高級駕駛輔助系統熱仿真*

王 飛，張 科，全 坤

（維寧爾（中國）電子有限公司，上海201103）

引 言

高級駕駛輔助系統（Advanced Driving Assistance System, ADAS）利用汽車中安裝的各種傳感器（單目和雙目攝像頭等）來感應周圍環境并在汽車行駛過程中收集數據，同時執行靜態和動態物體的識別、檢測和跟蹤，進行大規模計算和分析，從而使駕駛員提前感知可能的危險，并有效提高駕車的舒適性和安全性[1]。

ADAS系統可分為感知層、決策層和執行層[2]。感知層由雷達傳感器、視覺傳感器（單目和雙目攝像頭）和高精地圖等組成；決策層由芯片組成，這些芯片通過算法實現交互式決策和路徑規劃；執行層用于實現汽車動力轉換、制動和轉向等功能。傳統汽車配置的控制器較少，功能簡單，元器件發熱量小，熱流密度低，設計時一般不考慮散熱問題。配置ADAS的汽車擁有更多的電子硬件，如前視攝像頭和主動安全域控制器，這些硬件具有內部元器件集成度高、發熱量大、熱源密度集中等特點，如果散熱不足極易造成芯片過熱失效，嚴重影響ADAS的運行穩定性和汽車駕駛的安全性。同時，ADAS硬件一般以自然散熱為主，安裝位置和安裝空間直接決定著硬件的散熱工況，因此選擇合適的安裝位置在ADAS的設計過程中至關重要。

與傳統的硬件可靠性測試相比，仿真可以顯著加快設計測試的速度。熱仿真可用于確定汽車電子硬件電路板及其關鍵組件的溫度是否在允許范圍內。因此本文基于某ADAS硬件，利用熱仿真確定ADAS硬件合適的安裝位置和安裝空間以及攝像頭美化罩進出風孔的相關設計。

1 ADAS硬件系統

1.1 前視攝像頭及美化罩

前視攝像頭是實現高級駕駛輔助的關鍵硬件，一般分為單目攝像頭和雙目攝像頭[3]。前視攝像頭可以通過圖像處理獲得各種交通目標信息，如車道線、跟隨車輛、會合車輛、前方行人和交通標志。通過獲取的交通目標信息，前視攝像頭可以實現多種主動安全功能，使車輛行駛更加安全、舒適。前視攝像頭通常會配置圖像處理器芯片、主控制器芯片、電源管理系統芯片等關鍵器件。圖1為安裝在前擋風玻璃處的前視攝像頭的示意圖。

圖1 安裝在前擋風玻璃處的前視攝像頭

前視攝像頭安裝在駕駛艙的前擋風玻璃后面，主機廠通常為攝像頭配置美化罩以實現內飾的統一及美觀。美化罩進出風孔的開孔大小及位置直接決定前視攝像頭能否滿足散熱設計要求。

1.2 主動安全域控制器

主動安全域控制器可以穩定地檢測高速公路場景中的駕駛環境和道路設施，并結合高精度地圖和定位信息連續、準確、高效地控制車輛。在確保駕駛安全的前提下，主動安全域控制器可以為駕駛員分擔簡單和重復的駕駛任務，有效減輕長途公路旅行的身心疲勞，提高用戶的駕駛效率和舒適度[4]。主動安全域控制器一般會配置視覺處理器芯片、數據存儲芯片、主控制器芯片等關鍵器件，小型化的發展趨勢使得這些器件發熱量大，熱流密度集中，成為ADAS硬件需要重點關注的散熱對象。

2 ADAS硬件熱仿真

2.1 熱仿真模型簡化

熱仿真軟件可以減少熱設計成本和提高產品的一次成功率[5]。在仿真過程中，為了方便網格劃分和節省計算時間，對ADAS硬件結構做了一些簡化：去除各種小倒角，只考慮關鍵器件的發熱量。這些簡化對仿真結果基本無影響。

自然對流換熱過程中，流體的流動由溫度差引起，因此流體的運動與換熱密切相關。在自然界、現實生活和工程中，研究對象的自然冷卻是通過自然對流傳熱實現的。自然對流換熱的傳熱強度相對較弱，尤其在環境溫度較低時，和輻射傳熱存在相同的數量級，但當溫度較高時，輻射傳熱的強度比自然對流傳熱的強度大得多，因此，在自然對流換熱的實際計算中不能忽略輻射換熱。

