CN101945563B - 车用电子控制单元散热控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了车用电子控制单元散热控制方法。旨在克服车用电子控制单元热稳定性不能保证而芯片烧掉的问题。其包括步骤：1.确定车用电子控制单元中额定功率≥50mw的大功率元器件、其热阻及其允许最高工作温度；2.仿真分析元器件电流变化情况，测得主要驱动模块驱动负载两端的电流；3.计算各个元器件的功耗和平均功耗；4.确定车用电子控制单元中PCB板的层叠结构、材料、布线、含铜率及热过孔等散热方式并确定车用电子控制单元工作时的外界条件；5.建立车用电子控制单元的热仿真模型，求解计算车用电子控制单元的最高工作温度及其整体温度分布情况；6.根据热仿真模型计算结果设计车用电子控制单元的散热方式并通过试验进行验证。

Description

车用电子控制单元散热控制方法

技术领域

本发明涉及车用的电子控制单元(ECU)的设计领域，更具体地说，本发明涉及一种车用电子控制单元散热的控制方法。

背景技术

电子组件的主要失效形式是热失效。随着温度的增加，其失效率呈指数增长趋势。在电子行业中，器件环境温度每升高10℃时，往往其失效率增加一个数量级，这就是所谓的“10℃法则”。根据相关文献记载，电子设备的失效率有55％是温度超过规定的值引起的，因此，对电子设备而言，即使是降低1℃，也将使设备的失效率降低一个可观的量值，这对于可靠性要求高的电子系统尤为重要。例如，民航的电子设备每降低1℃，一定温度下其失效率将下降4％；再如：P111500芯片，其集成的元器件数目达到了百万之多，运行温度显著提高，虽然采用了散热片、风扇等措施来进行冷却降温，但仍得不到所要求的效果，Intel公司不得不将其工作电压从5V降低到3V，甚至更低，以减小其功耗，控制内部温度，保证其正常工作。可见，温升的控制或热设计是十分重要的。

散热控制的目的是利用热的传递特性，在充分掌握各种设备热失效参数的前提下，通过优化设计热流通路，降低设备与散热环境之间的热阻，比如提供一个温度比较低的散热器，以较少的冷却代价把设备内部有害的热量尽可能释放掉，使设备在其所处环境条件下，保持在可靠性要求所规定的温度范围之内，确保设备、安全地工作。

国内车用的电子控制单元的研制现在已取得了一定的成绩，但在产业化之前，关于车用的电子控制单元的散热、振动等研究工作还没有在做，所以当车用的电子控制单元工作在恶劣的环境下时，其热稳定性不能得到保证，会经常出现车用的电子控制单元芯片烧掉的情况。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服车用的电子控制单元工作在恶劣的环境下其热稳定性不能得到保证而经常出现车用的电子控制单元芯片烧掉的问题，提供了一种车用的电子控制单元散热的控制方法。

为解决上述技术问题，本发明是采用如下技术方案实现的：所述的车用电子控制单元散热控制方法包括如下步骤：

1.确定车用电子控制单元中额定功率≥50mW的大功率元器件、额定功率≥50mw的大功率元器件的热阻及额定功率≥50mw的大功率元器件允许的最高工作温度。

2.仿真分析额定功率≥50mW的大功率元器件的电流变化情况，测得主要驱动模块驱动负载两端的电流。

3.计算各个额定功率≥50mw的大功率元器件的功耗和平均功耗。

4.确定车用电子控制单元中PCB板的层叠结构、材料、布线、含铜率及散热方式并确定车用电子控制单元工作时的外界条件。

所述车用的电子控制单元工作时的外界条件包括工作温度、风速、是否有散热装置，散热装置与电子控制单元的相对位置关系。

5.建立车用电子控制单元的热仿真模型求解计算车用电子控制单元的最高工作温度及其整体温度分布情况。

6.根据热仿真模型计算结果设计车用电子控制单元的散热方式降低其工作时的温度。

技术方案中所述的确定车用电子控制单元中额定功率≥50mw的大功率元器件、额定功率≥50mw的大功率元器件的热阻及额定功率≥50mw的大功率元器件允许的最高工作温度包括如下步骤：

