DE102017218896A1

DE102017218896A1 - Control unit for an electric power steering device and steering system

Info

Publication number: DE102017218896A1
Application number: DE102017218896.0A
Authority: DE
Inventors: Oliver FAIX
Original assignee: ThyssenKrupp AG; ThyssenKrupp Presta AG
Current assignee: ThyssenKrupp AG; ThyssenKrupp Presta AG
Priority date: 2017-10-23
Filing date: 2017-10-23
Publication date: 2019-04-25
Anticipated expiration: 2037-10-24
Also published as: DE102017218896B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Steuereinheit (3) für eine elektrische Lenkkraftunterstützungsvorrichtung, umfassend eine elektronische Schaltung (34) mit zumindest einem elektronischen Bauteil (35), welches thermisch angebunden ist an einen Kühlkörper (4). Um eine elektronische Steuereinheit mit einem verbesserten Wärmemanagement anzugeben, insbesondere mit einer verbesserten Wärmeableitung von den thermisch belasteten Bauteilen bei Lastspitzen, schlägt die Erfindung vor, dass der Kühlkörper (4) einen Latentwärmespeicher mit Phasenwechselmaterial (PCM) aufweist.

The present invention relates to a control unit (3) for an electric power steering device, comprising an electronic circuit (34) having at least one electronic component (35), which is thermally connected to a heat sink (4). In order to provide an electronic control unit with improved heat management, in particular with improved heat dissipation from the thermally loaded components at peak loads, the invention proposes that the heat sink (4) has a latent heat storage with phase change material (PCM).

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung betrifft eine Steuereinheit für eine elektrische Lenkkraftunterstützungsvorrichtung, umfassend eine elektronische Schaltung mit zumindest einem elektronischen Bauteil, welches thermisch angebunden ist an einen Kühlkörper. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Lenksystem für ein Kraftfahrzeug mit einer derartigen Steuereinheit.The invention relates to a control unit for an electric power steering device, comprising an electronic circuit with at least one electronic component, which is thermally connected to a heat sink. Furthermore, the invention relates to a steering system for a motor vehicle with such a control unit.

Hilfskraftunterstützte Lenksysteme von Kraftfahrzeugen erleichtern die Lenkarbeit dadurch, dass in Abhängigkeit von dem manuellen Lenkmoment, welches vom Fahrer als Lenkbefehl über das Lenkrad in die Lenkwelle eingebracht wird, von einer Lenkkraftunterstützungsvorrichtung ein zusätzliches Hilfsdrehmoment eingekoppelt wird. In einer elektrischen Hilfskraftlenkung wird das manuelle Lenkmoment von einem Drehmomentsensor erfasst und als elektrische Messgröße in eine Steuereinheit eingespeist. In der Steuereinheit wird anhand dessen das erforderliche Hilfsdrehmoment bestimmt, und entsprechend ein Elektromotor einer elektromotorischen Stelleinrichtung angesteuert. Über ein geeignetes Getriebe wird das von dem Elektromotor erzeugte Hilfsdrehmoment in die Lenkwelle, über das Lenkritzel oder in die Zahnstange des Lenkgetriebes eingekoppelt.Power assisted steering systems of motor vehicles facilitate the steering work by an additional auxiliary torque is coupled in response to the manual steering torque, which is introduced by the driver as a steering command via the steering wheel in the steering shaft, from a power steering device. In an electric power steering system, the manual steering torque is detected by a torque sensor and fed as electrical measurement in a control unit. In the control unit, the required auxiliary torque is determined based on this, and driven according to an electric motor of an electromotive actuator. Via a suitable transmission, the auxiliary torque generated by the electric motor is coupled into the steering shaft, via the steering pinion or into the rack of the steering gear.

Die Steuereinheit, die auch als ECU (electronic control unit) bezeichnet wird, weist leistungsfähige elektronische Bauteile auf, wie beispielsweise mikroprozessor-gestützte integrierte Halbleiter-Logikschaltkreise (CPU, Mikrocontroller) zur Echtzeit-Verarbeitung von Mess- und Steuersignalen, integrierte und diskrete Bauelemente zur Energieversorgungssteuerung, Treiberstufen und Leistungs-Halbleiterschalter (MOS-FET, IGBT, etc.) zur Stromversorgung des oder der elektrischen Motoren, Motorrelais und dergleichen auf. Die elektrische Schaltung ist üblicherweise staub- und feuchtigkeitsgeschützt in einem Gehäuse untergebracht.The control unit, also known as ECU (electronic control unit), has powerful electronic components, such as microprocessor-based semiconductor integrated logic circuits (CPU, microcontroller) for real-time processing of measurement and control signals, integrated and discrete components Power supply control, driver stages and power semiconductor switches (MOS-FET, IGBT, etc.) for powering the electric motor or motors, motor relay and the like. The electrical circuit is usually dust and moisture protected housed in a housing.

Im Betrieb fällt an den elektronischen Bauelementen unvermeidlich Verlustwärme an, und zwar umso mehr, je höher die Schaltfrequenz und die verarbeiteten Motorströme sind. Die Verlustwärme muss abgeführt werden muss, um eine Überhitzung der Bauteile über eine maximal zulässige Bauteiltemperatur zu vermeiden, was ansonsten zu einer fortschreitenden Degradation oder Zerstörung der Halbleiterbauteile führen würde.In operation, loss of heat inevitably occurs at the electronic components, and more so the higher the switching frequency and the processed motor currents. The heat loss must be dissipated in order to avoid overheating of the components over a maximum allowable component temperature, which would otherwise lead to a progressive degradation or destruction of the semiconductor devices.

