DE112021001136T5

DE112021001136T5 - Mechanismus und Steuerung für Ausgleichswärmeübertragung für Kraftfahrzeugkommunikationssysteme

Info

Publication number: DE112021001136T5
Application number: DE112021001136.7T
Authority: DE
Inventors: Robert Pozdal; Tony Asghari; Casey Szewc; Israel Cruz; Thomas Brey; James Snider
Original assignee: Continental Automotive Systems Inc
Current assignee: Continental Automotive Systems Inc
Priority date: 2020-02-19
Filing date: 2021-02-18
Publication date: 2023-04-06
Also published as: CN115087940A; US20210254900A1; WO2021168073A1; US11920869B2

Abstract

Eine Energiebewegungsvorrichtung (EMD) überträgt Wärme zwischen einer für niedrige Temperaturen ausgelegten Vorrichtung (LTRD) und einer für hohe Temperaturen ausgelegten Vorrichtung (HTRD), wobei die LTRD thermisch von der HTRD getrennt ist, derart, dass die LTRD nicht über der HTRD gestapelt ist. Eine Temperatursteuervorrichtung (TCD) überträgt aktiv Wärme zwischen der LTRD und der EMD. Eine Luftbewegungsvorrichtung (AMD) erzeugt einen Luftstrom zum Übertragen von Wärme von der EMD an die Umgebungsluft. Eine Steuerung empfängt Temperaturinformationen über die Umgebungsluft, die LTRD und die HTRD; sie bestimmt, wann der LTRD Wärme entzogen werden sollte, wann der LTRD Wärme zugeführt werden sollte und wann keine Wärme zu oder von der LTRD übertragen werden muss; und sie bestimmt eine erste Spannung für die TCD und eine zweite Spannung für die AMD auf der Grundlage der empfangenen Temperaturinformationen. Ein neuronales Netz aktualisiert die Spannungswerte basierend darauf, wie effektiv die Spannungswerte gewirkt haben.

Description

HINTERGRUND
Vorhandene Netzzugangsvorrichtungen (engl. „Network Access Devices“, NADs) und Telematiksteuereinheiten (engl. „Telematics Control Units“, TCUs) sind typischerweise übereinander gestapelt. Eine NAD kann an eine TCU gelötet werden. Eine Steuervorrichtung wird typischerweise nicht in der Nähe der Wärmequelle angeordnet. Eine oder mehrere Antennen befinden sich typischerweise auf dem Dach des Fahrzeugs.
Herkömmliche Fahrzeugtelematiksysteme können typischerweise aufgrund des Zustands der Elektronik nur bei 80 °C (176 °F) Umgebungstemperatur (wenn optimiert) betrieben werden. Zum Beispiel kann die TCU aus Komponenten in Kraftfahrzeugqualität (-40 °C bis 125 °C) (-40 °F bis 257 °F) und die NAD aus Komponenten in Verbraucherqualität (auch als Industriequalität bezeichnet) (-20 °C bis 80 °C) (-4 °F bis 176 °F) bestehen.
Eine effektivere Wärmeableitung durch Fahrzeugtelematiksysteme würde den Stand der Technik voranbringen.
KURZDARSTELLUNG
Gemäß Ausführungsformen der Erfindung überträgt eine Energiebewegungsvorrichtung (engl. „Energy-moving Device“, EMD) Wärme zwischen einer für niedrige Temperaturen ausgelegten Vorrichtung (engl. „Low-Temperature-rated Device ", LTRD) und einer für hohe Temperaturen ausgelegten Vorrichtung (engl. „High-Temperature-rated Device“, HTRD), wobei die LTRD thermisch von der HTRD getrennt ist, derart, dass die LTRD nicht über der HTRD gestapelt ist. Eine Temperatursteuervorrichtung (TCD) überträgt aktiv Wärme zwischen der LTRD und der EMD. Eine Luftbewegungsvorrichtung (engl. „Airmoving Device“, AMD) erzeugt einen Luftstrom zum Übertragen von Wärme von der EMD an die Umgebungsluft. Eine Steuerung empfängt Temperaturinformationen über die Umgebungsluft, die LTRD und die HTRD; sie bestimmt, wann der LTRD Wärme entzogen werden sollte, wann der LTRD Wärme zugeführt werden sollte und wann keine Wärme zu oder von der LTRD übertragen werden muss; und sie bestimmt eine erste Spannung für die TCD und eine zweite Spannung für die AMD auf der Grundlage der empfangenen Temperaturinformationen. Ein neuronales Netz aktualisiert die Spannungswerte basierend darauf, wie effektiv die Spannungswerte gewirkt haben.