1.确定车用电子控制单元中PCB板上额定功率≥50mw的大功率元器件，并由额定功率≥50mw的大功率元器件供应商那获得额定功率≥50mw的大功率元器件封装类型以及额定功率≥50mw的大功率元器件的热阻，包括结到壳体和结到底板的热阻。

2.对于车用的电子控制单元内大部分电阻，由于流过的电流非常小，将其简化成覆在PCB板上的功耗。

3.确定车用的电子控制单元壳体与PCB板接触部分导热胶的厚度及导热系数。

4.额定功率≥50mw的大功率元器件的额定最大功耗由额定最大工作电压和额定最大工作电流的乘积得到。

技术方案中所述的仿真分析额定功率≥50mw的大功率元器件的电流变化情况，测得主要驱动模块驱动负载两端的电流包括如下步骤：

1.采用驱动仿真试验电路验证额定功率≥50mw的大功率元器件的大电流驱动电路的可行性。

2.驱动模块电路试制完成后，通过试验测得负载两端电流在一个周期内的变化情况。

技术方案中所述的计算各个额定功率≥50mw的大功率元器件的功耗和平均功耗包括如下步骤：

1.功率MOSFET管上消耗的功率和平均功耗计算，

2.功率二极管上消耗的功率和平均功耗计算。

技术方案中所述的功率MOSFET管上消耗的功率和平均功耗计算包括如下步骤：

按照电路定律，功率MOSFET管消耗的瞬态功率可以从输入输出的电压差乘以电流计算得出来；

1.以一定喷油脉宽的单次喷油为例，功率MOSFET管上消耗的功率为

$P_M=P_{\mathrm{resistive}}+P_{\mathrm{switching}}={\∫}_0^{t}E\left(t\right)\mathrm{dt}={\∫}_0^t\mathrm{\ΔU}\left(t\right)*I\left(t\right)\mathrm{dt}$

式中：P_resistive为导通损耗，P_switching为开关损耗，E(t)为功率MOSFET管消耗的瞬态功率，ΔU(t)为功率MOSFET管漏源极间的瞬态电压差，I(t)为通过功率MOSFET管的瞬态电流，t为功率MOSFET管的结束工作时刻。

2.处于开关状态的功率MOSFET管，其功耗受导通电阻和开关状态时的瞬态特征的影响，对导通损耗和开关损耗分别进行分析计算，其中导通损耗为

$P_{\mathrm{resistive}}={\∫}_0^t{I}^2\left(t\right)*R_{\mathrm{RDSON}}\mathrm{dt}=R_{\mathrm{RDSON}}*{\∫}_0^t{I}^2\left(t\right)\mathrm{dt}$

式中：R_RDSON为功率MOSFET管的导通电阻；

其开关损耗为

P_switching＝P_M-P_resistive＝n*P_{M_swithing}(V，I)

式中：n为在喷油脉冲内开关的次数，P_{M_swithing}(V，I)为单次开关过程消耗的能量。

功率MOSFET管单次开关过程的损耗为

$P_{M\_\mathrm{swithing}}(V,I)=V^{2}I\frac{C_{\mathrm{RSS}}}{I_{\mathrm{GATE}}}$

式中：V为功率MOSFET管关闭时的驱动电压，I为MOSFET管完全打开时的驱动电流，C_RSS为功率MOSFET管反相传输电容，I_GATE为充电电流。

功率MOSFET管上平均功耗为

$\stackrel{\‾}{P_M}=P_M/t$

式中，为功率MOSFET管的平均功耗。

技术方案中所述的功率二极管上消耗的功率和平均功耗计算包括如下步骤：

1.功率二极管采用快速恢复二极管，开关的瞬间存在剧烈的电压、电流波动，但是由于其节间电容很小，因此可以忽略开关损耗。

2.在一定温度下二极管的导通压降为常值，功率损耗为

$P_D={\∫}_0^t\mathrm{\ΔU}*I\left(t\right)\mathrm{dt}=\mathrm{\ΔU}*{\∫}_0^{t}I\left(t\right)\mathrm{dt}=\mathrm{\ΔU}*\stackrel{\‾}{I}*t$