Im Stand der Technik ist es aus der DE 10 2006 010 357 A1 bekannt, die tatsächliche Bauteiltemperatur zu messen, und die Schaltzeiten der elektronischen Bauteile an die jeweilige Betriebssituation anzupassen. Auf diese Weise kann die anfallende Verlustwärme begrenzt werden, und eine kritische Erwärmung vermieden werden. Nachteilig daran ist, dass durch die Änderung der Verarbeitungsgeschwindigkeit oder der Motorströme eine Beeinträchtigung der Lenkkraftunterstützung auftreten kann.In the prior art it is from the DE 10 2006 010 357 A1 It is known to measure the actual component temperature and to adapt the switching times of the electronic components to the respective operating situation. In this way, the accumulated heat loss can be limited, and a critical heating can be avoided. The disadvantage of this is that by changing the processing speed or the motor currents impairment of power steering can occur.

In dem vorgenannten Stand der Technik erfolgt die Wärmeableitung über einen Kühlkörper in Form eines Metallblocks, der thermisch mit den Bauteilen gekoppelt ist, und seinerseits die von den Bauteilen aufgenommene Wärme an die Umgebung der Steuereinheit abgibt. In einer prinzipiell gleichartigen thermischen Anordnung kann das Steuergerät am Elektromotor angebracht sein, so dass die Verlustwärme über das dann als Kühlkörper dienende Motorgehäuse abgeführt werden kann. Nachteilig ist jedoch, dass sich der bekannte Kühlkörper insbesondere beim Auftreten von Lastspitzen in Fahrsituationen mit intensiver Lenkunterstützung bis über die kritische Temperatur erwärmen kann. Um dem zu begegnen und eine langsamere Erwärmung zu erreichen, ist es zwar denkbar, die thermische Masse bzw. die Wärmekapazität durch eine größere Kühlkörpermasse zu erhöhen, was jedoch wegen der damit verbundenen Gewichtsvergrößerung und des vergrößerten erforderlichen Bauraums inakzeptabel ist. Die anfallende Verlustwärme könnte teilweise auch durch Verwendung besonders verlustarmer Bauteile verringert werden, was jedoch aufwendig und kostenintensiv wäre.In the aforementioned prior art, the heat dissipation via a heat sink in the form of a metal block, which is thermally coupled to the components, and in turn emits the heat absorbed by the components to the environment of the control unit. In a basically similar thermal arrangement, the control unit may be mounted on the electric motor, so that the heat loss can be dissipated via the then serving as a heat sink motor housing. The disadvantage, however, is that the known heat sink can heat up to above the critical temperature, especially when load peaks occur in driving situations with intensive steering assistance. To counter this and to achieve a slower heating, it is conceivable to increase the thermal mass or the heat capacity by a larger heat sink mass, but this is unacceptable because of the associated weight increase and the increased space required. The accumulated heat loss could be partially reduced by using particularly low-loss components, but this would be costly and expensive.

Angesichts der vorangehend erläuterten Problematik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektronische Steuereinheit mit einem verbesserten Wärmemanagement anzugeben, insbesondere mit einer verbesserten Wärmeableitung von den thermisch belasteten Bauteilen bei Lastspitzen.In view of the above-explained problem, it is an object of the present invention to provide an electronic control unit with improved thermal management, in particular with improved heat dissipation from the thermally stressed components at peak loads.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Steuereinheit gemäß Anspruch 1 und ein Lenksystem gemäß Anspruch 10 mit einer derartigen Steuereinheit. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.This object is achieved by a control unit according to claim 1 and a steering system according to claim 10 with such a control unit. Advantageous developments emerge from the subclaims.

Zur Lösung der vorgenannten Problematik wird eine Steuereinheit für eine elektrische Lenkkraftunterstützungsvorrichtung vorgeschlagen, umfassend eine elektronische Schaltung mit zumindest einem elektronischen Bauteil, welches thermisch angebunden ist an einen Kühlkörper, der einen Latentwärmespeicher mit Phasenwechselmaterial aufweist.To solve the above problem, a control unit for an electric power steering device is proposed, comprising an electronic circuit with at least one electronic component, which is thermally connected to a heat sink having a latent heat storage with phase change material.

Ein Phasenwechselmaterial oder phasenveränderliches Material, kurz PCM (phase change material), ist ein Material, welches beim Überschreiten einer Phasenübergangstemperatur, auch kurz als Übergangstemperatur bezeichnet, einen Phasenübergang, d.h. einen Wechsel des Aggregatzustands durchläuft. In einem relativ kleinen Temperaturbereich um die Übergangstemperatur kann ein Phasenwechselmaterial eine relativ große Wärmemenge aufnehmen, welche einen Phasenübergang beispielweise vom festen in den flüssigen Zustand bewirkt. Bis die Umwandlung vollständig erfolgt ist, bleibt die Temperatur des PCM im Wesentlichen konstant.A phase change material or phase change material, short PCM (Phase change material), is a material which when crossing a phase transition temperature, also referred to as transient temperature for short, a phase transition, ie a change in the state of matter passes. In a relatively small temperature range around the transition temperature, a phase change material can absorb a relatively large amount of heat, which causes a phase transition, for example, from the solid to the liquid state. Until the conversion is complete, the temperature of the PCM essentially constant.

Erfindungsgemäß wird die nichtlineare Eigenschaft von PCM, eine relativ große Wärmemenge latent, also ohne signifikante Erwärmung, aufnehmen zu können, dazu genutzt, die bei Lastspitzen in den Bauteilen der Steuereinheit impulsartig anfallenden Wärmemengen effizient im Bereich der Übergangstemperatur aufzunehmen. Dadurch, dass die Übergangstemperatur unterhalb der kritischen Bauteiltemperatur liegt, wird eine thermische Pufferung realisiert, und eine Überhitzung der Bauteile sicher verhindert.According to the invention, the nonlinear property of PCM To accommodate a relatively large amount of heat latent, that is, without significant heating, used to efficiently absorb the heat generated at peak loads in the components of the control unit impulsive amounts of heat in the transition temperature. The fact that the transition temperature is below the critical component temperature, a thermal buffering is realized, and reliably prevents overheating of the components.

