王 飛，張 科，全 坤

（維寧爾（中國(guó)）電子有限公司，上海201103）

引 言

高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)（Advanced Driving Assistance System, ADAS）利用汽車(chē)中安裝的各種傳感器（單目和雙目攝像頭等）來(lái)感應(yīng)周?chē)h(huán)境并在汽車(chē)行駛過(guò)程中收集數(shù)據(jù)，同時(shí)執(zhí)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)物體的識(shí)別、檢測(cè)和跟蹤，進(jìn)行大規(guī)模計(jì)算和分析，從而使駕駛員提前感知可能的危險(xiǎn)，并有效提高駕車(chē)的舒適性和安全性[1]。

ADAS系統(tǒng)可分為感知層、決策層和執(zhí)行層[2]。感知層由雷達(dá)傳感器、視覺(jué)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(guò)算法實(shí)現(xiàn)交互式?jīng)Q策和路徑規(guī)劃；執(zhí)行層用于實(shí)現(xiàn)汽車(chē)動(dòng)力轉(zhuǎn)換、制動(dòng)和轉(zhuǎn)向等功能。傳統(tǒng)汽車(chē)配置的控制器較少，功能簡(jiǎn)單，元器件發(fā)熱量小，熱流密度低，設(shè)計(jì)時(shí)一般不考慮散熱問(wèn)題。配置ADAS的汽車(chē)擁有更多的電子硬件，如前視攝像頭和主動(dòng)安全域控制器，這些硬件具有內(nèi)部元器件集成度高、發(fā)熱量大、熱源密度集中等特點(diǎn)，如果散熱不足極易造成芯片過(guò)熱失效，嚴(yán)重影響ADAS的運(yùn)行穩(wěn)定性和汽車(chē)駕駛的安全性。同時(shí)，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(shè)計(jì)過(guò)程中至關(guān)重要。

與傳統(tǒng)的硬件可靠性測(cè)試相比，仿真可以顯著加快設(shè)計(jì)測(cè)試的速度。熱仿真可用于確定汽車(chē)電子硬件電路板及其關(guān)鍵組件的溫度是否在允許范圍內(nèi)。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(jìn)出風(fēng)孔的相關(guān)設(shè)計(jì)。

1 ADAS硬件系統(tǒng)

1.1 前視攝像頭及美化罩

前視攝像頭是實(shí)現(xiàn)高級(jí)駕駛輔助的關(guān)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(guò)圖像處理獲得各種交通目標(biāo)信息，如車(chē)道線(xiàn)、跟隨車(chē)輛、會(huì)合車(chē)輛、前方行人和交通標(biāo)志。通過(guò)獲取的交通目標(biāo)信息，前視攝像頭可以實(shí)現(xiàn)多種主動(dòng)安全功能，使車(chē)輛行駛更加安全、舒適。前視攝像頭通常會(huì)配置圖像處理器芯片、主控制器芯片、電源管理系統(tǒng)芯片等關(guān)鍵器件。圖1為安裝在前擋風(fēng)玻璃處的前視攝像頭的示意圖。

圖1 安裝在前擋風(fēng)玻璃處的前視攝像頭

前視攝像頭安裝在駕駛艙的前擋風(fēng)玻璃后面，主機(jī)廠(chǎng)通常為攝像頭配置美化罩以實(shí)現(xiàn)內(nèi)飾的統(tǒng)一及美觀(guān)。美化罩進(jìn)出風(fēng)孔的開(kāi)孔大小及位置直接決定前視攝像頭能否滿(mǎn)足散熱設(shè)計(jì)要求。

