发动机电控系统ECU系统散热优化设计研究文献综述

1. 文献综述（或调研报告）：
2. ECU热理论

热量的传递有三种基本形式[11]：定义为完全接触的两物体或一个物体的不同部分由于温度梯度引起内能交换的热传导，固体表面和它接触的周围流体之间由于温差形成的热对流，以及描述物体发射电磁能并被其他物体吸收转变为热的热辐射。它们分别遵循傅里叶定律、牛顿冷却方程和斯蒂芬-玻耳兹曼方程。

在汽车电控单元中电流的热效应使电路元器件产生热量，最主要的散热器件是功率管和电源，热量从电子元件传递到元器件外壳并通过键合线传导到印制板，在板内部热量沿着平面方向和厚度方向传导，在板表面热量通过自然对流和辐射散发到环境中。ECU模块对外传导面积越大，散热性能越好。随着环境温度升高，PCB板散热方式发生变化，辐射散热能力增强，自然对流散热能力下降。

ECU所使用的元器件功率密度的增加和发动机内部设备的小型化使得其单位体积发热量和热流密度不断增加。一般来说，ECU工作环境的温度范围为-45℃~85℃，为了保证PCB内元器件正常工作，在最高环境温度下，ECU最高工作温度不能超过125℃[12]。同时为了满足《道路车辆电子电气设备对外来物、水和接触的防护等级》中规定的防尘密封要求，ECU的印制板一般都密封在汽车控制器外壳内，空气对流不畅。目前，车辆ECU中使用的大多数热管理解决方案是被动冷却如传导和自然对流等方法。

1. ECU良好散热的重要性

散热问题对ECU至关重要。首先温度对元器件的可靠性有很大影响，即便没有被烧坏，如果温度过高，它也可能在短时间内失效，而且局部某个元件的失效可能会引起整个PCB，甚至整个汽车电控单元的失效。如图3-1所示，据美国汽车工程师协会统计，在温度、振动、湿度、沙尘等造成汽车电控单元失效的原因中，40%的失效是由温度引起的，这一现象可以从下两个方面解释[1]。

图3-1汽车电控单元失效起因

Fig.3-1 Major causes of automotive ECU failure

1. 不同材料的热扩散系数不同，即CTE（Coefficients of thermal expansions）不同。经过热传导，热量从芯片传递到外壳，最高工作温度和最低工作温度间的温度梯度造成了ECU内部不同元器件和印制板不同程度的热胀冷缩，这种位移不一致性会在材料机械结构内部产生不同的热机械应力，最终经历多次热循环后，热应力和热变形会导致ECU性能降低，甚至因热疲劳而失效。

求解热应力的基本方程包括热弹力学中的平衡方程、几何方程和物理方程，其中平衡方程和几何方程与一般弹性理论方程相同。