DE102020130592B3

DE102020130592B3 - Dach für ein Kraftfahrzeug mit Sensorik zur Erfassung einer Fahrzeugumgebung

Info

Publication number: DE102020130592B3
Application number: DE102020130592.3A
Authority: DE
Inventors: Markus Gey; Stephan Buckl; Fabian Will
Original assignee: Webasto SE
Current assignee: Webasto SE
Priority date: 2020-11-19
Filing date: 2020-11-19
Publication date: 2021-10-14
Anticipated expiration: 2040-11-20
Also published as: WO2022106078A1; US20230415819A1; CN116529097A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Dach für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für einen Personenkraftwagen, umfassend eine Dachhaut (18), die über einer Dachunterkonstruktion (10) angeordnet ist, und eine Sensorik (22), die mindestens ein Sensormodul (24, 24', 26, 28) mit mindestens einem Umfeldsensor (29, 29') zur Erfassung einer Fahrzeugumgebung umfasst. Das Dach weist eine Kühleinrichtung (30) für das Sensormodul (24, 24', 26, 28) auf, die eine Drucklufteinrichtung (32) umfasst, mittels der Druckluft auf das Sensormodul (24, 24', 26, 28) applizierbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Dach für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für einen Personenkraftwagen, umfassend die Merkmale des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.
Ein derartiges Dach ist aus der Praxis bekannt und kann als Dachmodul ausgebildet sein, das als separates Bauteil auf eine einen Fahrzeugrohbau bildende Fahrzeugkarosserie eines Personenkraftwagens aufsetzbar ist. Zur Anbindung des Dachmoduls umfasst die Fahrzeugkarosserie Dachholme, welche eine rohbauseitige Trägereinrichtung für das Dachmodul darstellen. Als äußere Sichtfläche umfasst das Fahrzeugdach eine Dachhaut, die über einer Dachunterkonstruktion angeordnet ist, welche die Schnittstelle zu den Dachholmen bildet. Zur Ausbildung eines Panoramadachs kann die Dachhautanordnung zumindest abschnittsweise transparent ausgeführt sein. Zudem kann das Fahrzeugdach ein Dachöffnungssystem aufweisen, das ein verstellbares Deckelelement umfasst, mittels dessen eine Dachöffnung wahlweise geöffnet oder geschlossen werden kann. Um ein autonomes bzw. teilautonomes Fahren des betreffenden Kraftfahrzeuges zu ermöglichen, weist das bekannte Dach ferner eine Sensorik auf, die mehrere Sensormodule mit jeweils mindestens einem Umfeldsensor zur Erfassung einer Fahrzeugumgebung umfasst. Die Umfeldsensoren sind mit einer Steuereinrichtung verbunden, welche wiederum mit einer Steuerung des betreffenden Fahrzeugs verbunden ist, so dass das Fahrverhalten des Fahrzeugs in Abhängigkeit von den Signalen der Umfeldsensoren beeinflusst werden kann. Im Betrieb können sich die Umfeldsensoren erhitzen. Um eine einwandfreie Funktion zu gewährleisten, müssen die Umfeldsensoren aber in einem bestimmten Temperaturfenster gehalten werden.
Aus der DE 10 2012 110 584 A1 sind eine Anordnung und ein Verfahren zur Kühlung einer Sensorvorrichtung in einem Fahrzeug bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Dach der einleitend genannten Art zu schaffen, dessen Sensorik im Betrieb in einem spezifizierten Temperaturbereich gehalten werden kann.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch das Dach mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Gemäß der Erfindung wird also ein Dach eines Kraftfahrzeugs vorgeschlagen, das eine Dachhaut, eine Dachunterkonstruktion, die unter der Dachhaut angeordnet ist, sowie eine Sensorik umfasst, die mindestens ein Sensormodul mit mindestens einem Umfeldsensor zur Erfassung einer Fahrzeugumgebung aufweist. Um eine ungewollte Erhitzung der Umfeldsensoren zu verhindern, umfasst das Dach nach der Erfindung eine Kühleinrichtung für das Sensormodul, welche eine Drucklufteinrichtung aufweist, mittels der Druckluft auf das Sensormodul applizierbar ist. Die Druckluft, die beim Applizieren expandiert und sich damit abkühlt, kühlt in wirksamer Weise das Sensormodul, wodurch der Umfeldsensor einer Kühlung unterzogen wird. Die expandierende Druckluft hat eine hohe Kühlleistung. Zudem kann eine zielgerichtete Kühlung realisiert werden, da die zu kühlende Komponente direkt mit der expandierenden Druckluft angeströmt werden kann. Eine Drucklufteinrichtung kann mit geringem Bauraumbedarf in das Dach integriert werden, da hierfür erforderliche Leitungen sehr dünn ausgebildet sein können. Zudem kann gewährleistet werden, dass das Kühlmedium, das aus Luft oder gegebenenfalls auch einem anderen geeigneten Gas gebildet ist, eine hohe Reinheit aufweist. Dankbar ist es, die erfindungsgemäß ausgelegte Kühleinrichtung in Kombination mit weiteren Kühlsystemen für das Sensormodul einzusetzen.
