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Die Erfindung betrifft ein Elektronik-Modul eines Nebenaggregats eines Kraftfahrzeugs. Das Nebenaggregat ist insbesondere ein Kältemittelverdichter. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betrieb eines Elektronik-Moduls und ein Nebenaggregat eines Kraftfahrzeugs.
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Kraftfahrzeuge weisen eine Vielzahl an Nebenaggregaten auf, bei denen ein Bauteil mittels eines elektromotorischen Antriebs angetrieben wird. Hierfür ist das Nebenaggregat elektrisch mit einem Bordnetz des Kraftfahrzeugs gekoppelt, sodass an einem Eingang des Nebenaggregats 12 Volt oder 48 Volt anliegt. Um eine Antriebsgeschwindigkeit zu steuern oder zu regeln wird meist eine Elektronik verwendet, die beispielsweise einen Halbleiterschalter aufweist. Mittels diesem wird ein Stromfluss zu einer Wicklung des Elektromotors des Antriebs eingestellt, wobei dies beispielsweise in Abhängigkeit einer Leistungsanforderung und/oder einer Stellung eines Rotors bezüglich der Wicklung erfolgt. Der Halbleiterschalter wird meist mittels einer Ansteuerschaltung, einer sogenannten Treiberschaltung, beaufschlagt, mittels dessen der Halbleiterschalter von einem elektrisch leitenden in einen elektrisch nicht leitenden Zustand und zurück überführt wird. Bei Betrieb des Nebenaggregats ist es möglich, dass aufgrund von Alterungseffekten, einer fehlerhaften Herstellung oder einer Überbelastung ein thermisches Fehlverhalten auftritt.
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Das thermische Fehlverhalten ist beispielsweise ein Schwelbrand, der aufgrund einer Überbelastung auftritt, beispielsweise aufgrund eines unzulässig hohen elektrischen Stromwerts. Hierbei ist aufgrund des erhöhten elektrischen Widerstands, eine Verlustwärme derart, dass Bestandteile der Treiberschaltung schmelzen oder Feuer fangen. Ein weiteres thermisches Fehlverhalten kann aufgrund loser elektrischer Verbindungen innerhalb der Treiberschaltung oder des Halbleiterschalters bzw. dessen Anschlüssen erfolgen. In diesem Bereich bilden sich sogenannte Störlichtbögen aus, bei denen ein Abbrand der einzelnen Bauteile erfolgt.
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Sobald ein thermisches Fehlverhalten auftritt, kann nicht ausgeschlossen werden, dass das vollständige Nebenaggregat sowie dieses umgebende, weitere Bestandteile des Kraftfahrzeugs ebenfalls Feuer fangen. Für den Fahrer des Kraftfahrzeugs ist dies lediglich vergleichsweise spät feststellbar, beispielsweise wenn das Nebenaggregat ausgefallen ist. Hierbei muss das Nebenaggregat jedoch zum Zeitpunkt des Fehlerfalls betrieben sein, und der Fahrer muss den Ausfall feststellen können. Anderenfalls ist es für den Fahrer lediglich dann ermöglicht, den Fehlerfall festzustellen, wenn Rauch oder Flammen austreten. In diesem Fall muss der Fahrer vergleichsweise zügig das Kraftfahrzeug abstellen, was mit einem vergleichsweise hohen Risiko verbunden ist, zumal zu diesem Zeitpunkt mindestens ein Nebenaggregat des Kraftfahrzeugs bereits ausgefallen ist. Um einen brennenden Lichtbogen zu erkennen, wird beispielsweise eine Versorgungsspannung des Nebenaggregats überwacht, und hinsichtlich vergleichsweise hochfrequenter Schwankungen ausgewertet. Dies ist vergleichsweise aufwendig und somit kostenintensiv.
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Aus
CN 203 422 821 U ist ein System zu Verhinderung eines Feuers innerhalb eines Kraftfahrzeugs, mit einem Rauchmelder bekannt. Der Rauchmelder ist in einem Motorraum des Kraftfahrzeugs angeordnet.
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In
US 2002/0158767 A1 ist ein Rauchmelder mit einem Gehäuse offenbart.
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US 2004/0232933 A1 zeigt eine Testvorrichtung für Halbleiter, mit einem Infrarotsensor.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein besonders geeignetes Elektronik-Modul eines Nebenaggregats eines Kraftfahrzeugs, ein besonders geeignetes Verfahren zum Betrieb eines Elektronik-Moduls eines Kraftfahrzeugs sowie ein besonders geeignetes Nebenaggregat eines Kraftfahrzeugs anzugeben, wobei insbesondere eine Erkennung einer thermischen Fehlfunktion verbessert und vorzugsweise Herstellungskosten reduziert sind. Eine weitere Aufgabe ist die Angabe einer besonders geeigneten Verwendung eines Fotosensors.
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Hinsichtlich des Elektronik-Moduls wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1, hinsichtlich des Verfahrens durch die Merkmale des Anspruchs 6, hinsichtlich des Nebenaggregats durch die Merkmale des Anspruchs 7 und hinsichtlich der Verwendung durch die Merkmale des Anspruchs 8 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
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Das Elektronik-Modul ist ein Bestandteil eines Nebenaggregats eines Kraftfahrzeugs, wobei das Nebenaggregat bevorzugt einen elektromotorischen Antrieb umfasst. Der Antrieb weist beispielsweise einen Elektromotor auf, der insbesondere bürstenlos ist, und mittels des Elektronik-Moduls betrieben ist. Das Nebenaggregat ist besonders bevorzugt ein Kältemittelverdichter (KMV), der vorzugsweise elektromotorisch ausgestaltet ist. Mittels des Kältemittelverdichters wird ein Kältemittel komprimiert, beispielsweise CO2 oder ein chemisches Kältemittel, wie R134a oder R1234yf. Der Kältemittelverdichter ist beispielsweise ein Bestandteil einer Klimaanlage zur Klimatisierung eines Innenraums des Kraftfahrzeugs. In einer Alternative hierzu wird der Kältemittelverdichter zur Kühlung von Batterien des Kraftfahrzeugs herangezogen, insbesondere einer Hochvoltbatterie.