1.2 主動(dòng)安全域控制器

主動(dòng)安全域控制器可以穩(wěn)定地檢測(cè)高速公路場(chǎng)景中的駕駛環(huán)境和道路設(shè)施，并結(jié)合高精度地圖和定位信息連續(xù)、準(zhǔn)確、高效地控制車(chē)輛。在確保駕駛安全的前提下，主動(dòng)安全域控制器可以為駕駛員分擔(dān)簡(jiǎn)單和重復(fù)的駕駛?cè)蝿?wù)，有效減輕長(zhǎng)途公路旅行的身心疲勞，提高用戶(hù)的駕駛效率和舒適度[4]。主動(dòng)安全域控制器一般會(huì)配置視覺(jué)處理器芯片、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)芯片、主控制器芯片等關(guān)鍵器件，小型化的發(fā)展趨勢(shì)使得這些器件發(fā)熱量大，熱流密度集中，成為ADAS硬件需要重點(diǎn)關(guān)注的散熱對(duì)象。

2 ADAS硬件熱仿真

2.1 熱仿真模型簡(jiǎn)化

熱仿真軟件可以減少熱設(shè)計(jì)成本和提高產(chǎn)品的一次成功率[5]。在仿真過(guò)程中，為了方便網(wǎng)格劃分和節(jié)省計(jì)算時(shí)間，對(duì)ADAS硬件結(jié)構(gòu)做了一些簡(jiǎn)化：去除各種小倒角，只考慮關(guān)鍵器件的發(fā)熱量。這些簡(jiǎn)化對(duì)仿真結(jié)果基本無(wú)影響。

自然對(duì)流換熱過(guò)程中，流體的流動(dòng)由溫度差引起，因此流體的運(yùn)動(dòng)與換熱密切相關(guān)。在自然界、現(xiàn)實(shí)生活和工程中，研究對(duì)象的自然冷卻是通過(guò)自然對(duì)流傳熱實(shí)現(xiàn)的。自然對(duì)流換熱的傳熱強(qiáng)度相對(duì)較弱，尤其在環(huán)境溫度較低時(shí)，和輻射傳熱存在相同的數(shù)量級(jí)，但當(dāng)溫度較高時(shí)，輻射傳熱的強(qiáng)度比自然對(duì)流傳熱的強(qiáng)度大得多，因此，在自然對(duì)流換熱的實(shí)際計(jì)算中不能忽略輻射換熱。

圖2為物體在空氣中的冷卻過(guò)程[6]。自然對(duì)流過(guò)程中，在流體速度變化的區(qū)域，相對(duì)于流體沿著物體上升方向（圖中的x方向）的尺度很薄，稱(chēng)之為速度邊界層。與速度邊界層同時(shí)存在的還有一個(gè)熱邊界層，即溫度從Tw逐步變化到環(huán)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(dòng)方向上的尺寸（x）的增加而逐漸增加，這也使得研究對(duì)象的換熱性能會(huì)從底部開(kāi)始隨著x的增大而逐漸減弱。

圖2 物體在空氣中的冷卻過(guò)程

自然對(duì)流過(guò)程中，流體的流動(dòng)主要由浮升力的作用產(chǎn)生。根據(jù)自然對(duì)流換熱過(guò)程的無(wú)量綱微分方程組得到格拉曉夫數(shù)（Grashof）：

式中：v為來(lái)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(zhǎng)度，m。當(dāng)格拉曉夫數(shù)很大（Gr> 109）時(shí)，自然對(duì)流邊界層就會(huì)從層流狀態(tài)過(guò)渡到湍流狀態(tài)。因此在自然對(duì)流過(guò)程中，應(yīng)使用格拉曉夫數(shù)判斷邊界層的流動(dòng)狀態(tài)。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，本文仿真案例的格拉曉夫數(shù)Gr=3.4×107，因此將攝像頭、美化罩及乘員艙簡(jiǎn)化為大空間自然對(duì)流是合理的。在做攝像頭及美化罩整車(chē)級(jí)熱仿真時(shí)，將車(chē)體及乘員艙簡(jiǎn)化為大空間，只保留美化罩、攝像頭支架、前擋風(fēng)玻璃和局部車(chē)頂數(shù)據(jù)，可以大幅減少網(wǎng)格數(shù)，提高仿真精度和仿真效率。

2.2 設(shè)置熱仿真計(jì)算參數(shù)