Figurenliste

1 zeigt die Platine einer Netzzugangsvorrichtung, die auf eine Kraftfahrzeug-Telematiksteuerplatine gestapelt ist.
2 zeigt eine thermische Analyse einer NAD-Platine, die auf eine TCU-Platine gestapelt ist.
3 zeigt eine thermische Analyse einer NAD-Platine, die durch Entstapeln von einer TCU-Platine thermisch getrennt ist.
4 zeigt eine Energiebewegungsvorrichtung (EMD) zum Übertragen von Wärme von einer für niedrige Temperaturen ausgelegten Vorrichtung (LTRD) und einer Temperatursteuervorrichtung (TCD) zu einer für hohe Temperaturen ausgelegten Vorrichtung (HTRD).
5 zeigt die Wärmeübertragung zwischen verschiedenen Komponenten gemäß Ausführungsformen der Erfindung.
6 ist ein Flussdiagramm, das die Optimierung durch Ausgleichswärmeübertragung, die Heiz-/Kühlvorrichtung und die Luftbewegungsvorrichtung gemäß Ausführungsformen der Erfindung zeigt.
7 ist ein Flussdiagramm, das die Optimierung durch Ausgleichswärmeübertragung, die Heiz-/Kühlvorrichtung und die Luftbewegungsvorrichtung gemäß Ausführungsformen der Erfindung zeigt.
8 ist ein Flussdiagramm, das die Optimierung durch Ausgleichswärmeübertragung, die Heiz-/Kühlvorrichtung und die Luftbewegungsvorrichtung gemäß Ausführungsformen der Erfindung in einer Situation zeigt, in der die LTRD Wärme abführen muss.
9 ist ein Flussdiagramm, das die Optimierung durch Ausgleichswärmeübertragung, die Heiz-/Kühlvorrichtung und die Luftbewegungsvorrichtung gemäß Ausführungsformen der Erfindung in einer Situation zeigt, in der der LTRD Wärme zugeführt werden muss.
10 zeigt die Temperaturen, die bei einer Ausführungsform der Erfindung aufgezeichnet wurden, während der NAD Wärme entzogen werden musste, weil die Umgebungstemperatur etwa 106 °C (222,8 °F) betrug.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Ein herkömmliches Telematiksystem, wie das in 1 dargestellte, für ein Fahrzeug kann typischerweise kontinuierlich bei 60 °C (140 °F) Umgebungslufttemperatur betrieben werden; mit einer gewissen Optimierung der Komponentenplatzierung und des Kühlkörpers kann ein solches Telematiksystem typischerweise bei 80 °C (176 °F) betrieben werden.
Die thermische Trennung der NAD von der TCU (d. h. das „Entstapeln“) ermöglicht den Betrieb bei Umgebungslufttemperaturen von 90 °C (194 °F) oder sogar 95 °C (203 °F).
Elektronik in Verbraucherqualität auf der NAD-Platine funktioniert nur eingeschränkt bei Sperrschichttemperaturen in Komponenten von mehr als 115 °C (239 °F). Die Temperaturen von NAD-Komponenten sollten daher unter 115 °C (239 °F) gehalten werden.
Gemäß Ausführungsformen der Erfindung ist eine NAD-Platine 102 thermisch von einer TCU-Platine 104 getrennt, derart, dass sie nicht übereinander gestapelt sind. Die Wärme jeder Platine wird einzeln abgeführt. Ein NAD-Kühlsystem ist ebenfalls implementiert.
Nach einer thermischen Simulation bei 85 °C (185 °F) Umgebungslufttemperatur wiesen die NAD-Komponenten simulierte Temperaturen von 95 °C (203 °F) auf, was unter der Temperatur von 115 °C (239 °F) liegt, unter der die NAD-Komponenten für einen ordnungsgemäßen Betrieb des Fahrzeugtelematiksystems gehalten werden sollten.
Gemäß Ausführungsformen der Erfindung wird ein Ausgleichswärmeübertragungsmechanismus zwischen den beiden thermisch getrennten Systemen realisiert.
2 zeigt eine thermische Analyse einer NAD-Platine, die auf eine TCU-Platine gestapelt ist.
3 zeigt eine thermische Analyse einer NAD-Platine, die durch Entstapeln von einer TCU-Platine thermisch getrennt ist. Der Begriff „thermisch getrennt“ bedeutet hier, dass die beiden Leiterplatten nicht gestapelt und im Wesentlichen physisch voneinander getrennt sind und nur durch eine kleine Zwischenverbindung miteinander verbunden sind. Wenn die NAD-Platine nicht gestapelt und außerhalb der TCU-Platine angeordnet ist, sinkt die NAD-Temperatur um 30 °C (86 °F) und die TCU-Temperatur wird ebenfalls gesenkt. Während der Tests war ein Telematiksystem, das wie in 2 dargestellt aufgebaut war, nicht in der Lage, einen eCall (d. h. einen Notruf) bei 80 °C
(176 °F) durchzuführen. Durch die Trennung der NAD-Platine von der TCU-Platine (siehe 3) war das Telematiksystem jedoch in der Lage, bei 80 °C (176 °F) über eine Stunde lang einen eCall durchzuführen.
