CN202935424U - 电动助力转向系统中电子控制单元的散热结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种电动助力转向系统中电子控制单元的散热结构，电子控制单元的电源电路、传感器输入电路、信号处理电路、对外通信电路和预驱动电路设置在PCB电路板上，全桥电路设置在铝基板上，铝基板固定在电子控制单元的金属壳体中，其上布置有铜合金跳线，PCB电路板位于铝基板上方并固定在金属壳体上，铜合金跳线与PCB电路板焊接在一起。本实用新型中小电流电路与大电流电路分两块板层叠放置，减小了ECU的体积，不但降低了小电流电路受大电流电路发热的影响，保证小电流电路的温度稳定，而且大电流电路产生的热量可以通过铝基板和导热胶快速传递出去，显著降低了温升，提高了ECU的可靠性，同时可以降低全桥电路低频段的辐射强度。

Description

电动助力转向系统中电子控制单元的散热结构

技术领域

本实用新型与电动助力转向系统有关，尤其涉及一种电动助力转向系统中电子控制单元的散热结构。

背景技术

电动助力转向系统包括电动助力装置和转向装置，如图1所示，其中电动助力装置包括扭矩/转角传感器1、车速传感器2、电子控制单元3（即ECU）、电机4以及减速机构5，转向装置包括转向盘6、转向轴7、转向器8、转向横拉杆9和转向轮10。扭矩/转角传感器1的信号与车速传感器2的信号输入到电子控制单元3（ECU）中，根据预先设置在ECU内的控制算法，ECU控制电机4输出相应的助力力矩帮助驾驶员完成转向。电动助力转向系统是汽车关键的安全部件，为了保证驾驶的安全性，对各个部件本身的可靠性要求非常严格，其中ECU是一个极其重要的部分。如图2所示，ECU通常包括信号处理电路、对外通信电路、传感器输入电路、电源电路、预驱动电路和全桥电路，其中全桥电路包括6个MOSFET13。

目前，电动助力转向系统对ECU的驱动能力要求越来越高，过去驱动峰值电流达到30-40安培即可满足助力需求，而现在驱动峰值电流甚至达到120安培才能满足客户的助力需求。驱动电流较小的时候，驱动电流都是通过PCB电路板传输的，此时发热较低，温升不会导致全桥电路中的MOSFET损坏，并且对周围的电子元件影响也较小，因此对ECU内部的散热要求较低，FR-4（环氧玻璃布层压板）制作的PCB电路板的玻化温度通常在150度左右，使用这种电路板就可以满足要求。然而，随着驱动电流的不断增大，驱动电流在PCB电路板上的走线必须加宽加厚，导致PCB电路板的面积增大，这与目前要求的小型化相悖，更重要的是驱动电流增大导致发热量急剧升高，在极限驱动电流的情况下，各种元器件和PCB电路板工作在高温环境中，会降低元器件的使用寿命，甚至可能导致元器件损坏，而且还可能导致PCB电路板发生翘曲现象。

除此之外，电动助力转向系统的全桥电路通常由频率为18-20KHz的PWM信号控制，三相电压波形同样也为PWM信号，ECU对外的辐射多数由全桥电路产生，因此对全桥电路的信号处理与放置位置一直是EMC（电磁兼容性）设计的重点，通常采用的办法是增加各种滤波电路，降低PWM信号上升沿与下降沿的斜率等办法。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种电动助力转向系统中电子控制单元的散热结构，可以解决大驱动电流发热导致的PCB翘曲现象，减少对元器件的过温损坏，延长元器件的使用寿命。

为解决上述技术问题，本实用新型提供的电动助力转向系统中电子控制单元的散热结构，所述电子控制单元包括电源电路、传感器输入电路、信号处理电路、对外通信电路、预驱动电路和全桥电路，所述电源电路、传感器输入电路、信号处理电路、对外通信电路和预驱动电路设置在PCB电路板上，全桥电路设置在铝基板上，所述铝基板固定在电子控制单元的金属壳体中，其上布置有铜合金跳线，所述PCB电路板位于铝基板上方并固定在金属壳体上，铜合金跳线与PCB电路板焊接在一起。

其中，所述金属壳体包括金属底座和金属上盖，所述铝基板和PCB电路板固定在金属底座内并纵向层叠固定。优选的，所述铝基板与金属底座之间涂有导热胶。

较佳的，所述铜合金跳线固定在由耐高温材料制成的跳线架上，所述跳线架通过支脚固定在铝基板上。

在上述结构中，所述金属壳体内安装有接插件。

本实用新型中小电流的电路与大电流的电路分两块板布置且层叠放置，减小了ECU的体积，满足安装空间的要求，不但降低了小电流电路受大电流电路发热的影响，保证小电流电路的温度稳定，而且大电流电路产生的热量可以通过铝基板和导热胶快速传递出去，显著降低了温升，提高了ECU的可靠性。此外，产生对外辐射的全桥电路包围在ECU的金属壳体中，可以降低低频段的辐射强度。