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Das Elektronik-Modul umfasst ein Elektronikgehäuse, das beispielsweise an weitere Bestandteile eines Gehäuses des Nebenaggregats angeformt ist. Mit anderen Worten umfasst das Nebenaggregat ein Gehäuse, welches als Bestandteil das Elektronikgehäuse umfasst. Innerhalb des Elektronikgehäuses ist eine Elektronik angeordnet, mittels derer bei Betrieb insbesondere eine Steuerung und/oder Regelung des Nebenaggregats, insbesondere des Elektromotors, erfolgt. Die Elektronik weist einen Fotosensor zur Erfassung zumindest eines Teils des Elektronik-Moduls auf. Mit anderen Worten wird bei Betrieb mittels des Fotosensors ein Teil des Elektronik-Moduls erfasst, beispielsweise ein Teil der Elektronik und/oder des Elektronikgehäuses. Hierfür ist der Fotosensor zweckmäßigerweise geeignet und insbesondere vorgesehen und eingerichtet. Geeigneterweise ist der Fotosensor derart positioniert, dass bei Betrieb mittels des Fotosensors der Teil des Elektronik-Moduls erfasst wird.
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Mittels des Fotosensors erfolgt bei Betrieb zudem eine Erkennung einer thermischen Fehlfunktion, wofür insbesondere Messdaten ausgewertet werden. Mit anderen Worten wird anhand des mittels des Fotosensors erfassten Abbilds des Teils der Elektronik eine thermische Fehlfunktion erkannt. Die thermische Fehlfunktion ist hierbei beispielsweise ein Schwelbrand, ein Kurzschluss oder ein Lichtbogen. Zumindest erfolgt aufgrund der thermischen Fehlfunktion ein Abbrand oder eine sonstige thermische Beschädigung des Elektronik-Moduls, insbesondere der Elektronik. Zusammenfassend ist der Fotosensor geeignet, insbesondere vorgesehen und eingerichtet, sowie derart ausgestaltet, dass mittels des Fotosensors die thermische Fehlfunktion erkannt wird, sofern diese auftritt.
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Der Fotosensor selbst ist beispielsweise ein Lichtsensor. Mit anderen Worten wird mittels des Foto- bzw. Lichtsensors ein Licht einer bestimmten Wellenlänge erfasst, wobei dieses beispielsweise von dem Teil der Elektronik, der erfasst wird, ausgesandt oder von diesem zumindest reflektiert wird. Der Fotosensor umfasst beispielsweise eine Fotodiode oder einen Fotowiderstand, was Herstellungskosten reduziert. Insbesondere weist der Fotosensor eine Linse oder dergleichen auf, mittels derer eine Fokussierung auf den Teil des Elektronik-Moduls erfolgt. Insbesondere erfolgt keine räumliche Auflösung der Position der thermischen Fehlfunktion, vielmehr erfolgt mittels des Fotosensors lediglich eine Erkennung, ob eine thermische Fehlfunktion vorliegt oder nicht, was mittels eines Fotowiderstands oder einer Fotodiode vergleichsweise kostengünstig realisiert werden kann.
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Aufgrund der Verwendung des Fotosensors erfolgt eine direkte Überwachung auf die thermische Fehlfunktion. Diese muss somit nicht aus etwaigen weiteren Messgrößen abgeleitet werden, was eine fehlerhafte Bestimmung vermeidet. Zudem ist keine vergleichsweise aufwendige Überwachung von weiteren Messgrößen erforderlich, wofür beispielsweise ein Mikroprozessor verwendet werden müsste. Sofern ein Fotowiderstand oder eine Fotodiode verwendet wird, ist mittels dieser lediglich ein binärer Schaltzustand realisierbar, wobei bei Abwesenheit der thermischen Fehlfunktion der eine Schaltzustand und sonst der andere Schaltzustand vorliegt. Beispielsweise ist die Fotodiode bei einem der Schaltzustände elektrisch leitend bzw. der elektrische Widerstand des Fotowiderstands ist bei Vorliegen der thermischen Fehlfunktion ober- bzw. unterhalb eines bestimmten Grenzwerts.
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Der Fotosensor ist beispielsweise ein UV-Sensor oder umfasst zumindest einen UV-Sensor. Mittels des UV-Sensors ist es möglich, Licht mit einer Wellenlänge kleiner als 450 nm, 400 nm, 380 nm, 350 nm und/oder 310 nm zu erfassen. Zumindest jedoch ist eine Hauptsensitivität des UV-Sensors kleiner als diejenigen Grenzwerte. Insbesondere weist der Fotosensor einen Filter auf, mittels dessen Licht (elektromagnetische Strahlung) mit einer größeren Wellenlänge blockiert oder zumindest teilweise absorbiert wird. Ein Lichtbogen emittiert UV-Strahlung, die folglich mittels des Lichtsensors erfasst wird. Ein derartiger Lichtbogen tritt beispielsweise auf, falls eine elektrische Verbindung fehlerhaft ist. Infolge des bei dieser Verbindung auftretenden vergleichsweise großen elektrischen Widerstands wird ein sich dazwischen befindendes Gas, beispielsweise Luft, ionisiert, sodass ein Plasma entsteht, über den der elektrische Strom geführt wird, was somit den Lichtbogen bildet. An den Enden des Lichtbogens tritt hierbei ein Abbrand auf. Zusammenfassend ist die thermische Fehlfunktion aufgrund einer Lichtbogenbildung hervorgerufen. Sofern folglich UV-Strahlung erfasst wird, ist ein Lichtbogen vorhanden, bei dem insbesondere ein Abbrand von Bestandteilen des Elektronik-Moduls, wie der Elektronik erfolgt, erfolgt, bei denen der Lichtbogen endet oder entspringt. Infolgedessen ist eine Identifizierung einer fehlerhaften elektrischen Verbindung oder eines Kabelbruchs ermöglicht. Zweckmäßigerweise werden bei Betrieb die mittels des Fotosensors erfassten Messdaten mit einem vorher festgelegten Grenzwert verglichen. Beispielsweise tritt bei Betrieb der Elektronik ein bestimmter Anteil an UV-Strahlung auf. Hierbei ist der Grenzwert derart festgelegt, dass die bei Normalbetrieb auftretende UV-Strahlung nicht als thermische Fehlfunktion erkannt wird. Sofern jedoch die Messdaten einen größeren Anteil an UV-Strahlung aufweisen, wird die thermische Fehlfunktion erkannt.