4 zeigt eine Energiebewegungsvorrichtung (EMD) 402 zum Übertragen von Wärme von einer für niedrige Temperaturen ausgelegten Vorrichtung (LTRD) 406 und einer Temperatursteuervorrichtung (TCD) 404 zu einer für hohe Temperaturen ausgelegten Vorrichtung (HTRD) 408. Die EMD kann die Wärme auch in umgekehrter Richtung von der HTRD zur TCD und zur LTRD übertragen.
Die EMD kann ein Wärmeleitrohr, eine Wärmesäule, ein Wärmeverteiler oder eine beliebige andere geeignete Vorrichtung zur Wärmeübertragung sein und ein Gebläse zum Bewegen von Luft beinhalten.
Ein Gebläse ist eine angetriebene Maschine, die dazu dient, eine Strömung in einem Fluid, typischerweise einem Gas wie etwa Luft, zu erzeugen. Es gibt drei Hauptarten von Gebläsen, die zum Bewegen von Luft eingesetzt werden: Axialgebläse, Zentrifugalgebläse (auch Radialgebläse genannt) und Querstromgebläse (auch Tangentialgebläse genannt).
Ein Wärmeleitrohr ist eine Wärmeübertragungsvorrichtung, die die Prinzipien sowohl von Wärmeleitfähigkeit als auch Phasenübergang zum effektiven Übertragen von Wärme zwischen zwei festen Grenzflächen kombiniert. An der heißen Grenzfläche eines Wärmeleitrohrs verwandelt sich eine Flüssigkeit, die mit einer wärmeleitenden festen Oberfläche in Kontakt ist, in einen Dampf, indem sie Wärme von dieser Oberfläche absorbiert. Der Dampf wandert dann entlang des Wärmeleitrohrs zur kalten Grenzfläche und kondensiert wieder zu einer Flüssigkeit, wobei die latente Wärme freigesetzt wird. Die Flüssigkeit kehrt dann entweder durch Kapillarwirkung, Zentrifugalkraft oder Schwerkraft zur heißen Oberfläche zurück, und der Zyklus wiederholt sich. Aufgrund der sehr hohen Wärmeübergangskoeffizienten für Sieden und Kondensation sind Wärmeleitrohre sehr effektive Wärmeleiter.
Eine Wärmesäule ist ein Hohlzylinder mit einer Dochtstruktur, die mit der Innenfläche verbunden ist. Wärmesäulen werden in Wärmemodulen von Leuchtdioden und Personalcomputern sowie in anderen industriellen Wärmesteuerungsanwendungen eingesetzt. Wärmesäulen können aus einem Kupferrohr mit einem Docht aus gesintertem Kupferpulver hergestellt werden.
Ein Wärmeverteiler überträgt Energie in Form von Wärme von einer heißeren Quelle zu einer kälteren Wärmesenke oder einem Wärmetauscher. Es gibt zwei thermodynamische Arten: passiv und aktiv. Die gebräuchlichste Art von passivem Wärmeverteiler ist eine Platte oder ein Block aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit, wie Kupfer, Aluminium oder Diamant.
Die TCD 404 kann eine thermoelektrische Kühlvorrichtung, ein Phasenwechselmaterial oder eine beliebige andere geeignete Vorrichtung sein.
Eine thermoelektrische Kühlvorrichtung nutzt den Peltier-Effekt, um einen Wärmestrom an der Grenzfläche zweier verschiedener Materialien zu erzeugen. Eine Peltier-Kühl-/Heizvorrichtung, oder eine thermoelektrische Wärmepumpe ist eine aktive Festkörperwärmepumpe, die Wärme von einer Seite der Vorrichtung auf die andere überträgt, wobei je nach Stromrichtung elektrische Energie verbraucht wird. Eine solche Vorrichtung kann auch als Peltier-Vorrichtung, Peltier-Wärmepumpe, Festkörperkühlung oder thermoelektrische Kühlvorrichtung (engl. „Thermoelectric Cooler“, TEC) bezeichnet werden. Sie kann auch als Temperatursteuerung verwendet werden, die entweder heizt oder kühlt. Beim Betrieb als Wärmepumpe wird eine Spannung an die Vorrichtung angelegt, so dass sich zwischen den beiden Seiten ein Temperaturunterschied aufbaut.
