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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kühlsystem für LIDAR-Sensoren im Fahrzeug.
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In neueren Fahrzeugen sind Systeme zur Detektion eines Abstands zwischen einem Fahrzeug und einem Objekt oder zur Detektion einer Geschwindigkeit von Objekten mittlerweile Standard. Weit verbreitet sind RADAR-Systeme, wobei auch LIDAR-Systeme - auch in Kombination mit RADAR- und Kamera-Systemen - immer mehr in den Fokus rücken.
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LIDAR-Systeme werden zukünftig ein essentieller Bestandteil, um Fahrzeuge autonom fahren lassen zu können. Allerdings sind immer noch viele Herausforderungen zu meistern. Beispielsweise ist insbesondere im PKW-Bereich aufgrund der geringen Verfügbarkeit an Bauraum eine Vorgabe, dass der Sensor möglichst klein sein muss. Dies führt dazu, dass das Wärmemanagement entsprechend ausgelegt werden muss, was meistens geschieht, indem erst bei Erreichen einer Mindestgeschwindigkeit des Fahrzeugs die volle Funktionalität des LIDAR-Systems zur Verfügung steht, da dann genügend Luftstrom zum Kühlen des Sensors vorhanden ist.
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Deshalb ist es eine Aufgabe dieser Erfindung, ein Kühlsystem für LIDAR-Sensoren im Fahrzeug bereitzustellen, durch welches eine verbesserte Kühlung des LIDAR-Sensors bereitgestellt wird. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Vorgeschlagen wird ein Kühlsystem für LIDAR-Sensoren im Fahrzeug, aufweisend ein Gehäuse, das zur Aufnahme eines LIDAR-Sensors mit vorgegebenen Abmessungen sowie eines Lüfters gebildet ist. Vorderwand, Rückwand, Seitenwände, Deckel und Boden des Gehäuses sind derart gebildet, dass ein durch den Lüfter erzeugter Luftstrom eine vom LIDAR-Sensor erzeugte Wärme nach außerhalb des Gehäuses abführen kann. Hierfür ist die Rückwand des Gehäuses derart gebildet, dass der Lüfter derart daran anbringbar oder darin aufnehmbar ist, dass ein Luftaustausch zwischen einem Inneren und einem Äußeren des Gehäuses ermöglicht wird. Die Vorderwand des Gehäuses ist derart offen gebildet, dass ein Sicht-Bereich des LIDAR-Sensors nach Einbringen nach außerhalb des Gehäuses weist. Außerdem sind die Abmessungen des Gehäuses im Vergleich zum darin einzubringenden LIDAR-Sensor derart größer, dass ein Luftschlitz zwischen LIDAR-Sensor und mindestens einer der Seitenwände und/oder dem Deckel und/oder der Rückwand des Gehäuses nach Einbringen des LIDAR-Sensors in das Gehäuse vorhanden ist.
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Durch Bereitstellen eines separaten Gehäuses, das eine aktive Kühlung des LIDAR-Sensors ermöglicht, kann dieser auch in Situationen mit voller Funktionalität betrieben werden, in denen dies bisher nicht möglich war, z.B. im Stillstand oder beim langsamen Fahren des Fahrzeugs. Da das Gehäuse als Anbauteil gebildet ist, muss auch kein Eingriff in den LIDAR-Sensor oder dessen Gehäuse erfolgen.
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In einer Ausführung wird eine Breite des Luftschlitzes in Abhängigkeit von vorgegebenen Einflussfaktoren, umfassend mindestens eines aus dem einzubringenden LIDAR-Sensor, der Einbausituation und dem Einbauort im Fahrzeug, dem anzubringenden Lüfter, mittels Simulation bestimmt. Das Gehäuse kann also auf jeden LIDAR-Sensor und jede Anwendung individuell abgestimmt und damit optimal in seinen Abmessungen, d.h. möglichst klein, ausgelegt werden.
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In einer Ausführung weist das Kühlsystem ferner einen elektrisch betriebenen Lüfter auf. Der Lüfter kann als Anbauteil an dem Gehäuse angeordnet werden, d.h. auch ersetzt werden, z.B. wegen eines Defekts oder um einen Lüfter mit anderer Leistung zu verbauen.
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In einer Ausführung weist mindestens eine der Seitenwände und/oder der Deckel Ausnehmungen zur Aufnahme von zum LIDAR-Sensor zuzuführenden oder davon nach außen abzuführenden Komponenten auf.