Das PCM bildet einen Latentwärmespeicher, welcher derart in den Kühlkörper integriert ist, dass ein möglichst geringer Wärmeübergangwiderstand zu den zu kühlenden Bauteilen realisiert wird. Dadurch können bei hoher Belastung steil ansteigende Wärmemengen im dem PCM gespeichert werden, und potentiell schädliche Temperaturspitzen an den Bauteilen können sicher vermieden werden, wodurch die Funktionssicherheit und Lebensdauer der Steuereinheit erhöht wird.The PCM forms a latent heat storage, which is integrated into the heat sink in such a way that the lowest possible heat transfer resistance to the components to be cooled is realized. As a result, at high load steeply increasing amounts of heat in the PCM can be stored, and potentially harmful temperature peaks on the components can be safely avoided, whereby the reliability and life of the control unit is increased.

Ein Vorteil der Erfindung ist, dass ein Latentwärmespeicher verglichen mit einem konventionellen Kühlkörper, beispielsweise aus Metall, im Bereich der Phasenübergangstemperatur eine um Größenordnungen höhere Wärmekapazität hat. Entsprechend kann ein Latentwärmespeicher bei verbesserten Kühleigenschaften kleiner und leichter ausgestaltet werden. Dies kommt insbesondere dem erfindungsgemäßen Einsatz in einer Lenkungs-Steuereinheit zugute, bei dem wenig Bauraum zur Verfügung steht, und das Gewicht möglichst gering sein muss.An advantage of the invention is that a latent heat storage compared to a conventional heat sink, for example of metal, in the region of the phase transition temperature has a orders of magnitude higher heat capacity. Accordingly, a latent heat storage can be made smaller and lighter with improved cooling properties. This is particularly beneficial for the use according to the invention in a steering control unit, in which little space is available, and the weight must be as low as possible.

Die Phasenübergangstemperatur des Phasenwechselmaterials liegt vorzugsweise über der maximalen spezifizierten Umgebungstemperatur der Steuereinheit und unter der maximal zulässigen Bauteiltemperatur des elektronischen Bauteils. Dadurch wird sichergestellt, dass von den Bauteilen Verlustwärme in den Latentwärmespeicher abgegeben wird, und eine kritische Erwärmung über die maximal zulässige Bauteiltemperatur vermieden wird. Dadurch, dass die Phasenübergangstemperatur kleiner ist als die maximal zulässige Umgebungstemperatur der Steuereinheit, kann der Latentwärmespeicher unter zulässigen Betriebsbedingungen keine Wärme aus der Umgebung von außen aufnehmen. Dadurch wirkt der Latentwärmespeicher nicht nur als thermischer Puffer bei Lastspitzen, sondern auch zusätzlich als wirksame thermische Isolierung der Bauteile.The phase transition temperature of the phase change material is preferably above the maximum specified ambient temperature of the control unit and below the maximum allowable component temperature of the electronic component. This ensures that heat dissipated by the components in the latent heat storage, and a critical heating over the maximum allowable component temperature is avoided. Due to the fact that the phase transition temperature is smaller than the maximum permissible ambient temperature of the control unit, the latent heat accumulator can not absorb heat from the outside under admissible operating conditions. As a result, the latent heat storage acts not only as a thermal buffer at peak loads, but also as an effective thermal insulation of the components.

Die Phasenübergangstemperatur kann zwischen 60°C und 200°C liegen, bevorzugt zwischen 85°C und 150 °C.The phase transition temperature may be between 60 ° C and 200 ° C, preferably between 85 ° C and 150 ° C.

Als Phasenwechselmaterial können Salze, Salzhydrate oder organische Verbindungen eingesetzt werden beispielsweise Natriumacetat, Paraffin oder Fettsäuren.Salts, salt hydrates or organic compounds can be used as the phase change material, for example sodium acetate, paraffin or fatty acids.

Die Wärmekapazität des Latentwärmespeichers wird bevorzugt größer vorgegeben, als die innerhalb eines vorgegebenen Zeitraums an dem mindestens einen elektronischen Bauteil beziehungsweise an allen vorhandenen elektronischen Bauteilen im Mittel anfallende gesamte Gesamt-Verlust-Wärmemenge. In dem vorgegebenen Zeitraum kann beispielsweise eine empirisch ermittelte Anzahl von Spitzenlast-Ereignissen zugrunde gelegt werden, bei denen jeweils eine Spitzenlast-Verlust-Wärmemenge freigesetzt wird, welche durch die maximal zulässige Belastung der Bauteile begrenzt wird. Die Dimensionierung der Wärmekapazität des Latentwärmespeichers kann bestimmt werden aus der Summe der Spitzenlast-Verlust-Wärmemengen, zuzüglich einer zusätzlichen Sicherheitsreserve von beispielsweise zwischen 50% und 150% der errechneten Summe. Dadurch kann sichergestellt werden, dass die bei typischen Fahrsituationen anfallenden Wärmemengen im Bereich der Phasenübergangstemperatur des PCM gespeichert werden, und die Schaltung der Steuereinheit thermisch im unkritischen Betriebsbereich bleibt.The heat capacity of the latent heat accumulator is preferably set greater than the total total heat loss amount accumulating on the at least one electronic component or on all existing electronic components within a predetermined period of time. In the given period, for example, an empirically determined number of peak load events can be taken as a basis, in each case a peak load-loss amount of heat is released, which is limited by the maximum permissible load of the components. The dimensioning of the heat capacity of the latent heat storage can be determined from the sum of the peak load-loss heat amounts, plus an additional safety margin of, for example, between 50% and 150% of the calculated sum. This ensures that the heat generated in typical driving situations is in the range of the phase transition temperature of the PCM are stored, and the circuit of the control unit thermally remains in the non-critical operating range.

