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TECHNISCHES GEBIET
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Die Erfindung betrifft ein Kameramodul und insbesondere ein Kameramodul, welches durch das Kameramodul erzeugte Wärme umwandelt in eine Ergänzungsstromquelle für das Kameramodul.
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HINTERGRUND
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Fahrzeugkamera- und Sensorsysteme werden für verschiedene Anwendungen zur Unterstützung beim Betrieb von Fahrzeugen eingesetzt. Solche Systeme können eine oder mehrere gedruckte Schaltungsplatinen (PCB), Software, Sensoren, drahtlose Übertrager und andere elektronische Komponenten aufweisen, um Bilder aus der Umgebung des Fahrzeuges aufzunehmen, die anschließend verarbeitet und analysiert werden. Die Systeme werden vom Fahrzeug mit Strom versorgt und erzeugen bei Gebrauch Hitze.
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KURZBESCHREIBUNG
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Gemäß einer Variante der Erfindung hat ein Kameramodul für ein Fahrzeug eine Kameraeinheit und einen thermoelektrischen Wandler zum Umwandeln von durch die Kameraeinheit erzeugter Wärme in Elektrizität. Ein mit dem thermoelektrischen Wandler verbundener elektrischer Wandler führt selektiv durch den thermoelektrischen Wandler erzeugte Elektrizität (Strom) zu der Kameraeinheit.
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Gemäß einer anderen Variante der Erfindung enthält ein Verfahren zur Stromversorgung eines Kameramoduls für ein Fahrzeug die Rückgewinnung von Wärme, welche durch das Kameramodul erzeugt wird. Die Wärme wird umgewandelt in Elektrizität. Die Elektrizität wird zur Energieversorgung des Kameramoduls verwendet.
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Weitere Ziele und Vorteile sowie ein tieferes Verständnis der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Einzelheiten und den begleitenden Figuren.
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Figurenliste
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- 1 erläutert schematisch ein Kameramodul gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
- 2 ist eine perspektivische Darstellung einer Speichereinrichtung für thermische Energie in dem Kameramodul gemäß 1.
- 3A ist eine Draufsicht auf einen thermoelektrischen Wandler in dem Kameramodul gemäß 1.
- 3B ist ein Schnitt entlang der Linie 3B-3B von 3A.
- 4 ist eine schematische Erläuterung des thermoelektrischen Wandlers gemäß 3A.
- 5 ist ein Schaltungsdiagramm eines Bereichs des Kameramoduls gemäß 1.
- 6 zeigt schematisch ein Kameramodul gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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BESCHREIBUNG VON EINZELHEITEN
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Die Erfindung betrifft ein Kameramodul und insbesondere ein solches, welches durch das Kameramodul erzeugte Wärme rückumwandelt in eine Ergänzungsstromquelle für das Kameramodul. Ein Kameramodul 10 gemäß der Erfindung ist in 1 gezeigt. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das Kameramodul 10 Teil eines elektronischen Systems eines Fahrzeuges, wie eines Systems für die Fahrerunterstützung (ADAS). Das Kameramodul 10 enthält eine Fahrzeugkameraeinheit 32, wie eine Frontkameraeinheit, eine Rückkameraeinheit und/oder Seitenkameraeinheit. Die Kameraeinheit 32 hat eine Bildverarbeitungseinheit 34 zum Gewinnen und Verarbeiten von Bilddaten von der Kameraeinheit zur Unterstützung des Fahrers des Fahrzeuges. Die Kameraeinheit 32 kann eine oder mehrere gedruckte Schaltungsplatinen (PCB), Bildverarbeitungschips, RF-Übertrager, Sensoren, Analogschaltungen, Steuerungen und weitere elektronische Komponenten (nicht dargestellt) für die Verknüpfung enthalten.
