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Die vorliegende Erfindung betrifft eine zentrale Recheneinheit, insbesondere eine zentrale Recheneinheit eines Fahrzeugs, ein Taschen-, Steck- oder Einsteckmodul, ein Elektronikmodul, eine Leiterplatte, eine Kühlschiene, -platte oder -lamelle und einen Mainframe (= Hauptrahmen/Zentraleinheit). Ferner betrifft die vorliegende Erfindung die Herstellung sowie ein geometrisches Konzept und eine Anordnung von Einzelelementen der zentralen Recheneinheit, des Taschenmoduls, des Elektronikmoduls und der Leiterplatte. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung Fahrzeuge, insbesondere eine Fahrzeugarchitektur und einen Aufbau einer zentralen Fahrzeugrecheneinheit (V-CCU, Vehicle Central Compute Unit).
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Zentrale Recheneinheiten werden bekanntlich in Fahrzeugen eingebaut. Die bekannten Lösungen weisen jedoch mehrere Nachteile auf. Beispielsweise müssen unterschiedliche Aufbauprinzipien einer Vielzahl von Hardware- oder Teilrecheneinheiten innerhalb eines Fahrzeugs integriert werden. Die Koordination dieser verschiedenen Hardware- bzw. Recheneinheiten ist komplex und ineffizient.
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Es scheint einen Bedarf nach einem harmonisierten Ansatz zu geben, der verschiedene Arten von Hardware oder Recheneinheiten in einem Fahrzeug verwendet, die von verschiedenen Anbietern bereitgestellt werden. Es wäre wünschenswert, einen modularen Aufbau zu verwenden. Für viele Anwendungen wie Serversysteme ist ein modulares Aufbauprinzip für Elektronik etabliert. Auch haben verschiedene Tier1-Lieferanten der Automobilindustrie ein eigenes „Racksystem“ gebaut. Existierende „modulare“ Tier1-Aufbauten decken jedoch nur begrenzte „Rechen“- und „Leistungs“-Domänen (auch engl. „compute domains and power domains“) ab, wie im Zusammenhang mit Fahrerassistenzsystemen oder Infotainment. Dieser Ansatz führt zu mehreren nicht standardisierten Lösungen unter „Rechen“- und „Leistungs“-Domänen. Beispiele sind Domänenrecheneinheiten, die auf verschiedenen lieferantenbasierten Gehäuse-und Hauptplatinenkonfigurationen aufgebaut sind, die nicht miteinander kompatibel sind. Dies hat zur Folge, dass mehrere Stromversorgungen und Hauptplatinen sowie schließlich Hardware-Erweiterungen, die nur auf diese individuellen Konfigurationen abgebildet werden, einschließlich SW verfügbar sind. Dadurch kann eine komplexe und teure Systemintegration erforderlich sein. Derzeit kann beobachtet werden, dass eine große Anzahl von Varianten für die Systemintegration dieser Recheneinheiten (die Hardware und/oder Software sein können) existiert. Dies kann zu Problemen bei der Integrationsgestaltung führen, die zu einem nicht optimierten Hardware- und auch Softwarebetrieb führen. Funktionsverlust und Fehleroperationen können sowohl während der Entwicklung als auch während der Wartung von Hardware und Software, einschließlich Änderungsmanagement und dergleichen, auftreten. Eine wesentliche Herausforderung an eine auf einer zentralen Recheneinheit basierenden Architektur ist der Wechsel des softwaredefinierten Funktionsprinzips von einem eingebetteten zu einem nicht eingebetteten System, das ein Co-Design oder eine Co-Konstruktion der Hardware bezüglich des gewählten Betriebssystems und seiner Merkmale erfordert.
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Die vorliegende Erfindung löst den vorstehend genannten Bedarf gemäß den folgenden Punkten:
- Eine Kühllamelle, -platte oder -schiene (auch engl. cooling blade) ist zum Kühlen eines Elektronikmoduls eines Fahrzeugs konfiguriert. Die Kühllamelle umfasst mindestens einen Anschluss zum Verbinden mit einem Flüssigkeitskühlsystem des Fahrzeugs und einer Kühlleitung zum Leiten eines flüssigen Kühlmittels durch die Kühllamelle zur Wärmeübertragung. Die Kühllamelle umfasst ferner einen Wärmeübertragungsbereich zur thermischen Kopplung des Elektronikmoduls. Mit der Kühllamelle wird eine skalierbare und universelle Wärmeübertragungsschnittstelle zur Integration von Elektronikmodulen in ein Fahrzeug bereitgestellt.
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Die Kühlleitung kann in der Kühllamelle gekapselt sein, was ein effizientes und effektives Kühlkonzept für elektronische Module ermöglichen kann.
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In Ausführungsformen kann die Kühllamelle konfiguriert sein, um das elektronische Modul von dem flüssigen Kühlmittel zu trennen. Elektronische Komponenten können gut von der Flüssigkeitskühlung isoliert sein. Zum Beispiel kann die Kühllamelle ferner einen oder mehrere Feuchtigkeitssensoren zur Leckageüberwachung umfassen, sodass eine Leckage detektierbar wird, bevor daraus erhebliche Schäden resultieren können. Ferner kann die Kühllamelle ein Metallgehäuse mit einem Masseanschluss umfassen. Sodass die Kühllamelle ferner als elektromagnetische Abschirmung für das Elektronikmodul verwendet werden kann.
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An der Kühllamelle kann der Bereich zur thermischen Kopplung des Elektronikmoduls konfiguriert sein, um das Elektronikmodul zusammen mit einer anderen Kühllamelle sandwichartig anzuordnen. Ein noch effektiveres Wärmeabfuhrkonzept kann sich ergeben, wenn das Elektronikmodul sandwichartig zwischen zwei Kühllamellen angeordnet ist, beispielsweise kann ein Gesamtbereich für thermische Kopplung verdoppelt werden. Zumindest in einigen Ausführungsformen kann die Kühllamelle konfiguriert sein, um zusammen mit einer anderen Kühllamelle einen Hohlraum für das Elektronikmodul zu bilden. Auf diese Weise kann ein wesentlicher Teil einer Außenfläche des Elektronikmoduls zur Wärmeübertragung an die Kühllamellen verwendet werden.
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Der Hohlraum kann konfiguriert sein, um zu ermöglichen, dass sich das Elektronikmodul mit einer Mainframe-Schnittstelle eines Mainframes verbindet, der konfiguriert ist, um die Kühllamelle zu halten. In Ausführungsformen kann ein Wärmeübertragungsbereich zwischen einer Kühllamelle und einem Elektronikmodul groß sein, aber dennoch eine elektronische Verbindung mit einer Mainframe-Schnittstelle ermöglichen. Zum Beispiel kann der Hohlraum auch konfiguriert sein, um es dem Elektronikmodul zu ermöglichen, unter Verwendung eines vorderseitigen Verbinders des Elektronikmoduls mit einer anderen Komponente verbunden zu werden. Der vorderseitige Verbinder kann auf einer gegenüberliegenden Seite der Mainframe-Schnittstelle (die sich auf der Rückseite befinden kann) eines Gehäuses des Elektronikmoduls angeordnet sein. In Ausführungsformen kann die Kühllamelle eine ordnungsgemäße elektronische Kopplung mit dem Fahrzeug und seinen Komponenten ermöglichen und dennoch eine effektive Wärmeableitung gewährleisten.
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Ferner kann die Kühllamelle konfiguriert sein, um Elektronikmodule innerhalb eines vorbestimmten Formfaktorbereichs zu kühlen. Die Kühllamelle kann dann zu einem universellen Kühl-, Abschirm-und Schutzadapter für Elektronikmodule im Formfaktorbereich werden.
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Ausführungsformen stellen auch ein Taschenmodul (Pocket-Modul, auch Steck- oder Einsteckmodul) bereit, das zwei Kühllamellen, wie hierin beschrieben, und ein Elektronikmodul umfasst. Noch eine andere Ausführungsform ist ein Mainframe mit einem, zwei oder mehr Taschenmodulen. Der Mainframe oder Hauptrahmen kann konfiguriert sein, um mechanische Beanspruchung von dem einen, den zwei oder mehr Taschenmodulen zu absorbieren. Der Mainframe kann ferner konfiguriert sein, um das Taschenmodul vor elektromagnetischer Strahlung abzuschirmen, während er auch elektromagnetische Emission von dem Modul selbst blockiert. Ein Fahrzeug mit einem solchen Mainframe ist eine weitere Ausführungsform.