Vorzugsweise ist in dem Latentwärmespeicher das Phasenwechselmaterial (PCM) verkapselt oder mikroverkapselt angeordnet. Bei Erwärmung über die Phasenübergangstemperatur oder Umwandlungstemperatur gehen erfindungsgemäß einsetzbare PCM vom festen in den flüssigen Zustand über, so dass sie in einem geschlossenen Raum des Kühlkörpers unterbracht werden müssen. Hierzu kann der Kühlkörper eine oder mehrere Kammern oder Kapseln aufweisen, die mit PCM gefüllt und hermetisch verschlossen werden. Alternativ oder zusätzlich kann das PCM in einer Vielzahl von Mikrokapseln eingeschlossen werden, beispielsweise in hohlen Kunststoff-Mikrokügelchen. Der Kühlkörper kann aus einem Verbundwerkstoff ausgebildet sein, der die Mikrokapseln aufweist. Dadurch kann mit geringem Aufwand eine flexible Formgebung des Kühlkörpers zur Anpassung und optimierten Bauraumnutzung in einer Steuereinheit gewährleistet werden.Preferably, in the latent heat storage, the phase change material ( PCM ) encapsulated or microencapsulated. When heated above the phase transition temperature or transition temperature, usable according to the invention PCM from the solid to the liquid state, so that they must be placed in a closed space of the heat sink. For this purpose, the heat sink can have one or more chambers or capsules with PCM filled and hermetically sealed. Alternatively or additionally, the PCM in a variety of microcapsules, for example in hollow plastic microspheres. The heat sink may be formed of a composite material having the microcapsules. As a result, a flexible shaping of the heat sink for adaptation and optimized use of space in a control unit can be ensured with little effort.

Der Latentwärmespeicher ist, vorzugsweise mit geringen Wärmeübergangswiderstand, thermisch an ein elektronisches Bauteil oder an eine mindestens ein Bauteil tragende Tragstruktur angekoppelt. Wie dies von konventionellen Kühlkörpern im Prinzip bekannt ist, kann der Latentwärmespeicher in direktem Kontakt mit einem oder mehreren Bauteilen stehen, die in der Regel eigens zur Wärmeabgabe bestimmte Außenflächen haben, die mechanisch mit dem Kühlkörper verbunden werden. Alternativ oder zusätzlich kann eine Tragstruktur wie eine Platine oder Leiterplatte, welche mehrere Bauteile mechanisch fixiert und zugleich über Leiterbahnen elektrisch miteinander verbindet, thermisch mit dem Latentwärmespeicher verbunden sein. Dadurch können die Bauteile über ihre mit der Platine oder Leiterplatte verbundenen Anschlussdrähte Verlustwärme an den Kühlkörper abführen.The latent heat accumulator is, preferably with low heat transfer resistance, thermally coupled to an electronic component or to a support structure carrying at least one component. As is known in principle from conventional heat sinks, the latent heat accumulator can be in direct contact with one or more components, which usually have specific outer surfaces for heat dissipation, which are mechanically connected to the heat sink. Alternatively or additionally, a support structure such as a circuit board or printed circuit board, which mechanically fixes a plurality of components and at the same time electrically interconnects via conductor tracks, may be thermally connected to the latent heat accumulator. As a result, the components can dissipate heat loss to the heat sink via their connecting wires connected to the circuit board or circuit board.

Es kann vorgesehen sein, dass der Latentwärmespeicher thermisch an ein Wärmeübertragungselement angekoppelt ist. Das Wärmeübertragungselement kann beispielsweise ein Wärmeleitkörper sein, beispielsweise ein metallischer Körper oder ein Wärmerohr (engl.: heat pipe), welcher den Wärmetransport vom Bauelement zum Latentwärmespeicher ermöglicht, und/oder die Wärmeabgabe vom Latentwärmespeicher in die äußere Umgebung des Steuergeräts. Dadurch ist es einfach möglich, den Kühlkörper unabhängig von den Bauteilen zu platzieren und eine bessere Raumausnutzung zu ermöglichen. Das Wärmeübertragungselement kann ebenfalls einen Wärmetauscher aufweisen, beispielsweise einen Konvektions- oder Strahlungskühler zur Wärmeabgabe an die Umgebungsluft, etwa Kühlrippen oder dergleichen, oder einen Flüssigkeitskühler, wie etwa einem Öl- oder Wasserkühler, der in einen Kühlkreislauf des Kraftfahrzeugs eingebunden ist.It can be provided that the latent heat accumulator is thermally coupled to a heat transfer element. The heat transfer element can be, for example, a heat-conducting body, for example a metallic body or a heat pipe, which allows the heat transfer from the component to the latent heat storage, and / or the heat transfer from the latent heat storage in the outer environment of the control unit. This makes it easy to place the heat sink independently of the components and to allow better space utilization. The heat transfer element may also have a heat exchanger, for example a convection or radiant cooler for heat dissipation to the ambient air, such as cooling fins or the like, or a liquid cooler, such as an oil or water cooler, which is integrated into a cooling circuit of the motor vehicle.