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In einer Alternative hierzu ist der Lichtsensor ein IR-Sensor oder umfasst diesen. Mittels des IR-Sensors ist es ermöglicht, Infrarotstrahlung zu erfassen, also Licht, das vorzugsweise eine Wellenlänge größer als 700 nm, 750 nm, 800 nm oder 850 nm aufweist. Zweckmäßigerweise umfasst der IR-Sensor einen Filter, mittels dessen ein Einfall von Licht mit einer kleineren Wellenlänge blockiert wird, beispielsweise mittels Reflektion oder Absorption. Folglich ist mittels des Fotosensors eine Aufheizung von dem Teil des Elektronik-Moduls oder eines weiteren Teils des Elektronik-Moduls erfassbar, die beispielsweise aufgrund einer Überbelastung auftritt, welche insbesondere wegen eines erhöhten Stromflusses hervorgerufen wird. Sobald beispielsweise aufgrund einer fehlerhaften Ansteuerung mittels eines Bauteils der Elektronik ein zu großer elektrischer Strom getragen wird, wird dieses aufgrund des elektrischen Widerstands sowie der Verlustleistung aufgeheizt, wobei eine Beschädigung dieses Bauteils oder der umgebenden Bauteile möglich ist. Dies wird mittels des IR-Sensors erfasst, sodass ein Schwelbrand oder dergleichen vergleichsweise früh erfasst oder sogar vermieden werden kann. Folglich ist die thermische Fehlfunktion aufgrund einer Überlast hervorgerufen. Insbesondere umfasst die Elektronik sowohl den UV-Sensor als auch den IR-Sensor, also zwei Fotosensoren, die jedoch unterschiedlich ausgestaltet sind. Infolgedessen ist eine Diagnosemöglichkeit verbessert und eine Erfassung von verschiedenen thermischen Fehlfunktionen ermöglicht.
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Beispielsweise werden die mittels des IR-Sensors erfassten Messdaten mit einem Grenzwert verglichen. Der Grenzwert korrespondiert hierbei beispielsweise zu einem Temperaturwert, wobei diese Temperatur zuzüglich einer etwaigen Messtoleranz bei Betrieb des Elektronik-Moduls zu erwarten ist. Insbesondere entspricht dieser Temperaturwert 130°C. Sofern mittels des IR-Sensors somit eine Temperatur erfasst wird, die größer als der Grenzwert ist, also eine Temperatur, die bei einem ordnungsgemäßem Betrieb des Elektronik-Moduls nicht auftreten sollte, ist die thermische Fehlfunktion erkannt.
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Aufgrund der Verwendung eines IR- bzw. UV-Sensors wird ein vergleichsweise großer Anteil des Lichts des sichtbaren Spektrums nicht mittels des Fotosensors erfasst, der jedoch keine Rückschlüsse auf das Vorhandensein der thermischen Fehlfunktion zulässt. Infolgedessen ist im Wesentlichen keine Datenverarbeitung oder lediglich in geringem Maße erforderlich, was einerseits Herstellungskosten reduziert. Andererseits ist eine vergleichsweise robuste Erkennung der thermischen Fehlfunktion gegeben.
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Vorzugsweise ist das Elektronikgehäuse lichtundurchlässig. Somit wird vermieden, dass mittels des Fotosensors etwaige von außen emittierte elektromagnetisehe Strahlung mittels des Fotosensors erfasst wird. Folglich ist eine Fehleranfälligkeit reduziert. Auch ist auf diese Weise ein Austreten von Licht aus dem Elektronikgehäuse, welches aufgrund einer thermischen Fehlfunktion bedingt ist, vermieden. Insbesondere ist das Elektronikgehäuse derart ausgestaltet, dass eine Innenwand des Elektronikgehäuses derartige Strahlung reflektiert. Infolgedessen wird mittels des Fotosensors auch eine thermische Fehlfunktion erfasst, die nicht in dem mittels des Fotosensors direkt erfassten Teil des Elektronikgehäuses entspringt.
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Beispielsweise ist das Elektronikgehäuse aus einem Metall erstellt, insbesondere einem Aluminium, also reinem Aluminium oder einer Aluminiumlegierung. Zweckmäßigerweise ist das Elektronikgehäuse zumindest teilweise mittels eines Aluminiumdruckgussteils gebildet, was Herstellungskosten reduziert. Auch ist mittels des Metalls eine Reflektion von Strahlung sichergestellt, die aufgrund einer thermischen Fehlfunktion auftritt. Besonders bevorzugt ist das Elektronikgehäuse vollständig geschlossen. Etwaige elektronische Anschlüsse für die Elektronik sind beispielsweise licht- und/oder druckdicht ausgestaltet. Infolgedessen ist ein Eintritt von Strahlung von außen in das Elektronikgehäuse unterbunden, weswegen eine Erkennung einer thermischen Fehlfunktion verbessert ist. Vorzugsweise weist das Elektronik-Modul kein innerhalb des Elektronikgehäuses angeordnetes Leuchtmittel, wie eine Licht emittierende Diode (LED) oder dergleichen auf. Somit ist es innerhalb des Elektronikgehäuses dunkel, weswegen ein Auftreten von Strahlung im Wesentlichen lediglich aufgrund einer thermischen Fehlfunktion hervorgerufen wird, mit Ausnahme einer etwaigen, jedoch bekannten Erwärmung von Bauteilen der Elektronik.