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Weitere Ausführungsformen sind:
- 1. Leiterplatte (5), umfassend
- elektronische Komponenten (3),
- eine Wärmeverteilungsschicht (7) und
- mindestens ein Abstandselement (2),
- wobei die Wärmeverteilungsschicht (7) innerhalb der Leiterplatte (5) integriert ist und
- wobei das mindestens eine Abstandselement (2) an seiner Außenseite mit der Leiterplatte (5) verbunden ist.
- 2. Leiterplatte (5) nach Punkt 1, wobei die Wärmeverteilungsschicht (7) eine ebene Schicht innerhalb der Wärmeverteilungsschicht (7) ist.
- 3. Leiterplatte (5) nach Punkt 1 oder 2, umfassend mindestens einen eingebetteten Temperatur- und mechanischen Verformungssensor (13a).
- 4. Leiterplatte (5) nach einem der Punkte 1 bis 3, wobei die Leiterplatte (5) über eine Verbindung mit dem Abstandselement (2) verbunden ist, wobei die Verbindung eine thermische Verbindung sowie eine elektrische Verbindung ist.
- 5. Elektronikmodul (9), umfassend
- ein Gehäuse (8),
- eine Leiterplatte (5),
- mindestens ein Abstandselement (2) zwischen dem Gehäuse (2) und der Leiterplatte (5).
- 6. Elektronikmodul (9) nach Punkt 5, wobei das Elektronikmodul (9) eine Leiterplatte (5) nach einem der Punkte 1 bis 4 ist.
- 7. Elektronikmodul (9) nach Punkt 5 von 6, ferner umfassend eine Leistungsschnittstelle.
- 8. Elektronikmodul (9) nach einem der Punkte 5 bis 7, ferner umfassend eine Kommunikationsschnittstelle.
- 9. Elektronikmodul (9) nach einem der Punkte 5 bis 8, wobei das Elektronikmodul (9) im Betrieb mindestens eine Wärmequelle (3) und mindestens einen Kühlkörper (2), (7), (8), (11) aufweist, wobei innerhalb des Gehäuses des Elektronikmoduls (9) eine Wärmeverteilungsschicht (7) einer Leiterplatte (5) zur Verteilung der Wärmeenergie der Wärmequelle an den Kühlkörper installiert ist.
- 10. Taschenmodul (10), umfassend
- mindestens ein Elektronikmodul nach einem der vorhergehenden Punkte,
- ein Modulgehäuse,
- einen Modulverbinder,
- mindestens eine Fluid- oder Flüssigkeitsschnittstelle/-anschluss.
- 11. Taschenmodul (10) nach Punkt 10, ferner umfassend eine erste Wärmeübertragungskühllamelle (14) und eine zweite Wärmeübertragungskühllamelle (14).
- 12. Taschenmodul (10) nach Punkt 10 oder Punkt 11, ferner umfassend einen Feuchtigkeitssensor (13b).
- 13. Taschenmodul (10) nach einem der Punkte 10 bis 12, ferner umfassend Innenraum zur Installation eines oder mehrerer Elektronikmodule (9) unterschiedlicher Größen.
- 14. Taschenmodul (10) nach einem der Punkte 10 bis 13, umfassend eine thermische Schnittstelle zwischen dem Modulgehäuse und den Kühllamellen (14), vorzugsweise ein Haftfluid (Öl) oder Magnetschichtbeschichtung.
- 15. Taschenmodul (10) nach einem der Punkte 10 bis 14, umfassend eine stufenförmige Geometrie, die vorzugsweise im unteren Teil des Taschenmoduls (10) vorgesehen ist.
- 16. Zentrale Recheneinheit, insbesondere zentrale Recheneinheit eines Fahrzeugs, umfassend
Mainframe mit integrierten Steckplätzen für eine Vielzahl von Taschenmodulen (10) nach einem der vorhergehenden Punkte.
- 17. Zentrale Recheneinheit nach Punkt 16, ferner umfassend eine Schnittstellenplatine (15), die vorzugsweise Dämpfungselemente zur Dämpfung mechanischer Schwingungen aufweist.
- 18. Zentrale Recheneinheit nach Punkt 16 oder Punkt 17, umfassend ein Leistungsmodul (18).
- 19. Zentrale Recheneinheit nach einem der Punkte 16 bis 18, umfassend mindestens ein Modul aus der Gruppe von Modulen: ein Hauptplatinenmodul, ein zentrales HW-Erweiterungsmodul, ein OCU-Modul, ein AI-Modul, eine Schnittstelle, insbesondere ein Schnittstellenmodul ZeC oder insbesondere eine Schnittstelle als ein Schnittstellenerweiterungsmodul SAC, ein Kommunikationsmodul und ein drahtloses Kommunikationsmodul.
- 20. Zentrale Recheneinheit nach einem der Punkte 16 bis 19, ferner umfassend ein oder eine Vielzahl von Schwingungsdämpfungselementen (16).
- 21. Zentrale Recheneinheit nach einem der Punkte 16 bis 20, ferner umfassend ein oder eine Vielzahl von Wärmeleitelementen. Die Wärmeleitelemente können die Wärmeübertragungsströmung definieren.
- 22. Zentrale Recheneinheit nach einem der Punkte 16 bis 21, ferner umfassend einen oder eine Vielzahl von Temperatur- und/oder Verformungssensoren.
- 23. Zentrale Recheneinheit nach einem der Punkte 16 bis 22, umfassend mindestens ein elektromagnetisches Abschirmelement.
- 24. Zentrale Recheneinheit nach einem der Punkte 16 bis 23, umfassend eine Frontabdeckung.
- 25. Zentrale Recheneinheit nach einem der Punkte 16 bis 24, umfassend eine Rückenabdeckung.
- 26. Herstellungsverfahren zum Herstellen einer Leiterplatte (5) nach einem der vorangehenden Punkte, umfassend
Bereitstellen von Elementen der Leiterplatte (5) und Zusammenbauen der Elemente.
- 27. Herstellungsverfahren zum Herstellen eines elektronischen Moduls (9) nach einem der vorangehenden Punkte, umfassend Bereitstellen von Elementen des Elektronikmoduls (9) und Zusammenbauen der Elemente.
- 28. Herstellungsverfahren zum Herstellen eines Taschenmoduls (10) nach einem der vorangehenden Punkte, umfassend
Bereitstellen von Elementen des Taschenmoduls (10) und Zusammenbauen der Elemente.
- 29. Herstellungsverfahren zum Herstellen einer zentralen Recheneinheit nach einem der vorangehenden Punkte, umfassend
Bereitstellen von Elementen der zentralen Recheneinheit und Zusammenbauen der Elemente.
- 30. Fahrzeug, das eine zentrale Recheneinheit nach einem der Punkte 16 bis 25 umfasst, wobei die zentrale Recheneinheit vorzugsweise innerhalb des Fahrzeugs installiert ist.
- 31. Fahrzeug nach Punkt 30, wobei das Fahrzeug ein Auto, ein Bus oder ein Lastkraftwagen ist.