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Eine primäre Energiequelle 40 liefert elektrische Signale 41 zu der Kameraeinheit 32. Die primäre Energiequelle 40 kann die Fahrzeugbatterie sein. Arbeitet die Kameraeinheit 32, erzeugen ihre Komponenten, z.B. die Bildverarbeitungseinheit 34, Wärme, welche durch die Pfeile 42 angedeutet ist; die Wärme wird vom Modul nach außen abgestrahlt. Das Kameramodul 10 enthält eine Reihe von Komponenten zum Wandeln bzw. Rückgewinnen der Wärme 42 in eine ergänzende oder unterstützende Energiequelle für das Kameramodul. Mit anderen Worten: die Wärme 42 wird rückgewonnen in Form von Elektrizität zum Betrieb der Kameraeinheit 32.
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Das Kameramodul 10 hat eine Speichereinrichtung bzw. ein Speichermodul 60 zum Speichern thermischer Energie im Strahlungsweg der abgestrahlten Wärme 42 zum Aufnehmen und Verteilen der erzeugten Wärme. Das Modul 60 für die Speicherung thermischer Energie kann ein sensibles Wärmespeicherungsmedium sein (wenn die erzeugte Wärme 42 als schwankend erwartet wird) oder ein latentes Wärmespeichermodul (wenn die erzeugte Wärme als konstant oder im Wesentlichen konstant erwartet wird). Ob das Modul 60 für die Speicherung thermischer Energie für sensible Wärme (fühlbare Wärme) oder latente Wärme ausgelegt ist, hängt von den Betriebsbedingungen der Kameraeinheit 32 ab, z.B. ob diese konstant oder schwankend sind. Das Modul 60 für die Speicherung thermischer Energie kann beispielsweise eine Wämesenke, eine Metallabdeckung oder ein thermischer Block sein, der in der Lage ist, von der Kameraeinheit 32 erzeugte Wärme einzufangen und zu verteilen.
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Gemäß 2 ist das Modul 60 für die thermische Energiespeicherung als Wärmesenke ausgebildet. Die Wärmesenke 60 erstreckt sich von einem ersten Ende 62 zu einem zweiten Ende 64. Die Wärmesenke 60 hat eine Basis 61 am ersten Ende 62. Eine Vielzahl von Vorsprüngen oder Rippen 66 erstrecken sich von der Basis 61 in Richtung auf das zweite Ende 64. Die Vorsprünge 66 sind in Reihe bzw. Reihen auf der Basis 62 angeordnet und erstrecken sich zueinander parallel. Die Vorsprünge 66 stehen unter Abstand voneinander und sind durch Lücken oder Durchgänge 68 getrennt, die mit Luft gefüllt sind. Die Vorsprünge 66 können gleich oder voneinander verschieden sein bezüglich Länge, Querschnitt etc. Die Wärmesenke 60 ist aus einem Material mit hoher thermischer Leitfähigkeit geformt, beispielsweise einem Metall, wie Aluminium.
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Die Basis 62 der Wärmesenke 60 ist an der Kameraeinheit 32 direkt im Strahlungsweg der Wärme 42 positioniert. Wärme 42 von der Kameraeinheit 32 trifft auf die Basis 62 und wird von dort durch die Vorsprünge 66 geleitet. Die Wärme 42 strahlt dann von den Vorsprüngen 66 in die Durchgänge 68 und wird dann schließlich vom zweiten Ende 64 der Wärmesenke 60 weggestrahlt, wie durch die Pfeile 50 dargestellt ist.
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Ein thermoelektrischer Wandler oder Generator 80 (1) ist am zweiten Ende 64 der Wärmesenke 60 und direkt im Strahlungsweg der Wärme 50 positioniert. Der thermoelektrische Wandler 80, auch bekannt als Seebeck-Generator, ist eine Festkörpervorrichtung, welche über den Seebeck-Effekt eine Wärmeströmung direkt in Elektrizität wandelt. Der thermoelektrische Generator 80 ist als Festkörpermodul eingerichtet, Gleichstrom über eine große Anzahl thermischer Zyklen zu erzeugen. Der thermoelektrische Generator 80 hat eine Betriebsart mit kontinuierlich heißer Seite, deren Temperatur 200°C überschreiten kann. Beispiele für thermoelektrische Generatoren, die für die vorliegende Erfindung eingesetzt werden können, werden angeboten durch die Firma II-VI Marlow, Dallas, Texas, USA, mit der Bezeichnung thermoelektrisches Generatormodul TG12-2.5-01LS.