式中：ΔU为功率二极管的正向导通压降，I(t)为通过二极管的瞬态电流，

为通过功率二极管的平均有效电流。

功率二极管的平均功耗为：

$\stackrel{\‾}{P_D}=P_D/t$

式中，为共阴极二极管的平均功耗。

技术方案中所述的建立车用电子控制单元的热仿真模型是指包括额定功率≥50mw的大功率元器件功耗、热阻、电子控制单元中PCB板的层叠结构、材料、含铜率、散热方式及车用电子控制单元工作时的外界条件在内的热仿真模型，热仿真模型采用的软件是ANSYS、ICEPAK或FLOTHERM。

技术方案中所述的设计车用电子控制单元的散热方式降低其工作时的温度是指：

1.改变车用电子控制单元中PCB板上额定功率≥50mw的大功率元器件的布局，改变PCB板上额定功率≥50mw的大功率元器件的布局包括额定功率≥50mw的大功率元器件的位置与在额定功率≥50mw的大功率元器件的下面增加热过孔。

2.改变车用电子控制单元中壳体的结构，即在壳体上增加散热肋或/和增加冷却管道。

3.车用电子控制单元试制完成后进行的试验和仿真试验优化结果相协调达到降低车用电子控制单元的工作温度。

与现有技术相比本发明的有益效果是：

1.采用本发明所述的车用电子控制单元散热的控制方法在设计车用电子控制单元过程中对主要的驱动电路进行仿真验证，保证了所设计的车用电子控制单元能够准确实现其功能。

2.采用本发明所述的车用电子控制单元散热的控制方法对额定功率≥50mw的大功率元器件的功耗采用计算公式进行计算分析，使得对额定功率≥50mw的大功率元器件的功耗、平均功耗的计算更加准确。

3.采用本发明所述的车用电子控制单元散热的控制方法对车用电子控制单元进行热仿真分析，使车用电子控制单元在设计初期就对其散热进行了控制，缩短了车用电子控制单元的开发周期。

4.车用电子控制单元设计完成后通过对试制完成后的电子控制单元进行温度试验的方式对其散热设计进行验证，进一步完善了车用电子控制单元的散热控制。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

图1是本发明所述的车用的电子控制单元散热控制方法的流程框图；

图2是某一电控柴油机的电子控制单元(ECU)壳体内PCB板上额定功率≥50mw的大功率元器件分布情况示意框图；

图3是本发明所述的车用的电子控制单元散热控制方法中所采用的针对某一电控柴油机的电子控制单元的驱动仿真试验电路图；

图4是本发明所述的车用的电子控制单元散热控制方法中所采用针对某一电控柴油机的电子控制单元的驱动仿真试验电路得到额定功率≥50mw的大功率元器件的驱动电流仿真试验曲线；

图5是本发明所述的车用的电子控制单元散热控制方法中所采用的驱动仿真试验电路驱动负载时负载两端电流实际变化图；

图6是采用本发明所述的车用的电子控制单元散热控制方法对车用的电子控制单元进行热仿真监控二极管D2的温度变化图；

图7是对试制成功的车用电子控制单元试验测得的二极管D2实际工作时温度变化图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细的描述：

本发明所述的车用的电子控制单元散热控制方法在不依赖外界条件的基础上，通过改变车用的电子控制单元的壳体结构和车用的电子控制单元内PCB(印刷电路板)板上额定功率≥50mw的大功率元器件的布局，尽可能地改善车用的电子控制单元的散热方式。也可以说，本发明所述的车用的电子控制单元散热控制方法是一种通过软件仿真试验和样品试验相结合的设计控制方法。首先对车用的电子控制单元工作时的额定功率≥50mw的大功率元器件功耗进行分析计算，并通过建立仿真模型模拟车用的电子控制单元工作时的额定功率≥50mw的大功率元器件的温度变化情况，根据温度情况提供合适的散热方式，尽可能的降低车用电子控制单元温度，车用电子控制单元试制完成后进行样品试验，对用软件仿真的结果进行验证，通过修正模型最终设计出合理的散热方式。车用的电子控制单元散热控制方法的步骤如下：

