannungswandler, der Hochsetzsteller und/oder der Tiefsetzsteller die Kommunikation durchführen. Bspw. kann die Gesamtsteuerung über das Bussystem, den Gleichspannungswandler, den Hochsetzsteller und/oder den Tiefsetzsteller unmittelbar ansteuern. Auch eine Ansteuerung des elektronischen Relais kommt in Betracht.
Vorzugsweise wird vorgeschlagen, dass eine Überwachungseinheit vorgesehen ist, um den Gleichspannungswandler anzusteuern und/oder dort Messungen vorzunehmen. Hierdurch kann ein Funktionsverhalten der Druckluftversorgungsanlage überprüft werden und dadurch wird die Möglichkeit eröffnet, erfasste Prüfwerte der Gesamtsteuerung des Fahrzeugs zu zuführen. Bspw. kann aus dem Betrieb des Gleichspannungswandlers, insbesondere dem von ihm zum Gleichspannungsausgang gesteuerten Stroms auf die Funktion oder Arbeitsweise des Elektromotors und damit auf ein Funktionsverhalten der Druckluftversorgungsanlage geschlossen werden. Erfasste Prüfwerte können der Gesamtsteuerung des Fahrzeugs zugeführt werden, soweit eine entsprechende Kommunikation zwischen der Schaltung und der Gesamtsteuerung besteht.
Gemäß weiteren Weiterbildungen können die erste und/oder die zweite Gleichspannungsquelle und/oder der Elektromotor Bestandteil der elektrischen Schaltung sein. Vorzugsweise ist ein Elektromotor als bürstenbehafteter Gleichstrommotor ausgebildet. Alternativ wird vorgeschlagen, dass der Elektromotor ein bürstenloser Gleichstrommotor ist.
Die Aufgabe hinsichtlich der Vorrichtung wird durch die Erfindung weiter mit einer Verdichteranordnung zum Erzeugen von Druckluft des Anspruchs 11 gelöst. Die Verdichteranordnung ist insbesondere für eine Druckluftversorgungsanlage eines Fahrzeugs ausgebildet. Die Verdichteranordnung weist einen Verdichter mit einem Korn- pressor und einem den Kompressor antreibenden Elektromotor sowie erfindungsgemäß eine elektrische Schaltung zum Ansteuern des Verdichters gemäß der Erfindung auf, insbesondere gemäß wenigstens einer der vorstehend erläuterten Weiterbildungen.
Das Konzept der Erfindung führt auch auf ein Bordnetz des Anspruchs 13 für ein Fahrzeug, insbesondere ein Bordnetz für einen PKW. Erfindungsgemäß weist das Bordnetz eine elektrische Schaltung zum Ansteuern des Verdichters gemäß der Erfindung auf, insbesondere gemäß wenigstens einer der vorstehend erläuterten Weiterbildungen. Als PKW kommt auch ein Elektroauto oder ein Hybridauto in Betracht. Das Bordnetz ist insbesondere zum Ansteuern elektrischer Einrichtungen des Fahrzeugs ausgebildet. Erfindungsgemäß umfasst das Bordnetz eine erste Gleichspannungsquelle und außerdem oder alternativ eine zweite Gleichspannungsquelle, wie sie oben im Zusammenhang der elektrischen Schaltung erläutert wurden. Weiterhin sind elektrische Leitungen zum Übertragen der elektrischen Energie von wenigstens einer der Gleichspannungsquellen zu den elektrischen Einrichtungen im Bordnetz vorgeschlagen. Ebenfalls umfasst das Bordnetz einen Verdichter, der insoweit auch eine elektrische Einrichtung im Bordnetz darstellen kann, und eine elektrische Schaltung gemäß wenigstens einer der vorstehend beschriebenen Weiterbildungen.
Vorzugsweise umfasst das Bordnetz ein Niederspannungsbordnetz, das insbesondere Spannungsbereiche aufweist, die oben im Zusammenhang mit der ersten Gleichspannungsquelle beschrieben wurden, und ein Hochvoltbordnetz, insbesondere mit einem Spannungsbereich von 200 bis 650 V. Durch die vorgeschlagene elektrische Schaltung gemäß wenigstens einer vorbeschriebenen Weiterbildung können diese beiden in ihrer Spannungsamplitude unterschiedlichen Bordnetze, die insoweit auch als Bordteilnetze bezeichnet werden können, jedenfalls zum Betreiben des Elektromotors des Verdichters zusammen eingesetzt werden.
Das Konzept der Erfindung führt auch auf eine Druckluftversorgungsanlage des Anspruchs 15, ein Druckluftversorgungssystem des Anspruchs 16 und ein Fahrzeug des Anspruchs 17.
Das Konzept der Erfindung führt auch auf ein Verfahren des Anspruchs 18 zum Betreiben eines Verdichters zum Erzeugen von Druckluft, insbesondere für eine Druckluftversorgungsanlage eines Fahrzeugs. Das Verfahren umfasst wenigstens die Schritte: - Bereitstellen elektrischer Energie mit einer variablen Gleichspannung,
- Umformen der elektrischen Energie mit der variablen Gleichspannung mittels einer elektrischen Schaltung in elektrische Energie mit einer konstanten Gleichspannung und
- Betreiben des Verdichters mit der in elektrische Energie mit einer konstanten Gleichspannung umgeformten Energie.
Vorzugsweise wird eine elektrische Schaltung gemäß wenigstens einer der vorstehend beschriebenen Weiterbildungen verwendet. Gemäß einer Weiterbildung dieses Verfahrens wird das Betreiben des Verdichters mit dem Betreiben wenigstens einer weiteren elektrischen Einrichtung in dem Bordnetz, in dem auch der Verdichter betrieben wird, koordiniert. Hierzu wird vorgeschlagen, dass eine zeitgleiche Ansteuerung, insbesondere ein zeitgleiches Starten des Verdichters und wenigstens einer weiteren elektrischen Einrichtung, vermieden wird. Insbesondere wird eine Ansteuerung des Verdichters gegenüber der Ansteuerung wenigstens einer weiteren elektrischen Einrichtung verzögert, oder es wird umgekehrt die Ansteuerung der weiteren elektrischen Einrichtung verzögert. Dadurch können Stromspitzen bzw. Spannungsabfälle, die insbesondere bei Anlaufvorgängen elektrische Motoren auftreten, vermieden werden. Damit wird eine Belastung der verwendeten Gleichspannungsquelle gering gehalten.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Diese soll die Ausführungsbeispiele nicht notwendigerweise maßstäblich darstellen, vielmehr ist die Zeichnung, wo zur Erläuterung dienlich, in schematisierter und/oder leicht verzerrter Form ausgeführt. Im Hinblick auf Ergänzungen der aus der Zeichnung unmittelbar erkennbaren Lehren wird auf den einschlägigen Stand der Technik verwiesen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass vielfältige Modifikationen und Änderungen betreffend die Form und das Detail einer Ausführungsform vorgenommen werden können, ohne von der allgemeinen Idee der Erfindung abzuweichen. Die in der Beschreibung, in der Zeichnung sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Weiterbildung der Erfindung wesentlich sein. Zudem fallen in den Rahmen der Erfindung alle Kombinationen aus zumindest zwei der in der Beschreibung, der Zeichnung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale. Die allgemeine Idee der Erfindung ist nicht beschränkt auf die exakte Form oder das Detail der im Folgenden gezeigten und beschriebenen bevorzugten Ausführungsform oder beschränkt auf einen Gegenstand, der eingeschränkt wäre im Vergleich zu dem in den Ansprüchen beanspruchten Gegenstand. Bei angegebenen Bemessungsbereichen sollen auch innerhalb der genannten Grenzen liegende Werte als Grenzwerte offenbart und beliebig einsetzbar und beanspruchbar sein. Der Einfachheit halber sind nachfolgend für identische oder ähnliche Teile oder Teile mit identischer oder ähnlicher Funktion gleiche Bezugszeichen verwendet.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in:
Fig. 1 ein Schaltschema einer Druckluftversorgungsanlage gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform;
Fig. 2 schematisch einen Ausschnitt aus einem Bordnetz gemäß dem Stand der Technik;
Fig. 3 einen Ausschnitt aus einem weiteren Bordnetz gemäß dem Stand der Technik;
Fig. 4 schematisch einen Ausschnitt aus einem Bordnetz gemäß einer bevorzugten Ausführungsform;
Fig. 5 schematisch einen Ausschnitt aus einem erfindungsgemäßen Bordnetz gemäß einer weiteren Ausführungsform;
Fig. 6 schematisch einen Ausschnitt aus einem Bordnetz gemäß einer noch weiteren Ausführungsform, wobei drei Varianten I, II, III eines Anschlusses von einer oder mehreren Bordnetzspannungen beschrieben ist;
Fig. 7 schematisch einen Ausschnitt aus einem Bordnetz gemäß einer ebenfalls weiteren Ausführungsform;
Fig. 8 ein Beschleunigungsspektrum für einen Elektromotor bei unterschiedlichen Eingangsspannungen; Fig. 9 ein Blockschaubild, das einen BL-Motor mit einem Funktionsschema einer Reglerstruktur mit einem Regler umfassend eine Versorgungsspannung und Magnetventile einer Druckluftversorgungsanlage und/oder Pneumatikanlage, insbesondere für eine Luftfederanlage, zeigt, wobei der Regelkreis den Regler, die ECU, Sensoren und einen BUS umfasst.
