车辆电子控制单元的冷却装置、电子控制单元组件和控制器的制作方法

1.本公开涉及一种用于冷却安装在车辆电子控制单元(ecu)上的多个电子部件的冷却装置。本公开特别涉及用于汽车应用的风扇冷却系统，并且最特别地涉及多域控制器(mdc)。


背景技术：

2.一些电子部件在工作期间变热，这可能随后损害它们的功能或导致部件损坏。因此，通常将冷却装置装配到电子电路系统以将其工作温度维持在可接受的容限内。这些冷却系统在汽车应用中特别重要，因为现代车辆中使用的多域控制器(mdc)和其它类型的电子控制单元(ecu)执行关键的车辆控制和安全功能。这在具有自主驾驶能力的车辆中尤其如此，在该车辆中，电子部件的处理需求高并且保持操作完整性是特别重要的。
3.根据耗散的电力的水平，用于冷却有源部件的冷却系统通常依赖于强制空气或强制液体冷却来实现用于维持可接受的工作温度的所需冷却性能。然而，汽车应用中的电子系统在电磁屏蔽以及灰尘和潮湿保护方面也具有另外的特殊要求。这样，ecu装置通常需要被封装在壳体中，该壳体提供电磁、水和灰尘保护，但因此也防止ecu与冷却液体或气体之间的直接接触。这样，传统的ecu冷却系统通常采用通过壳体到周围环境的被动热传递与液体冷却回路的组合，以通过壳体向有源部件提供高效冷却。
4.强制空气冷却系统很少用于ecu应用。尽管这种强制空气系统潜在地提供了降低复杂性以及成本和重量节约的优点，但是传统系统具有许多缺点，这些缺点阻碍了它们的更广泛的应用。例如，已经提出了采用附接在ecu上的轴向或径向风扇的系统，以用于使空气在壳体表面上方流动。然而，能够产生足够冷却的气流的风扇相对较大，并因此增加了ecu组件的整体尺寸。同时，以较高风扇速度驱动导致噪声增加，并且在风扇故障或由于物体侵入而损坏的情况下，冷却可能完全停止。还存在与由风扇产生的气流的均匀性相关联的问题。例如，大风扇通常具有大的中心轮毂以支撑叶片，这导致在轮毂正下方的低气流区域。同时，通常将风扇居中地安装在ecu壳体上方，这通常将该低气流区域定位在ecu的主要芯片上系统部件上方或附近。这样，ecu的关键部件将受到无效的冷却。
5.因此，在汽车工业中仍然需要一种用于冷却ecu的改进的强制空气冷却装置。


技术实现要素：

6.本公开涉及一种冷却装置和用于冷却车辆ecu的冷却装置的控制器。本公开特别涉及一种冷却装置和用于冷却多域控制器(mdc)的冷却装置的控制器。例如，冷却装置可以用于自主驾驶mdc。
7.根据第一方面，提供了一种用于车辆电子控制单元即ecu的冷却装置，所述冷却装置包括：壳体，所述壳体用于覆盖所述ecu，并具有用于从所述ecu的部件吸收热量的吸热面和用于使所吸收的热量耗散的散热面；以及多个风扇，所述多个风扇被安装到所述散热面并且被布置成用于在所述散热面的相应区域上方引导气流，其中，所述风扇是能够独立控
制的，以便以不同的速度被驱动，从而改变所述散热面的相应区域的冷却。
8.这样，可以使用较小的独立冷却风扇的网格阵列而不是单个大的风扇来冷却ecu。这不仅允许改进的冷却效率，而且通过允许阵列中的其它风扇在风扇故障的情况下进行补偿而提供增强的可靠性。
9.在实施方式中，所述冷却装置还包括多个温度传感器，所述温度传感器用于确定与所述散热面的所述相应区域相关联的温度。
10.在实施方式中，所述多个温度传感器设置在所述壳体的所述吸热面上。在其它实施方式中，所述温度传感器可以集成到ecu电子器件中。所述温度传感器可以是热敏电阻。
11.在实施方式中，所述冷却装置还包括风扇速度传感器，所述风扇速度传感器用于测量所述多个风扇中的各个风扇的风扇速度。这样，实际风扇旋转速度的反馈可以被提供用于诊断或故障检测目的。
12.在实施方式中，所述冷却装置还包括用于控制所述风扇的控制器。在实施方式中，所述控制器可以集成到所述ecu中。