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Bei einem Ausführungsbeispiel gemäß den 3A-3B ist der thermoelektrische Generator 80 aus Materialien zusammengesetzt, die verschiedene Seebeck-Koeffizienten haben und einen thermoelektrischen Kreis bilden. Der Seebeck-Koeffizient eines Materials oder einer Vorrichtung entspricht der Fähigkeit, eine Spannung pro Temperatureinheit (gemessen in V/C°C) zu erzeugen. Der thermoelektrische Generator 80 erstreckt sich von einer ersten Seite oder einem Ende 82 zu einer zweiten Seite oder zu einem Ende 84. Der thermoelektrische Generator 80 hat ein dielektrisches Substrat aus einem Paar beabstandeter Platten 86, 87, welche einen Innenraum 88 abgrenzen. Die Platten 86, 87 können beispielsweise aus Keramik bestehen und sie bilden ein Paar gegenüberliegender äußerer Oberflächen 90, 92, die voneinander weg weisen.
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Eine Reihe von Halbleiterelementen 100, 102 sind am Substrat 86 in dem Innenraum 88 angebracht. Die Halbleiterelemente 100 sind Halbleiterkörper vom P-Typ. Die Halbleiterelemente 102 sind Halbleiterkörper vom N-Typ. Die Halbleiterelemente 100, 102 sind elektrisch miteinander in Reihe geschaltet mittels Leiterstreifen 104. Ein negativer Anschlussdraht 96 ist über eine Lötung, einen Kleber oder dergleichen an der Stelle 110 an einen Leiterstreifen 108 angeschlossen, der elektrisch mit einem der Halbleiterelemente 102 vom N-Typ verbunden ist. Ein positiver Anschlussdraht 98 ist mittels Lötung, Kleber oder dergleichen an der Stelle 110 an einem Leiterstreifen 108 angebracht, der elektrisch mit einem der Halbleiterelemente 100 vom P-Typ verbunden ist. Die Halbleiterelemente 100, 102 sind thermisch zueinander parallel geschaltet. Die Halbleiterkörper 100, 102 können beispielsweise geformt sein aus Wismuth-Tellurid oder Antimon-Tellurid. Das Substrat 86 kann beispielsweise aus Aluminiumoxid geformt sein.
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Der thermoelektrische Wandler 80 bildet einen Schaltkreis (siehe 4), welcher direkt Elektrizität aus Wärme erzeugt. Wie erwähnt, sind die beiden verschiedenen thermoelektrischen Materialien, also die Halbleiterelemente 100 vom N-Typ und die Halbleiterelemente 102 vom P-Typ elektrisch an ihren Enden an den negativen Anschlussdraht 96 bzw. an den positiven Anschlussdraht 98 angeschlossen. Der dielektrische Strom fließt in dem Schaltkreis, wenn eine Temperaturdifferenz zwischen den beiden Halbleiterelementen 100, 102 besteht, welche einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet, z.B. im Bereich von etwa 1°C - 5°C. Die Stromstärke ist im Allgemeinen proportional der Temperaturdifferenz zwischen den Halbleiterelementen, je größer also die Temperaturdifferenz, umso stärker ist die Stromabgabe.
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Dementsprechend ist die Oberfläche 90 des Substrates 86 ausgerichtet auf und nahe an dem zweiten Ende 64 der Wärmesenke 60. Somit trifft die von der Wärmesenke 60 kommende Wärme 50 auf die Oberfläche 90 des Substrates 86. Die Wärme 50 wird durch das Substrat 86 geleitet und erzeugt so einen thermischen Gradienten zwischen den Oberflächen 90, 92. Im Ergebnis wird ein dielektrischer Strom erzeugt und vom thermoelektrischen Wandler 80 abgegeben, der in 4 mit Pfeilen 52 bezeichnet ist.
