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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung für ein elektrisches Steuergerät, insbesondere an Bord eines Kraftfahrzeugs.
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An Bord eines Kraftfahrzeugs ist ein elektrisches Steuergerät vorgesehen, das insbesondere eine sicherheitsrelevante Funktion des Kraftfahrzeugs steuern kann, beispielsweise im Bereich des autonomen Fahrens. Dabei kann das Steuergerät auf begrenztem Raum eine so große elektrische Leistung umsetzen, dass eine aktive Kühlung erforderlich ist. Es wurde vorgeschlagen, an Bord des Kraftfahrzeugs ein aktives Kühlsystem vorzusehen, um das Steuergerät mittels eines Kühlfluids zu kühlen.
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Die Zuverlässigkeit eines sicherheitsrelevanten Steuergeräts muss gewisse Voraussetzungen erfüllen. Beispielsweise kann gefordert sein, dass das Steuergerät auch nach Ausfall eines aktiven Kühlsystems für eine vorbestimmte Zeit, beispielsweise ca. 60 Sekunden, voll betriebsfähig ist. Unter ungünstigen Betriebsbedingungen, beispielsweise bei starker Auslastung des Steuergeräts und gleichzeitiger hoher Umgebungstemperatur, kann es schwierig sein, diese Bedingung zu erfüllen. Außerdem stellt diese Bedingung üblicherweise eine Minimalanforderung dar, die aus juristischen Gründen einzuhalten ist. Eine Verlängerung der Betriebsbereitschaft über die geforderte Zeitspanne hinaus kann eine Sicherheitsreserve darstellen.
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Eine der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht in der Bereitstellung einer verbesserten Technik zur zuverlässigen Kühlung eines elektrischen Steuergeräts an Bord eines Kraftfahrzeugs. Die Erfindung löst diese Aufgabe mittels der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Unteransprüche geben bevorzugte Ausführungsformen wieder.
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Nach einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst eine Kühlvorrichtung für ein elektrisches Steuergerät an Bord eines Kraftfahrzeugs einen Wärmetauscher, der zur wärmeleitenden Verbindung mit dem Steuergerät eingerichtet ist; ein Ventil zur Steuerung eines Stroms von Gas durch den Wärmetauscher; und einen Gasspeicher als Quelle für das Gas.
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Der Gasspeicher kann ausreichend komprimiertes Gas für einen vorbestimmten Volumenstrom über eine vorbestimmte Zeit umfassen. So kann eine Kühlung des Steuergeräts unabhängig von einer möglicherweise vorhandenen weiteren Kühleinrichtung gesteuert werden. Insbesondere im Fall eines Versagens der weiteren Kühleinrichtung kann die auf dem Gasspeicher basierende Kühleinrichtung eine Notkühlung realisieren. Insbesondere wenn das Steuergerät eine sicherheitsrelevante Steuerung an Bord des Kraftfahrzeugs durchführt, beispielsweise eine Datenverarbeitung im Rahmen eines hoch automatisierten oder autonomen Fahrens, kann so eine erhöhte Betriebssicherheit gewährleistet sein. Vorschriften zur Sicherstellung einer Funktionsfähigkeit über eine vorbestimmte Dauer können auch unter ungünstigen Umständen eingehalten werden.
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Das Gas kann insbesondere Luft umfassen, sodass auch von einer Druckluft-Kühlvorrichtung gesprochen werden kann.
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Die Kühlvorrichtung kann ferner einen weiteren Wärmetauscher umfassen, der zur wärmeleitenden Verbindung mit dem Steuergerät eingerichtet ist, wobei der weitere Wärmetauscher zum Durchströmen mit Kühlfluid aus einer weiteren Quelle eingerichtet ist. Die weitere Quelle kann insbesondere eine Flüssigkeit als Kühlfluid bereitstellen. Weiter bevorzugt wird aus dem weiteren Wärmetauscher austretendes Kühlfluid aufgefangen und kann gekühlt und erneut in den Wärmetauscher gelenkt werden, sodass ein Kühlkreislauf besteht. Die weitere Quelle kann somit von einem geschlossenen Kühlsystem umfasst sein. Die Kombination aus einer Flüssigkeitskühlung und einer Gaskühlung kann auch Hybridkühlung genannt werden und eine besonders hohe Betriebssicherheit des Steuergeräts ermöglichen.
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Der für das gasförmige Kühlfluid vorgesehene Wärmetauscher kann zum Durchströmen mit Kühlfluid aus einer weiteren Quelle eingerichtet sein. Insbesondere kann der Wärmetauscher von Kühlfluid aus einem geschlossenen Kühlsystem eingerichtet sein. Erst im Fall des Versagens des geschlossenen Kühlsystems kann das Kühlfluid aus dem Gasspeicher für eine zeitlich begrenzte Kühlung eingeleitet werden. Durch Verwendung nur eines Wärmetauschers können Kosten für die Kühlvorrichtung verringert sein.
