高级驾驶辅助系统热仿真*

王 飞，张 科，全 坤

（维宁尔（中国）电子有限公司，上海201103）

引 言

高级驾驶辅助系统（Advanced Driving Assistance System, ADAS）利用汽车中安装的各种传感器（单目和双目摄像头等）来感应周围环境并在汽车行驶过程中收集数据，同时执行静态和动态物体的识别、检测和跟踪，进行大规模计算和分析，从而使驾驶员提前感知可能的危险，并有效提高驾车的舒适性和安全性[1]。

ADAS系统可分为感知层、决策层和执行层[2]。感知层由雷达传感器、视觉传感器（单目和双目摄像头）和高精地图等组成；决策层由芯片组成，这些芯片通过算法实现交互式决策和路径规划；执行层用于实现汽车动力转换、制动和转向等功能。传统汽车配置的控制器较少，功能简单，元器件发热量小，热流密度低，设计时一般不考虑散热问题。配置ADAS的汽车拥有更多的电子硬件，如前视摄像头和主动安全域控制器，这些硬件具有内部元器件集成度高、发热量大、热源密度集中等特点，如果散热不足极易造成芯片过热失效，严重影响ADAS的运行稳定性和汽车驾驶的安全性。同时，ADAS硬件一般以自然散热为主，安装位置和安装空间直接决定着硬件的散热工况，因此选择合适的安装位置在ADAS的设计过程中至关重要。

与传统的硬件可靠性测试相比，仿真可以显著加快设计测试的速度。热仿真可用于确定汽车电子硬件电路板及其关键组件的温度是否在允许范围内。因此本文基于某ADAS硬件，利用热仿真确定ADAS硬件合适的安装位置和安装空间以及摄像头美化罩进出风孔的相关设计。

1 ADAS硬件系统

1.1 前视摄像头及美化罩

前视摄像头是实现高级驾驶辅助的关键硬件，一般分为单目摄像头和双目摄像头[3]。前视摄像头可以通过图像处理获得各种交通目标信息，如车道线、跟随车辆、会合车辆、前方行人和交通标志。通过获取的交通目标信息，前视摄像头可以实现多种主动安全功能，使车辆行驶更加安全、舒适。前视摄像头通常会配置图像处理器芯片、主控制器芯片、电源管理系统芯片等关键器件。图1为安装在前挡风玻璃处的前视摄像头的示意图。

图1 安装在前挡风玻璃处的前视摄像头

前视摄像头安装在驾驶舱的前挡风玻璃后面，主机厂通常为摄像头配置美化罩以实现内饰的统一及美观。美化罩进出风孔的开孔大小及位置直接决定前视摄像头能否满足散热设计要求。

1.2 主动安全域控制器

主动安全域控制器可以稳定地检测高速公路场景中的驾驶环境和道路设施，并结合高精度地图和定位信息连续、准确、高效地控制车辆。在确保驾驶安全的前提下，主动安全域控制器可以为驾驶员分担简单和重复的驾驶任务，有效减轻长途公路旅行的身心疲劳，提高用户的驾驶效率和舒适度[4]。主动安全域控制器一般会配置视觉处理器芯片、数据存储芯片、主控制器芯片等关键器件，小型化的发展趋势使得这些器件发热量大，热流密度集中，成为ADAS硬件需要重点关注的散热对象。

2 ADAS硬件热仿真

2.1 热仿真模型简化

热仿真软件可以减少热设计成本和提高产品的一次成功率[5]。在仿真过程中，为了方便网格划分和节省计算时间，对ADAS硬件结构做了一些简化：去除各种小倒角，只考虑关键器件的发热量。这些简化对仿真结果基本无影响。

自然对流换热过程中，流体的流动由温度差引起，因此流体的运动与换热密切相关。在自然界、现实生活和工程中，研究对象的自然冷却是通过自然对流传热实现的。自然对流换热的传热强度相对较弱，尤其在环境温度较低时，和辐射传热存在相同的数量级，但当温度较高时，辐射传热的强度比自然对流传热的强度大得多，因此，在自然对流换热的实际计算中不能忽略辐射换热。