Fig. 1 zeigt eine Druckluftversorgungsanlage 1000, die vorliegend zur Versorgung einer Pneumatikanlage 1001 in Form einer Luftfilteranlage eines Pkw-Fahrzeugs ausgelegt ist. Die Druckluftversorgungsanlage 1000 weist eine Verdichteranordnung mit einem Verdichter und einer Zuführleitung 230 zu der Druckluftzuführung 1 auf. Über die pneumatische Zuführleitung 230 kann über einen Filter 0.1 und eine Luftzuführung 0 Umgebungsluft angesaugt werden und dem Verdichter 330 zugeführt werden. Der Verdichter 330 weist dazu einen von einem Elektromotor 332 angetriebenen Kompressor 331 auf. An die Druckluftzuführung 1 schließt sich eine Pneumatikhauptleitung 210 zum Druckluftanschluss 2 an, über welche mittels dem Verdichter 330 verdichtete Druckluft der Pneumatikanlage 1001 zuführbar ist. Die Pneumatikanlage 1001 ist dazu mit dem Druckluftanschluss über eine weitere pneumatische Leitung 240 verbunden, welche an eine Galerie 250 anschließt, von der wiederum Zweigleitungen 251 , 252, 253, 254, 255 abgehen. In den Zweigleitungen 251 bis 255 sind 2/2-Wegeventile 301 , 302, 303, 304, 305 angeordnet, um eine Zuführung der Druckluft zu einem Balg einer Luftfeder 311 , 312, 313, 314 bzw. einem Druckluftreservoir 315 zu regeln. An die Galerie 250 angeschlossen ist ebenfalls ein Spannungsdrucksensor 406 bzw. direkt an das Druckluftreservoir 315 angeschlossen ist ein weiterer Spannungsdrucksensor 405. Den Luftfedern bzw. dem zugeordneten 2/2-Wegeventil 301 bis 305 ist jeweils ein Wegesensor 401 , 402, 403, 404 für die Vorderachse und Hinterachse zugeordnet.
Der Schaltzustand der 2/2-Wegeventile 301 bis 305 kann über Steuerstromleitungen 300 eingestellt werden, welche an ein Bordnetz 100 des Druckluftversorgungssystems 1002 anschließen und über eine Fahrzeugsteuerung bzw. von der Fahrzeugsteuerung 410 ausgehende Signalleitungen 300.1 aktuiert werden. Ähnlich werden die genannten Sensoren 401 bis 406 über Signalleitungen 400.1 mit der Fahrzeugsteuerung 410 (ECU) aktuiert und mit Strom über Sensorleitungen 400 versorgt.
Signale der Signalleitungen 300.1 , 400.1 werden auch einem Fahrzeugbus 420, hier in Form eines CAN-Bus zur Verfügung gestellt. Der Betrieb der Druckluftversorgungsanlage 1000 ergibt sich nun wie folgt. Über eine Relaissteuerleitung 510 zwischen Fahrzeugsteuerung 410 (ECU) und einem Relais 520 -in den folgenden Fig. 2 bis Fig. 7 ersetzt und/oder ergänzt durch Relais 8 bzw. Blöcke 10 und/oder Blöcke 36, 46/48, 56/58, 68 für einen Sanftstart und/oder zum Tiefsetzen und/oder Hochsetzen einer Spannung- zur Steuerung des Verdichters 330 wird der Verdichter zur Erzeugung von Druckluft aktuiert; das Relais 520 erhält dazu eine Stromversorgung über die Stromleitungen 500 und nach Maßgabe des Bordnetzes 100. Die der Druckluftzuführung 1 zur Verfügung stehende Druckluft wird in der Pneumatikhauptleitung 210 über einen Lufttrockner 211 und eine Drossel 212 zum Druck- luftanschluss 2 geführt und dann weiter über die weitere pneumatische Leitung 240 der Galerie 250 der Pneumatikanlage 1001 zur Verfügung gestellt.
Zum Entlüften der Pneumatikanlage 1001 und/oder der Druckluftversorgungsanlage 1000 bzw. von pneumatischen Teilen derselben kann in umgekehrter Richtung Druckluft vom Druckluftanschluss 2 über die Drossel 212 und unter Regeneration des Lufttrockners 211 in der Pneumatikhauptleitung 210 geführt werden; die weitere Entlüftung erfolgt hier unter Abzweigung der zu entlüftenden Druckluft an der Druckluftzuführung 1 in eine Entlüftungsleitung 220.
Dazu wird ein vorgesteuertes Entlüftungsventil 322 von einem in der pneumatischen Steuerleitung 240 befindlichen Steuerdruck aktuiert, indem das Steuerventil 321 die pneumatische Steuerleitung 240 zum Betätigungskolben des Entlüftungsventils 322 öffnet. Dazu ist das Steuerventil 321 über eine Entlüftungsventilsteuerstromleitung 310 ansteuerbar, d. h. die Magnetspule desselben ist bestrombar und überführt das Steuerventil 321 von der ersten Schaltposition zur zweiten Schaltposition gegen die Federkraft einer symbolisch dargestellten Feder des Steuerventils 321.
Es versteht sich, dass das in Fig. 1 gezeigte und beschriebene Druckluftversorgungssystems 1002 lediglich beispielhaft zur Verdeutlichung einer grundsätzlichen Funktionsweise eines allgemeinen Druckluftversorgungssystems dient und vielfältige Abwandlungen um Modifikationen zur Sache möglich sind. Beispielsweise kann in der Pneumatikhauptleitung 210 als Teil der Ventilanordnung 320 umfassend das Steuerventil 321 und das Entlüftungsventil 322 auch ein entsperrbares Rückschlagventil vorgesehen sein, das vorliegend nicht näher in der Fig. 1 gezeigt ist. Unabhängig von dem vorgenannten Aspekt können insbesondere im Rahmen der Abwandlungen um Modifikationen gemäß dem Konzept der Erfindung anstatt oder in Ergänzung des Relais 520 andere elektrische Komponenten, insbesondere am Bordnetz 100, betrieben werden; in Bezug auf diesen Aspekt sind zur Erläuterung des Konzepts der Erfindung im Folgenden anhand der Fig. 2 bis Fig. 7 bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung erläutert. Insbesondere werden im Folgenden mit Bezug auf die Fig. 2 bis Fig. 7 verschiedene Varianten eines Bordnetzes 100A, 100B, 100C, 100D, 100E, 100F vorgestellt, die zum Betreiben des Verdichters 330, d. h. hier eines Elektromotors 332 zum Betreiben des Kompressors 331 , vorteilhaft sind.
Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt aus einem Bordnetz bzw. in schematischer, symbolischer Darstellung ein vollständiges Bordnetz, bei dem einige wenige Elemente repräsentativ für weitere in dem Bordnetz vorhandene Elemente stehen. Dieses Bordnetz 100A weist eine erste Gleichspannungsquelle 11 auf, die hier als Batterie ausgebildet ist und durch eine sog. Lichtmaschine 2, also einen Generator gespeist, nämlich aufgeladen wird. Am Ausgang der ersten Gleichspannungsquelle 11 und damit auch an Ausgangsklemmen des Generators 5 liegt typischerweise eine Gleichspannung von 9 bis 15 V an. Es sind zwei elektrische Verbraucher 4, bzw. elektrische Einrichtungen 4 eingezeichnet, die repräsentativ für weitere Verbraucher bzw. elektrische Einrichtungen im Bordnetz 100A stehen. Sie werden von der ersten Gleichspannungsquelle 11 gespeist.
Weiter ist ein elektrischer Motor 6 -in Fig. 1 der Elektromotor 332- vorgesehen, der über ein Relais 8 -in Fig. 1 das Relais 520- geschaltet werden kann. Wenn das Relais 8 schließt, speist auch die erste Gleichspannungsquelle 11 unmittelbar den elektrischen Motor 6, an dem somit die Spannung von 9 bis 15 V der ersten Gleichspannungsquelle 11 anliegt -in Fig. 1 über Versorgungsstromleitungen 500-. Diese Spannung bildet eine erste, variable Eingangsspannung 21. Je nach Amplitude dieser ersten, variablen Eingangsspannung 21 dreht sich der Elektromotor 6 mehr oder weniger schnell und treibt entsprechend einen Kompressor einer Luftverteilanlage an, die hier als LVA abgekürzt wird und durch diese Abkürzung in dieser und weiteren Fig. 1 bis Fig. 9 nur angedeutet ist.
Das Ein- und Ausschalten des elektrischen Motors und damit das Starten und Stoppen des Kompressors der Luftverteilanlage wird somit über das Relais 8 -in Fig. 1 Relais 520- durchgeführt, das wiederum durch eine elektronische Steuereinheit ECU -in Fig. 1 die Fahrzeugsteuerung 410- vorgenommen wird. Diese elektrische Steuereinheit kann insbesondere auch das Schaltverhalten des Relais 8 -in Fig. 1 Relais 520-- auswerten.
Sobald das Relais 8 geschlossen ist und der Elektromotor 6 -in Fig. 1 der Elektromotor 332- somit arbeitet, hängt der konkrete Betriebszustand, insbesondere die Drehzahl des Elektromotors 6 von der sich einstellenden Spannung und damit insbesondere von der ersten, variablen Eingangsspannung 21 ab. Auch entsprechende Einschaltströme stellen sich beim Schließen des Relais 8 am elektrischen Motor 6 ein und wirken damit auch auf die erste Gleichspannungsquelle 11 und dadurch auch auf die erste, variable Eingangsspannung 21 und damit auch auf weitere Verbraucher 4 im Bordnetz 100A.