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In einer Ausführung sind an einem Innenbereich der Seitenwände und/oder dem Boden und/oder dem Deckel des Gehäuses Luft führende Strukturen vorgesehen. Diese sind derart gebildet und angeordnet, dass ein vorgegebener Luftstrom zum Lüfter geführt wird. Zusätzlich im Luftschlitz angeordnete Strukturen können die Führung des Luftstroms optimieren, so dass eine noch bessere Wärmeabfuhr ermöglicht wird. Vorteilhaft sind die Luft führenden Strukturen als senkrecht von der Gehäuseinnenseite abstehende oder dazu parallele Platten, oder als Strukturen zur Bildung von Verwirbelungen gebildet.
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In einer Ausführung weist das Kühlsystem einen LIDAR-Sensor mit zugehörigem LIDAR-Gehäuse auf, sowie an dem LIDAR-Gehäuse angeordnete und damit thermisch gekoppelte Heat-Pipes, die zur Kühlung einer von dem LIDAR-Sensor ausgestrahlten Wärme dienen. In einer alternativen Ausführung weist das Kühlsystem einen LIDAR-Sensor mit zugehörigem LIDAR-Gehäuse auf, sowie an dem LIDAR-Gehäuse angeordnete, als Einzelrippen oder Rippenstruktur gebildete Rippen, die derart gebildet sind, dass sie zur Kühlung einer von dem LIDAR-Sensor ausgestrahlten Wärme dienen. Vorteilhaft ist ferner ein mit den Heat-Pipes verbundener und an den Heat-Pipes oder in einem Abstand davon angeordneter Lüfter zur Wärmeabfuhr vorgesehen. Alternativ ist ein an den Rippen oder in einem Abstand davon angeordneter Lüfter zur Wärmeabfuhr vorgesehen. Eine alternative Ausführung zu der Ausführung mit einem separaten Gehäuse als Anbauteil ist, Strukturen vorzusehen, die am LIDAR-Sensor, genauer dessen sowieso vorhandenem Gehäuse, angeordnet werden, um Wärme abzuführen. Somit kann ein separates Gehäuse gespart werden.
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Ferner wird eine Verwendung eines Kühlsystems in einem Fahrzeug vorgeschlagen. In einer Ausführung ist das Fahrzeug ein autonom fahrendes Fahrzeug zur Personenbeförderung.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungsgemäße Einzelheiten zeigt, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.
- 1 zeigt eine schematische Draufsicht auf ein Gehäuse eines Kühlsystems gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
- 2 zeigt eine Schnittdarstellung der in 1 gezeigten schematischen Draufsicht auf ein Kühlsystem mit eingebautem Lüfter und LIDAR-Sensor gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
- 3 und 4 zeigen schematische Außenansichten von verschiedenen Seiten eines Kühlsystems gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
- 5 zeigt eine schematische Ansicht eines Kühlsystems mit eingebautem Lüfter und LIDAR-Sensor gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
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In den nachfolgenden Figurenbeschreibungen sind gleiche Elemente bzw. Funktionen mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Wie bereits erwähnt, ist eine Hauptanforderung an LIDAR-Sensoren 3 (LIDAR=Light detection and ranging) für die Verwendung im Fahrzeugbereich, insbesondere im PKW-Bereich, dass sie so klein bzw. so kompakt wie möglich sind. Dies kommt unter anderem daher, dass immer weniger Bauraum in PKWs zur Verfügung steht, da immer mehr Komponenten wie Sensoren, Kabel und andere Funktionen dort verbaut werden. Je höher der Automatisierungsgrad des Fahrzeugs ist, desto mehr tritt dieses Problem des Platzmangels auf.
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Da LIDAR-Sensoren 3 aber wie viele andere Sensoren, wärmeempfindlich sind und deshalb nicht überhitzen dürfen, ist bereits sensorintern ein Wärmemanagementsystem vorgesehen, um eine Überhitzung zu vermeiden. Aufgrund der Anforderung an möglichst kleine Abmessungen des LIDAR-Sensors 3 ist es aber möglich, dass dieses Wärmemanagement nicht in der Lage ist, die vom LIDAR-Sensor 3 erzeugte Wärme in geeignetem Maße abzuführen. Um eine Überhitzung des LIDAR-Sensors 3 zu vermeiden, ist es dann nötig, die volle Funktionalität des LIDAR-Sensors 3 erst ab einer vorgegebenen Mindestgeschwindigkeit des Fahrzeugs, z.B. mehr als 30 km/h, freizugeben. Eine reduzierte Funktionalität kann z.B. sein, dass der LIDAR-Sensor 3 mit reduzierter Laserenergie arbeitet, um die Eigenerwärmung des Systems zu reduzieren, wenn der aufgrund der Fahrgeschwindigkeit erzeugte und auf den LIDAR-Sensor 3 auftreffende Luftstrom nicht für die Kühlung des LIDAR-Sensors 3 ausreicht.