1.确定车用的电子控制单元中额定功率≥50mw的大功率元器件、额定功率≥50mw的大功率元器件的热阻及额定功率≥50mw的大功率元器件允许的最高工作温度

参阅图2，图中是某一电控柴油机的电子控制单元壳体内PCB板上额定功率≥50mw的大功率元器件分布情况的示意图。首先要确定PCB板上额定功率≥50mw的大功率元器件，并获知其封装类型以及额定功率≥50mw的大功率元器件的热阻(包括结到壳和结到底板的热阻)，具体的数值由元器件产品供应商那获得。额定功率≥50mw的大功率元器件的额定最大功耗由额定最大工作电压和额定最大工作电流乘积得到。对于车用的电子控制单元内大部分电阻，由于流过的电流非常小，可将其简化成覆在PCB板上的功耗。PCB板的厚度、层数、每层含铜率、是否有热过孔等散热方式，具体的参数由电子工程师那获得。还要确定车用的电子控制单元壳体与PCB板的接触部分导热胶的厚度及导热系数等。

2.仿真分析额定功率≥50mw的大功率元器件的电流变化情况，测得主要驱动模块驱动负载两端的电流

参阅图3与图4，对电子控制单元(ECU)设计之前，某些额定功率≥50mw的大功率元器件的大电流驱动电路首先要通过软件仿真试验来验证其可行性，图中是本发明所述的车用电子控制单元散热控制方法中所采用的针对某一电控柴油机电子控制单元(ECU)的驱动仿真试验电路，从图中可以看出，在整个驱动电路中电流分为两个阶段：电流迅速提升阶段和电流保持阶段。在电流迅速提升阶段，驱动电流从电源(+48V)经过MOSFET管(金属氧化物半导体场效应晶体管)M1、二极管D1到电磁阀(等效为理想电感L和理想电阻R1)驱动电磁阀升程，剩余能量经MOSFET管M3后经过电容C1蓄能。在保持阶段，驱动电流从电池(+24V)经共阴极二极管D2到电磁阀(等效为理想电感L和理想电阻R1)驱动电磁阀喷油，剩余能量经MOSFET管M3后经过电容C1蓄能，在喷射结束后，C1能量通过控制放电进行循环使用。二极管D2在MOSFET管M2关闭时起续流作用。二极管D3则在MOSFET管M3关闭时起续流作用。由于在喷油期间有大电流通过喷油嘴中的电感线线圈，当喷油停止时，电流迅速消失，电感线圈会产生反向电压，如果不及时放电会对电路产生损坏。二极管回路保护为反向电压提供了放电回路。在额定功率≥50mw的大功率元器件的大电流驱动电路中，产生功耗的元器件主要包括功率管、二极管、电磁阀、电阻和电容。驱动仿真试验电路设计完成后，通过驱动仿真试验电路获得电流在一个周期内的变化情况，驱动仿真试验的结果如图4所示，由驱动仿真试验的结果可知，额定功率≥50mw的大功率元器件在一个周期内并不是一直在工作，而有的额定功率≥50mw的大功率元器件大部分时间并不工作，而额定功率≥50mw的大功率元器件工作时也并不是一直处于导通状态，所以其功耗不能简单的通过电压与电流的乘积获得，而需要更为详细的计算。

3.计算各个额定功率≥50mw的大功率元器件的功耗和平均功耗

本步骤就是根据各个额定功率≥50mw的大功率元器件散热的计算公式，计算各个额定功率≥50mw的大功率元器件的功耗并计算一段时间内各个额定功率≥50mw的大功率元器件工作的平均功耗。