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Einige andere Merkmale oder Aspekte werden unter Verwendung der folgenden nicht einschränkenden Ausführungsformen von Vorrichtungen oder Verfahren oder Computerprogrammen oder Computerprogrammprodukten nur beispielhaft und unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren beschrieben, wobei:
- 1 bis 23 beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung veranschaulichen. 1 zeigt einen Elektronikmodulaufbau in einer Ausführungsform;
- 2 zeigt einen Elektronikmodulaufbau in einer Ausführungsform mit weiteren Einzelheiten zu einem Innenaufbau;
- 3a und 3b stellen Querschnitte eines Elektronikmoduls in einer Ausführungsform dar;
- 3c veranschaulicht einen Querschnitt eines Elektronikmoduls in einer Ausführungsform mit Wärmeflussanzeigen;
- 4a und 4b zeigen einen Leiterplattenaufbau in einer Ausführungsform;
- 4c zeigt einen Leiterplattenaufbau in einer Ausführungsform;
- 5a veranschaulicht eine Ausführungsform eines Taschenmoduls, das zwei Kühllamellen umfasst;
- 5b zeigt eine weitere Ausführungsform eines Taschenmoduls, das zwei Kühllamellen umfasst;
- 6a und 6b veranschaulichen eine Hauptschnittstellenplatine in einer Ausführungsform;
- 7 stellt Elektronikmodule dar, die in einer Ausführungsform mit einer Mainframe-Schnittstelle verbunden sind;
- 8 zeigt eine weitere Verbindung zwischen Elektronikmodulen und einer Mainframe-Schnittstelle in einer Ausführungsform;
- 9a und 9b veranschaulichen einen Aufbau von drei Taschenmodulen in einem Mainframe in einer Ausführungsform;
- 10 stellt eine Mainframe-Schnittstelle in einem Aufbau von drei Taschenmodulen in einem Mainframe in einer Ausführungsform dar;
- 11a und 11b zeigen eine rückseitige Abdeckung eines Mainframes in einer Ausführungsform;
- 12 stellt weitere Details auf einer rückseitigen Abdeckung eines Mainframes in einer Ausführungsform dar;
- 13 veranschaulicht weitere Details auf einer rückseitigen Abdeckung eines Mainframes in einer Ausführungsform;
- 14 stellt einen Wärmeübertragungsfluid-Anschlussblock auf einer Rückseite eines Mainframes in einer Ausführungsform dar;
- 15a und 15b zeigen Frontansichtskonfigurationen eines Mainframes in Ausführungsformen;
- 16 veranschaulicht eine alternative Konfiguration von drei Taschenmodulen in einem Mainframe in einer anderen Ausführungsform;
- 17 stellt weitere Details zur alternativen Konfiguration von drei Taschenmodulen in einem Mainframe in einer anderen Ausführungsform dar;
- 18 zeigt verschiedene Taschenmodulkonfigurationen oder -typen in Ausführungsformen;
- 19 veranschaulicht verschiedene Taschenmodultypen in Ausführungsformen;
- 20 stellt weitere Taschenmodultypen in Ausführungsformen dar;
- 21 zeigt eine andere Ausführungsform eines Taschenmoduls;
- 22a und 22b veranschaulichen die Integration eines Taschenmoduls in einer Ausführungsform; und
- 23 stellt eine Vorderseite eines integrierten Taschenmoduls in einer Ausführungsform dar.
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Verschiedene beispielhafte Ausführungsformen werden nun ausführlicher unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen einige beispielhafte Ausführungsformen veranschaulicht sind. In den Figuren können die Dicken von Linien, Schichten oder Bereichen der Klarheit halber übertrieben sein. Optionale Komponenten können unter Verwendung von unterbrochenen, gestrichelten oder gepunkteten Linien veranschaulicht sein.
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Dementsprechend sind, während beispielhafte Ausführungsformen zu verschiedenen Modifikationen und alternativen Formen in der Lage sind, Ausführungsformen davon beispielhaft in den Figuren gezeigt und werden hierin ausführlich beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass es nicht beabsichtigt ist, beispielhafte Ausführungsformen auf die speziellen offenbarten Formen zu beschränken, sondern im Gegenteil sollen beispielhafte Ausführungsformen alle Modifikationen, Äquivalente und Alternativen abdecken, die in den Schutzumfang der Erfindung fallen. Gleiche Zahlen beziehen sich auf gleiche oder ähnliche Elemente in der gesamten Figurenbeschreibung.
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Wie hier verwendet, bezieht sich der Begriff „oder“ auf ein nicht exklusives oder, sofern nicht anders angegeben (z. B. „oder auch“ oder „oder alternativ“). Außerdem sollten, wie hierin verwendet, Wörter, die verwendet werden, um eine Beziehung zwischen Elementen zu beschreiben, breit ausgelegt werden, um eine direkte Beziehung oder das Vorhandensein von dazwischenliegenden Elementen einzuschließen, sofern nicht anders angegeben. Wenn zum Beispiel ein Element als mit einem anderen Element „verbunden“ oder „gekoppelt“ bezeichnet wird, kann das Element direkt mit dem anderen Element verbunden oder gekoppelt sein oder dazwischenliegende Elemente können vorhanden sein. Wenn ein Element dagegen als mit einem anderen Element „direkt verbunden“ oder „direkt gekoppelt“ bezeichnet wird, sind keine dazwischenliegenden Elemente vorhanden. Gleichermaßen sollten Wörter wie „zwischen“, „benachbart“ und dergleichen auf ähnliche Weise interpretiert werden.
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Die hierin verwendete Terminologie dient nur dem Zweck der Beschreibung bestimmter Ausführungsformen und soll nicht einschränkend auf beispielhafte Ausführungsformen sein. Wie hier verwendet, sollen die Singularformen „ein“, „eine“ und „der/die/das“ auch die Pluralformen einschließen, sofern der Kontext nicht eindeutig etwas anderes angibt. Es versteht sich ferner, dass die Begriffe „umfasst“, „umfassend“, „schließt ein“ oder „einschließend“, wenn sie hierin verwendet werden, das Vorhandensein von angegebenen Merkmalen, ganzen Zahlen, Schritten, Operationen, Elementen oder Komponenten spezifizieren, aber nicht das Vorhandensein oder Hinzufügen von einem oder mehreren anderen Merkmalen, ganzen Zahlen, Schritten, Operationen, Elementen, Komponenten oder Gruppen davon ausschließen.
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Sofern nicht anders definiert, haben alle hierin verwendeten Begriffe (einschließlich technischer und wissenschaftlicher Begriffe) die gleiche Bedeutung, wie sie der Fachmann des Fachs, zu dem beispielhafte Ausführungsformen gehören, allgemein versteht. Es versteht sich ferner, dass Begriffe, die z. B. in gewöhnlich verwendeten Wörterbüchern definiert sind, so interpretiert werden sollten, dass sie eine Bedeutung aufweisen, die mit ihrer Bedeutung im Kontext des relevanten Stands der Technik übereinstimmt, und nicht in einem idealisierten oder zu formalen Sinne interpretiert werden, sofern sie nicht ausdrücklich so hierin definiert sind.
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Insgesamt bezieht sich die vorliegende Erfindung insbesondere auf Kraftfahrzeuge und befasst sich mit Herausforderungen von HW/SW-Cokonstruktionsansätzen (auch Hardware/Software Co-Design) aus einer Perspektive der elektronischen Funktion, die auch auf der Bauarchitekturseite eines Fahrzeugrechners ein entsprechende Cokonstruktion auf Systemtechnikbasis erfordern. Gemäß dem Konzept der vorliegenden Erfindung sind Teile innerhalb einer zentralen Fahrzeugrecheneinheit (V-CCU, Vehicle Central Compute Unit) austauschbar und in der Größe variabel. Die zentrale Fahrzeugrecheneinheit (V-CCU) kombiniert eine Vielzahl von einzelnen Hardwareeinheiten innerhalb einer zentralen Fahrzeugrecheneinheit (V-CCU), die auch redundante Einheiten einschließen kann. Somit ermöglicht die vorliegende Erfindung austauschbare und erweiterbare Hardware und ist in der Lage, verschiedene Größen von (vgl. 18) Stromversorgungen, Hauptplatinen, Erweiterungsplatinen usw. innerhalb eines vordefinierten Formfaktorbereichs von verschiedenen Anbietern der Versorgungskette zu integrieren. Außerdem ist innerhalb des vordefinierten Formfaktorbereichs plus einiger standardisierter Leiterplattenkonstruktionsregeln die Kühlung und Fixierung der Leiterplatten standardisiert und unabhängig von der Größe (vgl. 5a) der Leiterplatten. 5a veranschaulicht eine flexible Modulgröße in horizontaler Richtung. In weiteren Ausführungsformen könnte die flexible Dimensionierung in einer anderen oder in mehreren Richtungen erfolgen, z. B. in vertikaler Richtung. Darüber hinaus ist der Schnittstellen-/Modulverbinder 4 auf der Rückseite des Moduls dargestellt, in weiteren Ausführungsformen könnte sich eine Schnittstellenkarte auf der Unterseite befinden oder es könnten mehrere Schnittstellen/Verbinder vorhanden sein.