由于ADAS硬件需要安裝到整車(chē)上，考慮到熱仿真的可行性及時(shí)效性，對(duì)整車(chē)模型做以下簡(jiǎn)化處理：1）只考慮ADAS硬件周邊的整車(chē)數(shù)據(jù)；2）數(shù)據(jù)統(tǒng)一簡(jiǎn)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(shè)置分層導(dǎo)熱系數(shù)及覆銅率，關(guān)鍵器件按照雙熱阻模型仿真。主要的熱仿真計(jì)算參數(shù)如表1所示。

表1 熱仿真計(jì)算參數(shù)設(shè)置

本文將前視攝像頭的整車(chē)仿真環(huán)境溫度設(shè)定為40°C，這主要是考慮到車(chē)輛實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，乘員艙內(nèi)駕駛員所能忍受的極限溫度。一旦乘員艙內(nèi)環(huán)境溫度超過(guò)40°C，駕駛員會(huì)開(kāi)啟冷空調(diào)降溫，因此車(chē)輛正常運(yùn)行過(guò)程中乘員艙內(nèi)環(huán)境溫度設(shè)置為40°C是合理的。如果整車(chē)環(huán)境溫度發(fā)生變化，只需要將40°C更改為其他設(shè)定值，本文介紹的仿真方法同樣適用。同時(shí)，太陽(yáng)輻射會(huì)導(dǎo)致美化罩內(nèi)部環(huán)境溫度升高，對(duì)攝像頭散熱影響較大，因此基于《建筑氣象參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，選取太陽(yáng)輻射強(qiáng)度1 000 W/m2作為本文熱仿真輸入條件。

2.3 熱仿真結(jié)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(fēng)玻璃后面，主機(jī)廠(chǎng)通常為攝像頭增加美化罩以實(shí)現(xiàn)內(nèi)飾的統(tǒng)一及美觀(guān)。美化罩的進(jìn)風(fēng)孔和出風(fēng)孔是決定攝像頭關(guān)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(dòng)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(dòng)情況，對(duì)美化罩進(jìn)出風(fēng)孔的開(kāi)孔方式和開(kāi)孔位置有重要指導(dǎo)作用。

圖3 攝像頭處粒子流動(dòng)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(guān)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(diǎn)分布在關(guān)鍵芯片正上方，最高溫度為105.26°C。從圖5可以得到關(guān)鍵器件的殼溫，然后利用結(jié)殼熱阻計(jì)算器件結(jié)溫以判斷器件結(jié)溫是否滿(mǎn)足散熱設(shè)計(jì)要求。

圖4 前視攝像頭外殼溫度分布云圖

圖5 PCB及關(guān)鍵器件溫度分布云圖

為了保證攝像頭具有良好的散熱環(huán)境且攝像頭關(guān)鍵器件結(jié)溫滿(mǎn)足散熱設(shè)計(jì)要求，在滿(mǎn)足內(nèi)飾美觀(guān)統(tǒng)一的前提下，美化罩進(jìn)出風(fēng)孔設(shè)計(jì)的基本原則如下：

1）美化罩進(jìn)風(fēng)孔和出風(fēng)孔的開(kāi)孔面積盡量大。開(kāi)孔以長(zhǎng)條孔為主（風(fēng)阻?。?，盡量避免開(kāi)設(shè)密集小圓孔（風(fēng)阻大）。

2）美化罩內(nèi)部空氣以自然對(duì)流為主，根據(jù)煙囪效應(yīng)，攝像頭下方區(qū)域開(kāi)設(shè)進(jìn)風(fēng)孔，上方區(qū)域開(kāi)設(shè)出風(fēng)孔，同時(shí)保證進(jìn)風(fēng)孔和出風(fēng)孔能形成自然對(duì)流，便于熱空氣快速逸出。