Bei einer speziellen Ausführungsform des Dachs nach der Erfindung umfasst die Drucklufteinrichtung, mittels der Druckluft auf das Sensormodul applizierbar ist, eine Druckluftleitung und vorzugsweise eine Druckluftdüse, in welche die Druckluftleitung zweckmäßigerweise mündet. Denkbar ist es auch, dass am Ende der Druckluftleitung keine spezielle Düse angeordnet ist, sondern die Druckluft ohne Zwischenschaltung einer Düse direkt aus der Leitung auf das Sensormodul appliziert wird. Die Druckluftleitung kann mit einer hohen Flexibilität in das Dach integriert werden, ohne dass ein Bauraumkonflikt mit anderen Dachkomponenten entsteht.
Bei einer speziellen Ausführungsform, bei der die zu kühlende Komponente direkt angeströmt wird, ist die Druckluftdüse bzw. die Druckluftleitung auf den Umfeldsensor gerichtet. Dadurch wird der Umfeldsensor mit einer hohen Kühlleistung gekühlt.
Um die expandierte und gekühlte Luft an der zu kühlenden Komponente halten zu können, umfasst das Sensormodul bei einer speziellen Ausführungsform des Dachs nach der Erfindung einen Expansionsraum, in den die Druckluftdüse oder die Druckluftleitung mündet und der an den Umfeldsensor grenzt. Die Druckluft wird bei Aktivierung der Kühleinrichtung in den Expansionsraum geleitet, in welchem sie expandiert und dadurch abkühlt. Zweckmäßigerweise hat der Expansionsraum einen Auslass.
Um insbesondere auch weniger kritische Komponenten des Dachs kühlen zu können, ist es denkbar, dass die in dem Expansionsraum expandierende Luft zur Kühlung mindestens einer weiteren Komponente genutzt wird, die nicht direkt mit der Druckluft angeströmt wird. Bei einer speziellen Ausführungsform des Dachs nach der Erfindung grenzt der Expansionsraum daher nicht nur an einen Umfeldsensor, sondern an zwei Umfeldsensoren, die beide durch das expandierende Gas gekühlt werden können.
Um an dem zu kühlenden Umfeldsensor eine besonders große Wirkfläche für das Kühlmedium, d. h. die expandierende Luft, bereitzustellen, ist der Umfeldsensor bei einer speziellen Ausführungsform des Dachs nach der Erfindung mit Kühlrippen verbunden bzw. versehen.
Zweckmäßigerweise ist eine Druckluftquelle vorgesehen, welche die Druckluft bereitstellt, die auf das Sensormodul applizierbar ist. Insbesondere können als Druckluftquelle bereits vorhandene Druckluftsysteme des Dachaufbaus oder des Fahrzeugaufbaus genutzt werden. So sind in dem Dach nach der Erfindung beispielsweise Reinigungssysteme integriert, die Druckluft einer Druckluftquelle nutzen, um einen Sensordurchsichtsbereich zu reinigen, der insbesondere von der Dachhaut gebildet ist und über den ein Umfeldsensor mit der Umgebung kommuniziert.
Die Druckluftquelle kann insbesondere einen Kompressor zur Luftverdichtung umfassen. Des Weiteren kann die Druckluftquelle einen Druckspeicher umfassen, in dem komprimierte Luft vorgehalten wird.
Bei einer speziellen Ausführungsform des Dachs nach der Erfindung sind mehrere Sensormodule mit jeweils mindestens einem Umfeldsensor zur Erfassung einer Fahrzeugumgebung vorgesehen. Die Druckluftquelle kann in diesem Fall mit mehreren Druckluftleitungen verbunden sein, die jeweils einem der Sensormodule zugeordnet sind.
Um die Druckluft gezielt und insbesondere nur im Bedarfsfall auf die zu kühlende Komponente aufbringen zu können, kann die Drucklufteinrichtung ein Druckluftventil umfassen. Eine Betätigung des Druckluftventils führt zu einer Beaufschlagung des Sensormoduls mit Druckluft. Das Druckluftventil kann am Ende einer Druckluftleitung angeordnet sein und auch die Druckluftdüse umfassen.