参阅图4、5，由于采用仿真试验电路试验所得出的曲线并不能完全真实的反映各个额定功率≥50mw的大功率元器件电流变化情况，仿真试验只能验证所设计的驱动电路的可行性。仿真试验完成后，对某些关键的大电流驱动电路还要进行试制，试制完成后，用有源电流钳测得驱动电路负载两端的电流，图5是测得的某一单体泵驱动电磁阀两端的驱动电流，根据测得的驱动电流，并根据仿真试验的额定功率≥50mw的大功率元器件电流变化情况，就可以计算整个驱动电路在一个时间周期内的功耗。各个额定功率≥50mw的大功率元器件的平均功耗指的是在一个工作周期内各个额定功率≥50mw的大功率元器件产生的总(功耗)热量与工作时间的比值。如图所示，负载两端最大驱动电流为14A，电流从零上升到最大电流的时间为0.3ms；峰值电流12A，峰值时间0.6ms，下降时间0.1ms；保持电流8A，保持时间2.1ms；续流时间为0.1ms。功耗计算根据以下公式。

1)功率MOSFET管上消耗的功率计算如下：

由于功率MOSFET管不属于蓄能元件，其工作在开关过程中，消耗的电能全部转化为热能，中间不涉及其他能量的转换。按照电路定律，功率MOSFET管消耗的瞬态功率可以从输入输出的电压差乘以电流计算得出来。

(1)以一定喷油脉宽的单次喷油为例，功率MOSFET管上消耗的功率为

$P_M=P_{\mathrm{resistive}}+P_{\mathrm{switching}}={\∫}_0^{t}E\left(t\right)\mathrm{dt}={\∫}_0^t\mathrm{\ΔU}\left(t\right)*I\left(t\right)\mathrm{dt}---(1-1)$

式中：P_resistive为导通损耗，P_switching为开关损耗，E(t)为功率MOSFET管消耗的瞬态功率，ΔU(t)为功率MOSFET管漏源极间的瞬态电压差，I(t)为通过功率MOSFET管的瞬态电流，t为功率MOSFET管的结束工作时刻。

(2)处于开关状态的功率MOSFET管，其功耗受导通电阻和开关状态时的瞬态特征的影响。开关的开通和关断过程伴随着电压和电流的剧烈变化，因此产生较大的开关损耗。开关损耗的大小在很多情况下占了器件总功率损耗相当大比重，甚至是主要部分，尤其是当器件处于高频工作情形下。为了找出影响功率MOSFET管功耗的因素，对导通损耗和开关损耗分别进行仿真分析计算，其中导通损耗为

$P_{\mathrm{resistive}}={\∫}_0^t{I}^2\left(t\right)*R_{\mathrm{RDSON}}\mathrm{dt}=R_{\mathrm{RDSON}}*{\∫}_0^t{I}^2\left(t\right)\mathrm{dt}---(1-2)$

式中：R_RDSON为功率MOSFET管的导通电阻；其开关损耗为

$P_{\mathrm{switching}}=P_M-P_{\mathrm{resistive}}=n*P_{M\_\mathrm{swithing}}(V,I)---(1-3)$

式中：n为在喷油脉冲内开关的次数；P_{M_swithing}(V，I)为单次开关过程消耗的能量。根据文献，功率MOSFET管单次开关过程的损耗可以估算得出

$P_{M\_\mathrm{swithing}}(V,I)=V^{2}I\frac{C_{\mathrm{RSS}}}{I_{\mathrm{GATE}}}---(1-4)$

式中：V为功率MOSFET管关闭时的驱动电压；I为MOSFET管完全打开时的驱动电流；C_RSS为功率MOSFET管反相传输电容；I_GATE为充电电流。

在一个周期内，功率MOSFET管M1、M3的仅开关一次，可以不考虑其开关损耗，而功率MOSFET管M2开关较为频繁，故需要考虑其开关损耗，各个功率MOSFET的功耗：