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Das Kühlfluid aus der weiteren Quelle kann ein Gas umfassen. In diesem Fall kann das Gas aus dem Druckspeicher bei Bedarf das Gas aus der weiteren Quelle ergänzen. Sollte beispielsweise die weitere Quelle von einem geschlossenen Kühlsystem umfasst sein, so kann dessen Funktion etwa im Fall einer gewissen Leckage aufrechterhalten werden, indem das Gas aus dem Gasspeicher in den Kühlkreislauf eingeleitet wird.
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Das Kühlfluid aus der weiteren Quelle kann auch eine Flüssigkeit umfassen, wobei ein weiteres Ventil zum Ablassen von Kühlfluid stromabwärts des Wärmetauschers vorgesehen sein kann. Da die Flüssigkeit nicht kompressibel ist, kann durch das Ventil verhindert werden, dass das einströmende Gas einen Überdruck im Wärmetauscher bewirkt. Ein Schaden am Wärmetauscher oder einem mit ihm verbundenen insbesondere geschlossenen Kühlsystem kann so verhindert werden.
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Die Kühlvorrichtung kann ferner eine Steuereinrichtung zur Steuerung des Ventils und/oder des weiteren Ventils umfassen. Die Steuereinrichtung kann das Einleiten von Gas aus dem Gasspeicher in den Wärmetauscher auf der Basis verschiedener Bedingungen steuern. Beispielsweise kann das Gas in Abhängigkeit einer Temperatur des Steuergeräts, einer Funktionsfähigkeit eines mit dem Wärmetauscher verbundenen weiteren Kühlsystems oder eines Drucks von Kühlfluid im Wärmetauscher gesteuert werden. Die Steuereinrichtung kann auch das weitere Ventil steuern.
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Die Steuereinrichtung kann vom Steuergerät umfasst sein. Eine zusätzliche Steuereinrichtung kann so eingespart werden. Außerdem kann die Steuerung des Ventils verbessert in Abhängigkeit eines Betriebszustands des Steuergeräts erfolgen, wobei der Betriebszustand durch das Steuergerät verbessert bestimmt werden kann. Der Betriebszustand kann beispielsweise eine Fahrsituation oder einen Auslastungsgrad des Steuergeräts mit Aufgaben umfassen.
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Die Kühlvorrichtung kann außerdem einen Drucksensor zur Bestimmung eines Füllstands des Gasspeichers mit Gas umfassen. Eine Anzeigevorrichtung für den Füllstand kann entfernt vom Gasspeicher vorgesehen sein, sodass eine Person an Bord des Kraftfahrzeugs den Füllstand verbessert überwachen kann. Der Füllstand kann einem Gasdruck im Gasspeicher entsprechen. Die Steuereinrichtung kann auch einen für den Füllstand bestimmten Wert zur Anzeige auf einem externen Anzeigegerät bereitstellen. Das externe Anzeigegerät kann beispielsweise eine Multi-Funktions-Anzeige des Kraftfahrzeugs umfassen.
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Der Gasspeicher kann ein Ventil zum Füllen mit Gas aufweisen, das baugleich zu einem Ventil zum Füllen eines Reifens des Kraftfahrzeugs ist. Für diesen Zweck kann insbesondere ein Schraderventil verwendet werden. Der Gasspeicher kann so leicht aus einem handelsüblichen Kompressor oder Druckspeicher aufgefüllt werden, wie er zum Nachfüllen von Luft in einen Reifen beispielsweise an einer Tankstelle oder in einer Werkstatt üblich sein kann.
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Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst ein Kraftfahrzeug eine hierin beschriebene Kühlvorrichtung. Das Kraftfahrzeug kann eine weitere Kühleinrichtung umfassen, die ein Kühlfluid bereitstellt, das zur Kühlung der Steuervorrichtung verwendet werden kann. In unterschiedlichen Ausführungsformen kann es sich dabei um eine Flüssigkeitskühlung oder eine Gaskühlung handeln. In beiden Fällen kann ein geschlossenes System nach Art eines Kühlkreislaufs oder ein offenes System verwendet werden, bei dem aus dem Wärmetauscher austretendes Kühlfluid in eine Umgebung entlassen werden kann.
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Der Gasspeicher kann insbesondere in einem Kofferraum des Kraftfahrzeugs angebracht sein. So kann der Gasspeicher leicht gewartet werden, beispielsweise um ihn bei Bedarf nachzufüllen; gleichzeitig kann er einen Passagierraum des Kraftfahrzeugs nicht belasten. Der Gasspeicher kann über eine Gasleitung mit dem Wärmetauscher am Steuergerät verbunden sein. Die Gasleitung kann flexibel ausgeführt und beispielsweise aus Kunststoff herstellbar sein.