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Zweckmäßigerweise ist der Fotosensor auf einen Teil des Elektronikgehäuses gerichtet. Mit anderen Worten ist der Teil des Elektronik-Moduls, der mittels des Fotosensors erfasst wird, ein Teil des Elektronikgehäuses, insbesondere einer Innenwand. Geeigneterweise wird eine reflektierte Strahlung mittels des Fotosensors erfasst und hieraus auf eine thermische Fehlfunktion geschlossen. Zweckmäßigerweise ist der Fotosensor auf einen Gehäusedeckel gerichtet, der in diesem Bereich vorzugsweise vergleichsweise glatt ausgestaltet ist. Insbesondere erfolgt eine Montage der Elektronik innerhalb des Elektronikgehäuses durch die mittels des Elektronikdeckels verschlossene Öffnung. Infolgedessen ist es möglich, dass zwischen dem Fotosensor und dem Gehäusedeckel keine weiteren Bestandteile des Elektronik-Moduls angeordnet sind, weswegen ein Erfassungsfeld (Erfassungsbereich) des Fotosensors nicht mittels weiterer Bauteile behindert oder blockiert ist. Zweckmäßigerweise ist der Fotosensor auf den Gehäusedeckel fokussiert oder zumindest derart angeordnet, dass von dem Gehäusedeckel reflektierte Strahlung mittels des Fotosensors erfassbar ist, insbesondere direkt. Somit ist auch eine Erkennung einer thermischen Fehlfunktion ermöglicht, falls diese in einem Bereich des Elektronikgehäuses auftritt, die nicht direkt mittels des Fotosensors überwacht werden kann, beispielsweise aufgrund einer Abschirmwirkung eines Bauteils der Elektronik.
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Die Elektronik umfasst eine erste Leiterplatte, die beispielsweise einen mit Epoxidharz verstärkten Faserverbundwerkstoff sowie eine Anzahl an Kupferleiterbahnen aufweist. Die Leiterplatte umfasst zweckmäßigerweise den Fotosensor bzw. die Fotosensoren. Infolgedessen ist eine Position des Fotosensors definiert und eine Montage erleichtert. Auch ist eine Bestromung sowie eine Auswertung von etwaigen Messdaten vereinfacht. Bei Montage wird beispielsweise die erste Leiterplatte innerhalb des Elektronikgehäuses positioniert und dieses mittels des Gehäusedeckels verschlossen. Hierbei ist zweckmäßigerweise die Leiterplatte parallel zum Gehäusedeckel angeordnet und der Fotosensor auf den Gehäusedeckel gerichtet. Folglich ist eine vergleichsweise Zeit sparende Montage des Elektronik-Moduls ermöglicht.
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Beispielsweise weist die erste Leiterplatte einen Halbleiterschalter, insbesondere einen Leistungshalbeiterschalter, auf, mittels dessen eine Bestromung des Elektromotors des Nebenaggregats erfolgt. Der Leistungshalbeiterschalter ist vorzugsweise ein Feldeffekttransistor (FET) und/oder IGBT geeignet, einen elektrischen Strom der erforderlichen Stärke zu schalten, beispielsweise einen elektrischen Strom von mindestens 1A, 2A, 5A oder 10 A. Insbesondere weist die Elektronik sechs derartige Leistungshalbleiterschalter auf, die vorzugsweise in einer Brückenschaltung, beispielsweise einer B6-Schaltung, miteinander elektrisch kontaktiert sind. Alternativ umfasst die Elektronik zwei dieser B6-Schaltung, bei der die Leistungshalbleiterschalter, die insbesondere als FET oder IGBT realisiert sind, zur Erhöhung der Stromtragfähigkeit in einer Parallelschaltung betrieben sind. In einer weiteren Alternative sind jeder der beiden B6-Schaltungen jeweils drei Phasen des Elektromotors zugeordnet. Somit ist eine Ansteuerung von drei bzw. sechs verschiedenen Phasen des Elektromotors mittels des Elektronik-Moduls ermöglicht.
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Zweckmäßigerweise umfasst die Elektronik eine zweite Leiterplatte, die zur ersten Leiterplatte beabstandet ist. Die zweite Leiterplatte weist hierbei bevorzugt den Leistungshalbleiterschalter auf, insbesondere sämtliche Leistungshalbleiterschalter. Die erste Leiterplatte hingegen weist eine Ansteuerschaltung, insbesondere eine Treiberschaltung, für die Leistungshalbleiterschalter auf. Mit anderen Worten erfolgt eine Steuerung der Leistungshalbleiterschalter mittels der ersten Leiterplatte. Zweckmäßigerweise ist ein mittels der ersten Leiterplatte getragener maximaler elektrischer Strom geringer als der mittels der zweiten Leiterplatte getragene maximale Strom. Insbesondere liegt an der ersten Leiterplatte eine geringere elektrische Spannung an als an der zweiten elektrischen Leiterplatte, und/oder die beiden Leiterplatten sind galvanisch voneinander getrennt. Folglich ist die mittels der zweiten Leiterplatte geführte elektrische Energie größer als die mittels der ersten Leiterplatte geführte elektrische Energie, weswegen eine thermische Fehlfunktion vorwiegend auf der zweiten Leiterplatte auftritt. Somit ist diese mittels des Fotosensors der ersten Leiterplatte erfassbar, ohne dass bereits aufgrund der thermischen Fehlfunktion eine Beschädigung der ersten Leiterplatte aufgetreten ist. Zweckmäßigerweise ist die erste Leiterplatte im Wesentlichen parallel zur zweiten Leiterplatte angeordnet, wobei die beiden Ebenen, innerhalb derer die beiden Leiterplatten angeordnet sind, zueinander versetzt sind. Auf diese Weise ist eine vergleichsweise Bauraum sparende Anordnung der Elektronik realisiert.