Eine bevorzugte Ausführungsform des Dachs nach der Erfindung ist als Dachmodul ausgebildet. Ein Dachmodul bildet in integrierter Weise ein Bauteil, in dem Komponenten aufgenommen sind, die zum autonomen bzw. teilautonomen Fahren des betreffenden Fahrzeugs erforderlich sind, und das als kompakte Baueinheit aufseiten eines Fahrzeugherstellers mit einer Fahrzeugkarosserie bzw. einem Fahrzeugrohbau verbunden werden kann, die bzw. der als Schnittstelle zu dem Dachmodul Dachholme, wie Dachseitenholme und Dachquerholme, umfassen kann. Das als Dachmodul ausgebildete Dach stellt durch die Integration der Sensorik und auch der Kühleinrichtung ein Sensordachmodul bzw. Roof Sensor Module (RSM) dar, welches ein autonomes bzw. teilautonomes Fahren des betreffenden Fahrzeugs ermöglicht.
Das Fahrzeug, das mit dem Dach nach der Erfindung ausgestattet ist und als autonom fahrendes Fahrzeug ausgebildet ist, fährt in dem autonomen Fahrmodus selbstständig zumindest ohne wesentliche Eingriffe eines Fahrers. In einem teilautonomen Fahrmodus bildet das Dach nach der Erfindung beispielsweise einen Teil eines Fahrerassistenzsystems.
Das Dach nach der Erfindung kann zudem mit einem transparenten Festdachabschnitt, der Teil der Dachhautanordnung ist, und/oder mit einem Dachöffnungssystem für eine Dachöffnung versehen sein, welche durch die Dachhaut begrenzt ist.
Insbesondere ist das Dach nach der Erfindung ein Dach eines Personenkraftwagens. Es kann aber auch ein Dach eines Nutzfahrzeuges sein, das beispielsweise als Lieferwagen, als Bus, als autonom fahrender Kleinbus, wie ein sogenannter People Mover, oder auch als LKW-Zugmaschine ausgebildet ist.
Der Umfeldsensor des Sensormoduls kann in vielfältiger Weise ausgelegt sein, elektromagnetische Strahlung und/oder Akustikwellen nutzen und beispielsweise einen LiDAR-Sensor, einen Radarsensor, einen optischen Sensor, wie eine Kamera, die auch als Stereokamera ausgebildet sein kann, und/oder dergleichen umfassen.
Wenn der Umfeldsensor ein LiDAR-Sensor ist, arbeitet dieser vorzugsweise in einem Wellenlängenbereich von etwa 905 nm oder auch von etwa 1550 nm. Eine als Umfeldsensor genutzte Kamera kann im Wellenlängenbereich sichtbaren Lichts und/oder im Infrarotbereich arbeiten.
Die Erfindung hat auch ein Kraftfahrzeug zum Gegenstand, das ein Dach der vorstehend beschriebenen Art umfasst und bei dem also insbesondere auf einen Fahrzeugrohbau ein Dachmodul aufgesetzt sein kann, das als sogenanntes Sensordachmodul bzw. Roof Sensor Module ausgebildet ist.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Patentansprüchen entnehmbar.
Ein Ausführungsbeispiel eines Kraftfahrzeugs mit einem Dach nach der Erfindung ist in der Zeichnung schematisch vereinfacht dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:

1 eine schematische Draufsicht auf ein Kraftfahrzeug mit einem Dach nach der Erfindung;
2 einen schematischen Längsschnitt durch das Dach nach 1;
3 eine perspektivische Darstellung eines Umfeldsensors mit einer Druckluftkühlung; und
4 eine schematische Darstellung eines Sensormoduls mit einer Druckluftkühlung.

In der Zeichnung ist ein Kraftfahrzeug 10 dargestellt, das als Personenkraftwagen ausgebildet ist und ein Fahrzeugdach 12 aufweist, welches bezogen auf eine Dachlängsmittelebene beidseits jeweils einen Dachseitenholm 14 umfasst, der Bestandteil einer einen Rohbau darstellenden Fahrzeugkarosserie ist. Zwischen den Dachseitenholmen 14 umfasst das Fahrzeugdach 12 ein Dachmodul 16, welches fest mit den eine Rohbauträgerstruktur bildenden Dachseitenholmen 14 verbunden ist.