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Dabei werden folgende Bedeutungen verwendet:
- PCB = Leiterplatte
- PCBA = zusammengebaute/bestückte Leiterplatte
- CCU = zentrale Recheneinheit (CCU)
- V-CCU = zentrale Fahrzeugrecheneinheit
- Die Ausdrücke CCU und V-CCU werden in diesem Kontext austauschbar in Bezug auf eine Fahrzeuganwendung verwendet
- ECU = elektronische Steuereinheit
- EMV = elektromagnetische Verträglichkeit
- EMI = elektromagnetische Interferenz
- ESD = elektrostatische Entladung
- OCU = Onboard-Konnektivitätseinheit/Kommunikationseinheit
- RFI = Hochfrequenzstörung
- ASIL = Automobil-Sicherheitsanforderungsstufe
- HW = Hardware
- SW = Software
- ESD = elektrostatische Entladung
- T: Temperatur
- SAC: Sensor-/Aktor-Cluster
- ZeC: Elektrische Zonensteuerung
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Die Ausdrücke Modul, Modultasche oder Taschenmodul werden in diesem Kontext austauschbar verwendet.
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Weitere beispielhafte Vorteile, die durch die Erfindung bereitgestellt werden, und Vorteile von beispielhaften Ausführungsformen davon sind wie folgt:
- - Schutz von Lötverbindungen gegen mechanische und thermische Beanspruchung,
- - Schutz von elektronischen Komponenten/Gehäusen gegen mechanische und thermische Beanspruchung
- - Verformungs- und Temperatursensor zur Überlastungserkennung (d. h. Autounfall, also eindeutige Entscheidung, ob HW ausgetauscht werden muss), also erhöhte Funktionssicherheit,
- - viele verteilte Temperatursensoren zur Überlastungserkennung können potentiell auch zur Eindringerkennung bestimmter Cybersicherheitsangriffe verwendet werden, die „thermische“ Abweichungen hervorrufen,
- - EMV/EMI- und ESD-Leistung, daher verringerte Kompensation über zusätzliche erforderliche Komponenten,
- - keine direkte Stoßübertragung vom Hardwaregehäuse auf elektronische Komponenten, somit können Lotkugelrisse vermieden werden, daher kein Funktionsverlust und keine Signalverzerrung und keine falsche Annahme von Software-Fehlem,
- - Bereitstellen von Leistungsversorgungsskalierbarkeit mit Hardware-Rechenskalierung, die von Kühlskalierbarkeit mit Hardware-Skalierung bereitstellt,
- - Wärmeübertragungsfluid-Kühlung entsprechend ASIL (Automotive Safety Integrity Level, Automobil-Sicherheitsanforderungsstufe) daher keine Einschränkungen für Sicherheitsfunktionen,
- - robuster Wärmeübertragungsfluid-Kühlaufbau,
- - Thermisch, mechanisch und EMI (elektromagnetische Interferenz) abschirmende Konstruktion durch „ein“ Aufbauprinzip von der Leiterplattenkonstruktion, die mit dem Elektronikmodulgehäuseanschluss mit dem Kühllamellenanschluss mit dem stoß-/vibrationsbeständigen Mainframe-Steckplatz verbunden ist,
- - kostenreduzierter Mainframe-Aufbau (reduzierter Metallanteil), Einfachheit der Konstruktion,
- - keine proprietäre Hauptplatinenlösung (kompatibel zwischen Lieferanten) und offen für alle, wobei Lieferanten die Hardware-Upgrades/Austausche bereitstellen,
- - Architektur, die an das Betriebssystem des Automobilherstellers anpassbar ist,
- - insgesamt ist eine hohe Energieeffizienz bereitgestellt,
- - Installierte Sensoren können eine Voraus-Überwachung zum Einleiten von Vorsichtsmaßnahmen zur Vermeidung eines Ausfalls elektrischer Komponenten bereitstellen, wodurch die Wahrscheinlichkeit eines Fehlers oder Ausfalls minimiert wird,
- - Durch die bereitgestellte Geometrie zur Homogenisierung der thermischen Belastung der elektronischen Komponenten wird ein robustes Konzept bereitgestellt,
- - Das Gehäuse der zentralen Recheneinheit ist hinsichtlich der Stromversorgung und der Strommenge, Größe der Elektronikmodule und Anzahl der integrierten Elektronikmodule skalierbar und
- - Die bereitgestellte Lösung bietet ein robustes Konzept im Hinblick auf mechanischen Aufbau, elektromagnetische Abschirmung und thermische Robustheit.
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BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN:
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Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungen der vorliegenden Erfindung sind in der folgenden detaillierten Beschreibung und den beigefügten Figuren bereitgestellt, wobei 1 bis 23 beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung veranschaulichen.
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1 zeigt einen Elektronikmodulaufbau in einer Ausführungsform. In 1 ist ein Elektronikmodul 9 als standardisierter Elektronikmodulaufbau dargestellt. Das Elektronikmodul weist Kommunikationsschnittstellenverbinder (-anschlüsse) 1a und einen Leistungsverbinder/-anschluss 1b an seiner Vorderseite und einen Modulverbinder/-anschluss 4 an seiner Rückseite zum Anschluss an eine Schnittstellenplatine eines Computer-Mainframes auf, für die nachfolgend Einzelheiten umrissen werden. Das Elektronikmodul 9 umfasst als Kühlkörper ein standardmäßiges PCBA-Metallgehäuse 8. In dieser Ausführungsform ist die vordere Höhe und Breite des Moduls standardisiert, aber seine Tiefe 1c trägt zu einer variablen Modulgröße und Skalierbarkeit bei.
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2 zeigt einen Elektronikmodulaufbau in einer Ausführungsform mit weiteren Einzelheiten zu einem Innenaufbau. 2 zeigt dieselbe Perspektive wie 1 mit etwas Einblick in das PCBA-Metallgehäuse 8 der Standardfamilie. Innerhalb des Gehäuses 8 befindet sich die Leiterplatte 5 mit einer Anzahl von elektronischen Komponenten 3 (z. B. Halbleiterkomponenten). Wie ersichtlich, sind die elektronischen Komponenten unter Verwendung von thermischem Schnittstellenmaterial 6 (TIM) thermisch mit dem Gehäuse 8 gekoppelt. Auf der Leiterplatte 5 befinden sich Abstandshalter 2 (Spacerchips), die geerdet sind und die Leiterplatte 5 mechanisch und thermisch mit dem Gehäuse 8 koppeln. Dadurch wird die Leiterplatte 5 gegenüber thermischer und mechanischer Beanspruchung stabilisiert. Durch Erden der Abstandshalter 2 und des Gehäuses 8 kann ein Schutz gegen elektromagnetische Störungen (EMI) und elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) erreicht werden. Einige weitere beispielhafte Aufbaumerkmale sind ein einfacher und kostengünstiger Aufbau. EMV kann erreicht werden, indem das Gehäuse 8 elektrisch geerdet wird und über die Leiterplatte 5 verteilte Masse aufweist. Die Spacerchips 2 können direkt mit dem Metallgehäuse 8 verbunden sein, wodurch eine thermische und Massekopplung erreicht wird. Ein Abstandshalter 2 kann eine thermische Verbindung mit dem Gehäuse 8 und ein mechanischer Puffer für elektronische Komponenten 3 sein. Mechanische Belastung kann für elektronische Komponenten ferngehalten oder zumindest reduziert werden. Eine Dicke des Gehäusemetalls 8 kann hinsichtlich des Aufbaus der Wärmeübertragungsfluid-Kühllamellen 11 optimiert werden, wie in den nachfolgenden Figuren gezeigt.