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Die erste Leiterplatte weist einen Mikroprozessor auf, der beispielsweise ein Bestandteil der Ansteuerschaltung ist oder zumindest einen Teil der Ansteuerschaltung umfasst. Ferner weist die erste Leiterplatte eine Bus-Schnittstelle auf, an der weitere Bestandteile eines Bus-Systems des Kraftfahrzeugs anschließbar sind. Insbesondere erfüllt die Bus-Schnittstelle einen CAN- oder einen LIN-Standard. Die Bus-Schnittstelle ist signaltechnisch mit dem Mikroprozessor gekoppelt, sodass Signale zwischen dem Mikroprozessor und der Bus-Schnittstelle übertragen werden können, beispielsweise mittels einer Leiterbahn der ersten Leiterplatte. Ferner ist der Mikroprozessor mit dem Fotosensor signaltechnisch gekoppelt. Daher ist es ermöglicht, mittels des Mikroprozessors etwaige Messdaten des Fotosensors auszulesen und diese über die Bus-Schnittstelle zu versenden, beispielsweise an einen Bordcomputer des Kraftfahrzeugs.
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In einer Alternative hierzu ist der Fotosensor selbst direkt mit der Bus-Schnittstelle gekoppelt, und bei Betrieb erfolgt beispielsweise eine Abfrage des Fotosensors direkt mittels des Bordcomputers. Infolgedessen ist es ermöglicht, dass eine Energiezufuhr zum Nebenaggregat unterbunden wird, falls die thermische Fehlfunktion erfasst wird. Dies erfolgt von Außerhalb des Nebenaggregats, was eine Sicherheit erhöht, da aufgrund der thermischen Fehlfunktion kein ordnungsgemäßer Betrieb des Elektronik-Moduls mehr sichergestellt werden kann. Alternativ oder in Kombination hierzu weist das Elektronik-Modul einen Sicherungsschalter oder eine Sicherung auf, die in Abhängigkeit der Erkennung der thermischen Fehlfunktion mittels des Fotosensors aktiviert wird. Zweckmäßigerweise sind sowohl der interne Sicherungs- bzw. Leistungsschalter und die Bus-Schnittstelle vorhanden, weswegen eine redundante Abschaltung des Elektronik-Moduls und insbesondere des vollständigen Nebenaggregats erfolgt.
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Das Verfahren zum Betrieb eines Elektronik-Moduls eines Nebenaggregats eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Kältemittelverdichters, mit einem Elektronikgehäuse und einer darin angeordneten Elektronik, die einen Fotosensor zur Erfassung zumindest eines Teils des Elektronik-Moduls und zur Erkennung einer thermischen Fehlfunktion aufweist, wobei eine erste Leiterplatte der Elektronik den Fotosensor, der insbesondere ein UV-Sensor oder ein IR-Sensor ist, und einen Mikroprozessor umfasst, der signaltechnisch mit dem Fotosensor und einer BUS-Schnittstelle gekoppelt ist, sieht vor, dass mittels des Mikroprozessors über die BUS-Schnittstelle eine Aufforderung zum Abschalten des Elektronik-Moduls versandt wird, wenn mittels des Fotosensors eine thermische Fehlfunktion erfasst wird. Mit anderen Worten wird zunächst mittels des Fotosensors eine thermische Fehlfunktion des Elektronik-Moduls erfasst, beispielsweise ein Lichtbogen oder ein Schwelbrand, der insbesondere aufgrund einer elektrischen Überlastung hervorgerufen ist. Im Anschluss hieran wird über die BUS-Schnittstelle die Aufforderung versandt. Infolgedessen kann das Elektronik-Modul, vorzugsweise das vollständige Nebenaggregat abgeschaltet werden, was mittels weiterer Bauteile des Kraftfahrzeugs erfolgt. Somit werden hierfür keine intern in dem Elektronik-Modul vorhanden Bestandteile benötigt, die bereits aufgrund der thermischen Fehlfunktion beschädigt sein könnten. Vorzugsweise wird auch innerhalb des Elektronik-Moduls ein Schalter, wie ein Halbleiterschalter, oder eine Sicherung betätigt, sodass zumindest ein Teil des Elektronik-Moduls abgeschaltet wird. Vorzugsweise wird eine Bestromung des Elektronik-Moduls unterbrochen und/oder ein Anlegen einer elektrischen Spannung beendet. Zusammenfassen erfolgt eine Energieabschaltung, wenn die eine thermische Fehlfunktion erkannt wurde.
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Geeigneterweise wird mittels des Fotosensors der Teil des Elektronik-Moduls erfasst, sobald ein Betrieb des Elektronik-Moduls startet, also eine elektrische Spannung angelegt wird, oder eine Bestromung erfolgt. Hierbei werden die mittels des Fotosensors erfasst Messwerte zweckmäßigerweise mit einem Grenzwert verglichen. Sofern der Grenzwert überschritten ist, ist die thermische Fehlfunktion erkannt. Falls der Fotosensor ein UV-Sensor ist, ist der Grenzwert vergleichsweise niedrig, und beispielsweise Null, oder ein Wert, der einem normalen Rauschen oder dergleichen entspricht, falls keine nennenswerte Emission von UV-Strahlung bei Betrieb des Elektronik-Moduls erfolgt. Sobald jedoch ein Lichtbogen auftritt, erfolgt eine Emission von UV-Strahlung, die mittels des Fotosensors erfasst wird. Falls der der Fotosensor ein IR-Sensor ist, entspricht der Grenzwert beispielsweise einer Temperatur zwischen 200°C und 1.000°C, zwischen 400°C und 800°C und ist beispielsweise gleich 500°C. Bei normalen Betrieb erreicht die Elektronik beispielsweise ein maximale Temperatur von 130°C. Sofern mittels des Fotosensors somit eine höhere Temperatur erfasst wird, ist daher ein Schwelbrand oder dergleichen erkannt.