图2为物体在空气中的冷却过程[6]。自然对流过程中，在流体速度变化的区域，相对于流体沿着物体上升方向（图中的x方向）的尺度很薄，称之为速度边界层。与速度边界层同时存在的还有一个热边界层，即温度从Tw逐步变化到环境温度T∞的边界层，其厚度大致等于速度边界层的厚度。热边界层的厚度随着流动方向上的尺寸（x）的增加而逐渐增加，这也使得研究对象的换热性能会从底部开始随着x的增大而逐渐减弱。

图2 物体在空气中的冷却过程

自然对流过程中，流体的流动主要由浮升力的作用产生。根据自然对流换热过程的无量纲微分方程组得到格拉晓夫数（Grashof）：

式中：v为来流速度，m/s；g为重力加速度，m/s2；ρ为密度，kg/m3；θw为温度差，°C；L为长度，m。当格拉晓夫数很大（Gr> 109）时，自然对流边界层就会从层流状态过渡到湍流状态。因此在自然对流过程中，应使用格拉晓夫数判断边界层的流动状态。

经过计算，本文仿真案例的格拉晓夫数Gr=3.4×107，因此将摄像头、美化罩及乘员舱简化为大空间自然对流是合理的。在做摄像头及美化罩整车级热仿真时，将车体及乘员舱简化为大空间，只保留美化罩、摄像头支架、前挡风玻璃和局部车顶数据，可以大幅减少网格数，提高仿真精度和仿真效率。

2.2 设置热仿真计算参数

由于ADAS硬件需要安装到整车上，考虑到热仿真的可行性及时效性，对整车模型做以下简化处理：1）只考虑ADAS硬件周边的整车数据；2）数据统一简化为钣金、塑料、玻璃等材料。为了提高热仿真精度，ADAS硬件的印制电路板（Printed Circuit Board,PCB）设置分层导热系数及覆铜率，关键器件按照双热阻模型仿真。主要的热仿真计算参数如表1所示。

表1 热仿真计算参数设置

本文将前视摄像头的整车仿真环境温度设定为40°C，这主要是考虑到车辆实际运行过程中，乘员舱内驾驶员所能忍受的极限温度。一旦乘员舱内环境温度超过40°C，驾驶员会开启冷空调降温，因此车辆正常运行过程中乘员舱内环境温度设置为40°C是合理的。如果整车环境温度发生变化，只需要将40°C更改为其他设定值，本文介绍的仿真方法同样适用。同时，太阳辐射会导致美化罩内部环境温度升高，对摄像头散热影响较大，因此基于《建筑气象参数标准》，选取太阳辐射强度1 000 W/m2作为本文热仿真输入条件。

2.3 热仿真结果分析

2.3.1 前视摄像头热仿真

前视摄像头安装在驾驶舱的前挡风玻璃后面，主机厂通常为摄像头增加美化罩以实现内饰的统一及美观。美化罩的进风孔和出风孔是决定摄像头关键器件温度的主要因素。图3为美化罩及摄像头的粒子流动轨迹图，从图中可以清晰看出冷空气在美化罩及摄像头中的流动情况，对美化罩进出风孔的开孔方式和开孔位置有重要指导作用。

图3 摄像头处粒子流动轨迹图

图4为前视摄像头外壳温度分布云图，图5为PCB及关键器件温度分布云图。从图4可以看出，摄像头外壳温度最高点分布在关键芯片正上方，最高温度为105.26°C。从图5可以得到关键器件的壳温，然后利用结壳热阻计算器件结温以判断器件结温是否满足散热设计要求。