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3a und 3b stellen Querschnitte eines Elektronikmoduls 9 in einer Ausführungsform dar. 3a zeigt einen Querschnitt einer Leiterplatte 5 mit elektronischen Komponenten 3, Spacerchips 2, TIM 6 und einem Modulgehäuse 8. 3b zeigt einen vergrößerten Querschnitt der Leiterplatte. Hier ist zu erkennen, dass die Leiterplatte 5 eine geerdete thermische Wärmeverteilungsschicht 7 umfasst, die mit dem Spacerchip 2 verbunden ist. In Ausführungsformen kann TIM 6 auf den elektrischen Komponenten 3 optional sein, da die Wärmeverteilungsschicht 7 idealerweise eine ausreichende Wärmeableitung bereitstellt. 3c veranschaulicht einen Querschnitt eines Elektronikmoduls in einer Ausführungsform mit Wärmeflussanzeigen (-pfeilen). Wie zu sehen ist, gibt es Wärmeübertragung durch Strahlung (z. B. von elektrischen Komponenten 3 zum Gehäuse 8, wenn kein TIM 6 verwendet wird) und Wärmeübergang durch Ableitung (z. B. durch die Abstandshalter 2 und das TIM 6).
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4a und 4b zeigen einen Leiterplattenaufbau in einer Ausführungsform. 4a ist eine Draufsicht auf das, was in Bezug auf die vorherigen Figuren detailliert wurde. 4b zeigt eine seitliche Querschnittsansicht der Leiterplatte 5. Die Sensoren 13a sind in einer inneren Schicht der Leiterplatte eingebettet. Diese Sensoren können thermische und mechanische Belastung erfassen. Die Sensoren 13a sind über die gesamte Leiterplatte 5 verteilt und können auch bei Eindringdetektionskonzepten (Intrusionserkennungskonzepten) helfen, z. B. um Plausibilitätsprüfungen darüber zu ermöglichen, ob thermische oder mechanische Belastung vorliegt oder vorlag.
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4c stellt einen Leiterplattenaufbau in einer Ausführungsform in einer Querschnittsansicht mit den Verformungs- und Temperatursensoren 13a dar.
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5a veranschaulicht eine Ausführungsform eines Taschenmoduls, das zwei Kühllamellen 11 umfasst. Jede der Kühllamellen ist zum Kühlen eines Elektronikmoduls eines Fahrzeugs konfiguriert. Eine Kühllamelle 11 umfasst mindestens einen Verbinder/Anschluss 12 zum Verbinden mit einem Flüssigkeitskühlsystem des Fahrzeugs und einer Kühlleitung (die zur Wand der Kühllamelle in 5a verläuft) zum Leiten eines flüssigen Kühlmittels durch die Kühllamelle zur Wärmeübertragung. Der Anschluss 12 ist als Fluidschnittstelle (Einlass und/oder Auslass für Fluid) zu Kühlzwecken implementiert. In 5a ist der Verbinder 12 als ein Einlass und ein Auslass pro Kühllamelle 11 dargestellt, was zu einer quadratischen Anordnung der Verbinder /Anschlüsse 12 im montierten Zustand in 5a führt (zwei Kühllamellen 11, die eine Modultasche/Taschenmodul 10 bilden). Außerdem sind, wie in der Geometrie in 5a gezeigt, die Verbinder 12 mit einem Versatz relativ zu dem Rest der rückseitigen Oberfläche der Kühllamelle 11 platziert, z. B. auf einer Schulter oder Stufe des Kühllamellengehäuses. Auf diese Weise können Verbindungsebenen für Kühlflüssigkeit und elektrische Kopplung (z. B. Ethernet) versetzt werden, was bei Kühlflüssigkeitsleckage vorteilhaft sein kann. Wie ferner in 5a gezeigt, befinden sich die Verbinder 12 am Boden der Kühllamelle, sodass tropfendes Kühlfluid in einer Richtung weg von der Elektronik tropfen würde.
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In Ausführungsformen können die Kühllamellen 11 aus leichtem Material, z. B. Aluminium, hergestellt sein. Je leichter die Struktur ist, desto geringer ist eine mechanische Belastung von Kopplungs- oder Befestigungskomponenten, die durch die in einem Fahrzeug vorhandenen Vibrationen hervorgerufen wird. Aluminium bietet zudem gute Wärmeleiteigenschaften für die Wärmeabfuhr vom Modul weg.
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Die Kühllamelle 11 umfasst ferner einen Wärmeübertragungsbereich zur thermischen Kopplung des Elektronikmoduls 9. Der Wärmeübertragungsbereich ist die Innenfläche, die in 5a zum Elektronikmodul hin gerichtet ist. In 5a ist die Kühlleitung in der Kühllamelle eingekapselt und jede der Kühllamellen ist konfiguriert, um das Elektronikmodul von dem flüssigen Kühlmittel zu trennen. Wie ferner in 5a gezeigt, umfasst die Kühllamelle ferner einen Feuchtigkeitssensor/-detektor 13b zur Leckageüberwachung. Die Kühlplatten 11 umfassen ferner Metallgehäuse mit einem Masseverbinder.
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Wie ferner in 5a zu sehen ist, ist der Bereich zur thermischen Kopplung des Elektronikmoduls 9 so konfiguriert, dass er das Elektronikmodul 9 zusammen mit einer anderen Kühllamelle 11 sandwichartig einschließt. Die Kühllamellen 11 bilden eine Modultasche/ein Taschenmodul 10 für das Elektronikmodul 9. Die Anordnung mit den beiden Kühllamellen 11 bildet eine Ausführungsform eines Taschenmoduls 10, das zwei Kühllamellen 11 und ein Elektronikmodul 9 umfasst. Die beiden Kühllamellen 11 sind so konfiguriert, dass sie zusammen einen Hohlraum (Tasche) für das Elektronikmodul 9 bilden. 5a veranschaulicht somit eine Modultaschenintegration standardisierter Elektronikmodulgehäuse 9 zwischen zwei Wärmeübertragungsfluid-Kühllamellen 11.
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Wie ferner in 5a gezeigt, ist der Hohlraum konfiguriert, um zu ermöglichen, dass sich das Elektronikmodul 9 mit einer Mainframe-Schnittstelle über den Modulverbinder 4 eines Mainframes verbindet, der konfiguriert ist, um die Kühllamelle 11 zu halten. Wie ferner in 5a gezeigt, ist die Kühllamelle 11 konfiguriert, um Elektronikmodule innerhalb eines vorbestimmten Formfaktorbereichs zu kühlen. Das Kühlblatt 11 ist konfiguriert, um Elektronikmodule unterschiedlicher Größen zu kühlen, z. B. mit Tiefen von 10 cm, 15 cm oder 20 cm (cm = Zentimeter).
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5b zeigt eine weitere Ausführungsform eines Taschenmoduls 10, das zwei Kühllamellen 11 umfasst. In der in 5b gezeigten Ausführungsform kann eine angepasste Form einer Wärmeübertragungskühllamelle 11, die zur Konstruktion des Elektronikmodulgehäuses 9 passt, verwendet werden. Dies ist unten in 5b gezeigt, wo Kühllamellen 11 unterschiedlicher Tiefen als beispielhafte Varianten von Wärmeübertragungsfluid-Kühllamellengrößen gezeigt sind. Beide Kühllamellengrößen ermöglichen die Integration verschiedener Modulgehäusegrößen. Einlass und Auslass der Wasserkühllamellen werden mit einem Sensor, z. B. durch eine Energiegewinnungsvorrichtung, auf Leckage überwacht. Eine thermische Schnittstelle zwischen Modulgehäuse 9 und Kühllamellen 11 (Wärmeübertragungsbereich zur thermischen Kopplung des Elektronikmoduls 9) kann eine Haftfluid (Öl) oder Magnetschichtbeschichtung zur besseren Kopplung verwenden.
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6a und 6b veranschaulichen eine Hauptschnittstellenplatine in einer Ausführungsform. 6a zeigt einen Vorderseitenverbinder (transparente Ansicht auf Vorderseitenverbinder, die eine Schnittstelle zu Modulaufbauten bilden) und 6b zeigt eine Rückseitenansicht mit Dämpfungselementen 16 zum Mainframe-Aufbau. 6b zeigt ferner Verbinder 17 an ein Kommunikationsnetzwerk (z. B. Ethernet, PCIe (Peripheral Component Interconnect Express)).