Es ist darüber hinaus denkbar und möglich, dass der Latentwärmespeicher an eine aktive Kühlvorrichtung angekoppelt ist. Eine aktive Kühlvorrichtung bewirkt durch Energiezufuhr einen erzwungenen Wärmetransport, so dass gespeicherte Verlustwärme auch bei hohen Außentemperaturen von dem Latentwärmespeicher nach außen an die Umgebung abgegeben werden kann. Beispielsweise kann ein Peltier-Element oder dergleichen eingesetzt werden, welches unter extremen Bedingungen bedarfsweise zugeschaltet wird, um den Latentwärmespeicher thermisch zu entleeren, d.h. zumindest teilweise unter die Phasenübergangstemperatur zu kühlen.It is also conceivable and possible that the latent heat storage is coupled to an active cooling device. An active cooling device causes by energy supply a forced heat transfer, so that stored heat loss can be discharged even at high outside temperatures of the latent heat storage to the outside to the environment. For example, a Peltier element or the like can be used, which is switched on under extreme conditions, if necessary, to thermally empty the latent heat storage, i. at least partially cool below the phase transition temperature.

Bevorzugt ist die elektronische Schaltung in einem Gehäuse angeordnet, und der Latentwärmespeicher ist in dem Gehäuse angeordnet und/oder mit dem Gehäuse verbunden. In dem Gehäuse ist die elektronische Schaltung der Steuereinheit gegen schädliche, funktionsbeeinträchtigende Umwelteinflüsse staub- und feuchtigkeitsgeschützt untergebracht. Der erfindungsgemäße Latentwärmespeicher kann zusammen mit der Schaltung in dem Gehäuse eingeschlossen sein, so dass die bei Lastspitzen anfallende Verlustwärme innerhalb der Steuereinheit latent zwischengespeichert wird, und durch das Gehäuse nach außen an die Umgebung abgeführt wird. Alternativ oder zusätzlich kann der Latentwärmespeicher außen an dem Gehäuse angebracht sein.Preferably, the electronic circuit is arranged in a housing, and the latent heat accumulator is arranged in the housing and / or connected to the housing. In the housing, the electronic circuit of the control unit is housed dust and moisture protected against harmful, detrimental environmental influences. The latent heat storage device according to the invention can be enclosed in the housing together with the circuit, so that the heat loss arising at peak loads is stored latently within the control unit, and is discharged through the housing to the outside to the environment. Alternatively or additionally, the latent heat accumulator may be attached to the outside of the housing.

Die Erfindung umfasst weiterhin ein Lenksystem für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine Lenkkraftunterstützungsvorrichtung mit zumindest einem Elektromotor, der an eine Steuereinheit angeschlossen ist, die eine elektronische Schaltung mit zumindest einem elektronischen Bauteil aufweist, welches thermisch an einen Kühlkörper angebunden ist, der einen Latentwärmespeicher mit Phasenwechselmaterial aufweist.The invention further comprises a steering system for a motor vehicle, comprising a steering force support device with at least one electric motor, which is connected to a control unit having an electronic circuit with at least one electronic component, which is thermally connected to a heat sink having a latent heat storage with phase change material ,

Die Steuereinheit kann wie vorangehend beschrieben ausgestaltet sein, wobei die einzelnen beschriebenen Merkmale in beliebigen Kombinationen realisiert sein können. Der Einsatz eines Latentwärmespeichers zur Kühlung von Bauteilen einer elektrischen Lenkung in einem Kraftfahrzeug ist besonders vorteilhaft, da wenig Bauraum zur Verfügung steht, in dem Leistungshalbleiter und mikroprozessorgestützte Logikschaltkreise eng benachbart angeordnet sind, so dass eine effektive Wärmeableitung für eine problemlose Funktion wesentlich ist. Durch den Einsatz von Phasenwechselmaterial (PCM) kann der Zielkonflikt zwischen kleiner Bauweise, geringem Gewicht und hoher elektrischer Leistungsdichte gelöst werden.The control unit can be designed as described above, wherein the individual described features can be realized in any combination. The use of a latent heat accumulator for cooling components of an electric steering system in a motor vehicle is particularly advantageous because there is little space available, are closely adjacent power semiconductors and microprocessor-based logic circuits, so that an effective heat dissipation for easy operation is essential. Through the use of phase change material ( PCM ), the conflict of objectives between small size, low weight and high electrical power density can be solved.

Figurenlistelist of figures

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Im Einzelnen zeigen:

1 ein Lenksystem für ein Kraftfahrzeug,
2 eine perspektivische Außenansicht einer Steuereinheit,
3 die Steuereinheit gemäß 2 in geöffnetem Zustand und ohne Gehäuse,
4 einen Längsschnitt A-A durch die Steuereinheit gemäß 2 und 3,
5 eine Seitenansicht der elektrischen Schaltung der Steuereinheit gemäß 2 bis 4,
6 eine schematische Seitenansicht einer Schaltung in einer ersten Ausführungsform,
7 eine schematische Seitenansicht einer Schaltung wie in 6 in einer zweiten Ausführungsform,
8 eine schematische Seitenansicht einer Schaltung wie in 6 in einer dritten Ausführungsform,
9 eine schematische Ansicht einer Steuereinheit in einer alternativen Ausführungsform.

Advantageous embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to the drawings. In detail show:

1 a steering system for a motor vehicle,
2 an external perspective view of a control unit,
3 the control unit according to 2 in open condition and without housing,
4 a longitudinal section AA by the control unit according to 2 and 3 .
5 a side view of the electrical circuit of the control unit according to 2 to 4 .
6 a schematic side view of a circuit in a first embodiment,
7 a schematic side view of a circuit as in 6 in a second embodiment,
8th a schematic side view of a circuit as in 6 in a third embodiment,
9 a schematic view of a control unit in an alternative embodiment.

Ausführungsformen der Erfindung Embodiments of the invention

In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.In the various figures, the same parts are always provided with the same reference numerals and are therefore usually named or mentioned only once in each case.