3）出風(fēng)孔開(kāi)設(shè)在美化罩頂部時(shí)，為了保證出風(fēng)順暢，建議美化罩與車(chē)頂之間留有間隙。

2.3.2 主動(dòng)安全域控制器熱仿真

主動(dòng)安全域控制器一般安裝在車(chē)輛中央扶手下方、后方座椅下方或者后備箱中，整車(chē)環(huán)境對(duì)域控制器的散熱有很大影響，因此域控制器放置在整車(chē)環(huán)境下進(jìn)行仿真。

圖6為域控制器在整車(chē)環(huán)境下的粒子流動(dòng)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(guān)鍵因素。

圖6 域控制器粒子流動(dòng)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(chē)上最合適的安裝位置和安裝空間，本文對(duì)域控制器正上方的散熱空間做了詳細(xì)仿真。仿真環(huán)境溫度為85°C，分4種工況進(jìn)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(guān)鍵器件結(jié)溫和域控制器外殼溫度作為監(jiān)測(cè)值，仿真結(jié)果見(jiàn)圖8。

圖8 正上方障礙物距離對(duì)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(guān)鍵器件的結(jié)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(qiáng)化程度越來(lái)越低，當(dāng)距離超過(guò)60 mm時(shí)，距離的增加對(duì)域控制器的散熱性能幾乎沒(méi)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(guān)鍵因素，隨著距離的增大，域控制器的散熱環(huán)境越來(lái)越好，當(dāng)距離增大到一定程度時(shí)，域控制器的散熱環(huán)境趨于穩(wěn)定。

2.4 關(guān)鍵器件結(jié)溫計(jì)算

芯片的發(fā)熱量通過(guò)芯片–外殼、外殼–散熱器、散熱器–環(huán)境3個(gè)環(huán)節(jié)消耗[7]。其中，芯片溫度為結(jié)溫Tj，外殼溫度為殼溫Tc，散熱器溫度為T(mén)h，環(huán)境溫度為T(mén)a。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(jié)溫Tj=Tc+PRth(j-c)，其中P為發(fā)熱量。攝像頭芯片1結(jié)到殼的熱阻Rth(j-c)= 0.38°C/W，芯片2結(jié)到殼的熱阻Rth(j-c)=5.1°C/W。

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

芯片1結(jié)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(jié)溫，從而根據(jù)關(guān)鍵器件結(jié)溫是否超過(guò)125°C來(lái)判斷芯片是否滿(mǎn)足散熱設(shè)計(jì)要求。

3 熱仿真與熱測(cè)試對(duì)比

熱測(cè)試在恒溫箱中進(jìn)行，將恒溫箱溫度調(diào)整為熱仿真環(huán)境溫度。表2為攝像頭部分關(guān)鍵器件熱仿真和熱測(cè)試的溫度對(duì)比。

表2 熱仿真和熱測(cè)試溫度對(duì)比

從表2可以看出，本文仿真方法的相對(duì)誤差在3%以?xún)?nèi)，完全可以滿(mǎn)足工程設(shè)計(jì)的精度要求，因此本文的仿真方法是合理的。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)某高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)硬件做了詳細(xì)的熱仿真。首先對(duì)前視攝像頭、美化罩及乘員艙做了大空間自然對(duì)流簡(jiǎn)化，同時(shí)根據(jù)流動(dòng)軌跡確定了美化罩最優(yōu)的進(jìn)風(fēng)孔和出風(fēng)孔開(kāi)孔方式，然后根據(jù)主動(dòng)安全域控制器的仿真結(jié)果得到了域控制器最優(yōu)的安裝位置和安裝空間。介紹了芯片結(jié)溫的計(jì)算方法，根據(jù)結(jié)溫判斷芯片是否滿(mǎn)足散熱設(shè)計(jì)要求。最后對(duì)熱仿真和熱測(cè)試得到的關(guān)鍵器件殼溫做了對(duì)比，結(jié)果顯示熱仿真的相對(duì)誤差小于3%。本文提供的仿真方法和仿真結(jié)果可為ADAS硬件的散熱設(shè)計(jì)和可靠性評(píng)估提供參考。