13.在实施方式中，所述控制器被构造成用于至少基于与所述散热面的所述相应区域相关联的所确定的温度值来控制所述风扇。
14.在实施方式中，所确定的温度值基于在所述散热面的所述相应区域处所测量的温度。在实施方式中，所确定的温度值基于温度传感器测量值。在其它实施方式中，所述温度值可基于预测的温度值来确定。例如，可以基于所述ecu的工作状态来估计温度值。
15.在实施方式中，所述控制器被构造成用于至少基于所述多个风扇中的各个风扇的测量的风扇速度来控制所述风扇。
16.在实施方式中，所述控制器被构造成用于控制所述多个风扇以补偿所述风扇之间的性能差异。
17.在实施方式中，所述多个风扇包括备用风扇，所述备用风扇能够被启动以用于补偿所述其它多个风扇中的风扇的性能下降。
18.在实施方式中，所述散热面包括用于引导来自所述多个风扇的气流的多个冷却翅片。因此，所述冷却翅片可以用于耗散从所述ecu通过所述壳体传递的热量。所述冷却翅片可以被布置成簇，从而限定所述壳体的冷却区域。所述冷却区域可以通过空气路径链接，以允许由所述风扇产生的气流在多个区域之间流动。
19.在实施方式中，所述散热面包括多个安装结构，所述多个风扇被安装到所述多个安装结构，其中，所述安装结构被构造成用于将所述风扇定位在所述散热面的与所述ecu的有源部件相关联的区域上方。
20.根据第二方面，提供了一种用于车辆的电子控制单元即ecu组件，所述电子控制单元即ecu组件包括：ecu，所述ecu具有安装到电路板的多个部件；壳体，所述壳体用于覆盖所述ecu并具有用于从所述部件吸收热量的吸热面和用于使所吸收的热量耗散的散热面；多个风扇，所述多个风扇被安装到所述散热面并且被布置成用于在所述散热面的相应区域上方引导气流；以及控制器，所述控制器用于独立地控制所述风扇以便以不同的速度驱动它们，以用于改变所述散热面的所述相应区域的冷却。
21.根据第三方面，提供了一种用于控制根据以上陈述中的任一项所述的冷却装置的控制器，所述控制器包括：温度确定模块，所述温度确定模块用于确定与所述散热面的所述
相应区域相关联的温度值；控制信号模块，所述控制信号模块用于产生用于所述多个风扇的各个控制信号，以用于以某一速度来驱动每个风扇以便冷却所述散热面的所述相应区域。
22.根据第四方面，提供了一种用于控制根据以上陈述中的任一项所述的冷却装置的方法，所述方法包括：确定与所述散热面的所述相应区域相关联的温度值；以及产生用于所述多个风扇的各个控制信号，以用于以一速度来驱动每个风扇以便冷却所述散热面的所述相应区域。
23.根据第五方面，提供了包括用于实现上述方法的指令的软件。软件可以存储在非暂时性计算机可读介质上。
附图说明
24.现在将参考附图描述说明性实施方式，其中：
25.图1示出了根据第一实施方式的冷却装置的等距视图，其中壳体和风扇阵列是分离的；
26.图2示出了图1所示的冷却装置的等距视图，其中风扇阵列连接到壳体；
27.图3示出了图1所示的壳体的俯视图；
28.图4示出了相对于第一实施方式的冷却装置的温度传感器的ecu电路板的示意性俯视图；
29.图5示出了第一实施方式的冷却装置的示意性横截面图；以及
30.图6示出了风扇控制器所采用的控制算法的流程图。
具体实施方式
31.图1示出了根据第一实施方式的冷却装置1的等距视图。冷却装置1包括壳体3，所述壳体装配在车辆电子控制单元(ecu)和风扇阵列2上，当被组装时，该风扇阵列被安装到壳体3的上表面6，如图2所示。
32.在该实施方式中，风扇阵列2包括四个风扇2a、2b、2c、2d。每个风扇2a、2b、2c、2d包括连接到中心轮毂4的多个叶片，该中心轮毂由转子驱动并且可独立地控制以允许每个风扇以不同的速度被驱动。每个风扇还包括转子速度传感器，所述转子速度传感器产生用于指示相应风扇速度的反馈传感器信号。一旦风扇阵列2被安装到壳体3，当被启动时，风扇轮毂4的旋转就使空气在壳体3的上表面6上方流动。在该实施方式中，风扇2a、2b、2c、2d被构造成当被驱动时将空气向下吹到壳体3的上表面6上。在其它实施方式中，气流可以反向，使得风扇2a、2b、2c、2d从上表面6抽吸空气。