1 zeigt eine schematische perspektivische Darstellung eines Lenksystems 1 für ein nicht dargestelltes Kraftfahrzeug. In eine Lenkwelle 10 kann vom Fahrer über ein Lenkrad 11 zur Eingabe von Lenkbefehlen ein manuelles Lenkmoment eingebracht werden. Über eine mi der Lenkwelle 10 gelenkig gekuppelte Zwischenwelle 12 wird das Lenkmoment auf ein Lenkritzel 13 übertragen, welches mit einer Zahnstange 14 kämmt, die dann ihrerseits über entsprechende Spurstangen 15 den vorgegebenen Lenkwinkel auf die lenkbaren Räder 16 des Kraftfahrzeugs überträgt. Zusammen mit der Zahnstange 14 bildet das Lenkritzel 13 ein Lenkgetriebe, welches ein hier nicht dargestelltes Gehäuse aufweist, in dem das Lenkritzel 13 drehbar und die Zahnstange 14 zur Übertragung der Lenkbewegungen längsverschieblich gelagert ist, was mit dem Doppelpfeil angedeutet ist. 1 shows a schematic perspective view of a steering system 1 for a motor vehicle, not shown. In a steering shaft 10 can by the driver via a steering wheel 11 to enter steering commands a manual steering torque can be introduced. About a mi of the steering shaft 10 articulated coupled intermediate shaft 12 is the steering torque on a steering pinion 13 Transferring with a rack 14 combs, which in turn on corresponding tie rods 15 the predetermined steering angle on the steerable wheels 16 of the motor vehicle transmits. Together with the rack 14 forms the steering pinion 13 a steering gear, which has a housing, not shown here, in which the steering pinion 13 rotatable and the rack 14 for the transmission of the steering movements is mounted longitudinally displaceable, which is indicated by the double arrow.

Eine elektrische Lenkkraftunterstützung kann in Form einer Hilfskraftunterstützungsvorrichtung 20, alternativ auch einer Hilfskraftunterstützung 21 beziehungsweise 22, entweder mit der Lenkwelle 10, dem Lenkritzel 13 beziehungsweise der Zahnstange 14 gekoppelt sein. Die jeweilige Hilfskraftunterstützungsvorrichtung 20, 21 oder 22 trägt ein Hilfsdrehmoment in die Lenkwelle 10, das Lenkritzel 13 und/oder eine Hilfskraft in die Zahnstange 14 ein, wodurch der Fahrer bei der Lenkarbeit unterstützt wird. Die drei unterschiedlichen in der 1 dargestellten Hilfskraftunterstützungsvorrichtungen 20, 21 oder 22 zeigen alternative Positionen für deren Anordnung. Üblicherweise ist nur eine einzige der gezeigten Positionen mit einer Hilfskraftunterstützungsvorrichtung belegt. Das Hilfsdrehmoment oder die Hilfskraft, welches bzw. welche zur Unterstützung des Fahrers mittels der jeweiligen Hilfskraftunterstützungsvorrichtung 20, 21 oder 22 aufgebracht werden soll, wird unter Berücksichtigung des von einem elektrischen Drehmomentsensor 17 ermittelten Eingangsdrehmoments bestimmt, der beispielsweise wie dargestellt in der Hilfskraftunterstützungsvorrichtung 20 angeordnet sein kann, oder alternativ in der Hilfskraftunterstützungsvorrichtung 21 oder 22, oder an anderer Stelle im Verlauf der Lenkwelle 10.Electric power steering assistance may take the form of a power assistance device 20 , alternatively an auxiliary power assistance 21 respectively 22 , either with the steering shaft 10 , the steering pinion 13 or the rack 14 be coupled. The respective power assist device 20 . 21 or 22 carries an auxiliary torque in the steering shaft 10 , the steering pinion 13 and / or an assistant in the rack 14 a, whereby the driver is assisted in the steering work. The three different in the 1 shown auxiliary power assistance devices 20 . 21 or 22 show alternative positions for their arrangement. Usually, only a single one of the positions shown is occupied by a power assist device. The auxiliary torque or the auxiliary power, which is to assist the driver by means of the respective power assist device 20 . 21 or 22 is to be applied, taking into account that of an electric torque sensor 17 determined input torque, for example, as shown in the power assist device 20 may be arranged, or alternatively in the power assist device 21 or 22 , or elsewhere in the course of the steering shaft 10 ,

Eine Hilfskraftunterstützungsvorrichtung 20, 21, oder 22 weist einen hier nicht dargestellten Elektromotor auf, der über eine elektrische Steuerleitung 23 an eine Steuereinheit 3 angeschlossen ist, die in 1 schematisch angedeutet ist. Der Drehmomentsensor 17 kann über eine Steuerleitung 24 ebenfalls an die Steuereinheit 3 angeschlossen sein.A power assist device 20 . 21 , or 22 has an electric motor, not shown here, via an electrical control line 23 to a control unit 3 is connected in 1 is indicated schematically. The torque sensor 17 can via a control line 24 also to the control unit 3 be connected.

Die Steuereinheit 3 ist in den 2, 3, 4 und 5 in verschiedenen Ansichten gezeigt.The control unit 3 is in the 2 . 3 . 4 and 5 shown in different views.

Wie der perspektivischen Außenansicht der 2 entnehmbar ist, weist die Steuereinheit 3 ein Gehäuse 31 auf, welches durch einen Gehäusedeckel 32 staub- und feuchtigkeitsdicht verschlossen ist. Zur Verbindung mit dem elektrischen Bordnetz und zum Anschluss der Steuerleitungen 23 und 24 sind elektrische Steckverbinder 33 abgedichtet durch das Gehäuse 31 nach außen hindurchgeführt.As the perspective outside view of the 2 is removable, the control unit 3 a housing 31 on, which by a housing cover 32 dust and moisture-proof is closed. For connection to the electrical system and for connecting the control cables 23 and 24 are electrical connectors 33 sealed by the housing 31 passed outwards.