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Das Nebenaggregat ist ein Bestandteil eines Kraftfahrzeugs und insbesondere ein Kältemittelverdichter, zweckmäßigerweise ein elektrischer/elektromotorischer Kältemittelverdichter. Beispielsweise umfasst das Nebenaggregat einen Antrieb und vorzugsweise einen Elektromotor, wie einen bürstenlosen Elektromotor, insbesondere einen bürstenlosen Gleichstrommotor (BLDC). Das Nebenaggregat umfasst ein Elektronik-Modul mit einem Elektronikgehäuse und einer darin angeordneten Elektronik, die einen Fotosensor zur Erfassung zumindest eines Teils des Elektronik-Moduls und zur Erkennung einer thermischen Fehlfunktion aufweist. Mit anderen Worten ist der Fotosensor geeignet und zweckmäßigerweise vorgesehen und eingerichtet, einen Teil des Elektronik-Moduls zu erfassen, und eine thermische Fehlfunktion zu erkennen, insbesondere eine thermische Fehlfunktion des Elektronik-Moduls. Hierfür ist der Fotosensor zweckmäßigerweise derart positioniert, dass bei Betrieb ein Teil des Elektronik-Moduls erfasst wird, und dass eine thermische Fehlfunktion erkannt wird. Insbesondere wird der Fotosensor stets dann betrieben, wenn das Nebenaggregat bestromt ist. Die Elektronik dient insbesondere der Bestromung des Elektromotors des Nebenaggregats, und ist hierfür geeigneterweise geeignet und vorzugsweise vorgesehen und eingerichtet.
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Zweckmäßigerweise umfasst eine erste Leiterplatte der Elektronik den Fotosensor, der insbesondere ein UV-Sensor oder ein IR-Sensor ist. Geeigneterweise umfasst die erste Leiterplatte sowohl den UV-Sensor als auch den IR-Sensor, also zwei Fotosensoren. Die erste Leiterplatte weist beispielsweise einen Mikroprozessor auf, der signaltechnisch mit dem bzw. den Fotosensoren und einer BUS-Schnittstelle gekoppelt ist. Vorzugsweise wird bei Betrieb mittels des Mikroprozessors über die BUS-Schnittstelle eine Aufforderung zum Abschalten des Elektronik-Moduls und/oder des vollständigen Nebenaggregats versandt, wenn mittels des Fotosensors bzw. der Fotosensoren eine thermische Fehlfunktion erfasst wird. Die im Zusammenhang mit dem Nebenaggregat bzw. dem Elektronik-Modul beschriebenen Weiterbildungen und Vorteile sind sinngemäß auch auf das Verfahren und umgekehrt zu übertragen.
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Ein Fotosensors, der innerhalb eines Elektronikgehäuses eines Elektronik-Moduls eines Nebenaggregats eines Kraftfahrzeugs angeordnet ist, wird zur Erkennung einer thermischen Fehlfunktion verwendet, insbesondere zur Erkennung einer thermischen Fehlfunktion des Elektronik-Moduls. Das Nebenaggregat umfasst beispielsweise einen elektromotorischen Antrieb und ist insbesondere ein Kältemittelverdichter.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
- 1 schematisch ein Kraftfahrzeug mit einem Kältemittelverdichter,
- 2 in einer Schnittdarstellung schematisch vereinfacht den Kältemittelverdichter mit einem Elektronik-Modul,
- 3 perspektivisch eine erste und eine zweite Leiterplatte einer Elektronik des Elektronik-Moduls,
- 4 in einer Schnittdarstellung gemäß 2 eine Anordnung der beiden Leiterplatten innerhalb eines Elektronikgehäuses,
- 5 ein Verfahren zum Betrieb des Elektronik-Moduls, und
- 6 und 7 jeweils gemäß 4 eine thermische Fehlfunktion.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist schematisch vereinfacht ein Kraftfahrzeug 2 mit zwei Vorderrädern 4 und zwei Hinterrädern 6 dargestellt. Zumindest zwei der Räder 4,6 sind mittels eines nicht näher gezeigten Hauptantriebs angetrieben, beispielsweise einer Verbrennungskraftmaschine, einem Elektromotor oder einer Kombination hieraus. Das Kraftfahrzeug 2 umfasst ein Nebenaggregat 8 in Form eines elektromotorischen Kältemittelverdichters (KMV), der ein Bestandteil einer Klimaanlage ist. Mittels des Kältemittelverdichters 8 wird ein Kältemittel, beispielsweise CO2, R1234yf oder R134a, verdichtet und einem fluidtechnisch nachgeschalteten Kondensator zugeführt. Der Kältemittelverdichter 8 ist mittels eines Bus-Systems 10, das ein CAN-Bus-System ist, signaltechnisch mit einer Kraftfahrzeugsteuerung 12 gekoppelt, wie einem Bordcomputer.
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Der Kältemittelverdichter 8 wird mittels eines Bordnetzes 14 bestromt, welches 48V führt und mittels einer Batterie 16 gespeist ist. Das Bordnetz 14 umfasst ferner eine Sicherungseinrichtung 18, mittels derer ein elektrischer Stromfluss zwischen der Batterie 16 und dem Kältemittelverdichter 8 unterbunden werden kann. Hierfür weist die Sicherungseinrichtung 18 beispielsweise einen Last- und/oder Schutzschalter auf. Die Sicherungseinrichtung 18 ist mittels des Bus-Systems 10 oder anderweitigen signaltechnisch mit der Kraftfahrzeugsteuerung 12 verbunden, sodass mittels der Kraftfahrzeugsteuerung 12 der Last- bzw. Schutzschalter betätigt und somit der elektrische Stromfluss unterbunden werden kann.
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2 zeigt den elektromotorischen Kältemittelverdichter 8 in einer Schnittdarstellung entlang einer Drehachse 20 eines Elektromotors 22 des Kältemittelverdichters 8. Der Elektromotor 22 weist einen zylindrischen Rotor 24 auf, der umfangsseitig mittels eines Stators 26 umgeben ist. Der Rotor 24 umfasst eine Anzahl an Permanentmagneten und ist mittels einer Welle 28 drehbar um die Drehachse 20 gelagert. An der Welle 28 ist freiendseitig ein Verdichterkopf 30 drehfest angebunden, beispielsweise ein Scollverdichter. Der Stator 26 wird mittels einer Elektronik 32 bestromt, die mit dem Bus-Systems 10 und dem Bordnetz 14 verbunden ist.