Zur Begrenzung von Einschaltströmen kann, wie Fig. 2 zeigt, ein sog. Kompressorsanftstartblock CSS gemäß einer Variante vorgesehen sein. Dieser Sanftstartblock 10, der in der Fachwelt auch mit dem englischen Begriff "Compressor Soft Start" CSS bezeichnet wird, kann ein Schaltrelais 8 wie das Relais 520 der Fig. 1 oder ein ähnliches Schaltelement beinhalten bzw. ersetzen. Eine Ansteuerung und auch Auswertung dieses Kompressorsanftstartblocks 10 erfolgt über eine elektronische Steuereinheit ECU. Anstelle dieser elektronischen Steuereinheit ECU oder zur Kommunikation mit einer solchen Steuereinheit ECU kann ein Bussystem wie ein CAN-Bus -in Fig. 1 Fahrzeugbus 420-verwendet werden.
Die übrigen Elemente des Bordnetzes 100B entsprechen denen in Fig. 2 dargestellten. Selbst wenn Unterschiede vorhanden sein sollten, so entsprechen sich die übrigen Elemente doch im Wesentlichen, so dass insoweit gleiche Bezugszeichen verwendet werden. Dies gilt auch für die Fig. 3 bis Fig. 7.
Fig. 4 zeigt ein Bordnetz 100C gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Dieses Bordnetz 100C weist eine erste Gleichspannungsquelle 11 mit einem speisenden Generator 5 auf. Diese Elemente können denen der Bordnetze 100A und 100B der Fig. 2 und Fig. 3 entsprechen, oder auch davon abweichen. Alternativ kann ein sog. Hochvoltbordnetz vorgesehen sein, so dass also anstelle des Generators 5 mit der ersten Gleichspannungsquelle 11 eine andere, zweite Gleichspannungsquelle vorgesehen ist, die eine hohe Spannung bereitstellt, die bspw. 200 bis 650 V betragen kann. Die gezeigte, erste Gleichspannungsquelle 11 zusammen mit dem Generator 5 kann, wie in den vorhergehenden Ausführungsformen, eine Gleichspannung mit einer Amplitude von bis zu 15 V bereitstellen. Vorliegend wird eine Gleichspannung von mehr als 15 V bereitgestellt. Diese Spannung wird an eine elektrische Schaltung 30 gegeben, die als gestrichelter Block dargestellt ist. Es wird diese Spannung an einen ersten Gleichspannungseingang 31 der elektrischen Schaltung 30 angelegt bzw. eingegeben. Die elektrische Schaltung 30 weist zudem einen Gleichspannungsausgang 34 auf, an den der Elektromotor 6 angeschlossen ist, der einen Kompressor einer Luftverteilanlage LVA antreibt. Die elektrische Schaltung 30 und damit das Bordnetz 100C weist dafür einen Tiefsetzstellerblock 36 auf, der die am ersten Gleichspannungseingang 31 bereitgestellte variable Spannung, nämlich die erste, variable Eingangsspannung 21 , auf eine konstante Gleichspannung am Gleichspannungsausgang 34 herunter steuert. Der Tiefsetzstellerblock 36 kann vereinfachend auch als Tiefsetzsteller 36 bezeichnet werden, weil der Tiefsetzstellerblock 36 den Tiefsetzsteller beinhaltet.
Beispielsweise kann hierdurch am Gleichspannungsausgang 34 ein Elektromotor eines Kompressors mit einer Amplitude von 9 V betrieben werden, während die Amplitude am Gleichspannungseingang 31 bis 15 V betragen kann oder, wie in dieser Ausführungsform, mehr als 15 V betragen kann.
Statt des Tiefsetzstellerblocks 36 kann auch ein Steller im allgemeinen Sinne vorgesehen sein, der Spannung herauf und herunter setzen kann, wenn die Eingangsspannung 21 um die gewünschte Versorgungsgleichspannung 24 schwankt, also darüber und darunter liegen kann. Möglichkeiten für einen solchen Steller werden nachfolgend mithilfe der Figur 4 aber allgemein gültig beschrieben, sind also nicht auf die Ausführungsform der Figur 4 beschränkt.
Der Steller stellt einem optimierten Motor am Gleichspannungsausgang 34 seine optimierte Spannung zur Verfügung, bei dem Anlauf- und Betriebsverhalten immer reproduzierbar sind. Jeweils nur ein Hochsetzsteller oder ein Tiefsetzsteller sind sinnvoll, wenn der Motor für den entsprechenden Betriebsbereich auslegt ist.
Bei variablen 9...16 V am Gleichspannungseingang 31 wäre also für einen Motor, der bei 9 V optimal funktioniert ein Tiefsetzsteller und für einen Motor, der bei 16 V optimal funktioniert ein Hochsetzsteller nötig.
Für einen Motor mit 13 V optimalem Betriebsbereich wird dann eine Kombination aus beiden Stellern vorgeschlagen. Diese Spannungswerte stellen nur Beispiele dar und als weiteres Beispiel ist ein 24 V-Motor mit Hochsetzsteller an einem 12 V-Bordnetz zu nennen, da der Hochsetzsteller die niedrigere Spannung des Bordnetztes und damit am Gleichspannungseingang anhebt.
Auch wäre ein 12 V-Motor mit allgemeinem Steller, also Hoch- und Tiefsetzsteller zum Betrieb an einem 12 V-Bordnetz vorzuschlagen.
Gemäß einer Ausführungsform ist ein Hochsetzsteller als Unterspannungskompensation vorgesehen, der entsprechend im Falle einer Unterspannung am Gleichspannungseingang diese auf die gewünschte Ausgangsgleichspannung hochsetzt. Um Anlauf- und Rundlaufproblemen bei Unterspannung zu begegnen, z. B. bei 9 V oder weniger am Gleichspannungseingang bzw. an der Batterie für einen 12- V-Motor am Gleichspannungsausgang wäre auch noch eine Anhebung einer niedrigeren Bordnetzspannung auf die Motor-Nennspannung von 12 V eine bevorzugte Ausführung, während höhere Spannungen am Gleichspannungseingang von dem Steller ignoriert werden würden, sie würden also nicht reduziert, was man als Überlauf bezeichnen kann. Ein solcher Betrieb kann ausreichend sein, weil eine zu hohe Spannung für den Körperschall bzw. Vibrationen nicht so kritisch sind. Ein angeschlossener Kompressor dreht zwar schneller, läuft trotzdem rund.
Als weitere Ausführung wird vorgeschlagen, nur eine Überspannungskompensation vorzusehen, also nur einen Tiefsetzsteller. Dieser könnte die Spannungsspitzen im Bordnetz, welche die normale Betriebsspannung von 12 V überschreiten, begrenzen, um Schäden an Bauteilen und entsprechend eine Überlast zu verhindern.
Die Ansteuerung des Tiefsetzstellers 36 kann über eine elektronische Steuereinheit ECU und/oder mittels eines CAN-Bus oder anderem Bussystem erfolgen.
Außerdem kann der Tiefsetzstellerblock 36 ein elektronisches Relais beinhalten, um einen Ausgang des Tiefsetzstellers 36 zum Gleichspannungsausgang 34 hin zu unterbrechen bzw. zu schließen. Auch ein solches elektronisches Relais ist durch die elektronische Steuereinheit ECU bzw. ein Bussystem ansteuerbar.
Wird eingangsseitig des Bordnetzes 100C, also anstelle des gezeigten Generators 5 mit erster Gleichspannungsquelle 11 ein Hochvolteingang bzw. ein Hochvoltbordnetz oder Teilbordnetz vorgesehen, kann ein entsprechend angepasster Tiefsetzstellerblock 36 verwendet werden, der an die entsprechenden Spannungshöhen angepasst ist. Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Bordnetzes 100D, dass im Wesentlichen dem Bord 100C der Fig. 3 entspricht und sich im Wesentlichen in der elektrischen Schaltung 40 unterscheidet. Der Generator 5 zusammen mit der ersten Gleichspannungsquelle 11 stellen eine erste, variable Eingangsspannung 21 bereit, die somit auch am ersten Gleichspannungseingang 41 der elektrischen Schaltung 40 anliegt. Im Übrigen kann auch der Generator 5 zusammen mit der ersten Gleichspannungsquelle 11 insgesamt als erste Gleichspannungsquelle 11 angesehen werden, was auch für die übrigen Ausführungsformen und der beschriebene Stand der Technik zutreffend ist. Diese erste, variable Eingangsspannung 21 wird nun mittels eines Hochsetzstellers, der an einem Hochsetzstellerblock 48 vorgesehen ist, auf eine Zwischenspannung 28 an einem Zwischenspannungsknoten 26 hochgesteuert bzw. hochgesetzt. Diese Zwischenspannung 28 wird dann mittels eines Tiefsetzstellerblocks 46, der einen Tiefsetzsteller beinhaltet, auf eine konstante Ausgangsspannung am Gleichspannungsausgang 44 herunter gesteuert. Somit liegt am Eingang des Elektromotors 6 eine konstante Spannung von bspw. 13 V an. Diese konstante Spannung an dem Gleichspannungsausgang 44 kann somit zu einem gleichmäßigen Betrieb des Elektromotors 6 führen, der somit vorteilhaft einen Kompressor einer Luftverteilanlage ansteuert.
In dem Tiefsetzstellerblock 46 kann zudem ein elektronisches Relais vorgesehen sein, um eine Ansteuerung des Elektromotors 6 gänzlich zu unterbrechen. Außerdem kann alternativ oder zusätzlich ein elektrisches Relais in dem Hochsetzstellerblock 48 vorgesehen sein. Dadurch kann eine Unterbrechung zu dem Zwischenspannungsknoten 26 durchgeführt werden. Entsprechend braucht auch ein Hochsetzsteller in dem Hochsetzstellerblock 48 und/oder dem Tiefsetzstellerblock nicht zu arbeiten, wenn der Elektromotor 6 nicht angesteuert werden soll.