In der Darstellung von 3 ist das Gehäuse 31 entfernt und gibt einen Blick frei auf eine elektrische Schaltung 34. Diese umfasst eine Mehrzahl von elektrischen Bauteilen 35, beispielsweise Leistungs-Halbleiter wie MOS-FETs oder IGBTs, und integrierten Logikschaltkreisen wie beispielsweise Mikrocontroller sowie Kondensatoren. Die Bauteile 35 sind auf einer Tragstruktur in Form einer Leiterplatte 36, auch als Platine bezeichnet, mechanisch fixiert und elektrisch miteinander verschaltet.In the presentation of 3 is the case 31 removed and gives a view on an electrical circuit 34 , This comprises a plurality of electrical components 35 For example, power semiconductors such as MOS-FETs or IGBTs, and integrated logic circuits such as microcontrollers and capacitors. The components 35 are on a support structure in the form of a printed circuit board 36 , also referred to as a board, mechanically fixed and electrically interconnected.

Ein Kühlkörper 4 ist in thermischem Kontakt mit zumindest einem oder einer Teil der Bauteile 35 angeordnet. Hierzu kann der Kühlkörper 4 in direktem, möglichst flächigem mechanischen Kontakt mit geringem Wärmeübergangswiderstand an den Bauteilen 35 montiert sein. Die in den jeweiligen Bauteilen 35 im Betrieb anfallende Verlustwärme fließt dadurch direkt in den Kühlkörper 4.A heat sink 4 is in thermal contact with at least one or a part of the components 35 arranged. For this purpose, the heat sink 4 in direct, as extensive as possible mechanical contact with low heat transfer resistance to the components 35 be mounted. The in the respective components 35 During operation, waste heat flows directly into the heat sink 4 ,

Der Kühlkörper 4, wie beispielsweise in 3 dargestellt, kann so angeordnet und bemessen sein, dass er in dem in 2 gezeigten geschlossenen Zustand von innen in thermischem Kontakt mit dem Gehäuse 31 und/oder dem Gehäusedeckel 32 steht. Dadurch kann Wärme von dem Kühlkörper 4 aus der Steuereinheit 3 nach außen abgeleitet werden.The heat sink 4 , such as in 3 can be arranged and dimensioned to be in the in 2 shown closed state from the inside in thermal contact with the housing 31 and / or the housing cover 32 stands. This can heat from the heat sink 4 from the control unit 3 be derived to the outside.

Der Kühlkörper 4 weist zumindest einen Latentwärmespeicher mit Phasenwechselmaterial (PCM) auf. Das PCM kann beispielsweise so ausgewählt werden, dass es bei Raumtemperatur bis zur maximal zulässigen Umgebungstemperatur fest ist, aber bei einer Erwärmung über eine PCM-spezifische Phasenübergangstemperatur noch vor Erreichen der maximal zulässigen Bauteiltemperatur der Bauteile 35 in den flüssigen Zustand übergeht.The heat sink 4 has at least one latent heat store with phase change material ( PCM ) on. The PCM For example, it may be selected to be solid at room temperature to the maximum allowable ambient temperature, but when heated above one PCM -specific phase transition temperature before reaching the maximum permissible component temperature of the components 35 goes into the liquid state.

Das PCM kann in dem Kühlkörper 4 in einer oder mehreren Kammern eingeschlossen sein. Alternativ kann der Kühlkörper 4 ganz oder teilweise aus PCM-gefüllten, miteinander verbundenen Mikrokapseln gebildet sein, oder ganz oder abschnittweise aus mit Mikrokapseln gefülltem Verbundmaterial bestehen.The PCM can in the heat sink 4 be enclosed in one or more chambers. Alternatively, the heat sink 4 in whole or in part PCM be formed filled, interconnected microcapsules, or consist entirely or in sections of microcapsules filled composite material.

Die Wärmekapazität des Latentwärmespeichers wird vorzugsweise so vorgegeben, dass die innerhalb eines bestimmten Zeitintervalls in den Bauteilen 35 durch Lastspitzen freigesetzten Wärmemengen in dem PCM gespeichert werden können. Die in dem Kühlkörper 4 gespeicherte Wärmemenge kann in der gezeigten Ausführung über das Gehäuse 31, 32 nach außen abgegeben werden.The heat capacity of the latent heat storage is preferably set so that the within a certain time interval in the components 35 heat loads released by peak loads in the PCM can be stored. The in the heat sink 4 stored amount of heat can in the embodiment shown on the housing 31 . 32 be discharged to the outside.

6, 7 und 8 zeigen alternative Anbringungsmöglichkeiten des Kühlkörpers 4. Dabei ist schematisch angedeutet, wie das PCM kann in dem Kühlkörper 4 in einer oder mehreren Kammern eingeschlossen sein kann, oder in einer Vielzahl von Mikrokapseln. 6 . 7 and 8th show alternative mounting options of the heat sink 4 , It is schematically indicated how the PCM can in the heat sink 4 may be enclosed in one or more chambers, or in a variety of microcapsules.