圖2為物體在空氣中的冷卻過程[6]。自然對流過程中，在流體速度變化的區域，相對于流體沿著物體上升方向（圖中的x方向）的尺度很薄，稱之為速度邊界層。與速度邊界層同時存在的還有一個熱邊界層，即溫度從Tw逐步變化到環境溫度T∞的邊界層，其厚度大致等于速度邊界層的厚度。熱邊界層的厚度隨著流動方向上的尺寸（x）的增加而逐漸增加，這也使得研究對象的換熱性能會從底部開始隨著x的增大而逐漸減弱。

圖2 物體在空氣中的冷卻過程

自然對流過程中，流體的流動主要由浮升力的作用產生。根據自然對流換熱過程的無量綱微分方程組得到格拉曉夫數（Grashof）：

式中：v為來流速度，m/s；g為重力加速度，m/s2；ρ為密度，kg/m3；θw為溫度差，°C；L為長度，m。當格拉曉夫數很大（Gr> 109）時，自然對流邊界層就會從層流狀態過渡到湍流狀態。因此在自然對流過程中，應使用格拉曉夫數判斷邊界層的流動狀態。

經過計算，本文仿真案例的格拉曉夫數Gr=3.4×107，因此將攝像頭、美化罩及乘員艙簡化為大空間自然對流是合理的。在做攝像頭及美化罩整車級熱仿真時，將車體及乘員艙簡化為大空間，只保留美化罩、攝像頭支架、前擋風玻璃和局部車頂數據，可以大幅減少網格數，提高仿真精度和仿真效率。

2.2 設置熱仿真計算參數

由于ADAS硬件需要安裝到整車上，考慮到熱仿真的可行性及時效性，對整車模型做以下簡化處理：1）只考慮ADAS硬件周邊的整車數據；2）數據統一簡化為鈑金、塑料、玻璃等材料。為了提高熱仿真精度，ADAS硬件的印制電路板（Printed Circuit Board,PCB）設置分層導熱系數及覆銅率，關鍵器件按照雙熱阻模型仿真。主要的熱仿真計算參數如表1所示。

表1 熱仿真計算參數設置

本文將前視攝像頭的整車仿真環境溫度設定為40°C，這主要是考慮到車輛實際運行過程中，乘員艙內駕駛員所能忍受的極限溫度。一旦乘員艙內環境溫度超過40°C，駕駛員會開啟冷空調降溫，因此車輛正常運行過程中乘員艙內環境溫度設置為40°C是合理的。如果整車環境溫度發生變化，只需要將40°C更改為其他設定值，本文介紹的仿真方法同樣適用。同時，太陽輻射會導致美化罩內部環境溫度升高，對攝像頭散熱影響較大，因此基于《建筑氣象參數標準》，選取太陽輻射強度1 000 W/m2作為本文熱仿真輸入條件。

2.3 熱仿真結果分析

2.3.1 前視攝像頭熱仿真

前視攝像頭安裝在駕駛艙的前擋風玻璃后面，主機廠通常為攝像頭增加美化罩以實現內飾的統一及美觀。美化罩的進風孔和出風孔是決定攝像頭關鍵器件溫度的主要因素。圖3為美化罩及攝像頭的粒子流動軌跡圖，從圖中可以清晰看出冷空氣在美化罩及攝像頭中的流動情況，對美化罩進出風孔的開孔方式和開孔位置有重要指導作用。

圖3 攝像頭處粒子流動軌跡圖

圖4為前視攝像頭外殼溫度分布云圖，圖5為PCB及關鍵器件溫度分布云圖。從圖4可以看出，攝像頭外殼溫度最高點分布在關鍵芯片正上方，最高溫度為105.26°C。從圖5可以得到關鍵器件的殼溫，然后利用結殼熱阻計算器件結溫以判斷器件結溫是否滿足散熱設計要求。