Sowohl der Hochsetzstellerblock 48 als auch der Tiefsetzstellerblock 46 können über eine elektronische Steuerungseinheit ECU oder in Bussystems angesteuert und ausgewertet werden.
Fig. 6 zeigt eine weitere Ausführungsform für ein Bordnetz, nämlich Bordnetz 100E mit einer elektrischen Schaltung 50. Auch diese elektrische Schaltung 50 verwendet einen Hochsetzstellerblock 58 zum Hochsetzen der variablen Eingangsspannung 21 am ersten Gleichspannungseingang 51 auf eine Zwischenspannung 28 am Zwischenspannungsknoten 26. Von dort aus erfolgt gemäß einer ersten Variante I ein Heruntersteu- ern mittels des Tiefsetzstellerblocks 56 vom ersten Gleichspannungseingang 52.1 des Tiefsetzstellerblocks 56 auf eine konstante Spannung am Gleichspannungsausgang 54 zum Ansteuern des elektrischen Motors 6 mit konstanter Spannung. Sowohl der Hoch- setzstellerblock 58 als alternativ oder zusätzlich auch der Tiefsetzstellerblock 56 können jeweils ein elektronisches Relais aufweisen, um eine Unterbrechung zu dem Zwischenspannungsknoten 26 herzustellen. Entsprechend braucht auch ein Hochsetzsteller in dem Hochsetzstellerblock 58 und/oder dem Tiefsetzstellerblock 56 nicht zu arbeiten, wenn der Elektromotor 6 nicht angesteuert werden soll. Beide Blöcke können ebenfalls jeweils über die elektronische Steuereinheit ECU oder ein Bussystem angesteuert werden.
Hier ist nun hinzugekommen, dass die Schaltung 50 einen mehrfachen zweiten Gleich- spannungsanschluss 52 aufweist, dies mit Eingängen 52.1 , 52.2, 52.3. Der Tiefsetzstellerblock 56 weist zudem einen zweiten Gleichspannungseingang 52.2 und einen dritten Gleichspannungseingang 52.3 auf. Der Gleichspannungseingang 52.2 ist hier als ein Knoten an der gestrichelten Linie der elektrischen Schaltung 50 gezeigt und insoweit als Spannungseingang in Bezug auf die Erde bzw. Masse zu verstehen. An diesem zweiten Gleichspannungseingang kann entsprechend eine zweite Gleichspannungsquelle 12 angeschlossen werden, die eine zweite Eingangsspannung 22 bereitstellt. Diese zweite Eingangsspannung 22 ist ungleich der Spannung am Zwischenknoten 26. Zudem weist der Tiefsetzstellerblock 56 einen dritten Gleichspannungseingang 52.3 auf, an dem eine dritte Gleichspannungsquelle 13 angeschlossen wird, die eine dritte Eingangsspannung 23 bereitstellt.
Die zweite Eingangsspannung 22 weist eine vergleichsweise hohe Spannung, nämlich die eines weiteren Bordnetzes mit hoher Spannung auf und kann im Bereich von ca. 48 V liegen und ist gemäß einer zweiten Variante II am zweiten Gleichspannungseingang 52.2 des Tiefsetzstellerblocks 56 angeschlossen.
Die dritte Eingangsspannung 23 weist eine vergleichsweise sehr hohe Spannung, nämlich die eines Hochvoltbordnetzes mit sehr hoher Spannung auf und kann im Bereich von 200 bis 650 V liegen und ist am dritten Gleichspannungseingang 52.3 des Tiefsetzstellerblocks 56 gemäß einer dritten Variante III angeschlossen. Um Fahrzeuge mit einem Bordnetz mit erhöhter Spannung auszustatten, hat es sich auch als vorteilhaft erwiesen, diese zusätzlich zu einem bisherigen Bordnetz mit einer niedrigeren Bordnetzspannung (im Bereich 9-15 V) vorzusehen, sodass alle drei Gleichspan- nungseingänge des Tiefsetzstellerblock 56 vorgesehen sein können. Die Varianten I, II, III können auch jeweils einzeln oder als beliebige Zweierkombination vorgesehen sein.
Diese sehr hohe und/oder hohe Spannung kann in dem Tiefsetzstellerblock 56 ebenfalls auf die konstante Versorgungsgleichspannung 54 herunter gesteuert werden. Hierzu weist der Tiefsetzstellerblock 56 einen weiteren, daran angepassten Tiefsetzsteller auf. Alternativ kann auch die Elektronik anderweitig angepasst sein, indem bspw. eine Spannungsreduzierung dieser hohen, zweiten Eingangsspannung 22 in einem Schritt erfolgt und dann mit einem Tiefsetzsteller auf die konstante Versorgungsgleichspannung 54 herunter gesteuert wird.
Die dritte Eingangsspannung 23 kann gemäß der dritten Variante III eine - vergleichsweise sehr hohe Spannung- vorliegend nämlich die eines Hochvoltbordnetzes mit sehr hoher Spannung aufweisen, die vorliegend im Bereich von 200-650 V liegt und die an einem dritten Gleichspannungseingang 52.3 des Tiefsetzstellers 56 angeschlossen ist. Der erste Gleichspannungseingang 52.1 geht vorliegend in der ersten Variante mit der Versorgungsleitung auf den Zwischenspannungsknoten 26 zwischen Hochsetzstellerblock 58 und Tiefsetzstellerblock 56. Die Versorgungsleitung kann optional eine Diode aufweisen, um eine Rückspeisung der niedrigeren Bordnetzspannung (im Bereich 9-15 V) auf die hohe Bordnetzspannung (hier 48 V) zu vermeiden.
Zusammenfassend können neben einer niedrigeren Bordnetzspannung (im Bereich 9- 15 V) auch eine hohe und/oder sehr hohe Bordnetzspannung (im Bereich 48 V und/oder 200 V bis 650 V) -also wenigstens zwei oder drei, ggfs. mehr Bordnetzspannungen- angeschlossen sein; diese sind in Fig. 6 als alternative oder kumulative Varianten I, II, III einzeichnet. Insbesondere erweist sich eine Variante I, II, III mit drei Bordnetzspannungen als vorteilhaft zur Anwendung bei einem Hybrid-Fahrzeug. Das Bordnetz 100E, und damit die elektrische Schaltung 50, ist somit auf verschiedene Eingangsspannungen, und damit auf verschiedene Eingangsspannungsquellen, angepasst und kann diese wahlweise verwenden. Ein Hochvoltbordnetz tritt insbesondere bei Elektrofahrzeugen oder Hybridfahrzeugen auf. Die dort vorhandene hohe Spannung kann somit genutzt werden und ebenso kann eine durch eine Lichtmaschine erzeugte, deutlich geringere Spannung, verwendet werden.
Die Ausführungsform der Fig. 7 entspricht im Wesentlichen der Ausführungsform der Fig. 4, wobei die elektrische Schaltung 60 des Bordnetzes 100F einen Hochsetzsteller- block 68 vorsieht. Dieser Hochsetzstellerblock 68 setzt die erste, variable Eingangsspannung 21 am ersten Gleichspannungseingang 61 in eine höhere, konstante Versorgungsgleichspannung 24 um, die bspw. 15 V betragen kann. Dies ist insbesondere vorteilhaft für eine variable, erste Eingangsspannung 21 , die in Amplituden unterhalb oder bis zur Amplitude der konstanten Versorgungsgleichspannung 24 variiert. Durch einen Hochsetzsteller, der in dem Hochsetzstellerblock 68 realisiert ist, wird diese variable, erste Eingangsspannung 21 somit auf einen konstanten Wert gebracht und der Elektromotor 6 kann somit entsprechend vorteilhaft betrieben werden. Insbesondere kann im Rahmen eines Energiemanagement eine vorteilhaft verfügbare Spannungsquelle für den Kompressorbetrieb genutzt werden, insbesondere eine optimal verfügbare Spannungsquelle.
Fig. 8 zeigt Beschleunigungsamplituden, die Rückschlüsse auf zu erwartende akustische Eigenschaften geben. Die Messungen sind für einen Kompressor vorgesehen, der von einem Elektromotor angetrieben wird, der einem Elektromotor 6 gemäß einer der Darstellungen der Fig. 2 bis Fig. 7 entspricht. Es wurden unterschiedliche Eingangsspannungen berücksichtigt. An der Abszisse ist die Frequenz in Hz und an Ordinate die Beschleunigungsamplitude durch Angabe einer Beschleunigung a in g aufgetragen. Hierfür liegt eine Messung zugrunde, bei der ein von dem Elektromotor angetriebener Kompressor elastisch aufgehängt wird und seine Beschleunigungen bzw. Schwingungen in Kolbenhubrichtung gemessen werden.
Die Fig. 8 zeigt drei Messungen, bei denen der untersuchte Motor quasistationär betrieben wurde, sich also nicht im Hochfahren oder Herunterfahren befand. Es sind in dieser Graphik drei Messspitzen gekennzeichnet, die nämlich zum Betrieb mit 9 V, zum Betrieb mit 13 V bzw. zum Betrieb mit 15 V gehören. Weitere Messspitzen betreffen im Grunde Frequenzvielfache jeweils einer dieser drei Messungen. Zu den höchsten drei Messspitzen ist somit zu erkennen, dass die größte Geräuschentwicklung bei einem Betrieb von einer geringen Spannung von 9 V auftritt. Diese hohe Geräuschentwicklung weist entsprechend auch eine vergleichsweise geringe Frequenz auf, da sich der Elektromotor entsprechend langsam dreht. Diese hohe Spitze macht auch deutlich, dass sich der Elektromotor nahe einem Taumelbetrieb befindet, in dem hohe Beschleunigungen durch das Taumeln auftreten können.