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Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Figuren genauer beschrieben, in denen:
- 1 ein Kühlsystem; und
- 2 ein Kraftfahrzeug mit einem Kühlsystem
darstellt.
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1 zeigt ein Kühlsystem 100 zum Einsatz an Bord eines Kraftfahrzeugs. Das Kühlsystem 100 umfasst eine optional erste Kühlvorrichtung 105 und eine zweite Kühlvorrichtung 110, die teilweise miteinander integriert werden können, wie unten noch genauer beschrieben ist. Das Kühlsystem 100 ist zur Kühlung eines Steuergeräts 115 eingerichtet, das eine Funktion an Bord des Kraftfahrzeugs steuern kann. Die Funktion kann insbesondere einen Fahrassistenten, eine augmentierte Realität für einen Fahrer oder eine Längs- oder Quersteuerung des Kraftfahrzeugs umfassen. Die Funktionsfähigkeit des Steuergeräts 115 kann relevant für eine Sicherheit des Kraftfahrzeugs sein.
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Die erste Kühlvorrichtung 105 ist bevorzugt als geschlossenes Kühlsystem realisiert und dazu eingerichtet, ein erstes Kühlfluid 120 an einen Wärmetauscher 125 bereitzustellen. Das Kühlfluid 120 kann flüssig oder gasförmig sein und ist üblicherweise keinem Phasenübergang unterworfen. Ein gasförmiges Kühlfluid 120 kann jedoch im Bereich des Wärmetauschers 125 expandiert werden, um eine zusätzliche Kühlwirkung zu entfalten. Aus dem Wärmetauscher 125 austretendes Kühlfluid 120 kann aufgefangen werden. Üblicherweise umfasst die erste Kühlvorrichtung 105 eine Pumpe 130 oder einen Verdichter oder Kompressor, dem das Kühlfluid zugeführt wird, sowie optional einen weiteren Wärmetauscher 135 zur Abgabe von Wärme aus dem Kühlfluid 120 beispielsweise an eine Umgebung. Abgekühltes Kühlfluid 120 kann dem Wärmetauscher 125 erneut zugeführt werden, sodass ein Kühlkreislauf entsteht. Die zweite Kühlvorrichtung 105 kann auch als offenes Kühlsystem konzipiert sein, wobei dem Wärmetauscher 125 Kühlfluid 120 nur einmal zugeführt wird. Nach dem Austreten aus dem Wärmetauscher 125 kann das Kühlfluid 120 beispielsweise in einem Behälter gesammelt oder in eine Umgebung entlassen werden.
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Die zweite Kühlvorrichtung 110 umfasst einen Gasspeicher 140, in welchem ein gasförmiges zweites Kühlfluid 145, üblicherweise Luft, unter Druck gespeichert ist. Mittels eines Ventils 150 kann das zweite Kühlfluid 145 in einen Wärmetauscher entlassen werden, der wärmeleitfähig mit dem Steuergerät 115 verbunden ist. Dabei kann der Wärmetauscher 125 verwendet werden, der mit der ersten Kühleinrichtung 105 verbunden ist, oder ein separater Wärmetauscher. Der Darstellung von 1 liegt beispielhaft die erstgenannte Ausführungsform mit nur einem Wärmetauscher 125 für beide Kühlvorrichtungen 105, 110 zu Grunde.
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Zur Steuerung eines Stroms von zweitem Kühlfluid 145 in den Wärmetauscher ist bevorzugt eine Steuereinrichtung 155 vorgesehen, die bevorzugt elektronisch arbeitet und vom Steuergerät 115 umfasst sein kann. Das Ventil 150 kann elektrisch steuerbar sein und ein Proportionalventil umfassen. Alternativ können beispielsweise eine Drossel oder ein Druckregler zur Begrenzung eines Volumenstroms von zweiten Kühlfluid 145 in den Wärmetauscher 125 vorgesehen sein. Die Steuereinrichtung 155 ist bevorzugt dazu eingerichtet, das Ventil 150 erst dann zu öffnen, wenn eine ausreichende Kühlung der Steuervorrichtung 115 mit anderen Mitteln gefährdet ist. In einer einfachen Ausführungsform kann das Ventil 150 nach dem Öffnen durch die Steuervorrichtung 115 nicht mehr geschlossen werden.
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Die Steuereinrichtung 155 kann das Ventil 150 in Abhängigkeit verschiedener Parameter steuern. Dazu kann beispielsweise mittels eines Temperatursensors 160 eine Temperatur im Bereich des Steuergeräts 115 oder mittels eines Drucksensors 165 ein Druck von erstem Kühlfluid 120 im zugeordneten Wärmetauscher 125 bestimmt werden.