Das Dachmodul 16 umfasst eine Dachhaut 18 sowie eine Dachunterkonstruktion 20, die beispielsweise als Dachrahmen ausgebildet ist und eine Schnittstelle des Dachmoduls 16 zu der Fahrzeugkarosserie bildet.
Das Dachmodul 16 ist als Sensordachmodul bzw. Roof Sensor Module (RSM) ausgebildet, welches Vorrichtungen aufweist, die ein autonomes Fahren des Kraftfahrzeugs 10 ermöglichen. Hierzu weist das Dachmodul 16 eine Sensorik 22 auf, die in den vier Eckbereichen des Dachmoduls 16, bugseitig und heckseitig jeweils mittig und an den Längsseiten ebenfalls jeweils mittig jeweils ein Sensormodul 24, 26 bzw. 28 umfasst. Die Sensormodule 24, 26 und 28 sind auf der Dachunterkonstruktion 20 gelagert. Die Sensormodule 24, 26 und 28 umfassen jeweils mindestens einen Umfeldsensor 29, mittels dessen zur Realisierung eines autonomen Fahrens des Kraftfahrzeugs 10 die Fahrzeugumgebung erfasst werden kann. Durch Auswerten der Messsignale der Umfeldsensoren 29 mittels einer Steuereinrichtung des Kraftfahrzeugs 10 ist eine jeweilige Verkehrssituation ermittelbar, so dass sich das Kraftfahrzeug 10 autonom bzw. selbstständig an die jeweilige Verkehrssituation anpassen und entsprechend verhalten kann.
Die Umfeldsensoren 29, die unter der Dachhaut 18 angeordnet sind, können in vielfältiger Weise ausgebildet sind und beispielsweise einen LiDAR-Sensor, einen Radarsensor, eine Kamera, eine Antenneneinrichtung und/oder einen sonstigen geeigneten Sensor umfassen. Damit die Umfeldsensoren mit der Umgebung kommunizieren können bzw. die Umgebung erfassen können, ist die Dachhaut 18 im Bereich der Umfeldsensoren jeweils mit einem Sensordurchsichtsbereich versehen, der für die von dem betreffenden Umfeldsensor genutzten Wellenlängen transparent ist. Insbesondere sind die Sensordurchsichtsbereiche für Wellenlängen in dem Bereich zwischen 300 nm und 2000 nm transparent. Auch die Transparenz für Radarstrahlen im Nahbereich, Mittelbereich und/oder Fernbereich kann vorteilhaft sein.
Um zu verhindern, dass sich die Umfeldsensoren der Sensormodule 24, 26 und 28 zu stark aufheizen und damit ihre Funktionsfähigkeit verlieren, ist das Dachmodul 16 mit einer Kühleinrichtung 30 ausgestattet, welche eine Drucklufteinrichtung 32 umfasst. Die Drucklufteinrichtung 32 umfasst eine Druckluftquelle, welche mit einem Kompressor 34 versehen ist, der einen Druckluftspeicher 36 mit Druckluft speist, in dem Druckluft mit einem konstanten Druck vorgehalten werden kann. Der Druckluftspeicher 36 ist mit einem Netz aus Druckluftleitungen 38 verbunden, die jeweils zu einem der Sensormodule 24, 26 und 28 führen und dort mit einem als Auslassventil dienenden Druckluftventil 40 verbunden sind. Die Druckluftventile 40 umfassen jeweils eine Druckluftdüse 42, welche auf den Umfeldsensor des betreffenden Sensormoduls 24, 26 bzw. 28 gerichtet ist. Wie 4 zu entnehmen ist, sind die Sensormodule 24, 26 und 28 jeweils mit einem Temperatursensor 44 versehen, der die aktuelle Sensortemperatur misst und an die Steuereinrichtung 46 übergibt, welche über eine Steuerleitung 48 mit dem betreffenden Druckluftventil 40 verbunden ist.
Die Umfeldsensoren 29 der Sensormodule 24, 26 und 28 arbeiten jeweils optimal in einem bestimmten Temperaturfenster. Wenn mittels des betreffenden Temperatursensors 44 eine Temperatur gemessen wird, die außerhalb des Temperaturfensters liegt, wird mittels der Steuereinrichtung 46 das betreffende Druckluftventil 40 geöffnet, so dass aus dem Druckluftspeicher 36 über die betreffende Druckluftleitung 38 und die betreffende Druckluftdüse 42 Druckluft in Richtung des betreffenden Umfeldsensors abgegeben wird. Nach Abgabe über die Druckluftdüse 42 expandiert die Druckluft, wodurch sie sich abkühlt und den betreffenden Umfeldsensor kühlt und in dem spezifischen Temperaturfenster hält.