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Nachteilig ist, dass durch diese Einschränkung auch eine Einschränkung der Nutzung von LIDAR-Sensoren 3 einhergeht. Beispielsweise ist ein innerstädtisches Fahren mit voller LIDAR-Funktionalität bisher nicht möglich. Auch ist eine Anwendung z.B. bei autonom fahrenden Personentransportfahrzeugen, auch als Shuttle bezeichnet, unter den genannten Voraussetzungen nicht möglich, da diese in der Regel mit einer Geschwindigkeit fahren, die unterhalb der Mindestgeschwindigkeit liegt, die zum Kühlen nötig ist, damit die volle LIDAR-Funktionalität bereitgestellt werden kann.
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Auch aus diesem Grund werden nachfolgend mehrere Optionen zur Kühlung eines LIDAR-Sensors 3 bereitgestellt, durch die auch eine volle Nutzung der LIDAR-Funktionalität bei sehr geringen Geschwindigkeiten oder im Stand möglich ist, und bei der möglichst wenig in die bestehende Fahrzeugarchitektur eingegriffen wird.
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In einer in den 1 bis 5 gezeigten, ersten und bevorzugten Ausführung, wird ein Kühlsystem vorgeschlagen, das als Anbausystem an einen LIDAR-Sensor 3 verwendet werden kann. Dies hat den Vorteil, dass somit ein LIDAR-Sensor 3 als Gesamtpaket zugekauft werden kann (auch mit eigenem Wärmemanagement) und nicht in dessen Architektur eingegriffen werden muss. Auch muss das in der Regel hermetisch verschlossene LIDAR-Gehäuse nicht geöffnet werden.
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In dieser Ausführung ist das Kühlsystem als ein Gehäuse 1 gebildet, in das ein LIDAR-Sensor 3 eingebracht werden kann. Die Abmessungen des Gehäuses 1 werden dabei auf den LIDAR-Sensor 3 und die benötigte Kühlleistung abgestimmt. Die benötigte Kühlleistung wird abhängig von der Einbausituation und dem Einbauort am Fahrzeug, sowie der Anwendung, also z.B. an welcher Fahrzeugart und an welchem Ort des Fahrzeugs der LIDAR-Sensor 3 verbaut werden soll, vorab ermittelt, z.B. mittels Simulation, und festgelegt. Nachfolgend werden die Voraussetzungen zur Bestimmung der Abmessungen des Gehäuses 1 erläutert.
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Eine Vorderwand des Gehäuses 1 ist derart gebildet, dass ein Sichtbereich 31 des LIDAR-Sensors 3 nach außerhalb des Gehäuses 1 weist, also nicht von einer Gehäusewand über- oder abgedeckt ist, wie in 3 gut zu sehen. Der LIDAR-Sensor 3 ist vorteilhaft bündig oder leicht aus der Vorderwand hervorstehend in das Gehäuse 1 eingebracht. Der Boden (die Unterseite) des Gehäuses 1 kann im Vergleich zum Deckel (der Oberseite) aus diversen Gründen (Stabilität, Befestigung, Form des LIDAR-Sensors...) hervorstehen, wie in der Draufsicht auf die Oberseite in 1 gut zu sehen.
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Ferner ist eine Rückwand des Gehäuses 1 derart gebildet, dass ein Lüfter 2 darin oder daran angeordnet werden kann, wie in 4 gut zu sehen. Diese Rückwand kann der oben beschriebenen Vorderwand mit dem Sichtbereich 31 gegenüberliegen, so dass ein auf den LIDAR-Sensor 3 von seiner Vorderseite auftreffender Luftstrom direkt in Richtung Lüfter 2 zur Wärmeabfuhr geführt wird. Der Lüfter 2 kann aber auch an einer der Seitenwände 10, 11 oder dem Deckel vorgesehen sein, wenn es die Einbausituation nötig macht.