Der sog. Taumelbetrieb infolge zu niedriger Spannung führt wegen großen Änderungen der Winkelgeschwindigkeit des Motorankers zu höheren messbaren Beschleuni- gungen am gesamten Aggregat; es„läuft nicht rund". Damit verbunden ist eine höhere Welligkeit der Stromaufnahme; der Motor„quält" sich über den OT bzw. die maximale mechanische Last, welche abhängig von der Auslenkung des Pleuels der Kurbelwelle vor dem OT liegt.
Bereits die Messspitze zu einem Betrieb bei 13 V zeigt einen wesentlich geringeren Geräuschpegel. Durch die Verschiebung in der Frequenz im Vergleich zu der Messspitze bei 9 V wird auch eine zugrundeliegende Drehzahlverschiebung deutlich.
Eine noch weitere Verschiebung und eine noch etwas geringere Geräuschentwicklung stellen sich bei einem Betrieb von 15 V ein.
Selbst das Vorsehen einer konstanten Eingangsspannung für den Elektromotor, also einer konstanten Versorgungsgleichspannung für diesen von 13 V, führt zu einer ganz erheblichen Geräuschsenkung bzw. im Vergleich zu einem Betrieb mit variabler Spannung zu einer entsprechenden Geräuschbegrenzung und zudem zu einer klaren Geräuschfestlegung nach Höhe und Frequenz. Für etwaige Geräuschdämpfungen reicht zudem eine gezielt auf diese Frequenz angepasste Schalldämmung aus, im Beispiel der Fig. 8 bei 13 V, also einer Frequenz von 50 Hz.
Es wird somit eine elektronisch geregelte Spannungsversorgung und Spannungserhöhung oder ggf. gezielte Spannungsabsenkung im Bordnetz für einen konventionellen Gleichspannungsbürstenmotor für einen Druckregelbetrieb in einer Luftversorgungsanlage für Luftfederungen vorgeschlagen. Die Anwendung betrifft insbesondere Pkw- Anwendungen.
Es wird das Einstellen einer konstanten Versorgungsspannung für den Kompressormotor unabhängig von der Bordnetzspannung erreicht. Außerdem kann eine Strombegrenzung im Anlaufmoment für das Bordnetz bei gleichzeitiger Bereitstellung einer ausreichend hohen Spannung für den Kompressormotor, also den Elektromotor geschaffen werden. Zudem werden Laufgeräusche reduziert, insbesondere Körperschall. Dies ist durch Einstellen einer konstanten Drehzahl des Kompressormotors erreichbar und zudem durch eine optimale Abstimmung der Entkopplung zur Karosserie. Dies kann unabhängig von der Bordspannung, also der Spannung im Bordnetz und deren Änderungen erfolgen. Eine optimale Anpassung an geforderte Betriebsparameter bzw. Funktionen kann erreicht werden. Die vorgeschlagene Verwendung eines Gleichspan- nungswandlers ist im Vergleich zu der Verwendung einer Kompressorsanftanlaufsteuerung (CSS) nahezu kostenneutral, wobei aber ein deutlich höherer Funktionsumfang erreicht wird.
Die vorgeschlagene Lösung ist anwendbar für Luftversorgungsanlagen mit Bürstenmotor und auch für Serienfertigung geeignet. Sie ist auch geeignet für Luftversorgungsanlagen mit Leichtbaubürstenmotoren. Luftversorgungsanlagen mit Bürstenmotor und Zusatzelektronik für Strombegrenzung beim Anlauf (CSS) können umgerüstet werden.
Somit wird vorgeschlagen, gemäß einer Ausführungsform mit einem Hochsetzsteller eine variable Bordspannung von typischerweise 9 bis 16 V im PKW auf ein konstantes Niveau zu bringen, nämlich für das genannte Beispiel auf 16 oder auf 24 V, damit der Kompressor möglichst bei optimaler Betriebsspannung und damit Drehzahl läuft. Gleichzeitig ist erreichbar, eine Anlaufstromspitze zum Bordnetz zu dämpfen. Optional kann die so vorgesehene Elektronik als elektronisches Relais den Kompressorbetrieb schalten.
Fig. 9 zeigt, insbesondere in Ergänzung der Fig.1 und unter Nutzung gleicher Bezugszeichen für gleiche oder ähnliche Merkmale oder Merkmale gleicher oder ähnlicher Funktion, einen BL-Motor --also zur Verwendung etwa als Elektromotor 332- mit einem Funktionsschema einer Reglerstruktur 600, der vorzugsweise zum Erreichen wenigstens eines der vorgenannten Aspekte ausgebildet ist.
Die Reglerstruktur 600 umfasst einen Regler 601 , der zusammenwirkt -per einer an die Stromleitung 610 angeschlossene Steuerstrom- und Versorgungsstrom-Leitung 500- u. a. mit einer Versorgungsspannung 11 , 12, 13, 21 , 22, 23. Diese Versorgungsspannung 11 , 12, 13, 21 , 22, 23 versorgt auch u. a. Magnetventile 301 , 302, 303, 304, 305 z. B. zum Heben und/oder Senken eines Fahrzeugs über Steuerstromleitungen 300 einer Druckluftversorgungsaniage 1000 und/oder der Pneumatikanlage 1001 , insbesondere für eine Luftfederanlage der Fig. 1. Weiter umfasst die Reglerstruktur 600 die Fahrzeugsteuerung 410 (ECU), Sensoren -wie für Temperatur, Höhe oder andere Sensoren 401 , 402, 403, 404, 405 oder dergleichen Sensoren einer Druckluftversorgungsaniage und/oder Pneumatikanlage (hier Luftfederanlage)- und die Federbälge 311 , 312, 313, 314 etc., und einen Fahrzeugbus 420, hier einen CAN-Bus. Diese sind auch an das Bordnetz 100 angeschlossen oder können mit diesem kommunizie- ren. Die Steuerstrom- und Versorgungsstrom-Leitung 500 zwischen der Versorgungsspannung 11 , 12, 13, 21 , 22, 23 und dem Elektromotor 332 als BL-Motor werden von dem Regler 601 mit einem DC-lnput und einem AC-Output beaufschlagt; etwa wie anhand von Fig. 2 bis Fig. 7 beschrieben. Vorliegend regelt die mit einem Bürstenlos- Regler 601 ausgelegte Reglerstruktur 600 eine Drehzahl des Elektromotors 332 nach Vorgabe aus der Fahrzeugsteuerung 410 (ECU) und ist mit dieser über eine bidirektionale Steuerleitung 502 verbunden; dies nach Bedarf zusätzlich oder als Teil der Relaissteuerleitung 510. Andererseits liest der Bürstenlos-Regler 601 dazu nach vorliegender Ausführungsform über eine ebenfalls bidirektionale Steuerleitung 501 eine un- bestromte Spule aus und ermittelt somit eine aktuelle Drehzahl des BL-Motors; dies nach Bedarf zusätzlich oder als Teil der Relaissteuerleitung 510. Eine Korrektur der ermittelten Drehzahl erfolgt über eine Drehfeldänderung. Der Regler 601 kann z. B. im Motorgehäuse integriert sein. Vorliegend gibt die Fahrzeugsteuerung 410 (ECU) über die Steuerleitung 502 eine Drehzahl anhand der CAN-Daten vor und/oder kann z. B. Fehler (Motor steht) per CAN oder einem anderen Fahrzeugbus 420 weitergeben. Die Fahrzeugsteuerung 410 (ECU) und der Regler 601 können in eine gemeinsame Schaltung integriert werden; insbesondere kann auch der Regler 601 und/oder die Fahrzeugsteuerung 410 (ECU) im Motorgehäuse integriert werden. Dies führt einerseits zu einer kompakten Bauweise als auch andererseits infolge der kurzen Signalwege zu einer effizienteren Signalverwertung sowie einer EMV-verbessernden Abschirmung z. B. vom AC-Output des Reglers bis einschließlich der Wicklung des Motorankers.
Die Spannungsversorgung wenigstens einer der Versorgungsspannungen 11 , 12, 13, 21 , 22, 23 angeschlossenen Stromleitungen 500, 300, 610 kann durch Step-up/down- Regler der Bordnetze 100, 100A-100F anpassbar auf verschiedene Fahrzeugbord- spannungsnetze sein.