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Insbesondere falls der Wärmetauscher 125 von beiden Kühlfluiden 120, 145 durchflossen werden kann, und weiter bevorzugt falls das erste Kühlfluid eine Flüssigkeit umfasst, kann ein weiteres Ventil 170 zum Ablassen von Kühlfluid 120, 145 auf einer stromabwärtigen Seite des Wärmetauschers 125 vorgesehen sein. Aus dem Ventil 170 austretendes Kühlfluid 120, 145 kann aufgefangen oder in eine Umgebung entlassen werden. Üblicherweise verlaufen Strömungsrichtungen beider Kühlfluide 120, 145 durch den Wärmetauscher 125 in gleicher Richtung von einer zuführenden Seite zu einer abführenden Seite, wobei das weitere Ventil 170 an der abführenden Seite angebracht sein kann. Das weitere Ventil 170 kann steuerbar sein, insbesondere elektrisch, und allgemein durch die Steuereinrichtung 155 gesteuert werden. Dabei kann die Steuerung in Abhängigkeit eines oder mehrerer bestimmter Parameter erfolgen.
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Um eine Ausbreitung von zweitem Kühlfluid 145 entgegen einer üblichen Fließrichtung des ersten Kühlfluids 120 in der ersten Kühlvorrichtung 105 zu verhindern, kann ein Rückschlagventil 175 vorgesehen sein. Der Gasspeicher 140 kann durch ein Ventil 180 aufgefüllt werden, das in einem Normalbetrieb verschlossen oder arretiert sein kann. Ein Füllstand des Gasspeichers 140 kann mittels eines Drucksensors 185 abgetastet werden. Der Füllstand oder eine darauf hinweisende Größe kann an einer Anzeigeeinrichtung 190 ausgegeben werden. Die Anzeigeeinrichtung 190 kann sich an einer anderen Stelle im Kraftfahrzeug befinden als der Gasspeicher 140, insbesondere im einem Fahrgast- oder Fahrerbereich. Es kann auch eine Schnittstelle zur Bereitstellung des Füllstands an eine Ausgabeeinrichtung des Kraftfahrzeugs vorgesehen sein.
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2 zeigt ein Kraftfahrzeug 205 mit einem Kühlsystem 100. Das Steuergerät 115 kann mittels der zweiten Kühleinrichtung 110 mittels zweitem Kühlfluid 145 aus dem Druckspeicher 140 gekühlt werden. Optional kann das Steuergerät 115 mittels erstem Kühlfluid 120 der ersten Kühleinrichtung 105 gekühlt werden. Dabei können sich das Steuergerät 115 und die Kühleinrichtungen 105, 110 an beliebigen Stellen im oder am Kraftfahrzeug 205 befinden. Der Gasspeicher 140 ist bevorzugt außerhalb eines Fahrgastraums des Kraftfahrzeugs 205 angebracht, insbesondere in einem Lade- oder Kofferraum 210. Der Gasspeicher 140 ist bevorzugt so dimensioniert, dass er aus einer Füllung von zweitem Kühlfluid 145 mit einem vorbestimmten Druck einen vorbestimmten Massenstrom von Kühlfluid 145 bei einem vorbestimmten Druckverlust über eine vorbestimmte Dauer sicherstellen kann.
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Bevorzugt ist das Ventil 180 zum Auffüllen des Gasspeichers 140 derart ausgebildet, dass es an einer üblichen Infrastruktur zur Bereitstellung von Druckluft an das Kraftfahrzeug 205 verwendet werden kann. Insbesondere kann das Ventil 180 einem Reifenventil 215 entsprechen, also eine Bauart aufweisen, wie sie zum Einsatz an einem luftgefüllten Reifen 220 des Kraftfahrzeugs 205 üblich ist. Ein weit verbreitetes derartiges Ventil ist ein Schraderventil. Übliche Reifenkompressoren, die beispielsweise an Tankstellen oder in Werkstätten genutzt werden können, können Druckluft mit einem maximalen Druck von ca. 5-8 bar bereitstellen.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Kühlsystem
- 105
- erste Kühlvorrichtung
- 110
- zweite Kühlvorrichtung
- 115
- Steuergerät
- 120
- erstes Kühlfluid
- 125
- Wärmetauscher
- 130
- Pumpe
- 135
- Wärmetauscher
- 140
- Gasspeicher
- 145
- zweites Kühlfluid
- 150
- Ventil
- 155
- Steuereinrichtung
- 160
- Temperatursensor
- 165
- Drucksensor
- 170
- Ventil
- 175
- Rückschlagventil
- 180
- Ventil
- 185
- Drucksensor
- 190
- Anzeigeeinrichtung
- 205
- Kraftfahrzeug
- 210
- Kofferraum
- 215
- Reifenventil
- 220
- Reifen