$P_{M1}={\∫}_0^t{I}^2\left(t\right)*R_{\mathrm{RDSON}}\mathrm{dt}=R_{\mathrm{RDSON}}*{\∫}_0^t{I}^2\left(t\right)\mathrm{dt}=0.686\mathrm{mJ}$

$P_{M2}=P_{\mathrm{resistive}}+P_{\mathrm{switching}}=\frac{1}{2}{R}_{\mathrm{RDSON}}*I^2(t2+t4)+n*V^{2}I\frac{C_{\mathrm{RSS}}}{I_{\mathrm{GATE}}}$

$=2.8704+0.3=3.1704\mathrm{mJ}$

$P_{M3}={\∫}_0^t{I}^2\left(t\right)*R_{\mathrm{RDSON}}\mathrm{dt}=$

$R_{\mathrm{RDSON}}*[{\∫}_0^{t1}{I}^2\left(t\right)\mathrm{dt}+{\∫}_1^{t2}{I}^2\left(t\right)\mathrm{dt}+{\∫}_2^{t3}{I}^2\left(t\right)\mathrm{dt}+{\∫}_3^{t4}{I}^2\left(t\right)\mathrm{dt}]$

$=0.5096+2.2464+0.0138+3.4944=6.2642\mathrm{mJ}$

各功率MOSFET管的平均功耗为：

${\stackrel{\‾}{P}}_{M1}=P_{M1}/(t*2)=0.686/(3.1*2)=110.65\mathrm{mW}$

${\stackrel{\‾}{P}}_{M2}=P_{M2}/(t*2)=3.1704/(3.1*2)=511.35\mathrm{mW}$

${\stackrel{\‾}{P}}_{M3}=P_{M3}/(t*2)=6.2642/(3.1*6)=336.78\mathrm{mW}$

式中：

为功率MOSFET管M1、功率MOSFET管M2、功率MOSFET管M3各自的平均功耗。

2)功率二极管上消耗的功率计算如下：

功率二极管一般采用快速恢复二极管，其开关速度很快，再开关的瞬间也存在剧烈的电压、电流波动，但是由于其节间电容很小，因此可以忽略开关损耗，在一定温度下，二极管的导通压降为常值，损耗为：

$P_D={\∫}_0^t\mathrm{\ΔU}*I\left(t\right)\mathrm{dt}=\mathrm{\ΔU}*{\∫}_0^{t}I\left(t\right)\mathrm{dt}=\mathrm{\ΔU}*\stackrel{\‾}{I}*t---(1-5)$

式中：ΔU为功率二极管的正向导通压降；I(t)为通过二极管的瞬态电流；

为通过功率二极管的平均有效电流。

功率二极管的功耗为：

$P_D=\mathrm{\ΔU}*\stackrel{\‾}{I}=\mathrm{\Δ}{U}_1*\stackrel{\‾}{I_1}{t}_1+\mathrm{\Δ}{U}_3*\stackrel{\‾}{I_3}=10.2+8.4=18.6\mathrm{mJ}$

功率二极管的平均功耗为：

$\stackrel{\‾}{P_D}=P_D/t=18.6/(3.1*2*2)=1.5W$

式中，

为共阴极二极管的平均功耗。

将通过计算得到的各个额定功率≥50mw的大功率元器件上消耗的功率和/或平均功耗添加到所建立的车用的电子控制单元的热仿真模型中。

4.确定车用的电子控制单元中PCB板的层叠结构、材料、布线、含铜率及热过孔等散热方式并确定车用电子控制单元工作时的外界条件

确定电子控制单元中PCB板的层叠结构、材料、布线、含铜率及热过孔等散热方式；确定车用的电子控制单元的固定位置，根据位置确定车用的电子控制单元工作时的外界条件。所述车用的电子控制单元工作时的外界条件包括：工作温度、风速、是否有散热装置，散热装置与电子控制单元的相对位置关系。最高工作温度即是指电子控制单元内各元器件工作时温度最大值。