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Der Elektromotor 22, der Verdichterkopf 30 und die Elektronik 32 sind in einem Gehäuse 34 aus einem Aluminiumdruckguss angeordnet, das eine im Wesentlichen hohlzylindrische Form aufweist und konzentrisch zur Drehachse 20 ist. Das Gehäuse 34 umfasst einen Zulauf 36 über den das Kältemittel in das Gehäuse 34 eintritt und entlang des Elektromotors 22 zu dem Verdichterkopf 30 gesaugt wird, mittels dessen eine Druckerhöhung erfolgt. Das mittels des Verdichterkopfs 30 komprimierte Kältemittel wird mittels eines Ablaufs 38 aus dem Gehäuse 34 befördert.
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Das Gehäuse 34 umfasst eine Trennwand 40, mittels dessen ein Elektronikgehäuse 42 von dem von dem Kältemittel durchströmten Teil des Gehäuses 34 abgetrennt ist. Innerhalb des Elektronikgehäuses 42 ist die Elektronik 32 angeordnet. Die Trennwand 40 weist eine Durchkontaktierung 43 auf, die druck- und lichtdicht ist, und über die die Bestromung des Stators 26 erfolgt. Auf der der Trennwand 40 in axialer Richtung, also parallel zur Drehachse 20, gegenüberliegenden Seite umfasst das Elektronikgehäuse 42 einen aus einem Metall gefertigten Gehäusedeckel 44, der mittels Schrauben an weiteren Bestandteilen des Elektronikgehäuses 42 lösbar befestigt ist, und welcher eine Öffnung des Elektronikgehäuses 42 lichtundurchlässig verschließt. Das Elektronikgehäuse 42 ist somit vollständig geschlossen und die darin positionierte Elektronik 32 vollständig mittels des lichtundurchlässigen Elektronikgehäuses 42 umgeben, weswegen das Innere des Elektronikgehäuses 42 dunkel ist. Das Elektronikgehäuses 42 und die Elektronik 32 sind Bestandteil eines Elektronik-Moduls 46 des Kältemittelverdichters 8 und bilden insbesondere dieses.
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In 3 ist perspektivisch vereinfacht die Elektronik 32 gezeigt, die eine erste Leiterplatte 48 und eine hierzu senkrecht versetzte und parallel angeordnete zweite Leiterplatte 50 aufweist. Hierbei ist die erste Leiterplatte 48 aufseiten des Gehäusedeckels 44 und die zweite Leiterplatte 50 aufseiten der Trennwand 40 angeordnet, zu der die beiden Leiterplatten 48, 50 parallel sind. Die erste Leiterplatte 48 weist einen Mikroprozessor 52 auf, der signaltechnisch mit einer Bus-Schnittstelle 54 mittels einer Anzahl an Leiterbahnen 56 gekoppelt ist. Mittels der Bus-Schnittstelle ist die Elektronik 32 mit dem Bus-System 10 signaltechnisch gekoppelt. Die erste Leiterplatte 48 weist ferner einen UV-Sensor 58 und einen IR-Sensor 60 auf, die beide ebenfalls mittels Leiterbahnen signaltechnisch mit dem Mikroprozessor 52 gekoppelt sind. Hierbei wird mittels des UV-Sensors 58 vorwiegend ultraviolette Strahlung erfasst, also eine elektromagnetische Strahlung, deren Wellenlänge kleiner als 400 nm ist. Mittels des IR-Sensors 60 wird vorwiegend infrarote Strahlung erfasst, also elektromagnetische Strahlung, deren Wellenlänge größer als 700 nm ist. Jeder der beiden Sensoren 58,60 weist hierfür geeignete Filter auf, weswegen eine Erfassung eines anderen Wellenlängenbereichs nicht möglich oder zumindest vermindert ist.
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Die zweite Leiterplatte 50 weist sechs Leistungshalbleiterschalter 62 auf, von denen lediglich ein einziger gezeigt ist. Die Leistungshalbleiterschalter 62 sind Feldeffekttransistoren (FET) und in einer Brückenschaltung (B6-Schaltung) miteinander verschalten. Ferner ist die zweite Leiterplatte 50 mit dem Bordnetz 14 elektrisch kontaktiert, und mittels der Leistungshalbleiterschalter 62 wird ein Stromfluss zu dem Stator 26 eingestellt. Hierbei ist die mittels der zweiten Leiterplatte 50 geführte elektrische Energie beispielsweise um das 10-Fache größer als die mit der ersten Leiterplatte geführte elektrische Energie. Die erste Leiterplatte 48 weist eine Ansteuerschaltung 64 für die Leistungshalbleiterschalter 62 auf. Mit anderen Worten wird mittels der Ansteuerschaltung 64 die elektrische Leitfähigkeit jedes der Leistungshalbleiterschalter 62 eingestellt. Hierfür wird insbesondere eine über die Bus-Schnittstelle 54 übertragene Leistungsanforderung an das Nebenaggregat 8 ausgewertet und das entsprechende Ansteuersignal der Leistungshalbleiterschalter 62 übersetzt.