33.如图2所示，壳体3的上表面6包括多个安装结构8，风扇2被安置到所述安装结构并使用螺钉5被固定就位。如图1和图3所示，上表面6包括多个散热翅片7，当风扇2a、2b、2c、2d被安装到壳体3时，这些散热翅片位于所述风扇的下面。这样，由风扇驱动的气流被迫在散热翅片7上方及周围流动，以用于将热量从翅片7传递到空气中。线性翅片12设置在散热翅片7的任一侧，以形成气流路径，以用于根据风扇2的驱动方向从散热翅片7供给或排出空气。
34.壳体3由导热材料例如金属或金属合金形成，并且还包括用于固定到ecu的联接器
9。例如，ecu的电路板可以安装到基板，该基板连接到联接器9以形成围绕ecu的壳体。一旦被安装到电路板，壳体3就为ecu提供了保护盖。同时，壳体3的底表面11面对ecu电路板上的电子部件，并用于从电子部件吸收热量。然后，所吸收的热量被传导至上表面6，热量可从该上表面耗散。
35.在这种连接中，一旦风扇被安装到它们相应的安装结构8，它们就在壳体3的上表面6上限定四个冷却区域6a、6b、6c、6d，如图3所示。这些冷却区域6a、6b、6c、6d包括散热翅片7的密集簇，并且在使用期间提供增强冷却的区域。即，虽然壳体3的整个上表面6可以耗散热量，但是由于散热翅片7的大表面面积和由风扇驱动的气流，在风扇2a、2b、2c、2d下方的冷却区域6a、6b、6c、6d中热量耗散将是特别有效的。冷却区域6a、6b、6c、6d还通过围绕它们相应的散热翅片7的气流路径彼此连接，以允许空气在冷却区域之间流动。
36.图4示出了ecu电路板4和与之相关的温度传感器16的示意性俯视图。在该实施方式中，设置三个温度传感器16a、16d以将温度测量值传输到风扇控制器13，然后风扇控制器响应于该温度测量值来控制风扇阵列2。三个温度传感器16a、16d位于壳体3的底表面11上，使得当壳体3被装配时所述温度传感器与电路板14上的限定位置对准。壳体3的冷却区域6a、6b、6c、6d在电路板14上限定了四个电路区域14a、14b、14c、14d。三个温度传感器16a、16b、16d被构造成与三个相应的电路区域14a、14b、14d大致对准。位于这些电路区域14a、14b、14d内的部件15是有源部件，所述有源部件在工作期间变热并且需要主动冷却。这样，三个温度传感器16a、16b、16d可以检测这些有源部件中的温度升高。
37.在该实施方式中，没有相关联的温度传感器的其余电路区域14c包括无源的或对较高工作温度较不太敏感的部件。然而，在其它风扇2a、2b、2d中的风扇损失性能的情况下，相关联的冷却区域6c和风扇2c提供了冗余。也就是说，风扇2c可以提供备用以增强冷却区域6c内的冷却，这然后可以补偿相邻冷却区域6a、6b、6d中的冷却效率的损失。冷却区域6c内的散热翅片7也可以被构造成将气流从风扇2c引导到相邻的冷却区域6a、6b、6d。因此，如果它们的相关联的风扇2a、2b、2d失效或以其它方式损失性能，则可以维持相关联的电路区域14a、14b、14d内的有源部件15的工作。
38.图5示出了冷却装置1的示意性横截面图。在该实施方式中，壳体3的底表面11设有朝向ecu电路板向下突出以便于热传递的基座10。基座10也可与部件15的顶表面配合。在本实施方式中，温度传感器16位于基座10内并向风扇控制器13反馈。风扇控制器13继而驱动风扇阵列2内的风扇，这些风扇被安置在散热翅片7上方。同时，风扇根据检测到的风扇速度向控制器13提供风扇速度反馈。