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Der thermoelektrische Wandler 80 ist elektrisch mit einem elektrischen Wandler 114 verbunden. Bei einem Ausführungsbeispiel ist der elektrische Wandler 114 ein Gleichspannung-zu-Gleichspannung-Wandler zum Wandeln des eingehenden Signals 52 von einer Spannung in eine andere. Gemäß 5 kann der elektrische Wandler 14 eine integrierte Schaltung (IC) 116 und einen Transformator T aufweisen, um eine schrittweise Wandlung des eingehenden Signals 52 im Verhältnis von etwa 1:100 auszuführen. Der IC 116 enthält Komponenten (nicht dargestellt) zum Einstellen des Eingabe-zu-Ausgabe-Verhältnisses des elektrischen Wandlers 114.
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Ein Kondensator C1 kann zwischen den thermoelektrischen Wandler 80 und den elektrischen Wandler 114 geschaltet sein zum Filtern des eingehenden Signals 52. Ein Netzwerk aus Kapazitäten und Widerständen C2-R-C3 empfängt einen Eingang vom Transformator T und liefert einen gewünschten Ausgang an den IC 116. Eine Sekundärwicklung SW des Transformators T speist einen Ladungspumpen- und Gleichrichterschaltkreis (nicht gezeigt) zur Stromversorgung des IC 116 über einen Stift VAUX .
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Der elektrische Wandler 114 hat eine Reihe von Ausgängen, die elektrisch mit der Kameraeinheit 32 verbunden sind, um dorthin elektrische Signale 54, 55 zu senden. Ein Stift VLDO ist eingerichtet, zunächst einen Niederspannungsmikroprozessor der Kameraeinheit 32 so schnell als möglich mit Strom zu versorgen. Beispielsweise kann der Stift VLDO verwendet werden, ein Signal 54 zur Kameraeinheit 32 während des Startens zu liefern, welches etwa 10 ms dauert.
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Ein Hauptausgangskondensator C4 des Wandlers 114 wird geladen auf eine Spannung, welche durch die Stifte VS1 und VS2 gegeben ist, beispielsweise 2,35 V, 3,3 V, 4,1 V oder 5,0 V, zur Stromversorgung der Sensoren, der Analogschaltungen, der RF-Transceiver etc. in der Kameraeinheit 32 über das Signal 54. Ein VOUT Reservekondensator liefert Pulsenergie, die erforderlich ist für einen niederenergetischen Zykluspuls, wenn ein Sensor in dem Modul 30 aktiv ist und überträgt. Ein Ausgabestift VOUT2_EN wird durch die Kameraeinheit 32 gesteuert und gibt ein Signal 55 ab zum Versorgen von Schaltkreisen der Kameraeinheit, welche nicht abgeschaltet werden oder im Ruhebetrieb mit geringer Leistung sind. Ein Stift PGD für die Leistungsüberwachung unterrichtet das Modul 30, dass die Hauptausgangsspannung des Wandlers 114 nahe am geregelten Wert ist.
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Ein Stift VSTORE ist elektrisch mit einer Speicherzelle 130 verbunden für eine selektive Speicherung des elektrischen Ausgangs des thermoelektrischen Generators 80. Insbesondere sendet der Stift VSTORE ein Signal 56 an die Speicherzelle 130 anstelle oder zusätzlich zu der Sendung der Signale 54 und/oder 55 zu dem Modul 30. Die Speicherzelle 130 kann beispielsweise eine wiederaufladbare Batterie oder ein Kondensator sein. Der Stift VSTORE ist elektrisch angeschlossen an die Stifte VLDO , VOUT und VOUT2_EN im elektrischen Wandler 114, um die Speicherzelle 130 elektrisch an die Kameraeinheit 32 anzuschließen.