圖4 前視攝像頭外殼溫度分布云圖

圖5 PCB及關鍵器件溫度分布云圖

為了保證攝像頭具有良好的散熱環境且攝像頭關鍵器件結溫滿足散熱設計要求，在滿足內飾美觀統一的前提下，美化罩進出風孔設計的基本原則如下：

1）美化罩進風孔和出風孔的開孔面積盡量大。開孔以長條孔為主（風阻小），盡量避免開設密集小圓孔（風阻大）。

2）美化罩內部空氣以自然對流為主，根據煙囪效應，攝像頭下方區域開設進風孔，上方區域開設出風孔，同時保證進風孔和出風孔能形成自然對流，便于熱空氣快速逸出。

3）出風孔開設在美化罩頂部時，為了保證出風順暢，建議美化罩與車頂之間留有間隙。

2.3.2 主動安全域控制器熱仿真

主動安全域控制器一般安裝在車輛中央扶手下方、后方座椅下方或者后備箱中，整車環境對域控制器的散熱有很大影響，因此域控制器放置在整車環境下進行仿真。

圖6為域控制器在整車環境下的粒子流動軌跡圖，圖7為域控制器周邊溫度分布截面圖。從圖6和圖7可以看出，域控制器正上方的散熱空間是影響域控制器散熱性能的關鍵因素。

圖6 域控制器粒子流動軌跡圖

圖7 域控制器周邊溫度分布截面圖

為了研究域控制器在車上最合適的安裝位置和安裝空間，本文對域控制器正上方的散熱空間做了詳細仿真。仿真環境溫度為85°C，分4種工況進行仿真，分別表示域控制器正上方20 mm，40 mm，60 mm和80 mm處有障礙物，選取域控制器關鍵器件結溫和域控制器外殼溫度作為監測值，仿真結果見圖8。

圖8 正上方障礙物距離對域控制器散熱的影響

從圖8可以看出，域控制器與正上方障礙物的距離越大，域控制器的散熱性能越好，關鍵器件的結溫和外殼溫度越低，但是隨著域控制器與正上方障礙物的距離逐漸增大，域控制器的散熱性能強化程度越來越低，當距離超過60 mm時，距離的增加對域控制器的散熱性能幾乎沒有影響。因此，域控制器與正上方障礙物的距離是影響域控制器散熱的關鍵因素，隨著距離的增大，域控制器的散熱環境越來越好，當距離增大到一定程度時，域控制器的散熱環境趨于穩定。

2.4 關鍵器件結溫計算

芯片的發熱量通過芯片–外殼、外殼–散熱器、散熱器–環境3個環節消耗[7]。其中，芯片溫度為結溫Tj，外殼溫度為殼溫Tc，散熱器溫度為Th，環境溫度為Ta。芯片與外殼之間的熱阻為Rth(j-c)，外殼與散熱器之間的熱阻為Rth(c-h)。

溫差等于功耗與熱阻的乘積[8]。若器件殼溫Tc已知，結溫Tj=Tc+PRth(j-c)，其中P為發熱量。攝像頭芯片1結到殼的熱阻Rth(j-c)= 0.38°C/W，芯片2結到殼的熱阻Rth(j-c)=5.1°C/W。

芯片1結到殼的溫差ΔTj-c=PRth(j-c)=5.27 W×0.38°C/W=2.01°C。

芯片1結溫Tj=Tc+ΔTj-c= 105.26+2.01 =107.27°C。

使用同樣的方法可以得到ADAS硬件其他芯片的結溫，從而根據關鍵器件結溫是否超過125°C來判斷芯片是否滿足散熱設計要求。

3 熱仿真與熱測試對比

熱測試在恒溫箱中進行，將恒溫箱溫度調整為熱仿真環境溫度。表2為攝像頭部分關鍵器件熱仿真和熱測試的溫度對比。

表2 熱仿真和熱測試溫度對比

從表2可以看出，本文仿真方法的相對誤差在3%以內，完全可以滿足工程設計的精度要求，因此本文的仿真方法是合理的。

4 結束語

本文對某高級駕駛輔助系統硬件做了詳細的熱仿真。首先對前視攝像頭、美化罩及乘員艙做了大空間自然對流簡化，同時根據流動軌跡確定了美化罩最優的進風孔和出風孔開孔方式，然后根據主動安全域控制器的仿真結果得到了域控制器最優的安裝位置和安裝空間。介紹了芯片結溫的計算方法，根據結溫判斷芯片是否滿足散熱設計要求。最后對熱仿真和熱測試得到的關鍵器件殼溫做了對比，結果顯示熱仿真的相對誤差小于3%。本文提供的仿真方法和仿真結果可為ADAS硬件的散熱設計和可靠性評估提供參考。