5.建立车用的电子控制单元的热仿真模型求解计算车用电子控制单元的最高工作温度及车用电子控制单元整体温度分布情况

所述建立车用的电子控制单元的热仿真模型是指包括各元器件(指所有的元器件即也包括额定功率≤50mw的元器件)的功耗、热阻、电子控制单元中PCB板的层叠结构、材料、含铜率、热过孔等散热方式及电子控制单元工作时的外界条件在内的热仿真模型。热仿真模型采用的软件是ANSYS、ICEPAK或FLOTHERM。

参阅图6至图7，热仿真模型建立完成后，要对其设定边界条件，边界条件要能真实反映车用的电子控制单元的实际工作环境，一般车用的电子控制单元安装在发动机舱内，所以其环境非常复杂，因为有一个轴流风扇进行冷却，汽车行驶过程中风冷也不可忽略。不能用单一的环境进行模拟。本方法考虑汽车起步时(只有轴流风扇起作用)和正常行驶过程中(自然风冷却和轴流风扇同时起作用)车用的电子控制单元的温度变化情况，仿真模拟车用的电子控制单元在风速分别为0m/s、0.5m/s、1m/s、2m/s、10m/s、20m/s、30m/s、40m/s时车用的电子控制单元温度变化情况。图6是对二极管D2温度进行监控得出的温度变化图，从图中曲线可以看出温度最高的温升是否满足设计要求。当不满足设计要求时可以通过改变PCB板上元器件布局，加热过孔或者改变车用的电子控制单元壳体形状的方式对其进行优化，模型修改后再进行仿真试验，直至优化结果满足车用的电子控制单元对温度的需求。当车用的电子控制单元工作一段时间后温度曲线变化趋于稳定，达到热平衡状态。图7是对试制成功的车用的电子控制单元进行温度试验，温度试验按GB2423.2-89进行，对某点进行监控得到的温度变化曲线。与仿真的结果进行比较发现，软件仿真得到的元器件达到热平衡后时的温度与通过试验得到的元器件温度相差不超过2℃，说明仿真得到的结果能很好的反应车用的电子控制单元工作的实际情况。

6.根据热仿真模型计算结果设计车用的电子控制单元的散热方式降低车用电子控制单元工作时的温度

就是说根据热仿真模型计算结果，对车用的电子控制单元的散热方式进行设计，所述的车用的电子控制单元散热方式的设计是指改变车用的电子控制单元中PCB板上的元器件布局和车用的电子控制单元的壳体结构。所述改变壳体的结构是：壳体上增加散热肋、增加冷却管道等；PCB板上元器件的布局改变包括各元器件的位置、各元器件下面增加热过孔等。对优化设计后的车用的电子控制单元进行样品试制，再对试制成功的样品进行温度试验。即通过样品温度试验来验证仿真优化结果，仿真试验与样品温度试验协调优化降低车用的电子控制单元的工作温度并达到设计要求。

具体实施车用的电子控制单元散热方式优化时要注意以下几点：

1.车用的电子控制单元散热方式的优化要考虑不同封装时元器件的温度，相同元器件不同封装时温度相差很大。

2.元器件位置优化时，不仅仅要考虑元器件的温度，还应考虑元器件位置布置的合理性以及电磁干扰等，这方面的优化要与电子工程师协调解决。

3.车用的电子控制单元的壳体优化时，加散热肋应考虑加工的方便性；设计其他的散热方式时，要根据车用的电子控制单元工作环境的实际情况进行，这方面的优化要与机械工程师协调解决。

Claims (7)