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In 4 ist gemäß 2 das Elektronik-Modul 46 sowie die Anordnung der Elektronik 32 innerhalb des lichtundurchlässigen und vollständig geschlossenen Elektronikgehäuses 42 gezeigt. Die zweite Leiterplatte 50 weist einen geringeren Abstand zur Trennwand 40 auf als die erste Leiterplatte 48, die beide parallel zur Trennwand 40 und dem Gehäusedeckel 44 angeordnet sind. Mittels des UV-Sensors 58 und dem IR-Sensor 60 wird die Innenfläche des Gehäusedeckels 44 erfasst, die somit einen Teil 66 des mittels der beiden Fotosensoren 58,60 erfassten Teils des Elektronik-Moduls 46 bilden. Die Innenwand des Gehäusedeckels 44 ist glatt, weswegen eine von innen auf den Gehäusedeckel 44 treffende elektromagnetische Strahlung im Wesentlichen reflektiert wird. Zumindest jedoch wird infrarote Strahlung und ultraviolette Strahlung mittels des Teils 66 reflektiert. Die beiden Fotosensoren 58,60 sind derart angeordnet, dass der Teil 66 des Elektronik-Moduls 46 bei Betrieb erfasst wird. Hierfür sind beispielsweise Linsen der beiden Fotosensoren 58,60 derart eingestellt, dass jeweils ein kegelförmiger Erfassungsbereich 68 gebildet ist, der bei dem erfassten Teil 66 endet. Innerhalb des Erfassungsbereichs 68 jedes der beiden Fotosensoren 58,60 befinden sich keine weiteren Bauteile des Elektronik-Moduls 46.
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In 5 ist ein Verfahren 70 zum Betrieb des Elektronik-Moduls 46 gezeigt. Das Verfahren 70 wird ausgeführt, sobald eine Bestromung des Nebenaggregats 8 oder eine anderweitige Aktivierung, beispielsweise mittels des Bus-Systems 10, erfolgt. In einem ersten Arbeitsschritt 72 wird der Teil 66 des Elektronik-Moduls 46 mittels der beiden Fotosensoren 58,60 erfasst. Hierbei tritt beispielsweise eine in 6 dargestellte thermische Fehlfunktion 74 in Form eines Schwelbrandes oder eines sonstigen Brandes 74 auf. Dieser Schwelbrand befindet sich beispielsweise auf der zweiten Leiterplatte 50, wie in 6 dargestellt. Der Schwelbrand 74 sendet Wärmestrahlung 76 aus, die auf den mittels des IR-Sensors 60 erfassten Teil 66 des Gehäusedeckels 44 trifft und von diesem zum IR-Sensor 60 reflektiert wird. Mittels des UV-Sensors 58 hingegen erfolgt keine Erfassung des Schwelbrandes 74. Beispielsweise werden die Messdaten des IR-Sensors 60 mit einem bestimmten Grenzwert verglichen, sodass eine Erwärmung des Leistungshalbleiterschalters 62 nicht fehlerhaft als thermische Fehlfunktion 74 interpretiert wird. Insbesondere ist beim IR-Sensor 60 der Grenzwert größer als 200°C, sodass erst ab einer Temperatur größer oder gleich 200°C das Vorhandensein der thermischen Fehlfunktion 74 angenommen wird, wobei ein derartiger Schwelbrand 74 meistens eine Temperatur von 700°C oder mehr aufweist.
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Falls die thermische Fehlfunktion ein Lichtboden 78 ist, der beispielsweise auf der zweiten Leiterplatte 50 oder auf der ersten Leiterplatte 48 zwischen zwei elektrischen Bauteilen auftritt, wird von dem jeweiligen Lichtbogen 78 UV-Strahlung 80 ausgesandt, wie in 7 beispielhaft dargestellt. Diese trifft ebenfalls auf den mittels der beiden Fotosensoren 58,60 erfassten Teil 66 des Elektronik-Moduls 46 und wird von diesem reflektiert. Beispielsweise erfolgt noch eine weitere Reflektion an weiteren Bestandteilen des Elektronikgehäuses 42. Die UV-Strahlung 80 wird von dem Gehäusedeckel 44 reflektiert und mittels des UV-Sensors 58 erfasst. Eine Erfassung mittels des IR-Sensors 60 hingegen unterbleibt.
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Zusammenfassend wird mittels der beiden Fotosensoren 58,60 die jeweilige thermische Fehlfunktion 74,78 erkannt. In einem sich hieran anschließenden zweiten Arbeitsschritt 82 wird mittels des Mikroprozessors 52, mittels dessen beispielsweise eine Auslesung der Messdaten der beiden Fotosensoren 58,60 erfolgt, eine Aufforderung 84 zum Abschalten des Elektronik-Moduls 46 über die Bus-Schnittstelle versandt und somit in das Bus-System 10 eingeleitet. Im Anschluss hieran wird mittels des Bordcomputers 12 die Sicherungseinrichtung 18 betätigt und folglich das Nebenaggregat 8 von einer Energiezufuhr abgeschnitten. Infolgedessen ist es möglich, dass die thermische Fehlfunktion 74,78 unterbrochen wird. Alternativ oder in Kombination hierzu wird ein Fahrer des Kraftfahrzeugs 2 über das Vorhandensein der thermischen Fehlfunktion 74,78 informiert.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Kraftfahrzeug
- 4
- Vorderrad
- 6
- Hinterrad
- 8
- Nebenaggregat
- 10
- Bus-System
- 12
- Kraftfahrzeugsteuerung
- 14
- Bordnetz
- 16
- Batterie
- 18
- Sicherungseinrichtung
- 20
- Drehachse
- 22
- Elektromotor
- 24
- Rotor
- 26
- Stator
- 28
- Welle
- 30
- Verdichterkopf
- 32
- Elektronik
- 34
- Gehäuse
- 36
- Zulauf
- 38
- Ablauf
- 40
- Trennwand
- 42
- Elektronikgehäuse
- 43
- Durchkontaktierung
- 44
- Gehäusedeckel
- 46
- Elektronik-Modul
- 48
- erste Leiterplatte
- 50
- zweite Leiterplatte
- 52
- Mikroprozessor
- 54
- BUS-Schnittstelle
- 56
- Leiterbahn
- 58
- UV-Sensor
- 60
- IR-Sensor
- 62
- Leistungshalbleiterschalter
- 64
- Ansteuerschaltung
- 66
- erfasster Teil
- 68
- Erfassungsbereich
- 70
- Verfahren
- 72
- erster Arbeitsschritt
- 74
- Schwelbrand
- 76
- Wärmestrahlung
- 78
- Lichtbogen
- 80
- UV-Strahlung
- 82
- zweiter Arbeitsschritt
- 84
- Aufforderung