Ein Phasenwechselmaterial (PCM) ist eine Substanz, die beim Phasenübergang genügend Energie freisetzt/absorbiert, um verwendbare Wärme/Kälte bereitzustellen. Durch das Schmelzen und Erstarren bei der Phasenwechseltemperatur (engl. „Phase Change Temperature“, PCT) ist ein PCM in der Lage, im Vergleich zur fühlbaren Wärmespeicherung große Mengen an Energie zu speichern und wieder abzugeben. Eis zum Beispiel benötigt zum Schmelzen 333,55 J/g, aber Wasser steigt mit nur 4,18 J/g um ein weiteres Grad. Weitere Beispiele für PCMs sind: Natriumsulfat, Aluminium, Kupfer, Gold, Eisen, Blei, Lithium, Silber und Titan.
Die HTRD 408 kann eine beliebige Leiterplatte sein, die für hohe Temperaturen ausgelegt ist. Eine für hohe Temperaturen ausgelegte Leiterplatte ist in der Regel definiert als eine Leiterplatte mit einer Tg (Glasübergangstemperatur) von mehr als 170 °C (338 °F).
Wenn die LTRD 406 abgekühlt werden muss, wird die Leistung der Temperatursteuervorrichtung (TCD) 404 angepasst und die EMD 402 zum Bewegen von überschüssiger Wärme von der LTRD 406 zur HTRD 408 eingesetzt. Dies wird fortgesetzt, d. h. die Temperatur der LTRD wird gesenkt, bis die LTRD eine Temperatur erreicht, die unter einer maximalen Betriebstemperatur für Komponenten der LTRD liegt, wie etwa die oben erwähnte Grenze von 115 °C (239 °F), bei deren Überschreitung die Elektronik in Verbraucherqualität auf der NAD-Platine nur noch eingeschränkt funktioniert.
Normale Komponenten in Verbraucherqualität sind für 80 °C ausgelegt. Komponenten in Kraftfahrzeugqualität sind für 120 °C und mehr ausgelegt. Einige Komponenten in Verbraucherqualität könnten in Notfallsituationen bei bis zu 110 °C-115 °C betrieben werden, allerdings nur in Notfallsituationen. Sie funktionieren, bis sie durchbrennen/ausfallen. Normalerweise funktioniert eine NAD bei 115 °C nicht, es sei denn, sie muss einen Notruf durchführen, was auch geschehen wird, selbst wenn das Gerät letztlich durchbrennt.
Wenn die LTRD 406 aufgewärmt werden muss, wird die LTRD aufgeheizt, indem unter Verwendung der EMD 402 Energie von der HTRD 408 zur LTRD übertragen wird, um die Temperatur der LTRD zu erhöhen. Dies wird solange fortgesetzt, bis die Temperatur der LTRD eine Temperatur erreicht hat, die über der Mindestbetriebstemperatur für Komponenten der LTRD liegt, wie etwa dem oben erwähnten Grenzwert von -20 °C (-4 °F), bei dem die Elektronik in Verbraucherqualität auf der NAD-Platine nur noch eingeschränkt funktioniert. Die Mindesttemperatur für Vorrichtungen in Verbraucherqualität beträgt -20 °C. Bei Vorrichtungen in Kraftfahrzeugqualität (ähnlich wie bei Industrievorrichtungen) liegt der Wert bei -40 °C.
Gemäß Ausführungsformen der Erfindung wird eine Pulsbreitenmodulations-(PWM)-Steuerung zum Optimieren des Luftstroms und des Kühl-/Heizmechanismus entwickelt, um die Rate der Wärmeübertragung zwischen der LTRD und der HTRD zu optimieren.
Wie in 5 dargestellt, bewegt sich die Wärme von der wärmeren (linken) Seite zur kühleren (rechten) Seite. Wärme bewegt sich innerhalb der TCD nach oben und kommt dann in thermischen Kontakt mit der EMD, wie durch die Pfeile 504-1 bis 504-4 angedeutet, und dem Wärmeverteilungsgehäuse 502, wie durch die Pfeile 506-1 bis 506-3 dargestellt. Der Luftstrom aus der Luftbewegungsvorrichtung führt dann die Wärme aus der EMD und dem Wärmeverteilungsgehäuse ab. Die Richtung der Ausgleichswärmeübertragung hängt vom Zustand der Elektronik ab, d. h. davon, ob der LTRD 406 Wärme entzogen oder zugeführt werden muss. Wärme kann sich in 5 von links nach rechts bewegen (wenn der LTRD Wärme entzogen wird) oder von rechts nach links, wenn der LTRD Wärme zugeführt werden muss (Temperaturerhöhung).