Fig. 9 gibt auch die Signalleitungen 400.1 zwischen Sensoren 401..405 und Fahrzeugbus 420 (CAN) und Signalleitungen 300.1 zwischen Fahrzeugsteuerung (ECU) und Magnetventil 301 , wie sie in Fig. 1 gezeigt sind, wieder. Vorliegend sind, insbesondere wie in Fig. 1 , die Steuerleitungen oder die Busleitungen 501 , 502, 510, 420, 30,1 , z. B. über einen CAN-Bus oder eigene Protokolle (wie PWM oder z. B. 0-5V ~ 0-5000U/min; als digitales Signal für eine Vorgabe als Drehzahl) realisiert. Insgesamt ist eine Einstellung einer konstanten Spannung am Motor 332 möglich sowie zusätzlich oder alternativ die Einstellung einer konstanten Drehzahl. Insbesondere lässt sich eine konstante Drehzahl über alle Bordspannungen erreichen. Eine Regelung kann bevorzugt geringe Gleichlaufschwankungen beheben und einen Netzschonbetrieb unterstützen. Insbesondere können höhere mechanische Gleichlaufschwankungen durch die Drehzahl und das Trägheitsmoment des Motors 332 kompensiert werden. Insbesondere lässt sich dies durch ein Außenläuferprinzip des Motors 332 unterstützen. Insbesondere die vorgenannten Aspekte sind einer Realisierung des Motors 332 als kompakte Einheit zuträglich, vor allem als integrale Einheit mit Regler 601 und Motor 332. Der Motor 332 könnte insofern komplett unabhängig von Bordspannung ausgelegt werden. Eine optimale Auslegung der Lagerung und/oder Dämpfung lässt sich dann auf eine Grundfrequenz einer konstanten Drehzahl und/oder konstanten Spannung am Motor 332 umsetzen. Auf dieser Grundlage lässt sich eine Luftversorgungsanlage 1000 individuell konfigurieren (z. B. während eines EOL-Tests).
Gleichwohl erlaubt die Regelstruktur 600 die Realisierung eines Kompressorbetriebs mit verschiedenen Drehzahlen.
Zumindest einer der folgenden stichpunktartig aufgelisteten Vorteile ist insbesondere mittels der in Fig. 9 gezeigten Reglerstruktur 600 erreichbar:
- eine verbesserte Laufruhe im optimalen Drehzahlbereich und/oder eine Drehzahlsteuerung möglichst unabhängig von einer nicht konstanten Bordnetzspannung; insbesondere eine Abstimmung der Motordrehzahl auf eine optimale Betriebsweise der Ventile im Verdichter für eine Luftverteileranlage. Dies bedeutet insbesondere das Erreichen eines optimalen Öffnungs- und Schließverhaltens von Saug- und Drucklamelle, die frequenzabhängig sind und somit durch eine konstante, vorteilhafte Drehzahl entsprechend optimal eingestellt werden können bzw. optimal betrieben werden können. Außerdem oder alternativ kann eine optimale Abstimmung der Ventile auf eine Motordrehzahl mit engerer Toleranz vorgenommen werden;
- der Hochsetzsteller, oder andere Gleichspannungswandler, kann auch eine Serienstreuung der eingesetzten Elektromotoren ausgleichen und hierzu kann ein Abgleichen des Gleichspannungswandlers auf den jeweils konkret eingesetzten Elektromotor vorgenommen werden; - Eine geringere Geräuschbelastung durch eine möglichst optimale Auslegung einer Entkopplung kann möglich werden, insbesondere kann eine bessere Qualität in dem Sinne realisierbar sein, dass weniger akustisch auffällige Rückläufer im Falle einer Serienfertigung zu erwarten sind;
- Der Verdichter, insbesondere der Elektromotor, kann auf eine definierte Spannungslage ausgelegt werden, unabhängig von der Bordnetzspannung, insbesondere ist eine stabile Drehzahl, unabhängig von Bordnetzspannungsschwankungen erzielbar; so können beispielsweise Gleichlaufschwankungen in Folge von Spannungsschwankungen ausgeregelt werden und verringern den Körperschall und/oder ein immer gleich stabiles Anlaufverhalten einschließlich einer Überwachung ist erzielbar;
- Eine Anlaufstrombegrenzung ist auf einfache Weise möglich, insbesondere können ein Anlaufstrom und -verhalten über eine Einstellung des Gleichspannungswandlers angepasst werden;
- die vorgeschlagene Lösung ist bei Beibehaltung des Einbauraums des Verdichters bzw. eines entsprechenden Kompressoraggregats möglich;
- Eine Verlängerung der Lebensdauer des Elektromotors ist möglich, weil eine Überlastung bei Unterspannung entfällt, weil ein sog. Taumelbetrieb mit niedriger Drehzahl und hohem Strom vermieden wird, insbesondere ist ein geringerer Motorkohlenverschleiß durch Senkung der Stromspitzen im laufenden Betrieb möglich;
- der Gleichspannungswandler, der hier grundsätzlich auch als Steller bezeichnet wird, kann vergleichsweise mit wenig Aufwand in eine Ansteuerung und/oder Überwachung eines Bussystems, wie bspw. ein CAN-Bus, integrierbar;
- der Steller kann auch die Funktion eines kontaktlosen und damit verschleißfreien Schalters durch die Verwendung eines elektronischen Relais erreichen;
- zudem können auch verschiedene Anlaufkennlinien u. a. auch Funktionen, wie bspw. Bremsen, möglich werden, insbesondere können sich Anlaufkennlinien aus der zur Verfügung gestellten Versorgungsspannung ergeben; - gegenüber einer bekannten Kompressorsanftanlauf Steuerung (CSS) ist ein besserer Wirkungsgrad und damit eine Energieeinsparung erreichbar, insbesondere ist im Vergleich zu einer CSS durch das Zwischenschalten des Gleichspannungswandlers als elektronische Schaltung die Spannung am Elektromotor und damit Drehzahl nicht noch weiter vermindert, sondern konstant gehalten und kann ggf. noch erhöht werden; außerdem besteht insbesondere im Falle eines doppelstufigen Kompressors die Gefahr, dass die CSS den dadurch erreichten Performancevorteil wieder verbraucht;
- Gerade eine Anwendung in Hybrid- oder Elektrof ahrzeugen ist auch aus akustischen Gründen vorteilhaft; insbesondere eine Spannungsversorgung mit verringertem Geräusch, nämlich verringerter Spannung für ein Füllen eines Druckluftspeichers mit verringerter Performance ist möglich, was bspw. für Hybridfahrzeuge im Elektromodus sinnvoll ist, weil dann nämlich zeitweise eine geringere Schallemission bei niedrigen Umgebungsgeräuschen erreicht werden kann;
- der Durchfluss der Druckluft zum Befüllen oder Versorgen der entsprechenden Drucklufteinrichtungen kann unabhängig von der Bordspannung, also unabhängig von der Spannung im Bordnetz erfolgen;
- es ist möglich, bei einer vorhandenen Unterspannung im Bordnetz einen Kompressorstart durch ein entsprechendes Steuersignal, z. B. ein CAN-Signal, zu unterbinden, so dass in einem solchen Zustand einer fast leeren Batterie diese nicht zusätzlich belastet wird;
- durch eine entsprechende Ansteuerung ist es möglich, die Spannung am Elektromotor für einen sog. "Flüsterbetrieb" zeitweise zu reduzieren und/oder für einen "Powerbetrieb" zeitweise zu erhöhen; letzteres kann zum Füllen entsprechender Bälge von Luftfedern direkt aus dem Kompressor vorteilhaft sein;
- das Gesamtsystem kann in seiner Verfügbarkeit verbessert werden, weil geringere Erwärmung auftritt, kürzere Anlaufzeiten erreichbar sind und die Einschaltdauer kalkulierbar ist;
- besonders für Fahrzeuge mit großen Spannungsänderungen, die sich aus einem Energiemanagement ergeben können, ist die vorgeschlagene Lösung vorteilhaft; so kann durch die Ansteuerung über den Gleichspannungswandler und oder das Vorse- hen eines elektronischen Relais bei einer Einbindung mit einer Gesamtsteuerung des Fahrzeugs auch eine Überwachung durchgeführt werden, ob der Elektromotor des Verdichters läuft; hiervon kann das weitere Ansteuern von Ventilsequenzen zum Verteilen der Druckluft abhängig gemacht werden; eine Piausibiiitätsprüfung und mögliche Warnung vor einem Totalausfall kann erreicht werden.
- Durch die Einstellung der Spannung am Elektromotor des Kompressors ist letztlich durch die Spannungseinstellung auch eine Drehzahleinstellung des Kompressors erreichbar; dies kann insbesondere genutzt werden, um einen Betrieb des Elektromotors bei geringer Spannung und damit thermische Belastungen durch höhere Welligkeit des Stromverlaufs zu vermeiden;
- eine höhere Stromdichte in Stromspitzen wird vermieden und damit wird ein Bürstenverschleiß vermieden oder verringert und auch ein entsprechender Verschleiß der Patina auf dem Kommutator des Elektromotors. Eine Patina ist vorteilhaft als möglichst gleichmäßiger und für den Übergangswiderstand wichtiger Oberflächenbelag auf den elektrisch wirksamen Oberflächen der Kommutatorlamellen gebildet, der sich erst im Betrieb bildet; insbesondere im Rahmen eines Einlaufeffekts der Bürsten auf dem Kommutator.