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7 stellt Elektronikmodule dar, die in einer Ausführungsform mit einer Mainframe-Schnittstelle verbunden sind. 7 zeigt eine beispielhafte Konfiguration von drei Modulen 18, 19, 20, die jeweils zwischen Kühllamellen, die mit der Mainframe-Schnittstellenplatine 15 verbunden sind, in einer parallelen Konfiguration eingeschlossen sind. Die drei Beispielmodule sind ein Leistungsmodul (-tasche 18, eine HauptplatinenModul 19 und ein Rechenerweiterungs-Modul 20, respektive Modultaschen oder Taschenmodule. Wie ferner durch 7 veranschaulicht, kann ein Elektronikmodul einen vorderseitigen Verbinder/Anschluss 21 aufweisen, um mit weiteren Komponenten verbunden zu werden. Diese Ausführungsform zeigt, dass der Hohlraum, der durch die Lamellen 11 gebildet wird, konfiguriert werden kann, um es dem Elektronikmodul zu ermöglichen, unter Verwendung eines vorderseitigen Verbinders 21 des Elektronikmoduls mit einer anderen Komponente verbunden zu werden. Der vorderseitige Verbinder 21 kann auf einer gegenüberliegenden Seite der Mainframe-Schnittstelle eines Gehäuses des Elektronikmoduls angeordnet sein.
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8 zeigt eine weitere Verbindung zwischen Elektronikmodulen und einer Mainframe-Schnittstelle in einer Ausführungsform. In dieser Ausführungsform weist das Leistungsmodul 18 einen vorderseitigen Verbinder 21 zu dem Computer-Mainframe (stoß-und schwingungsisoliert) auf, der mit der Fahrzeugleistung verbunden ist.
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9a und 9b veranschaulichen einen Aufbau von drei Taschenmodulen in einem Mainframe in einer Ausführungsform. 9a, 9b stellen einen Mainframe mit zwei oder mehr Taschenmodulen gemäß dem Vorstehenden dar. 9a zeigt eine Frontabdeckung des Computer-Mainframes mit Öffnungen oder Adaptern (abhängig von der Länge des Elektronikmoduls innerhalb einer Modultasche) zu einem Elektronikmodul- Verbinder.
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9b zeigt eine Seitenansicht der Frontabdeckung mit Vibrations- und Stoßisolierung 27 durch elastomere Dämpfungsschichten, die auch luftblasenbasierte Dämpfungselemente einschließen könnten. Darüber hinaus gibt es eine Schicht aus elektrisch leitfähigen Silikonelastomeren 28, die eine Abschirmung gegen elektromagnetische Störungen (EMI) und Hochfrequenzstörungen (RFI) bereitstellen.
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10 stellt eine Mainframe-Schnittstelle in einem Aufbau von drei Taschenmodulen in einem Mainframe in einer Ausführungsform dar. 10 zeigt eine rückseitige Abdeckung des Computer-Mainframes mit Öffnungen oder Adaptern (abhängig von der Länge des Elektronikmoduls innerhalb einer Modultasche) zu Elektronikmodulverbindern.
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11a und 11b zeigen eine rückseitige Abdeckung eines Mainframes in einer Ausführungsform. 11a zeigt eine Seitenansicht einer rückseitigen Abdeckung und 11b zeigt eine Seitenansicht einer rückseitigen Abdeckung mit einer Schicht Vibrations- und Stoßisolierung 27 durch elastomere Dämpfungsschichten, die auch luftblasenbasierte Dämpfungselemente einschließen könnten, und einer Schicht elektrisch leitfähigen Silikonelastomeren 28, die eine Abschirmung gegen elektromagnetische Störung (EMI) und Hochfrequenzstörung (RFI) bereitstellen. Der Mainframe ist konfiguriert, um das Taschenmodul vor elektromagnetischer Strahlung abzuschirmen.
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12 stellt weitere Details auf einer rückseitigen Abdeckung eines Mainframes in einer Ausführungsform dar. 12 zeigt eine beispielhafte Konfiguration von drei Modulen, die zwischen Kühllamellen eingeschlossen sind, die mit der Mainframe-Schnittstellenplatine ohne rückseitige Abdeckung und transparente Schnittstellenplatine 15 verbunden sind. Zur mechanischen Entkopplung des Mainframes dienen Stoß-/Schwingungsdämpfungselemente. Der Mainframe ist konfiguriert, um mechanische Beanspruchung von den zwei oder mehr Taschenmodulen zu absorbieren. Beispielhafte Ethernet-Verbinder 17 sind ferner auf der Rückseite gezeigt.
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13 veranschaulicht weitere Details auf einer rückseitigen Abdeckung eines Mainframes in einer Ausführungsform. In dieser Figur ist die rückseitige Abdeckung 31 des Computer-Mainframes transparent. Man erkennt, wie die rückseitige Abdeckung 31 die Rückseiten der Kühllamellen 11 abdeckt, aber deren Kühlverbinder.
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14 stellt einen Wärmeübertragungsfluid-Anschlussblock auf einer Rückseite eines Mainframes in einer Ausführungsform dar. 14 zeigt eine weitere beispielhafte Konfiguration von drei Modulen, die zwischen Kühllamellen, die mit der Mainframe-Schnittstellenplatine mit einer rückseitigen Abdeckung verbunden sind, eingeschlossen sind 31. Eine Wärmeübertragungsfluid-Verbindungsblock 35 bietet einen robusten Schutz von Taschenmoduleinlässen/ -auslässen.
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15a und 15b zeigen Frontansichtskonfigurationen eines Mainframes in Ausführungsformen. Wie zu erkennen ist, können mehrere Frontverbinder in Ausführungsformen variieren, beispielsweise mit unterschiedlichen Modulkombinationen, wie nachfolgend näher erläutert wird.
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16 veranschaulicht eine alternative Konfiguration von drei Taschenmodulen in einem Mainframe in einer anderen Ausführungsform. In dieser Ausführungsform sind die Elektronikmodule 26 im Gegensatz zu den parallelen Konfigurationen 25, die in den vorhergehenden Figuren gezeigt sind, gestapelt. 16 veranschaulicht, dass der Mainframe in Ausführungsformen unterschiedliche Geometrien verwenden kann.
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17 stellt weitere Details zur alternativen Konfiguration von drei Taschenmodulen in einem Mainframe in einer anderen Ausführungsform dar. Wie gezeigt, sind unterschiedliche Modul- und damit Frontverbinderkonfigurationen denkbar.
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18 zeigt verschiedene Taschenmodulkonfigurationen in Ausführungsformen. Beispielsweise kann, wie links oben gezeigt, durch die Kühllamellen eine Leistungsmodultasche 18 (Leistungstaschenmodul) gebildet werden. Ein Leistungsmodul 21 kann einen vorderseitigen Verbinder 21 zum Computer-Mainframe (stoß-/schwingungsisoliert) aufweisen, der mit der Fahrzeugleistung verbunden ist. 18 zeigt ferner rechts oben eine Hauptplatinenmodul- (für ein Betriebssystem) Tasche 19. Andere Module sind eine universelle Mehrzweck-Hardwareerweiterungs-Modultasche/Taschenmodul 20, eine Onboard-Connectivity-Unit-Modultasche (OCU-Modultasche/Taschenmodul) 22 mit einem separaten Stromverbinder für immer in Betrieb befindliche oder alternative Leistungsdomänen für Niedrigleistungsmerkmale, eine universelle Schnittstellenerweiterungs-Modultasche 23. Beide von ihnen weisen Kommunikationsschnittstellenverbinder/-anschlüsse 1a auf, die modernen Kommunikationsschnittstellen und neuen Sensortypen eine einfache Upgrade-Option bieten können, auch wenn die Kabelbaumplattform-Infrastruktur bereits fixiert ist. 18 veranschaulicht ferner Modultasche/Taschenmodul 24 für künstliche Intelligenz unten, die auch Kommunikationsschnittstellenverbinder 1a aufweist, zum Beispiel mit einer Option für faseroptische Schnittstellen (Datenkommunikation mit ultrahoher Bandbreite zwischen Sensoren und Datenfusionsverarbeitung).
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19 veranschaulicht verschiedene Taschenmodultypen in Ausführungsformen. Eine/Ein Leistungsmodultasche/Leistungstaschenmodul 18 ist oben gezeigt. Das Leistungsmodul weist einen vorderseitigen Verbinder 21 zum Computer-Mainframe (stoß-/schwingungsisoliert) auf, der mit der Fahrzeugleistung verbunden ist. Eine/Ein Hauptplatinenmodultasche/Hauptplatinen-Taschenmodul 19 ist unten gezeigt, die zum Ausführen eines Betriebssystems verwendet werden kann.