Ein Temperaturmessmodul kann verwendet werden, um bestimmen, ob und in welche Richtung Wärme zwischen der LTRD und der HTRD übertragen werden soll. Das Temperaturmessmodul kann in bekannter Weise mit Temperatursensoren (oder Arrays von Temperatursensoren) I, II und III elektrisch verbunden werden, auf deren Temperaturmessungen in den 6, 8 und 9 Bezug genommen wird.
6 ist ein Flussdiagramm, das die Optimierung durch Ausgleichswärmeübertragung, die Heiz-/Kühlvorrichtung und die Luftbewegungsvorrichtung gemäß Ausführungsformen der Erfindung zeigt.
Die Vorrichtung II 602, die in 6 als Stromerzeugungsvorrichtung bezeichnet wird, kann die LTRD 406 aus 4 und 5 sein. Der Eingang des Außen-/Umgebungslufttemperatursensors (Sensor I) 604, der Eingang des LTRD-Sensors (Sensor II) 608 und der Eingang des HTRD-Sensors (Sensor III) 606 stellen Temperatursensoreingänge an das oben beschriebene Temperatursensormessmodul 610 bereit.
Die Nachschlagetabellen 612 werden verwendet, um eine geeignete Spannung für die Kühl-/Heizvorrichtung, bei der es sich um die TCD 404 von 4 und 5 handeln kann, und für die Luftbewegungsvorrichtung 510 von 5 auszuwählen.
Um eine gewünschte Betriebstemperatur der LTRD zu erreichen, werden die Pulsweitenmodulation (PWM) der Kühl-/Heizvorrichtung 614 (die Kühl-/Heizvorrichtung wird auch als TCD 404 bezeichnet) und die PWM der Luftbewegungsvorrichtung 616 auf der Grundlage von Werten eingestellt, die aus den Nachschlagetabellen 612 ausgewählt wurden, und diese Werte werden dann in „Datenerfassung. Lernprozess Neuronale Netze“ 618 eingegeben. Ein neuronales Netz, wie es hier verwendet wird, bezieht sich auf ein künstliches neuronales Netz, das aus künstlichen Neuronen oder Knoten zur Lösung von Problemen der künstlichen Intelligenz (engl. „Artificial Intelligence“, AI) besteht. Wie in der Fachwelt bekannt, werden die Verbindungen des Neurons als Gewichte modelliert. Ein positives Gewicht steht für eine aktivierende Verbindung, während negative Werte hemmende Verbindungen bedeuten. Eingaben werden mit einem Gewicht versehen und summiert. Dieser Vorgang wird als Linearkombination bezeichnet. Eine Aktivierungsfunktion kann die Amplitude der Ausgabe steuern. Beispielsweise kann ein akzeptabler Bereich für die Ausgabe zwischen 0 und 1 oder zwischen -1 und 1 liegen. Künstliche Netze dieser Art können für die adaptive Steuerung und für Anwendungen eingesetzt werden, bei denen sie anhand eines Datensatzes trainiert werden können. In solchen Netzen kann ein aus Erfahrung resultierendes Selbstlernen stattfinden. Je nach den von den Temperatursensoren 604, 606 und 608 gemessenen Temperaturen kann der LTRD Wärme entzogen werden, wie bei 620 dargestellt, oder es kann der LTRD Wärme zugeführt werden, wie bei 622 dargestellt).
7 ist ein Flussdiagramm, das die Optimierung durch Ausgleichswärmeübertragung, die Heiz-/Kühlvorrichtung und die Luftbewegungsvorrichtung gemäß Ausführungsformen der Erfindung zeigt. 7 ähnelt 6 und zeigt, wie die Kühl-/Heizvorrichtung, die auch als TCD 404 bezeichnet wird, und die Luftbewegungsvorrichtung 510 auf der Grundlage von Temperatursensorwerten für die Stromerzeugungsvorrichtung 602, deren Betriebstemperatur gesteuert wird, durch PWM (Pulsweitenmodulation) optimiert werden.
8 ist ein Flussdiagramm, das die Optimierung durch Ausgleichswärmeübertragung, die Heiz-/Kühlvorrichtung und die Luftbewegungsvorrichtung gemäß Ausführungsformen der Erfindung in einer Situation zeigt, in der die LTRD Wärme abführen muss. Die Pfeile 802 und 804 in 8 entlang des Pfades von den Nachschlagetabellen zu „Vorrichtung II Wärmeabfuhr“ 620 und dann zu „II Stromerzeugungsvorrichtung (Temperatur wird gesteuert)“ 602 stellen Spannungen für Kühl-/Heizvorrichtungen und Spannungen für Luftbewegungsvorrichtungen dar, die, wenn sie an die TCD 404 bzw. die Luftbewegungsvorrichtung 510 angelegt werden, zu einer optimierten Wärmemenge führen, die von der LTRD 406 abgeführt wird.