Im Folgenden wird insbesondere die Einbindung der Luftversorgungsanlage 1000 mittels der Reglerstruktur in das Energiemanagement sowie der Fehlerdiagnosefunktion eines Fahrzeugs thematisiert; dies kann vor allem durch feste Betriebsarten des Kompressorlaufs mit permanenter Fehlerüberwachung erreicht werden. Dies lässt sich mit den folgenden bevorzugt festzulegenden Betriebsarten erreichen:
1. Normalbetrieb: für Funktion und Akustik optimierte Drehzahl
- Insbesondere kann genutzt werden, die Fähigkeit zur Fehlerdiagnose (Motordefekt; Motorstrom- und Drehzahlmessung und daraus Abgleich mit Plausibili- tätskontrolle) und/oder einer Erkennung von Motorstillstand durch Vergleich: Drehfeldfrequenz gegenüber ermittelter Frequenz aus der unbestromten Spule. Es kann auch die optimale Abstimmung der Akustik (Drehzahl) auf das Fahrzeug, auch für jedes Einzelgerät möglich gemacht und genutzt werden;
- es kann das aufgeführte intelligente Energiemanagement genutzt werden z. B. durch Verzicht auf überflüssige Reaktionen (z. B. Verzicht auf Heben/Senken bei nicht besetztem Fahrzeug); - es sollte der Regler die aktuelle Kurbelwellenstellung ermitteln können; er kann dadurch das An- und Auslaufverhalten beeinflussen (die Bestimmung der Kurbelwellenstellung kann anhand des Strompeaks (OT) erfasst werden; zusammen mit der Information der Drehzahl ist dann die aktuelle Stellung zu ermitteln);
- es kann eine vorausschauende Regelung durch Nutzung externer Informationen (CAN), z. B. Fahrzeug-Heben vor Verlassen der Autobahn (Kommunikation mit Navigationssystem), umgesetzt werden; Flüsterbetrieb: geringere akustische Emissionen z. B. durch verringerte Drehzahl mit Regelung der Winkelgeschwindigkeit
- hier kann insbesondere die Regelung umsetzen, dass eine Winkelgeschwindigkeit des Motorrotors für einen„Flüsterbetrieb" konstant gehalten wird; dies führt zwar auf eine höhere Stromwelligkeit jedoch geringere Gleichlaufschwankungen; auch als Ergänzung für nicht kompensierbare Schwingungsübertragung auf das Fahrzeug nutzbar; die Drehunförmigkeit kann z. B. durch die das permanente Auslesen der jeweils unbestromten Spule ermittelt werden, bei einem 14-Poligen Außenläufer-BL beträgt die Winkeländerung pro Umschaltung der Phasen 8,57°, d. h. es können bei diesem Beispiel pro Umdrehung 42 Positionen/Zeitdifferenzen ermittelt werden;
- der„Flüsterbetrieb" kann mit verringerter Drehzahl oberhalb des Taumelbetriebs des Verdichters umgesetzt werden z. B. bei Elektro- oder Hybridfahrzeugen im Stadtverkehr oder im Stand; Schnellheben aus Kompressor mit erhöhter Drehzahl (nur Bälge, ohne Speicher)
- eine realisierbare Möglichkeit zum schnellen Heben besteht aus dem Kompressor durch Überdrehzahl„Boost" und ist auch für Einzylinderkompressoren nutzbar;
- eine zulässige Maximaldrehzahl, die durch die Eigenfrequenzen der Ventile begrenzt ist, kann im Regler als Parameter hinterlegt werden Energieüberschussbetrieb: angebotsabhängiges Speicherfüllen je nach Ener- gieüberschuss im Bordnetz
- dies wird insbesondere erreichbar durch Integration in das Fahrzeugenergiemanagement, z. B. Speicherfüllen bei Energieüberschuss; eingeschränkter Notbetrieb bei Energiemangel: Betrieb mit verringerter Leistung bei Energiemangel im Bordnetz
- eine Möglichkeit ist die zum langsamen Speicher- oder Balgfüllen mit verringerter Lastdrehzahl bei Energiemangel und Luftbedarf;
- eine andere Möglichkeit besteht darin, Einschaltkriterien abhängig von der Bordnetzspannung zu definieren (z. B. kein Einschalten des Kompressors bei <= 9 V;
- es kann in Kombination mit einem vorgenannten Step-Up Wandler ein eingeschränktes Heben umgesetzt werden z. B. um Verladung/Abschleppen zu ermöglichen (auch bei deutlicher Unterspannung) möglich; bei deutlicher Unterspannung kann möglicherweise keine weitere Batteriekapazität für andere Verbraucher verfügbar sein.
Bordnetz- und/oder EMV-Schonbetrieb mit minimaler Welligkeit der Stromentnahme
- die Regelung kann das Energiespeichervermögen des Rotors ausnutzen und einen "glatten" Stromverlauf erzeugen; im Ergebnis kann die Rückwirkung auf das Bordnetz verringert werden, um Überlagerungen von Peaks bei mehreren gleichzeitig genutzten Verbrauchern zu vermeiden. Dies führt zu einer geringeren EMV-Belastung;
- ein Auslauf bei geringster Stromaufnahme (z. B. nahe UT) entlastet das Bordnetz durch die Minderung der Stromflanke (hartes Abschalten bei Strom- Minimum - der Regler hat das jede Umdrehung als Referenz).
Bezugszeichenliste
0 Luftzuführung
0.1 Filter
1 Druckluftzuführung
2 Druckluftanschluss
3 Entlüftungsanschluss
4 elektrische Verbraucher/elektrische Einrichtungen
5 Lichtmaschine/Generator
6 elektrischer Motor
8 Relais
10 Sanftstartblock (CSS)
11 erste Gleichspannungsquelle
12 zweite Gleichspannungsquelle
13 dritte Gleichspannungsquelle
21 erste, variable Eingangsspannung
22 zweite Eingangsspannung
23 dritte Eingangsspannung
24 konstante Versorgungsgleichspannung 26 Zwischenspannungsknoten
28 Zwischenspannung
30 elektrische Schaltung
31 erster Gleichspannungseingang
34 Gleichspannungsausgang
36 Tiefsetzstellerblock
40 elektrische Schaltung
41 erster Gleichspannungseingang
44 Gleichspannungsausgang
46 Tiefsetzstellerblock / Gleichspannungswandler
48 Hochsetzstellerblock
50 elektrische Schaltung
51 erster Gleichspannungseingang
52 zweiter Gleichspannungsanschluss erster, zweiter, dritter Gleiclispannungsein gang von 52
Gleichspannungsausgang
Tiefsetzstellerblock
Hochsetzstellerblock
elektrische Schaltung
erster Gleichspannungseingang
Hochsetzstellerblock
100F Bordnetz
Pneumatikhauptleitung
Lufttrockner
Drossel
Entlüftungsleitung
Zuführleitung
pneumatische Leitung
Galerie
Zweigleitungen
Steuerstromleitungen
Wegeventil-Steuerstromleitung
2/2-Wegeventil
Entlüftungsventil-Steuerstromleitung
Luftfeder
Druckluftreservoir
Ventilanordnung
Steuerventil
Entlüftungsventil
Verdichter
Kompressor
Elektromotor
Sensorleitungen
Sensoren, Signalleitungen
Spannungsdrucksensor
Fahrzeugsteuerung
Fahrzeugbus
Stromsteuer- und Versorgungsstrom- Leitung 501 , 502 Steuerleitung Motor
510 Relais-Steuerleitung
520 Relais
600 Reglerstruktur
601 Regler
610 Stromleitung
1000 Druckluftversorgungsanlage
1001 Pneumatikanlage
1002 Druckluftversorgungssystem
I, II, III Varianten Bornetzspannung 200 bis 600 V,
48 V, 9 bis 15 V, > 15 V

Claims

Patentansprüche
1. Elektrische Schaltung (30, 40, 50 oder 60) zum Ansteuern eines Verdichters zur Erzeugung von Druckluft, insbesondere für eine Druckluftversorgungsanlage (DLV) eines Fahrzeugs, wobei der Verdichter einen Kompressor und einen den Kompressor antreibenden Elektromotor (6) aufweist, und die elektrische Schaltung (30) umfasst
- einen Gleichspannungsausgang (34) zum Bereitstellen einer konstanten Versorgungsgleichspannung (24) mit einer ersten Ausgangsamplitude zum Ansteuern des Elektromotors (6) des Verdichters,
- einen ersten Gleichspannungseingang (31 , 41 , 51 , 61) zum Anschließen an eine erste Gleichspannungsquelle (11) und/oder einen zweiten Gleichspannungseingang (52.1 , 52.2, 52.3) zum Anschließen an eine zweite und/oder dritte Gleichspannungsquelle (12, 13), wobei
- die erste Gleichspannungsquelle (11 ) eine erste variable Eingangsspannung (21 ) bereitstellt, und
- die zweite und/oder dritte Gleichspannungsquelle (12, 13) eine zweite und/oder dritte Eingangsspannung (22, 23) bereitstellt, die größer als die erste Ausgangsamplitude ist, und
- einen Gleichspannungswandler zum Erzeugen der Versorgungsgleichspannung (24) aus der ersten und/oder zweiten und/oder dritten Eingangsspannung.
2. Elektrische Schaltung (30) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass
- der Gleichspannungswandler einen Tiefsetzsteller und/oder einen Hochsetzsteller umfasst und/oder dass
- die erste Gleichspannung etwa der ersten Ausgangsamplitude, etwa dem Doppelten, Dreifachen davon oder etwa der Hälfte oder einem Drittel davon entspricht, insbesondere dass die erste Gleichspannung in einem Bereich von 50% bis 150 % der Ausgangsamplitude, des Doppelten oder des Dreifachen der Ausgangsamplitude bzw. in einem Bereich von 50 % bis 150 % einer halben oder einer drittel Ausgangsamplitude liegt.
3. Elektrische Schaltung (30) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass
- der Gleichspannungswandler als Tiefsetzsteller (36) ausgebildet ist, zum Heruntersteuern der ersten variablen Eingangsspannung (21 ) und/oder der zweiten Eingangsspannung (22) auf die konstante Versorgungsgleichspannung (24), oder dass
- der Gleichspannungswandler als Hochsetzsteller ausgebildet ist, zum Hochsteuern der ersten variablen Eingangsspannung (21) auf die konstante Versorgungsgleichspannung (24).