附图说明

图1是电动助力转向系统的示意图；

图2是电动助力转向系统中电子控制单元的内部组成示意图；

图3是电子控制单元中全桥电路的示意图；

图4是本实用新型中电子控制单元的全桥电路安装示意图；

图5是本实用新型中电子控制单元的散热结构的示意图。

其中附图标记说明如下：

1扭矩/转角传感器            2车速传感器

3电子控制单元               4电机

5减速结构                   6转向盘

7转向轴                     8转向器

9转向横拉杆                 10转向轮

11铝基板                    12铜合金跳线

13全桥电路的MOSFET          14金属底座

15PCB电路板                 16金属上盖

17接插件

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

本实用新型提供一种电动助力转向系统中电子控制单元的散热结构，其中电子控制单元包括电源电路、传感器输入电路、信号处理电路、对外通信电路、预驱动电路和全桥电路，如图5所示，在散热结构中，电源电路、传感器输入电路、信号处理电路、对外通信电路和预驱动电路中的信号均为小电流信号，发热量很少，都设置在PCB电路板15上，全桥电路中主要为大电流，发热量很高且较为集中，故设置在铝基板11上。由于铝基板11具有较高的热传导系数，可以将全桥电路产生的热量快速传导出去。所述铝基板11通过螺钉固定在电子控制单元金属壳体的金属底座14中，如图4所示，铝基板11上布置有铜合金跳线12，PCB电路板15位于铝基板11上方并通过螺钉固定在金属底座14上，铜合金跳线12与PCB电路板15焊接在一起，全桥电路通过铜合金跳线12与位于PCB电路板15上的ECU其余电路连接。铝基板11与PCB电路板15的表面铜皮有合理的绝缘强度，不会导致短路。金属壳体内安装有接插件17，金属底座14由金属上盖16封闭。

如图4所示，由于铜合金跳线12较多，其相对位置难以控制，因此用耐高温材料的跳线架将其固定在一起设计成接插件的形式，跳线架具有2个支脚可插入铝基板11中，以便在回流焊前固定铜合金跳线12，避免焊接后位移。

该电子控制单元装配时，先在ECU的金属底座14上均匀涂覆导热胶，其次用镙钉将装配好元器件（全桥电路及铜合金跳线12）的铝基板11固定至金属底座14上，接着将装配好元器件（电源电路、传感器输入电路、信号处理电路、对外通信电路和预驱动电路）的PCB电路板15对应铜合金跳线12装入并用镙钉固定，如图5所示，再次通过选择性波峰焊将铜合金跳线12与PCB电路板15焊接在一起，最后装入接插件并封上金属上盖16。

本实用新型的设计原理如下面公式所示：

$P=\frac{t_1-t_2}{\frac{b}{\mathrm{\λs}}}$

式中，t1-t2为热传导面两端的温度差，P为发热功率，b为热传导长度，s为热传导面积，λ为热传导系数。

由上述公式可见，当发热功率一定时，热传导面积和热传导系数越高，热传导长度越小，热传导面两端的温差就越小。很明显，铝基板加大了热传导面积，铝基板本身和导热胶的热传导系数远高于使用FR-4为原材料的PCB电路板，铝基板安装至ECU内部，减少了热传导至底座的长度，因此本实用新型将大电流的全桥电路与小电流的其余电路分开，单独设置在铝基板上可以很好地满足了产品的散热要求，并且减少了对其余元器件的影响，延长了其余元器件的使用寿命。

本实用新型中小电流的电路与大电流的电路分两块板布置且层叠放置，减小了ECU的体积，满足安装空间的要求，不但降低了小电流电路受大电流电路发热的影响，保证小电流电路的温度稳定，而且大电流电路产生的热量可以通过铝基板和导热胶快速传递出去，显著降低了温升，提高了ECU的可靠性。此外，产生对外辐射的全桥电路包围在ECU的金属壳体中，并位于金属底座较深的位置，同时该全桥电路上方覆盖有PCB电路板，可以较好地降低低频段的辐射强度。

以上通过具体实施例对本实用新型进行了详细的说明，该实施例仅仅是本实用新型的较佳实施例，其并非对本实用新型进行限制。在不脱离本实用新型原理的情况下，本领域的技术人员对散热结构的组成及设置等做出的等效置换和改进，均应视为在本实用新型所保护的技术范畴内。

Claims (4)

1.一种电动助力转向系统中电子控制单元的散热结构，所述电子控制单元包括电源电路、传感器输入电路、信号处理电路、对外通信电路、预驱动电路和全桥电路，其特征在于，所述电源电路、传感器输入电路、信号处理电路、对外通信电路和预驱动电路设置在PCB电路板上，全桥电路设置在铝基板上，所述铝基板固定在电子控制单元的金属壳体中，其上布置有铜合金跳线，所述PCB电路板位于铝基板上方并固定在金属壳体上，铜合金跳线与PCB电路板焊接在一起。

2.根据权利要求1所述的电动助力转向系统中电子控制单元的散热结构，其特征在，所述金属壳体包括金属底座和金属上盖，所述铝基板和PCB电路板固定在金属底座内并纵向层叠固定。

3.根据权利要求2所述的电动助力转向系统中电子控制单元的散热结构，其特征在于，所述铝基板与金属底座之间涂有导热胶。

4.根据权利要求1所述的电动助力转向系统中电子控制单元的散热结构，其特征在于，所述铜合金跳线固定在由耐高温材料制成的跳线架上，所述跳线架通过支脚固定在铝基板上。

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