Wenn die LTRD, bei der es sich um eine Netzzugangsvorrichtung (NAD) (Kommunikationsvorrichtung) handeln könnte, zu heiß für den Betrieb ist (auf der Grundlage von Sensoreingaben), werden die aktiven Kühlvorrichtungen (Peltier und Gebläse) aktiviert, wodurch eine kalte und eine heiße Seite an der Peltier-Vorrichtung, hier auch als TCD 404 bezeichnet, entsteht. Wie in der Fachwelt bekannt, bestimmt die Polarität der an die Peltier-Vorrichtung angelegten Spannung, welche Seite der Vorrichtung die heiße und welche die kalte Seite ist. Wenn man also eine entgegengesetzte Polarität an die Vorrichtung anlegt, werden die heiße und die kalte Seite vertauscht.
Auf diese Weise kann die Wärme der heißen Seite aus dem NAD-Bereich abgeführt werden, um eine Sättigung des Systems zu verhindern. Dies kann beispielsweise durch Wärmeleitrohre und ein Gebläse erreicht werden, das die Wärme von der NAD wegführt. Die gemessenen Temperaturdaten, die als Eingabe für die Nachschlagetabellen 612 verwendet und auf PWM-Werte abgebildet werden, sind durch die Pfeile 806 bzw. 808 dargestellt.
Der Betrieb in einem solchen Modus kann fortgesetzt werden, bis die NAD-Temperatur auf ein betriebsfähiges Niveau sinkt (z. B. unter 85 °C (185 °F)).
Die aktive Peltier-Kühlung und die Gebläse-/Luftbewegungsvorrichtung 510 können auf der Grundlage der von der NAD erzeugten Leistung PWM-optimiert werden (was von den Szenarien der NAD abhängt: Uplink-/Downlink-Rate, HF-Leistung, die berücksichtigt werden können). Wie bereits erwähnt, messen ein oder mehrere Temperatursensoren die Temperatur der NAD, und diese Temperaturmessungen werden für die PWM-Optimierung verwendet.
Die PWM-Optimierung und die Überwachung der Temperaturdaten werden fortgesetzt und es wird bestimmt, ob etwaige Datenverschiebungen auftreten, wie durch den Pfeil 810 von „Datenerfassung. Lernprozess Neuronale Netze“ 618 zu den Nachschlagetabellen 612 dargestellt. Auf diese Weise lernt das System auf der Grundlage historischer Daten, wie es schnell reagieren kann.
Bei normaler Betriebstemperatur ist die aktive Kühlung im Ruhezustand inaktiv, aber das System überwacht etwaige Änderungen der Temperaturbedingungen.
In einem anderen Beispiel werden die aktiven Kühlvorrichtungen (Peltier und Gebläse) aktiviert (dies stellt eine kalte und eine heiße Seite her), wenn die NAD (Kommunikationsvorrichtung) zu heiß für den Betrieb ist (basierend auf Sensoreingaben), zum Beispiel, wenn die NAD-Temperatur 105 °C (221 °F) beträgt. In diesem Beispiel wird die Peltier-Vorrichtung mit 4,1 V und das Gebläse mit 5 V aktiviert. Die NAD-Temperatur steigt immer noch auf 105,5 °C (221,9 °F), aber die Rate des Temperaturanstiegs verlangsamt sich. Die Peltier-PWM-Spannung wird dann auf 4,5 V und die Gebläsespannung auf 7 V eingestellt. Die NAD-Temperatur beginnt auf 100 °C (212 °F) zu sinken, kehrt nach Erreichen von 100 °C (212 °F) wieder um und beginnt zu steigen. Die Peltier-PWM-Spannung wird dann auf 4,3 V und das Gebläse auf 8 V eingestellt. Die NAD-Temperatur steigt nicht weiter an und stabilisiert sich bei 101 °C (213,8 °F).
Auf diese Weise wird das System PWM-optimiert und die Daten werden auf etwaige Datenverschiebungen hin überwacht. Die Daten werden in die Lerndatenbank des neuronalen Netzes geschrieben und das System lernt auf der Grundlage historischer Daten, wie es schnell reagieren kann. Anders ausgedrückt: Neue Temperaturdaten und die PWM-Reaktion veranlassen das System zu reagieren, und etwaige Korrekturen werden danach vorgenommen, wie schnell das System reagiert und wie stabil die Reaktionskorrektur ist.