图4 前视摄像头外壳温度分布云图

图5 PCB及关键器件温度分布云图

为了保证摄像头具有良好的散热环境且摄像头关键器件结温满足散热设计要求，在满足内饰美观统一的前提下，美化罩进出风孔设计的基本原则如下：

1）美化罩进风孔和出风孔的开孔面积尽量大。开孔以长条孔为主（风阻小），尽量避免开设密集小圆孔（风阻大）。

2）美化罩内部空气以自然对流为主，根据烟囱效应，摄像头下方区域开设进风孔，上方区域开设出风孔，同时保证进风孔和出风孔能形成自然对流，便于热空气快速逸出。

3）出风孔开设在美化罩顶部时，为了保证出风顺畅，建议美化罩与车顶之间留有间隙。

2.3.2 主动安全域控制器热仿真

主动安全域控制器一般安装在车辆中央扶手下方、后方座椅下方或者后备箱中，整车环境对域控制器的散热有很大影响，因此域控制器放置在整车环境下进行仿真。

图6为域控制器在整车环境下的粒子流动轨迹图，图7为域控制器周边温度分布截面图。从图6和图7可以看出，域控制器正上方的散热空间是影响域控制器散热性能的关键因素。

图6 域控制器粒子流动轨迹图

图7 域控制器周边温度分布截面图

为了研究域控制器在车上最合适的安装位置和安装空间，本文对域控制器正上方的散热空间做了详细仿真。仿真环境温度为85°C，分4种工况进行仿真，分别表示域控制器正上方20 mm，40 mm，60 mm和80 mm处有障碍物，选取域控制器关键器件结温和域控制器外壳温度作为监测值，仿真结果见图8。

图8 正上方障碍物距离对域控制器散热的影响

从图8可以看出，域控制器与正上方障碍物的距离越大，域控制器的散热性能越好，关键器件的结温和外壳温度越低，但是随着域控制器与正上方障碍物的距离逐渐增大，域控制器的散热性能强化程度越来越低，当距离超过60 mm时，距离的增加对域控制器的散热性能几乎没有影响。因此，域控制器与正上方障碍物的距离是影响域控制器散热的关键因素，随着距离的增大，域控制器的散热环境越来越好，当距离增大到一定程度时，域控制器的散热环境趋于稳定。

2.4 关键器件结温计算

芯片的发热量通过芯片–外壳、外壳–散热器、散热器–环境3个环节消耗[7]。其中，芯片温度为结温Tj，外壳温度为壳温Tc，散热器温度为Th，环境温度为Ta。芯片与外壳之间的热阻为Rth(j-c)，外壳与散热器之间的热阻为Rth(c-h)。

温差等于功耗与热阻的乘积[8]。若器件壳温Tc已知，结温Tj=Tc+PRth(j-c)，其中P为发热量。摄像头芯片1结到壳的热阻Rth(j-c)= 0.38°C/W，芯片2结到壳的热阻Rth(j-c)=5.1°C/W。

芯片1结到壳的温差ΔTj-c=PRth(j-c)=5.27 W×0.38°C/W=2.01°C。

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

使用同样的方法可以得到ADAS硬件其他芯片的结温，从而根据关键器件结温是否超过125°C来判断芯片是否满足散热设计要求。

3 热仿真与热测试对比

热测试在恒温箱中进行，将恒温箱温度调整为热仿真环境温度。表2为摄像头部分关键器件热仿真和热测试的温度对比。

表2 热仿真和热测试温度对比

从表2可以看出，本文仿真方法的相对误差在3%以内，完全可以满足工程设计的精度要求，因此本文的仿真方法是合理的。

4 结束语

本文对某高级驾驶辅助系统硬件做了详细的热仿真。首先对前视摄像头、美化罩及乘员舱做了大空间自然对流简化，同时根据流动轨迹确定了美化罩最优的进风孔和出风孔开孔方式，然后根据主动安全域控制器的仿真结果得到了域控制器最优的安装位置和安装空间。介绍了芯片结温的计算方法，根据结温判断芯片是否满足散热设计要求。最后对热仿真和热测试得到的关键器件壳温做了对比，结果显示热仿真的相对误差小于3%。本文提供的仿真方法和仿真结果可为ADAS硬件的散热设计和可靠性评估提供参考。