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20 stellt weitere Taschenmodultypen in Ausführungsformen dar. Links ist eine universelle Hardwareerweiterungs-Modultasche/Taschenmodul 20 gezeigt. In der Mitte ist ein OCU-Modul 22 mit einem Vorderseitenverbinder/-anschluss 21 dargestellt. Eine universelle Schnittstellenerweiterungs-Modultasche/Taschenmodul 23 ist rechts gezeigt, die ebenfalls einen Kommunikationsschnittstellenverbinder 1a aufweist. Letzterer kann modernen Kommunikationsschnittstellen und neuen Sensortypen eine einfache Upgrade-Option bieten, auch wenn die Kabelbauminfrastruktur bereits fixiert ist.
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21 zeigt eine andere Ausführungsform eines Taschenmoduls, das in dieser Ausführungsform ein Modul für künstliche Intelligenz (AI) mit einem Kommunikationsschnittstellenverbinder 1a ist. Der Kommunikationsschnittstellenverbinder 1a kann insbesondere eine Option für faseroptische Schnittstellen (Ultrahochbandbreiten-Datenkommunikation zwischen Sensoren und Datenfusionsverarbeitung) sein.
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22a und 22b veranschaulichen die Integration eines Taschenmoduls in einer Ausführungsform. 22a zeigt eine Vorderseitenansicht eines Taschenmoduls oder Modultasche, der in einen Mainframe-Steckplatz 29 integriert ist. Mainframe-Aufbaumerkmale sind ein einfacher und kostengünstiger Aufbau, eine integrierte EMI-Abschirmung 28, Stoß-/Schwingungsdämpfer 27, integrierte Schnittstellenplatine 15 und ein zentraler Wärmeübertragungsfluideinlass/-auslass, der die Kühllamelle 11 versorgt. 22b zeigt eine Vergrößerung der Vibrations-und Stoßisolation unter Verwendung von Luftblasen.
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23 stellt eine Vorderseite eines integrierten Taschenmoduls in einer Ausführungsform dar. 23 zeigt eine Vorderseitenansicht einer Modultasche/eines Taschenmoduls, der in einen Mainframe-Steckplatz 29 integriert ist. Links ist der Mainframe ohne Frontabdeckung dargestellt und die verschiedenen Frontverbinder sind zu erkennen.
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Eine andere Ausführungsform ist ein Fahrzeug mit einem Hauptrahmen bzw. Mainframe, wie hierin beschrieben.
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Bauarchitektur der zentralen Fahrzeugrecheneinheit (V-CCU oder CCU oder Hauptrahmen bzw. Mainframe), umfassend Leiterplatte und Elektronikmodulbauelemente :
- • (5) Leiterplatte mit speziellen Konstruktionsregeln und Formfaktorbereich [vgl. 3 und 4, einschließlich (2), (6), (7), (13a)]
- • (9) standardisierte Elektronikmodulgehäusefamilie (Formfaktorbereich) [vgl. 1 und 2, einschließlich der Elemente (1a), (1b) und (4)]
- • (10) standardisierte Modultaschen-/Taschenmodulfamilie (Formfaktorbereich) [vgl. 5, einschließlich der Elemente (9), (11), (13b) und (14)]
- • Computer-Mainframe (29) [vgl. 9 - 17, einschließlich Element (10) mit seinen Varianten (19), Elemente (Elemente 15, 16, 17 in 6), (Elemente 27, 28, 30 in 9), (Elemente 27, 28, 31 in 11) und Mainframe-Steckplatzkonstruktion einschließlich (Elemente 27, 28 in 22)
- • die CCU umfasst einen (29) Computer-Mainframe mit Integrationssteckplätzen für (10) Modultaschen/Taschenmodule;
- • die Mainframe-Form kann kundenspezifisch sein, beispielhafte Varianten sind (25) der parallele Typ und (26) der gestapelte Typ;
- • die Innenflächen der Steckplätze des Mainframes können mit (27) elastomeren Antistoß-/Vibrationsdämpfungsschichten und (28) elektrisch leitfähigen Silikonelastomeren zur EMI- (elektromagnetische Interferenz) Abschirmung oder einer Kombination von (27) und (28) beschichtet sein;
- • der Mainframe-Aufbau kann eine (15) Schnittstellenplatine einschließen, die über (16) Dämpfungselemente am Mainframe befestigt ist;
- • der Mainframe-Aufbau kann einen zentralen Wärmeübertragungsfluideinlass/- auslass einschließen, der das Fluid (11) Wärmeübertragungsfluid-Kühllamellen zuführt, die Teil von (10) sind;
- • um eine CCU zu vervollständigen, können mindestens eine (18) Leistungsmodultasche/ein Leistungstaschenmodul und eine (19) Hauptplatinenmodultasche/ein Hauptplatinen-Taschenmodul in (29) integriert sein; dies schließt die Variante einer Hauptplatinenmodultasche/eines Hauptplatinen-Taschenmoduls mit eingeschlossener Stromversorgung nicht aus;
- • die höchste Form der Abdeckung funktioneller Anforderungen durch dedizierte HW-Integration in die CCU kann durch zusätzliches Integrieren von (20) universellen HW-Erweiterungsmodultaschen/-taschenmodulen, einer/eines (22) OCU-Modultasche/-taschenmoduls, einer/eines (24) AI-Modultasche/- taschenmodul (AI = Artificial Intelligence) und (23) universeller Mehrzweck-Schnittstellenerweiterungs-Modultaschen/-taschenmodule (SAC, ZeCs) erreicht werden
- • Spezifische Merkmale dieser Taschenmodultypen sind in den Zeichnungen, insbesondere in 18 bis 21, veranschaulicht.
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Aufbau der Modultasche/des Taschenmoduls (10):
- • Jede Modultasche/jedes Taschenmodul, die einfach in den Computer-Mainframe eingesetzt/integriert werden kann, kann zwei Fluidkühllamellen (11) umfassen, die ein standardisiertes Elektronikmodulgehäuse (9) umschließen können.
- • Zusätzliche Aufbaumerkmale wie Fluidleckageüberwachung (13b) und Modul-Lamellenschnittstelle (14) der Modultasche sind in 5a, b veranschaulicht.
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Aufbau des standardisierten Elektronikmoduls (9):
- • Aufbaumerkmale (1c), die ein skalierbares Metallgehäuse (8), einen automobilkompatiblen Verbinder (4) mit der Mainframe-Schnittstellenplatine (15), optionale vorderseitige Schnittstellenverbinder (1a), optionale vorderseitige Leistungsverbinder (1b) des Elektronikmoduls umfassen, sind in 1 veranschaulicht.
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Konstruktionsprinzip der PCB/PCBA (5) innerhalb (9):
- • Aufbaumerkmale [(2) Spacerchips, (6) thermisches Schnittstellenmaterial, (7) geerdete Wärmeverteilungsschicht, (13a) mechanische Verformungsüberwachung und geometrische Anordnung solcher Merkmale] der (5) montierten Leiterplatte sind in 3 und 4 veranschaulicht. Die mechanische Verformung kann durch integrierte Sensoren überwacht werden.
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Ferner:
- • Die Konstruktion der (5) montierten Leiterplatte weist erfindungsgemäße vordefinierte Merkmale auf, die zur individuellen Konstruktion eines Elektronikmoduls beitragen und den Einsatz empfindlicher hochmoderner Komponenten ermöglichen (konforme Wärmeverteilung - Vermeidung rauher Wärmezyklen, verbesserte Erdung und EMI-Abschirmung, mechanische Stabilität und Entkopplung von (thermo-) mechanischen Kräften vom Gehäuse zu elektronischen Komponenten). Beispielsweise reduziert eine durch den Aufbau erzwungene konforme Wärmeverteilung thermisch induzierte mechanische Belastungsgradienten als Ursache für Risse, Delamination usw.
- • Das Elektronikmodul- und Taschenkonstruktionsprinzip ermöglicht eine maximale Dimensionierungsflexibilität bei standardisierten Modulgrößen.