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Der Lüfter 2 ist vorteilhaft elektrisch betrieben und derart angeordnet, dass er die durch den LIDAR-Sensor 3 erwärmte Luft aus dem Gehäuse 1 herauszieht, wie schematisch in 1, 2 und 5 durch den großen Pfeil nach dem Lüfter 2 und in 5 zusätzlich durch die Pfeile im Bereich der Luftschlitze 100 dargestellt. Außerdem kann der Lüfter 2 z.B. durch ein Steuergerät ansteuerbar sein, welches basierend auf empfangenen Temperaturwerten des LIDAR-Sensors 3 entsprechende Regelsignale zur Regelung der Drehzahl des Lüfters 2 an diesen ausgibt. Alternativ kann der Lüfter 2 selbst mit einem entsprechenden System ausgestattet sein, das eine Regelung seiner Drehzahl möglich macht. Hierfür kann er mit dem LIDAR-Sensor 3 in Kommunikationsverbindung stehen, um Temperaturwerte zu erhalten, auf denen die Regelung basiert. Alternativ kann auch ein externer Temperatursensor vorhanden sein, über den eine Erfassung der Temperatur des LIDAR-Sensors 3 möglich ist. Die Regelung des Lüfters 2 kann dann über ein lüftereigenes oder ein im Fahrzeug vorhandenes Steuergerät erfolgen.
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Vorteilhaft ist zwischen den Gehäusewänden (Seitenwänden10, 11, Rückwand mit Lüfter 2, Boden, Deckel) und LIDAR-Sensor 3 ein Abstand vorgesehen, nachfolgend auch als Luftschlitz 100 bezeichnet und in 1 und 5 schematisch dargestellt.
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Um die Geschwindigkeit und das auszutauschende Luftvolumen pro Zeiteinheit, z.B. pro Stunde, auf den Bedarf einer speziellen Anwendung zu optimieren, wird die Breite jedes Luftschlitzes 100 zwischen LIDAR-Sensor 3 und Gehäuse 1 bei der Auslegung des Gehäuses 1 bestimmt und ist von vielen Einflussfaktoren abhängig. Dasselbe trifft auf die Dimensionierung des Lüfters 2 zu, also insbesondere dessen Größe, Leistung und mögliche Drehzahl.
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Eine Abhängigkeit besteht dabei von der Einbausituation des Systems. Wenn z.B. ein großes Umgebungsvolumen vorhanden ist, wird die Umgebungsluft nicht so schnell erwärmt, so dass es möglich ist, eine kleinere Breite des Luftschlitzes 100 zu wählen und somit Bauraum einzusparen. Auch kann durch eine entsprechende Kombination aus Breite des Luftschlitzes 100 und maximaler Leistung/Drehzahl des Lüfters 2 ein geringerer Bauraum aufgrund der möglichen, geringeren Abmessungen des Gehäuses 1 ermöglicht werden.
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Um eine verbesserte Führung des Luftstroms innerhalb des Gehäuses, also im Bereich der Luftschlitze 100 (zwischen Gehäusewänden und LIDAR-Sensor 3) zu erreichen, können entsprechende (nicht gezeigte) Strukturen am LIDAR-Sensor 3 (genauer dessen Gehäuse) und/oder am Innenbereich des Gehäuses 1 vorgesehen sein. Diese können plattenförmig bzw. lamellenartig sein und sind vorteilhaft so geformt und/oder angeordnet, dass der Luftstrom noch besser in Richtung des Lüfters 2 geführt wird als durch das Gehäuse 1 alleine. Die Strukturen können aber auch eine andere Form aufweisen, um z.B. Verwirbelungen zur Verstärkung der Kühlung zu erzeugen. Die benötigte Form und Art der Anbringung hängt wiederum von der Einbausituation, der benötigten Kühlleistung, dem verwendeten Lüfter 2 etc. ab und kann mittels Simulationen vorab bestimmt werden.
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Grundsätzlich ist die Auslegung des Gehäuses 1 sowie die Dimensionierung des Lüfters 2 und gegebenenfalls die Auslegung von zusätzlichen Kühlstrukturen also abhängig von dem einzubauenden LIDAR-Sensor 3 sowie der Anwendung, d.h. auch der Einbausituation und dem Einbauort und wird vorteilhaft mittels einer (Strömungs-) Simulation am Computer vorab bestimmt.
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Die in 3 und 4 gezeigten Öffnungen in den Seitenflächen 10 und 11 sind in einer Ausführung vorgesehen, um Komponenten wie Leitungen, Kabel, Buchsen etc. zu dem LIDAR-Sensor 3 zu führen (bzw. davon weg zu führen), um diesen z.B. mit Strom zu versorgen und um eine Datenverbindung herzustellen. Auch können Ausnehmungen (in den Figuren als Löcher dargestellt) in den Seitenwänden 10, 11 und dem Boden und/oder dem Deckel des Gehäuses 1 vorgesehen sein, um eine Verbindung zum Sensor bereitzustellen, aber auch, um eine Zuführung (und Abführung) von Luft zu gewährleisten.