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Mit dieser Schaltung empfängt der elektrische Wandler 114 ein zeitlich veränderliches Gleichstromsignal 52 vom thermoelektrischen Wandler 80 und liefert ein zeitlich nicht schwankendes Gleichstromsignal an die Speicherzelle 130 (als Signal 56) und/oder an das Modul 30 (als Signal 54 und/oder Signal 55). Eine Steuerung 120 prüft, ob das eingehende Signal 52 für die Kameraeinheit 32 oder die Speicherzelle 130 vorgesehen ist. Die Steuerung 120 kann in den elektrischen Wandler 114 integriert sein oder sie kann als separate Einheit (nicht dargestellt) elektrisch mit dem Wandler verbunden sein. Die Steuerung 120 überwacht die Anforderung der primären Stromquelle 40 hinsichtlich des Leistungspegels und die Menge an Energie, die sowohl in der primären Leistungsquelle als auch in der Speicherzelle 130 gespeichert ist. Die Steuerung 120 führt Rechnungen/Algorithmen etc. aus und ermittelt insbesondere, welche Energiequelle 40 oder 130 die Kameraeinheit 32 versorgt. Dementsprechend kann es sich bei der Speicherzelle 130 um eine Unterstützungsenergiequelle oder auch um eine alternative Energiequelle für die Kameraeinheit 32 handeln.
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Bei Normalbetrieb des Fahrzeuges gemäß 1 stützt sich die Steuerung 120 regelmäßig auf die primäre Energiequelle 40 für die Stromversorgung der Kameraeinheit 32. Wird die primäre Energiequelle 40 eingesetzt, stellt die Steuerung 120 sicher, dass jegliche durch die Wärme 40 erzeugte Elektrizität zur Speicherzelle 130 geführt wird. Insbesondere wird die Wärme 40 durch den thermoelektrischen Wandler 80 in ein elektrisches Signal 52 gewandelt, welches durch den elektrischen Wandler 114 in das Signal 56 gewandelt und über den Stift VSTORE zur Speicherzelle 130 geführt wird. Dies liefert einen gespeicherten Überschuss an elektrischer Energie für eine wahlweise Stromversorgung der Kameraeinheit 32.
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Die Betriebsumstände der Kameraeinheit 32 können sich mit der Zeit ändern. Beispielsweise kann eine fehlerhafte elektrische Verbindung zwischen der Kameraeinheit 32 und der primären Energiequelle 40 auftreten. Es könnte auch zu wenig Energie in abgreifbarer Form in der primären Energiequelle 40 gespeichert sein, z.B. wenn das Fahrzeug steht.
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Die Merkmale und die Zeitfolge des Betriebs der Kameraeinheit 32 können sich auch mit der Zeit ändern. Unter Umständen kann die Kameraeinheit 32 keine konstante Stromversorgung für den Betrieb erfordern und/oder sie kann nur für eine kurze Zeitspanne aktiv sein. Entsprechend solchen Bedingungen kann die Steuerung 120 die Übertragung des Signals 41 zwischen der primären Energiequelle 40 und der Kameraeinheit 32 verhindern und die Übertragung des Signals 54 und/oder des Signals 55 vom elektrischen Wandler 114 zur Kameraeinheit einleiten.
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Ist es angebracht, auf die in der Speicherzelle 130 gespeicherte Energie zurückzugreifen, um die Signale 54, 55 zu erzeugen, führt die Steuerung 120 Leistung von der Speicherzelle 130 über den Stift VSTORE durch den IC 116 zum Modul 30 über einen oder beide Stifte VLDO und VOUT2_EN . Die Steuerung 120 kann weiterhin feststellen, dass es anzustreben ist, auf die Speicherzelle 130 zurückzugreifen für die Stromversorgung der Kameraeinheit 32 während einer Startphase des Kameramoduls 10, welche etwa 10 ms dauern kann und eine geringe Energiemenge erfordert.
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In der Speicherzelle 130 abgespeicherte elektrische Energie kann eingesetzt werden, um den Normalbetrieb des IC 116 und der Kameraeinheit 32 aufrechtzuerhalten, auch wenn die durch die Kameraeinheit erzeugte Wärme mit Unterbrechungen vorliegt und/oder nicht ausreicht, das Signal 52 zu erzeugen. Mit anderen Worten: die Speicherzelle 130 kann die Stromversorgung des IC 116 und der Kameraeinheit 32 aufrechterhalten, auch wenn die Kameraeinheit nicht kontinuierlich läuft und/oder nicht hinreichend Wärme erzeugt für den elektrischen Wandler 80 zur Erzeugung des Signals 52. Einige Betriebsarten der Kameraeinheit 32 arbeiten kontinuierlich anstelle einer pulsförmigen Last. Liegt die Leistungsanforderung bei der kontinuierlichen Anwendung unterhalb eines vorgegebenen Schwellenwertes, kann die Speicherzelle 130 die Kameraeinheit 32 kontinuierlich mit der wiedergewonnenen thermischen Energie versorgen.