- • Die Trennung von Kühllamellen, Elektronikmodulen und standardisierten Modulformen erlaubt den Kauf von verschiedenen Anbietern durch Beibehaltung der Kompatibilität
- • die Verbindung zwischen elektronischen Modulen kann über die Schnittstellenplatine hergestellt werden und dies vereinfacht die Skalierbarkeit, da die Stromversorgung in Abhängigkeit von der tatsächlich benötigten Leistung ausgetauscht werden kann (Hinzufügen einer redundanten Stromquelle möglich) - somit ist Kostenoptimierung von ein Vorteil.
- • Der Stoß-/Vibrationsschutzaufbau plus optimierte Kühlung und EMI-Abschirmung ermöglichen die Integration einmaliger Betriebsmerkmale (empfindliche hochmoderne Halbleiter, Glasfaserschnittstelle etc.) in Elektronikmodule.
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Ein Fahrzeug kann als eine Vorrichtung zum Transport von Personen und/oder Gütern verstanden werden, wie Personenkraftwagen, Lastkraftwagen, Busse, Züge, Schiffe, Drohnen, Flugzeuge, Raumfahrzeuge und dergleichen. Die vorliegende Erfindung wird vorzugsweise in einem Fahrzeug der Automobilindustrie, insbesondere einem Personenkraftwagen, einem Bus oder einem Lastkraftwagen, eingebaut, ist jedoch nicht auf diese Anwendungen beschränkt.
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Eine zentrale Fahrzeugrecheneinheit (Fahrzeug-CCU) kann als eine Vorrichtung verstanden werden, die zur Berechnung von Daten und/oder Informationen bezüglich eines Fahrzeugs verwendet wird. Die Fahrzeug-CCU kann an Bord des Fahrzeugs eingebaut sein. Teile der Fahrzeug-CCU können sich in einer nicht an Bord befindlichen Rechenvorrichtung befinden oder zumindest mit dieser interaktiv sein/interagieren, wie beispielsweise einem Cloud-Computing-System oder einer Cloud-Recheneinheit. Außerdem kann die Fahrzeug-CCU tragbar und austauschbar sein. Somit können die Fahrzeug-CCU oder ihre Taschenmodule während/bei der Wartung des Rechensystems des Fahrzeug ausgetauscht werden.
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Die vorliegende Erfindung stellt eine Lösung für eine zentrale Recheneinheit bereit. Der vorgeschlagene Aufbau und die Integration einer solchen Einheit kann eine Vielzahl von einzelnen Steuereinheiten in einem Fahrzeug ersetzen. Die Lösung kann in hochintegrierten elektronischen Systemen implementiert werden, insbesondere in Bezug auf sicherheitssensible Anwendungen. Insbesondere kann die bereitgestellte Lösung für Anwendungen von Produkten mit hoher Lebensdauer verwendbar sein, die eine hohe Umweltbelastung aufweisen können. Diese Anwendungen können in der Automobilindustrie, in der Luft-und Raumfahrtindustrie sowie in Schiffs-und Zugfahrzeugen zu finden sein.
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Darüber hinaus beziehen sich die vorliegende Erfindung und beispielhafte Ausführungen davon auf die Bauarchitektur einer zentralen Fahrzeugrecheneinheit (V-CCU), die Implementierungslösungen für Herausforderungen im Bereich Komplexitätsmanagement, Skalierbarkeit, Aufrüstbarkeit, leichte Austauschbarkeit, optimiertes Leistungs- und Wärmemanagement, EMI-Problemvermeidung/-reduzierung und insbesondere Sicherheits-/Zuverlässigkeitsermöglichung für aktuelle und zukünftige hochmoderne Elektronik bereitstellt.
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Obwohl vorstehend mehrere beispielhafte Ausführungen der vorliegenden Erfindung beschrieben wurden, ist darauf hinzuweisen, dass eine Vielzahl von Variationen davon existiert. Ferner versteht es sich, dass die beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen nur nicht einschränkende Beispiele dafür veranschaulichen, wie die vorliegende Erfindung implementiert werden kann, und dass nicht beabsichtigt ist, den Schutzumfang, die Anwendung oder die Konfiguration der hierin beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren einzuschränken. Vielmehr stellt die vorhergehende Beschreibung dem Fachmann Aufbauten zur Implementierung mindestens einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung bereit, wobei es sich versteht, dass verschiedene Änderungen der Funktionalität und der Anordnung der Elemente der beispielhaften Ausführungsform vorgenommen werden können, ohne von dem durch die beigefügten Ansprüche und deren gesetzlichen Äquivalenten definierten Gegenstand abzuweichen.
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Bezugszeichenliste
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- (1a)
- Kommunikationsschnittstellenverbinder
- (1b)
- Leistungsverbinder
- (1c)
- variable Modulgröße
- (2)
- Abstandselement, beispielsweise Abstandswürfel, Spacerchip, vorzugsweise geerdetes Abstandselement
- (3)
- elektronische Komponente, beispielsweise ein Halbleiter
- (4)
- Modulverbinder zur Schnittstellenplatine des Computer-Mainframes
- (5)
- Leiterplatte/PCB/PCBA
- (6)
- TIM (thermisches Schnittstellenmaterial), das als Wärmeleitelement verwendet wird
- (7)
- TDL (Wärmeverteilungsschicht), vorzugsweise elektrisch geerdet, als Wärmeleitelement verwendete
- (8)
- Modulgehäuse, vorzugsweise aus Metall
- (9)
- Elektronikmodul, vorzugsweise standardisiertes Elektronikmodul
- (10)
- Modultasche/Taschenmodul
- (11)
- Kühllamelle
- (12)
- Fluidschnittstelle (Einlass und/oder Auslass) zum Kühlen durch Fluid, siehe zum Beispiel 5a
- (13a)
- eingebetteter Sensor, geeignet für Energiegewinnungsvorrichtung, mechanische Verformung und/oder Temperatur
- (13b)
- Feuchtigkeitssensor zum Erfassen von Feuchtigkeit (Feuchtigkeitsdetektor)
- (14)
- Haftfluid (Öl) oder Magnetschichtbeschichtung
- (15)
- Schnittstellenplatine
- (16)
- Stoß-/Schwingungsdämpfungselement
- (17)
- Verbinder zu einem Kommunikationsnetz
- (18)
- Leistungsmodultasche/-taschenmodul
- (19)
- Hauptplatinen-Modultasche/-taschenmodul
- (20)
- universelle HW-Erweiterungs-Modultasche/-taschenmodul
- (21)
- vorderseitiger Verbinder an den Computer-Mainframe
- (22)
- Onboard-Konnektivitäts-Modultasche/-taschenmodul
- (23)
- universelle Schnittstellenerweiterungs-Modultasche/-taschenmodul, zum Beispiel SAC oder ZeC genannt
- (24)
- AI-Modultasche/-taschenmodul
- (25)
- parallele Version des Computer-Mainframes (29)
- (26)
- gestapelte Version des Computer-Mainframes (29)
- (27)
- mechanisches Dämpfungselement, zum Beispiel Elastomermaterial, zwecks Schwingungs- und Stoßisolation durch zum Beispiel elastomere Dämpfungsschichten - optional könnte das mechanische Dämpfungselement eine Luftblasenstruktur einschließen
- (28)
- elektrisches Abschirmelement, zum Beispiel elektrisch leitfähige Silikonelastomere, die eine Abschirmung gegen elektromagnetische Störungen (EMI) und Hochfrequenzstörungen (RFI) bereitstellen
- (29)
- Computer-Mainframe
- (30)
- Frontabdeckung eines Computer-Mainframes
- (31)
- rückseitige Abdeckung eines Computer-Mainframes
- (32)
- Wärmeübertragungsstrom, siehe zum Beispiel 3c
- (33)
- Wärmeübertragung durch Strahlung, siehe zum Beispiel 3c
- (34)
- Wärmeübertragung durch Ableitung, siehe zum Beispiel 3c
- (35)
- Wärmeübertragungsfluideinlass/-auslass am zentralen Mainframe, Wärmeübertragungsfluid-Verbinderblock (robuster Schutz von Taschenmoduleinlässen/-auslässen)