4. Elektrische Schaltung (30) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichspannungswandler
- einen mit der ersten Gleichspannungsquelle (11) verbundenen Hochsetzsteller aufweist zum Hochsteuern der ersten variablen Eingangsspannung (21) auf eine Zwischenspannung (28) an einem Zwischenspannungsknoten /26) mit einer Amplitude, die höher als die erste variable Eingangsspannung (21) und höher als
. die konstante Versorgungsgleichspannung (24) ist und
- einen zwischen dem Zwischenspannungsknoten (26) und dem Gleichspannungsausgang (34) angeordneten Tiefsetzsteller aufweist, zum Heruntersteuern der Zwischenspannung (28) auf die konstante Versorgungsgleichspannung (24).
5. Elektrische Schaltung (30) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Tiefsetzsteller außerdem mit der zweiten Gleichspannungsquelle (12) verbunden ist, zum wahlweisen Heruntersteuern der Zwischenspannung (28) des Zwischenspannungsknotens (26) oder der zweiten Eingangsspannung (22) der zweiten Gleichspannungsquelle (12) auf die konstante Versorgungsgleichspannung (24), oder dass zu dem Tiefsetzsteller ein zweiter Tiefsetzsteller parallel geschaltet ist, zum Heruntersteuern der zweiten Eingangsspannung (22) der zweiten Gleichspannungsquelle (12) auf die konstante Versorgungsgleichspannung (24).
6. Elektrische Schaltung (30) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein elektronisches Relais vorgesehen ist, zum elektrischen Unterbrechen einer Verbindung vom Gleichspannungswandler zum Gleichspannungsausgang (34) und/oder zum elektrischen Unterbrechen einer Verbindung von einem bzw. dem mit der ersten Gleichspannungsquelle (11 ) verbundenen Hochsetzsteller zu einem bzw. dem Zwischenspannungsknoten (26).
7. Elektrische Schaltung (30) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
- die erste variable Eingangsspannung (21) im Bereich von etwa 9 bis 16 V und/oder 12 bis 21 V liegt, und/oder
- die zweite Eingangsspannung (22) im Bereich von etwa 18 bis 32 V und/oder 40 bis 50 V liegt, und/oder
- die dritte Eingangsspannung (23) im Bereich von 200 V bis 650 V liegt und/oder
- die erste Ausgangsamplitude etwa 13 V, 16 V, 24 V, 42 V und/oder 49 V beträgt.
8. Elektrische Schaltung (30) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dazu ausgebildet, an dem Gleichspannungsausgang (34) eine konstante Versorgungsgleichspannung (24) mit einer zweiten Ausgangsamplitude zum Ansteuern des Elektromotors (6) des Verdichters in einem gedrosselten Betrieb bereitzustellen, wobei die zweite Ausgangsamplitude kleiner ist als die erste Ausgangsamplitude.
9. Elektrische Schaltung (30) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Kommunikationsschnittstelle zum Einbindung der elektrischen Schaltung, insbesondere des Gleichspannungswandlers des Hochsetzstellers und/oder des Tiefsetzstellers, in eine Gesamtsteuerung (ECU) des Fahrzeugs vorgesehen ist, wobei die Kommunikationsschnittstelle insbesondere zur Kommunikation mit einem BUS-System und/oder einer elektronischen Steuereinheit (ECU) vorgesehen ist.
10. Elektrische Schaltung (30) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Überwachungseinheit zum Ansteuern und Messen des Gleichspannungswandlers vorgesehen ist, um ein Funktionsverhalten der Druckluftversorgungsanlage zu überprüfen und optional erfasste Prüfwerte einer bzw. der Gesamtsteuerung des Fahrzeugs zuzuführen.
11. Verdichteranordnung zum Erzeugen von Druckluft, insbesondere für eine Druckluftversorgungsanlage (1000) eines Fahrzeugs, umfassend
- einen Verdichter (330) mit einem Kompressor (331 ) und einem den Kompressor antreibenden Elektromotor (332) und
- eine elektrische Schaltung (30) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche zum Ansteuern des Verdichters (330).
12. Verdichteranordnung nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (6) als bürstenbehafteter oder bürstenloser Gleichstrommotor ausgebildet ist.
13. Bordnetz (100) eines Fahrzeugs, insbesondere Bordnetz für einen Pkw (Pkw- Bordnetz), insbesondere eines Elektroautos oder Hybridautos, zum Betreiben und Ansteuern elektrischer Einrichtungen des Fahrzeugs, umfassend
- eine erste Gleichspannungsquelle (11 ), insbesondere Batterie (11), die eine erste variable Eingangsspannung (21) bereitstellt und/oder
- eine zweite Gleichspannungsquelle (12), die eine zweite Eingangsspannung (22) bereitstellt, und/oder
- eine dritte Gleichspannungsquelle (13), die eine dritte Eingangsspannung (23) bereitstellt;
- elektrische Leitungen, zum Übertragen der elektrischen Energie von wenigstens einer der Gleichspannungsquellen zu den elektrischen Einrichtungen, und - einen Verdichter mit einem Kompressor und einem den Kompressor antreibenden Elektromotor (6), zur Erzeugung von Druckluft, insbesondere für eine Druckluftversorgungsanlage (DLV) des Fahrzeugs, und
- eine elektrische Schaltung (30), insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 10, zum Ansteuern des Verdichters, und die elektrische Schaltung (30) umfasst
- einen Gleichspannungsausgang (34) zum Bereitstellen einer konstanten Versorgungsgleichspannung mit einer ersten Ausgangsamplitude zum Ansteuern des Elektromotors (6) des Verdichters,
- einen ersten Gleichspannungseingang (31) zum Anschließen an die erste Gleichspannungsquelle (11 ) und/oder einen zweiten Gleichspannungseingang (52) zum Anschließen an die zweite Gleichspannungsquelle (12) und/oder einen dritten Gleichspannungseingang zum Anschließen an die dritte Gleichspannungsquelle (13), wobei die erste variable Eingangsspannung (21) etwa der ersten Ausgangsamplitude entspricht, und/oder die zweite Eingangsspannung (22) größer als die erste Ausgangsamplitude ist, und/oder die dritte Eingangsspannung (23) größer als die erste Ausgangsamplitude ist,
- einen Gleichspannungswandler zum Erzeugen der Versorgungsgleichspannung
14. Bordnetz (100) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Niedervoltbordnetz und ein Hochvoltbordnetz umfasst.
15. Druckluftversorgungsanlage (1000) zum Betreiben einer Pneumatikanlage
(1001), insbesondere einer Luftfederanlage eines Fahrzeugs, aufweisend:
- eine Druckluftzuführung (1), einen Druckluftanschluss (2) zur Pneumatikanlage (1001) und einen Entlüftungsanschluss (3) zur Umgebung;
- zwischen der Druckluftzuführung (1) und dem Druckluftanschluss (2) eine Pneumatikhauptleitung (210), die einen Lufttrockner (211), insbesondere ein ent- sperrbares Rückschlagventil einer Ventilanordnung, aufweist; - zwischen dem Druckluftanschluss (2) und dem Entlüftungsanschluss (3) eine Entlüftungsleitung (220) mit einem Entlüftungsventil (322), insbesondere in Verbindung mit einem Steuerventil (321) einer Ventilanordnung (320), wobei
- die Druckluftzuführung (1) mit Druckluft erzeugt von einer Verdichteranordnung nach einem der Ansprüche 11 oder 12 versorgbar ist.
16. Druckluftversorgungssystem (1002) mit einer Pneumatikanlage (1001 ) und mit einer Druckluftversorgungsanlage (1000) gemäß Anspruch 15 zum Betreiben der Pneumatikanlage (1001) mit einer Druckluftströmung, insbesondere einer Luftfederanlage eines Fahrzeugs, vorzugsweise eines PKWs, wobei die Pneumatikhauptleitung (210) eine Druckluftzuführung (1) von einem Verdichter (330) und einen Druckluftanschluss (2) zu der Pneumatikanlage (1001 ) pneumatisch verbindet.
17. Fahrzeug, insbesondere PKW, mit einer Pneumatikanlage (1001 ), insbesondere einer Luftfederanlage, und einer Druckluftversorgungsanlage (1000) gemäß Anspruch 16 zum Betreiben der Pneumatikanlage (1001) mit einer Druckluftströmung (DL).
18. Verfahren zum Betreiben eines Verdichters zur Erzeugung von Druckluft, insbesondere für eine Druckluftversorgungsanlage (DLV) eines Fahrzeugs, umfassend die Schritte:
- Bereitstellen elektrischer Energie mit einer variablen Gleichspannung,
- Umformen der elektrischen Energie mit der variablen Gleichspannung mittels einer elektrischen Schaltung (30) in elektrische Energie mit einer konstanten Gleichspannung und
- Betreiben des Verdichters mit der in elektrische Energie mit einer konstanten Gleichspannung umgeformten Energie.
19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter in einem Bordnetz eines Fahrzeugs, insbesondere Bordnetz eines Pkw (Pkw- Bordnetz), betrieben wird, und in dem Bordnetz weitere elektrische Einrichtungen des Fahrzeugs betrieben werden, wobei eine zeitgleiche Ansteuerung des Verdichters und wenigstens einer der weiteren elektrischen Einrichtungen vermieden wird, und insbesondere eine Ansteuerung des Verdichters gegenüber der AnSteuerung der weiteren elektrischen Einrichtung verzögert wird, oder umgekehrt.
20. Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schaltungsanordnung (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, und/oder ein Bordnetz nach einem der Ansprüche 13 oder 14 zum Ausführen des Verfahrens verwendet werden.
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