In der Anordnung von 7 steht der Kühlkörper 4 im direkten mechanischen und thermischen Kontakt mit den Bauteilen 35.In the arrangement of 7 is the heat sink 4 in direct mechanical and thermal contact with the components 35 ,

In 6 ist der Kühlkörper bezüglich der Bauteile 35 auf der Rückseite der Leiterplatte 36 angeordnet. Die Kühlung der Bauteile 35 erfolgt über ihre elektrischen Anschlussdrähte, die üblicherweise mit den Leiterbahnen der Leiterplatte 36 verbunden sind.In 6 is the heat sink with respect to the components 35 on the back of the circuit board 36 arranged. The cooling of the components 35 takes place via its electrical connection wires, which are usually connected to the conductor tracks of the printed circuit board 36 are connected.

Die Anordnungen der 6 und 7 können gegebenenfalls miteinander kombiniert werden, um die Bauteile 35 direkt und gleichzeitig über die Leiterplatte 36 zu kühlen.The arrangements of 6 and 7 may optionally be combined with each other to make the components 35 directly and simultaneously via the PCB 36 to cool.

Die Anordnung von 8 entspricht im Wesentlichen der Anordnung von 7, wobei im Unterschied dazu der Kühlkörper 4 mit dem Latentwärmespeicher mit Abstand zu den Bauteilen 35 angeordnet ist, wobei die Wärmeübertragung zum Kühlkörper 4 über ein thermisch mit den Bauteilen 35 verbundenes Wärmeübertragungselement 41 erfolgt, beispielsweise einen metallischen Wärmeleiter, oder auch ein bezüglich der Wärmeübertragung besonders effizientes Wärmerohr (heat pipe).The arrangement of 8th corresponds essentially to the arrangement of 7 , in contrast to the heat sink 4 with the latent heat storage with distance to the components 35 is arranged, wherein the heat transfer to the heat sink 4 over a thermally with the components 35 connected heat transfer element 41 takes place, for example, a metallic heat conductor, or even with respect to the heat transfer particularly efficient heat pipe (heat pipe).

9 zeigt eine weitere mögliche Alternative, bei der die Bauelemente 35 über ein Wärmeübertragungselement 41 thermisch mit dem Gehäuse 31 gekoppelt sind. An dem Gehäuse 31 ist innen ein erfindungsgemäßer Kühlkörper 4 mit einem PCM aufweisenden Latentwärmespeicher thermisch gut leitend angekoppelt. Dadurch dient das Gehäuse 31 als Wärmeübertragungselement und Kühlkörper. 9 shows another possible alternative in which the components 35 via a heat transfer element 41 thermally with the housing 31 are coupled. On the case 31 inside is a heat sink according to the invention 4 with a PCM having latent heat storage coupled thermally well conductive. This serves the housing 31 as a heat transfer element and heat sink.

Um eine gute Wärmeableitung nach außen zu ermöglichen, kann das Gehäuse 31 und/oder der Gehäusedeckel 32 aus einem gut wärmeleitenden Material gefertigt werden, beispielsweise aus Aluminiumdruckguss.To allow good heat dissipation to the outside, the housing 31 and / or the housing cover 32 be made of a highly thermally conductive material, for example, die-cast aluminum.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Lenksystemsteering system
1010: Lenkwellesteering shaft
1111: Lenkradsteering wheel
1212: Zwischenwelleintermediate shaft
1313: Lenkritzelsteering pinion
1414: Zahnstangerack
1515: Spurstangetie rod
1616: Radwheel
1717: Drehmomentsensor torque sensor
2020: HilfskraftunterstützungsvorrichtungPower assist device
21, 2221, 22: HilfskraftunterstützungsvorrichtungPower assist device
23, 2423, 24: Steuerleitungencontrol lines
33: Steuereinheitcontrol unit
3131: Gehäusecasing
3232: Gehäusedeckelhousing cover
3333: SteckverbinderConnectors
3434: Schaltungcircuit
3535: Bauteilcomponent
3636: Leiterplattecircuit board
44: Kühlkörperheatsink
4141: WärmeübertragungselementHeat transfer element
PCMPCM: PhasenwechselmaterialPhase change material

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102006010357 A1 [0005]

Claims

Control unit (3) for an electric power steering device, comprising an electronic circuit (34) with at least one electronic component (35), which is thermally connected to a heat sink (4), characterized in that the heat sink (4) has a phase change material ( PCM).

Control unit (3) after Claim 1 , characterized in that the phase transition temperature of the phase change material (PCM) is above the maximum specified ambient temperature of the control unit (3) and below the maximum allowable component temperature of the electronic component (35).

Control unit (3) after Claim 2 , characterized in that the phase transition temperature is between 60 ° C and 200 ° C, preferably between 85 ° C and 150 ° C.

Control unit (3) according to one of the preceding claims, characterized in that a salt, a salt hydrate or an organic compound is used as the phase change material (PCM).

Control unit (3) according to one of the preceding claims, characterized in that the heat capacity of the latent heat accumulator is greater than the total total heat loss amount accumulating on the at least one electronic component (35) within a predetermined period of time.

Control unit (3) according to one of the preceding claims, characterized in that the phase change material (PCM) is encapsulated or microencapsulated in the latent heat storage.

Control unit (3) according to one of the preceding claims, characterized in that the latent heat accumulator is thermally coupled to an electronic component (35) or to a carrying at least one component support structure (36).

Control unit (3) according to one of the preceding claims, characterized in that the latent heat accumulator is thermally coupled to a heat transfer element (41).

Control unit (3) according to one of the preceding claims, characterized in that the electronic circuit (34) is arranged in a housing (31, 32), and the latent heat accumulator is arranged in the housing (31, 32) and / or with the housing ( 31, 32) is connected

A steering system (1) for a motor vehicle, comprising a power steering device (20, 21, 22) having at least one electric motor connected to a control unit (3) having an electronic circuit (34) with at least one electronic component (35), which is thermally connected to a heat sink (4), characterized in that the heat sink (4) has a latent heat storage with phase change material (PCM).