9 ist ein Flussdiagramm, das die Optimierung durch Ausgleichswärmeübertragung, die Heiz-/Kühlvorrichtung und die Luftbewegungsvorrichtung gemäß Ausführungsformen der Erfindung in einer Situation zeigt, in der der LTRD Wärme zugeführt werden muss. In diesem Beispiel ist die NAD (Kommunikationsvorrichtung) zum Funktionieren zu kalt (auf der Grundlage des Sensoreinganges). Die aktiven Kühlvorrichtungen (Peltier und Gebläse) werden aktiviert, wie durch die Pfeile 902, 904 und 906 dargestellt. Dadurch entstehen eine kalte und eine heiße Seite, die im Verhältnis zueinander umgekehrt werden, wenn die LTRD Wärme abführen muss. Wenn sich die NAD im Ruhemodus befindet, wird die Wärme von der heißeren TCU mit Wärmeleitrohren abgeführt, was eine rein passive Lösung ist. Eine sofortige Temperaturerhöhung (wenn die passive Lösung nicht ausreicht) wird durch Umpolung (an der Peltier-Vorrichtung) erreicht so dass der NAD Wärme zugeführt wird. Die NAD-Temperatur steigt dann auf ein betriebsfähiges Niveau an.
Aktive Peltier-Kühlung und Gebläse werden PWM-optimiert, basierend auf der von der NAD erzeugten Leistung (die von den Szenarien der NAD abhängt: Uplink-/Downlink-Rate, HF-Leistung, wie oben ausführlicher beschrieben). Das System wird PWM-optimiert und die Datenüberwachung erfolgt fortlaufend auf der Suche nach etwaigen Datenverschiebungen, wie weiter oben näher erläutert wird. Das System lernt auf der Grundlage historischer Daten, wie es schnell reagieren kann. Bei normaler Betriebstemperatur ist die aktive Kühlung im Ruhezustand inaktiv, aber das System überwacht etwaige Änderungen der Bedingungen.
10 zeigt die Temperaturen, die bei einer Ausführungsform der Erfindung aufgezeichnet wurden, während der NAD Wärme entzogen werden musste, weil die Umgebungstemperatur 1002 etwa 106 °C (222,8 °F) betrug. Wie bei 1006 gezeigt, beträgt die Temperatur am Kühlkörper auf der heißen Seite der TCD ungefähr 121 °C (249,8 °F). Die Temperatur 1008 am Valens beträgt etwa 116 °C (240,8 °F). Die Temperatur 1010 der Luft im Inneren der TCU beträgt etwa 114 °C (237,2 °F). Die Temperatur 1012 an der NAD-Seite des Wärmeleitrohrs beträgt etwa 113 °C (235,4 °F). Die Temperatur 1014 an der TEC-Seite des Wärmeleitrohrs beträgt etwa 112 °C (233,6 °F). Die Temperaturen 1016 an der Kühlplatte, dem Bodenplattengebläse, dem Wärmeleitrohr 2 und der Bodenplatte der NAD liegen alle bei etwa 107 °C (224,6 °F). Die Umgebungslufttemperatur 1002 beträgt, wie oben erwähnt, etwa 106 °C (222,8 °F). Die von Thermistoren der NAD gemessene Temperatur 1004 liegt bei etwa 104 °C (219,2 °F), also etwa 2 °C (3,6 °F) unter der Umgebungslufttemperatur.
Das getrennte Design (d. h. NAD und TCU sind thermisch voneinander getrennt) in Verbindung mit der PWM-Optimierung und dem Ausgleichswärmeübertragungsmechanismus ermöglicht den Dauerbetrieb eines Kraftfahrzeugtelematiksystems bei 90 °C (194 °F) und sogar noch höheren Umgebungslufttemperaturen.
Zusätzlich (bei negativen Temperaturen unter -20 °C (-4 °F) ermöglicht das Ausgleichsheizsystem, dass Elektronik in Verbraucherqualität (NAD) bei einer Temperatur oberhalb der unteren Temperaturgrenze der NAD betriebsfähig bleibt, obwohl die Umgebungstemperatur unter der unteren Temperaturgrenze der NAD liegt.
Wenngleich die vorliegende Erfindung durch eine Beschreibung verschiedener Ausführungsformen veranschaulicht wurde und diese Ausführungsformen ausführlich beschrieben wurden, ist es nicht die Absicht des Anmelders, den Umfang der beigefügten Ansprüche auf solche Einzelheiten zu beschränken oder in jeglicher Weise zu begrenzen. Weitere Vorteile und Modifikationen sind für Fachleute ohne weiteres erkennbar. Die Erfindung im weiteren Sinne ist daher nicht auf die dargestellten und beschriebenen spezifischen Einzelheiten, repräsentativen Vorrichtungen und Verfahren und veranschaulichenden Beispiele beschränkt. Dementsprechend sind Abweichungen von diesen Einzelheiten möglich, ohne dass vom Geist oder dem Umfang des allgemeinen erfinderischen Konzepts des Anmelders abgewichen wird.