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Durch das vorgeschlagene aktive Kühlsystem für LIDAR-Sensoren 3 im Fahrzeug kann jederzeit ein den LIDAR-Sensor 3 umgebender Luftstrom erzeugt werden, der mit dem natürlichen Luftstrom vergleichbar ist, der beim Fahren mit einer Geschwindigkeit auftritt, die oberhalb der benötigten Minimalgeschwindigkeit liegt. Somit kann eine Kühlung des LIDAR-Sensors 3 erfolgen und dieser in einem breiteren Spektrum an Fahrsituationen betrieben werden als bisher. Somit kann die volle Funktionalität des LIDAR-Sensors 3 auch bei sehr langsamem Fahren und im Stillstand bereitgestellt werden, ohne dass der LIDAR-Sensor 3 überhitzt.
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Außerdem ermöglicht die vorgeschlagene aktive Kühlung des LIDAR-Sensors 3, die bisherigen Abmessungen des LIDAR-Systems im Wesentlichen beizubehalten, d.h. es verbraucht nur geringfügig mehr Platz und ermöglicht eine deutlich verbesserte Leistung des LIDAR-Sensors 3. Vorteilhaft kann das Kühlsystem für einen Betrieb von autonom fahrenden Personenbeförderungsmitteln, sogenannten Shuttles, eingesetzt werden, da diese in der Regel sehr langsam fahren, d.h. deutlich unter der heute benötigten Mindestgeschwindigkeit bleiben, um die volle Funktionsfähigkeit des LIDAR-Sensors 3 zu nutzen. Es kann aber auch bei herkömmlichen Fahrzeugen wie PKWs oder LKWs oder Bussen eingesetzt werden, wenn in diesen eine LIDAR-Technologie verbaut ist, da auch hier ein Nutzen durch eine Verwendung der vollen Funktionalität des LIDAR-Sensors 3 im Stand und bei geringen Geschwindigkeiten gegeben ist.
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In einer nicht gezeigten, alternativen Ausführung ist das Kühlsystem nicht als separates Gehäuse 1 zum Anbau an den LIDAR-Sensor 3 gebildet. Vielmehr sind an dem (in der Regel hermetisch abgeschlossenen) Gehäuse des LIDAR-Sensors 3 damit thermisch gekoppelte Heat-Pipes angeordnet, die zur Kühlung einer von dem LIDAR-Sensor ausgestrahlten Wärme dienen. Auch in dieser Ausführung kann ein Lüfter 2 vorgesehen sein, um eine schnellere Kühlung des LIDAR-Sensors 3 zu ermöglichen. Dieser Lüfter 2 kann ein mit den Heat-Pipes verbundener und an den Heat-Pipes oder in einem Abstand davon angeordneter Lüfter 2 sein. Der Lüfter 2 muss also nicht direkt an den Heat-Pipes vorgesehen sein. Beispielsweise kann auch ein bereits im Fahrzeug verbauter Lüfter, z.B. ein Motorlüfter, verwendet werden, wenn die Heat-Pipes dorthin geführt werden.
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In einer weiteren, nicht gezeigten, alternativen Ausführung ist das Kühlsystem ebenfalls nicht als separates Gehäuse 1 zum Anbau an den LIDAR-Sensor 3 gebildet. Vielmehr sind Rippen als Einzelrippen oder Rippenstruktur vorgesehen, die an dem (in der Regel hermetisch abgeschlossenen) Gehäuse des LIDAR-Sensors 3 angeordnet sind und derart gebildet sind, dass sie zur Kühlung der von dem LIDAR-Sensor 3 ausgestrahlten Wärme dienen. Auch in dieser Ausführung kann ein Lüfter 2 vorgesehen sein, um eine schnellere Wärmeabfuhr bereitzustellen. In diesem Fall ist es sinnvoll, den Lüfter 2 nahe an den Rippen anzuordnen. Auch hier kann ein bereits im Fahrzeug vorhandener Lüfter 2 verwendet werden.
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Alle vorgeschlagenen Ausführungen dienen zur Verwendung in Fahrzeugen. Vorteilhaft erfolgt eine Verwendung in einem autonom fahrenden Fahrzeug zur Personenbeförderung, wobei das Kühlsystem in allen Fahrzeugen verwendet werden kann, welche LIDAR-Sensoren 3 aufweisen. Besonders vorteilhaft ist das Kühlsystem in Situationen, in denen keine ausreichende Kühlung des LIDAR-Sensors 3 aufgrund von Fahrtwind vorhanden ist, z.B. in Situationen, in denen das Fahrzeug langsam fährt oder stillsteht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gehäuse
- 10, 11
- Seitenwände ohne Lüfter und Sicht-Bereich
- 2
- Lüfter
- 3
- LIDAR-Sensor
- 31
- Sicht-Bereich LIDAR-Sensor
- 100
- Luftschlitz