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Die Steuerung 120 kann alternativ die Speicherzelle 130 umgehen durch direkte Erzeugung der Signale 54, 55 aus dem eingehenden Signal 52. Da die Kameraeinheit 32 nicht kontinuierlich im Einsatz sein muss, wird damit nicht kontinuierlich Wärme 42 erzeugt, welche in das Signal 52 gewandelt werden kann. Dementsprechend kann die Steuerung 120 zeitweise auf die Speicherzelle 130 zurückgreifen, um das eingehende Signal 52 zu ergänzen zur Sicherstellung einer angemessenen Stromversorgung der Kameraeinheit 32.
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Die Steuerung 120 kann vorteilhaft zwischen einem Einsatz der Primärenergiequelle 40 und dem Einsatz der in Form elektrischer Energie rückgewonnenen thermischen Energie bei Betreiben der Kameraeinheit 32 und entsprechend dem Betrieb des Fahrzeuges umschalten. Beispielsweise wird gemäß 4 die Kameraeinheit 32 über den Stift VLDO versorgt. Stellt die Steuerung 120 fest, dass die Kameraeinheit 32 nur geringe Leistungsanforderungen hat, z.B. beim Start, schließt die Steuerung kurz die Speicherzelle 130 elektrisch an den Stift VLDO an, um die Kameraeinheit mit Strom zu versorgen. Ist der Vorgang abgeschlossen, lenkt die Steuerung 120 die Energie von der Primärenergiequelle 40 zur Kameraeinheit 32.
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6 zeigt ein weiteres Beispiel für ein Kameramodul 200. In 6 sind Elemente mit gleicher oder ähnlicher Funktion wie Elemente gemäß 1 mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Im Kameramodul 200 ist die Speichereinrichtung 60 für thermische Energie weggelassen und Wärme 40, die von dem Modul 30 abgestrahlt wird, gelangt direkt in den thermoelektrischen Wandler 80 zur Umwandlung in das elektrische Signal 52. Das Signal 52 wiederum wird durch den elektrischen Wandler 114 gewandelt und zur Speicherzelle 130 und/oder zur Kameraeinheit 32 geführt. Bis auf die des Speichermoduls 60 für thermische Energie entspricht der Betrieb des Kameramoduls 200 dem des Kameramoduls 10, wie oben beschrieben.
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Die Erfindung ist insbesondere vorteilhaft, weil durch Betrieb der Kameraeinheit erzeugte Wärme, insbesondere also durch die Bildverarbeitungseinheit erzeugte Wärme, welche andernfalls an die Umgebung verloren ginge, rückgewandelt wird in eine zusätzliche Stromquelle für das Kameramodul. Die zusätzliche Stromquelle kann anstelle oder zusätzlich zu der primären Energiequelle eingesetzt werden, letztere ist typischerweise die Fahrzeugbatterie. Die erfindungsgemäße Steuerung überwacht den Betrieb des Kameramoduls und bestimmt, wann auf die umgewandelte thermische Energie zurückgegriffen werden soll, um das Kameramodul zu versorgen.
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Vorstehend wurden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben. Es versteht sich, dass es nicht möglich ist, sämtliche vorstellbaren Kombinationen von Komponenten und Verfahren für den Zweck der Erläuterung der Erfindung zu beschreiben, jedoch erkennt eine Fachperson, dass viele weitere Kombinationen und Abwandlungen der Erfindung möglich sind. Dementsprechend umfasst die Erfindung alle derartigen Abänderungen, Abwandlungen und Varianten, die im Bereich der beigefügten Ansprüche liegen.