Claims

Vorrichtung, umfassend: eine für hohe Temperaturen ausgelegte Vorrichtung (HTRD), die eine Kraftfahrzeugtelematiksteuereinheit umfasst; eine für niedrige Temperaturen ausgelegte Vorrichtung (LTRD), die eine Netzzugangsvorrichtung umfasst, wobei die LTRD thermisch von der HTRD getrennt ist, derart, dass die LTRD nicht über der HTRD gestapelt ist; eine Energiebewegungsvorrichtung (EMD), die zum Übertragen von Wärme zwischen der LTRD und der HTRD ausgelegt ist; eine Temperatursteuervorrichtung (TCD), die zum aktiven Übertragen von Wärme zwischen der LTRD und der EMD ausgelegt ist. eine Luftbewegungsvorrichtung (AMD), umfassend ein Gebläse, das dafür ausgelegt ist, einen Luftstrom zum Übertragen von Wärme von der EMD an die Umgebungsluft zu erzeugen. eine Steuerung, die Temperaturinformationen über die Umgebungsluft, die LTRD und die HTRD empfängt und bestimmt, wann der LTRD Wärme entzogen werden sollte, wann der LTRD Wärme zugeführt werden sollte und wann keine Wärme zu oder von der LTRD übertragen werden muss, wobei die Steuerung eine erste Spannung für die TCD und eine zweite Spannung für die AMD auf der Grundlage der empfangenen Temperaturinformationen bestimmt; und ein neuronales Netz, das lernt, wie spezifische Werte für die erste Spannung und die zweite Spannung aktualisiert werden sollten, basierend darauf, wie effektiv diese spezifischen Werte in der Vergangenheit dazu beigetragen haben, die LTRD in ihren normalen Betriebstemperaturbereich zu bringen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die EMD ein Wärmeleitrohr ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die EMD ein Wärmeverteiler ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die EMD ein Phasenwechselmaterial ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die TCD eine thermoelektrische Kühlvorrichtung ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei eine Polarität der Spannung, die an die TCD angelegt wird, um der LTRD Wärme zuzuführen, einer Polarität der Spannung entgegengesetzt ist, die an die TCD angelegt wird, um der LTRD Wärme zu entziehen.
Verfahren, umfassend: Verwenden einer Energiebewegungsvorrichtung (EMD) zum Übertragen von Wärme zwischen einer für niedrige Temperaturen ausgelegten Vorrichtung (LTRD) und einer für hohe Temperaturen ausgelegten Vorrichtung (HTRD), wobei die LTRD thermisch von der HTRD getrennt ist, derart, dass die LTRD nicht über der HTRD gestapelt ist; Verwenden einer Temperatursteuervorrichtung (TCD) zum aktiven Übertragen von Wärme zwischen der LTRD und der EMD; Verwenden einer Luftbewegungsvorrichtung (AMD), umfassend ein Gebläse, zum Erzeugen eines Luftstroms zum Übertragen von Wärme von der EMD an die Umgebungsluft; Verwenden einer Steuerung zum Empfangen von Temperaturinformationen über die Umgebungsluft, die LTRD und die HTRD; zum Bestimmen, wann der LTRD Wärme entzogen werden sollte, wann der LTRD Wärme zugeführt werden sollte und wann keine Wärme zu oder von der LTRD übertragen werden muss; und zum Bestimmen einer ersten Spannung für die TCD und einer zweiten Spannung für die AMD auf der Grundlage der empfangenen Temperaturinformationen; und Verwenden eines neuronalen Netzes zum Lernen, wie spezifische Werte für die erste Spannung und die zweite Spannung aktualisiert werden sollten, basierend darauf, wie effektiv diese spezifischen Werte in der Vergangenheit dazu beigetragen haben, die LTRD in ihren normalen Betriebstemperaturbereich zu bringen.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die EMD ein Wärmeleitrohr ist.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die EMD ein Wärmeverteiler ist.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die EMD ein Phasenwechselmaterial ist.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die TCD eine thermoelektrische Kühlvorrichtung ist.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei eine Polarität der Spannung, die an die TCD angelegt wird, um der LTRD Wärme zuzuführen, einer Polarität der Spannung entgegengesetzt ist, die an die TCD angelegt wird, um der LTRD Wärme zu entziehen.