1.一种车用电子控制单元散热控制方法，其特征在于，所述的车用电子控制单元散热控制方法包括如下步骤：

1)确定车用电子控制单元中额定功率≥50mW的大功率元器件、额定功率≥50mW的大功率元器件的热阻及额定功率≥50mW的大功率元器件允许的最高工作温度；

2)仿真分析额定功率≥50mW的大功率元器件的电流变化情况，测得主要驱动模块驱动负载两端的电流；

3)计算各个额定功率≥50mW的大功率元器件的功耗和平均功耗；

4)确定车用电子控制单元中PCB板的层叠结构、材料、布线、含铜率及散热方式并确定车用电子控制单元工作时的外界条件；

所述车用电子控制单元工作时的外界条件包括工作温度、风速、是否有散热装置，散热装置与电子控制单元的相对位置关系；

5)建立车用电子控制单元的热仿真模型求解计算车用电子控制单元的最高工作温度及其整体温度分布情况；

6)根据热仿真模型计算结果设计车用电子控制单元的散热方式降低其工作时的温度。

2.按照权利要求1所述的车用电子控制单元散热控制方法，其特征在于，所述的确定车用电子控制单元中额定功率≥50mW的大功率元器件、额定功率≥50mW的大功率元器件的热阻及额定功率≥50mW的大功率元器件允许的最高工作温度包括如下步骤：

1)确定车用电子控制单元中PCB板上额定功率≥50mW的大功率元器件，并由额定功率≥50mW的大功率元器件供应商那获得额定功率≥50mW的大功率元器件封装类型以及额定功率≥50mW的大功率元器件的热阻，包括结到壳体和结到底板的热阻；

2)对于车用电子控制单元内大部分电阻，由于流过的电流非常小，将其简化成覆在PCB板上的功耗；

3)确定车用电子控制单元壳体与PCB板接触部分导热胶的厚度及导热系数；

4)额定功率≥50mW的大功率元器件的额定最大功耗由额定最大工作电压和额定最大工作电流的乘积得到。

3.按照权利要求1所述的车用电子控制单元散热控制方法，其特征在于，所述的仿真分析额定功率≥50mW的大功率元器件的电流变化情况，测得主要驱动模块驱动负载两端的电流包括如下步骤：

1)采用驱动仿真试验电路验证额定功率≥50mW的大功率元器件的大电流驱动电路的可行性； 

2)所述的大电流驱动电路试制完成后，通过试验测得负载两端电流在一个周期内的变化情况。

4.按照权利要求1所述的车用电子控制单元散热控制方法，其特征在于，所述的计算各个额定功率≥50mW的大功率元器件的功耗和平均功耗包括如下步骤：

1)功率MOSFET管上消耗的功率和平均功耗计算；

2)功率二极管上消耗的功率和平均功耗计算。

5.按照权利要求4所述的车用电子控制单元散热控制方法，其特征在于，所述的功率二极管上消耗的功率和平均功耗计算包括如下步骤：

1)功率二极管采用快速恢复二极管，开关的瞬间存在剧烈的电压、电流波动，但是由于其节间电容很小，因此可以忽略开关损耗；

2)在一定温度下二极管的导通压降为常值，功率损耗为

式中：ΔU为功率二极管的正向导通压降，I(t)为通过二极管的瞬态电流， 为通过功率二极管的平均有效电流；

功率二极管的平均功耗为：

式中， 

为共阴极二极管的平均功耗。

6.按照权利要求1所述的车用电子控制单元散热控制方法，其特征在于，所述的建立车用电子控制单元的热仿真模型包括额定功率≥50mW的大功率元器件的功耗、额定功率≥50mW的大功率元器件的热阻、电子控制单元中PCB板的层叠结构、电子控制单元中PCB板的材料、电子控制单元中PCB板的含铜率、电子控制单元中PCB板的散热方式及车用电子控制单元工作时的外界条件。

7.按照权利要求1所述的车用电子控制单元散热控制方法，其特征在于，所述的设计车用电子控制单元的散热方式降低其工作时的温度是指：

1)改变车用电子控制单元中PCB板上额定功率≥50mW的大功率元器件的布局，改变PCB板上额定功率≥50mW的大功率元器件的布局包括改变额定功率≥50mW的大功率元器件的位置与在额定功率≥50mW的大功率元器件的下面增加热过孔；

2)改变车用电子控制单元中壳体的结构，即在壳体上增加散热肋或/和增加冷却管道；

3)车用电子控制单元试制完成后进行的试验和仿真试验优化结果相协调达 到降低车用电子控制单元的工作温度。 

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