In 3 ist ein Sensormodul 24' dargestellt, welches bei dem in 1 dargestellten Fahrzeugdach integriert sein kann und einen ersten Umfeldsensor 29 und einen zweiten Umfeldsensor 29' umfasst. Der Umfeldsensor 29 ist beispielsweise als LiDAR-Sensor ausgebildet, wohingegen der Umfeldsensor 29' eine Kamera, insbesondere eine Stereokamera, sein kann. Die beiden Umfeldsensoren 29 und 29' grenzen an einen Expansionsraum 50, welcher von einer Gehäusewand 52 des Sensormoduls 24' gebildet ist. Die Gehäusewand 52 ist von einem Druckluftventil 40 mit einer Druckluftdüse 42 durchgriffen, welche am Ende einer Druckluftleitung 38 angeordnet ist, welche in nicht dargestellter Weise mit einem Druckspeicher der in den 1 und 2 dargestellten Art verbunden ist.
Der Umfeldsensor 29' weist an seiner Seitenwand, die an den Expansionsraum 50 grenzt, Kühlrippen 54 auf, welche in den Expansionsraum 50 ragen.
Wenn mittels eines Temperatursensors festgestellt wird, dass die Betriebstemperatur der Umfeldsensoren 29 und 29' außerhalb eines Soll-Temperaturbereichs liegt, kann über die Druckluftleitung 38 und die Druckluftdüse 42 Druckluft in den Expansionsraum 50 geleitet werden, wo sie expandiert und abkühlt und somit zur Kühlung der Umfeldsensoren 29 und 29' genutzt werden kann. Der Umfeldsensor 29 wird hierbei direkt mit der Druckluft beaufschlagt. Hingegen wird der Umfeldsensor 29' indirekt über die in dem Expansionsraum 50 expandierte Luft, welche auf die Kühlrippen 54 wirkt, gekühlt. Austreten kann die in den Expansionsraum 50 eingeleitete Luft über einen Auslass 56, welcher in der Gehäusewand 52 ausgebildet ist.
Bezugszeichenliste

10: Kraftfahrzeug
12: Fahrzeugdach
14: Dachseitenholm
16: Dachmodul
18: Dachhaut
20: Dachunterkonstruktion
22: Sensorik
24, 24': Sensormodul
26: Sensormodul
28: Sensormodul
29, 29': Umfeldsensor
30: Kühleinrichtung
32: Drucklufteinrichtung
34: Kompressor
36: Druckluftspeicher
38: Druckluftleitung
40: Druckluftventil
42: Druckluftdüse
44: Temperatursensor
46: Steuereinrichtung
48: Steuerleitung
50: Expansionsraum
52: Gehäusewand
54: Kühlrippen
56: Auslass

Claims

Dach für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für einen Personenkraftwagen, umfassend eine Dachhaut (18), die über einer Dachunterkonstruktion (20) angeordnet ist, und eine Sensorik (22), die mindestens ein Sensormodul (24, 24', 26, 28) mit mindestens einem Umfeldsensor (29, 29') zur Erfassung einer Fahrzeugumgebung umfasst, gekennzeichnet durch eine Kühleinrichtung (30) für das Sensormodul (24, 24', 26, 28), die eine Drucklufteinrichtung (32) umfasst, mittels der Druckluft auf das Sensormodul (24, 24', 26, 28) applizierbar ist.
Dach nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Drucklufteinrichtung (32) eine Druckluftleitung (38) und vorzugsweise eine Druckluftdüse (42) umfasst.
Dach nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckluftdüse (42) oder die Druckluftleitung (38) auf den Umfeldsensor (29) gerichtet ist.
Dach nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensormodul (24, 24', 26, 28) einen Expansionsraum (50) umfasst, in den die Druckluftdüse (42) mündet und der an den Umfeldsensor (29, 29') grenzt.
Dach nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Expansionsraum (50) an mindestens zwei Umfeldsensoren (29, 29') grenzt.
Dach nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Umfeldsensor (29') mit Kühlrippen (54) verbunden ist.
Dach nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine Druckluftquelle.
Dach nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckluftquelle einen Druckluftspeicher (36) umfasst.
Dach nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckluftquelle mit mehreren Druckluftleitungen (38) verbunden ist, die jeweils einem Sensormodul (24, 24', 26, 28) zugeordnet sind.
Dach nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Drucklufteinrichtung (32) ein Druckluftventil (40) umfasst.
Dach nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Dachmodul ist.
Kraftfahrzeug, umfassend ein Dach nach einem der Ansprüche 1 bis 11.