39.图6示出了在正常工作期间风扇控制器13所采用的控制算法的流程图。最初，可以启动风扇阵列2，以便将所有风扇设定为默认速度。在步骤601中，控制器13读取每个温度传感器16的温度值。在步骤602中，将检测到的温度值与存储在控制器存储器内的查找表中的阈值进行对比，或者可以以其它方式根据控制器软件算法对检测到的温度值进行分析。在步骤603中，控制器然后可以根据查找表中指定的优化设置独立地调节每个风扇的速度。例如，如果电路区域14b内的部件变热，则可以加速风扇2b的速度。同样，安装在不需要冷却的电路区域14c上方的风扇2c可以减小到零。
40.在步骤604中，风扇控制器13可以读取风扇速度传感器值，并将实际风扇速度与查询表中规定的驱动值进行对比。如果控制器13确定实际风扇速度低于期望速度，则这可以
被记录为潜在的风扇故障。在步骤605中，在检测到故障风扇的情况下，可以启动冗余风扇2c或增加其速度以进行补偿。例如，如果风扇2b发生故障，则可以启动相邻的风扇2c以增强通过冷却区域6c的冷却。控制器还可以增加其它相邻风扇2a和2d的速度以进一步补偿和维持总体冷却性能。控制器13可以另外产生和存储识别风扇故障的错误消息，用于维护目的。
41.如上所述，在该实施方式中，控制器13可基于由温度传感器16提供的当前温度读数确定对风扇速度的调节。这样，每个风扇2a、2b、2c、2d的速度可以增加、减小或维持以实现期望的冷却速率。在其它实施方式中，控制器13还可以或替代地利用基于ecu的当前状态的预测算法。例如，当ecu的活动状态由于处理要求而增加时，预测温度值可以被控制器使用以确定风扇速度设定。这些预测温度值可以基于例如历史数据或在查找表中预定义。这样，响应于ecu部件的状态的改变，控制器13可以在电路板的相关冷却区域14a、14b、14c、14d达到升高的温度之前预先增加这些区域内的冷却。这个特征可以帮助减轻关键部件上的温度峰值的风险，从而改进ecu系统的热可靠性，并且减少由在较低温度下工作而引起的老化。
42.因此，利用上述实施方式，在风扇-栅格阵列中使用两个或更多较小的风扇而不是单个大风扇来提供冷却。这样，风扇可以定位成将它们的气流集中在ecu壳体的特别需要冷却的位置上，例如在电路热点正上方。因此，可以根据ecu电路的相应区域的实际冷却需要来控制风扇速度。同时，风扇-格栅阵列的使用可以最小化与较大风扇相关联的低气流区域，从而允许总体上改进的冷却均匀性。
43.使用较小的风扇还提供了较小的组件尺寸和较低的噪音产生。例如，具有较小直径的风扇可具有较低的风扇高度，这允许ecu组件的总高度减小。与单个较大的风扇相比，可以产生更高的气流体积，从而允许以相对低的风扇速度工作。同样，集中冷却可以允许风扇中的一个或多个被停用或以非常低的速度运行。这些因素有助于使在较高风扇速度下以其它方式产生的噪音最小化。
44.最后，通过具有多个风扇提供的内置冗余允许增强对故障的鲁棒性。故障的可能性也较小，因为不仅在不需要时可以停用单个风扇，这允许保持它们的机械寿命，而且较小的风扇也具有较小的叶片间隔。这由此减少了物体阻塞风扇的机会。这样，冷却装置可以提供增加的ecu可靠性。
45.应当理解，上述实施方式仅出于说明的目的示出了应用。实际上，实施方式可以应用于许多不同的构造，详细的实施方式对于本领域技术人员来说是直接实现的。
46.例如，尽管在上述实施方式中描述了独立的风扇控制器，但是应当理解，风扇控制算法可以使用ecu来实现。例如，可以设置ecu组件，所述ecu组件包括ecu和冷却装置两者，其中控制器被集成到ecu电子器件中。同样，尽管温度传感器被描述为被集成到壳体中的独立传感器，但是可以使用ecu部件内的内部传感器。
47.在壳体本身方面，虽然散热翅片已经被示出为销突出部，但是应当理解，不同的翅片构造也是可能的。例如，可以另外设置多个较高的销翅片，所述多个较高的销翅片在风扇的顶部上方延伸，使得风扇被安置在较高的翅片之间。这由此可以为风扇提供一些机械冲击保护。