汽車ARHUD整車熱仿真分析

張淑芳，賽影輝，米德旺，胡甜甜，胡皓月，陳 羽

（蕪湖汽車前瞻技術研究院有限公司技術開發部，安徽 蕪湖241000）

1 概述

隨著社會的不斷發展，汽車已經成為人們日常生活不可或缺的交通工具，隨之而來的交通安全問題越來越引起人們的注意，交通事故已經成為當今社會人民生命財產的第一殺手。因此，汽車安全成為未來汽車發展的一個主要方向。ARHUD［1］一種汽車輔助視覺安全駕駛系統，此系統是將駕駛員駕駛時需要的一些重要信息通過此ARHUD的光路投射到汽車前風窗玻璃上，顯示信息與周圍的實景融合，融合實景的光線經過前風擋玻璃的反射后射入駕駛員眼睛，使駕駛員看到與實景融合的虛像。從而實現駕駛員不用低頭看儀表即可感知各種路況信息，來實現安全駕駛。為了更優實現ARHUD的功能和性能，ARHUD在設計開發初期需對各項參數進行可行性分析，例如布置的可行性、性能參數的可行性、光學路徑的可行性分析等。其中ARHUD的光害和散熱［2］是可行性分析的關鍵考察項之一，此項關系到ARHUD性能和功能能否正常工作的關鍵依據，因此在設計之初要對設計的方案進行熱仿真分析，用此來考察設計的方案是否滿足散熱需求。本文通過對特定的環境溫度、不同光照度、各種發熱件的熱場及各件的耐熱的分析，來考察設計參數的可行性，從而提出最優的散熱設計方案。

2 ARHUD整車熱仿真條件輸入

如要做出ARHUD整車熱仿真就需要明確在熱仿真之前要做哪些準備工作，需要哪些輸入條件。根據ARHUD整車熱仿真需求整理如下輸入：整車的工況、ARHUD的關鍵件及耐溫件的材料類型、發熱元器件工作溫度、整車環境溫度、散熱部件散熱方式、ARHUD的整體結構和詳細結構、周邊件的位置和材料等的輸入。下面對各輸入工況進行詳細說明。

整車工況輸入是代表車子在什么狀態下開展熱仿真，因陽光下由曲面鏡的聚焦導致的光害的熱量比較大，因此熱仿真工況只考慮在強光照射下的溫度。熱仿真當前考慮3種整車工況，見圖1：其一，輸入強光照射下長期靜態不啟動ARHUD未開啟工況；其二，在汽車未啟動，經歷長時間日光照射的情況下，車主進入車內并立即發動汽車的工況；其三，汽車正常行駛，車內溫度正常，經過較長時間的日光照射，IP臺溫度較高，HUD工作環境溫度較高工況。

圖1 3種整車工況

ARHUD的關鍵件及耐溫件的材料類型，關鍵件或發熱件的周邊件的耐溫等級是熱仿真要考察的關鍵輸入項，在熱仿真分析中就是要看最終仿真出來的熱環境是否已經超出了關鍵或周邊件的耐溫等級，關鍵件的溫度過高會導致不能正常工作甚至有可能導致起火，因此在熱仿真之前一定要輸入關鍵零部件所用的材料及其耐溫等級。ARHUD的關鍵件有背光LED、PUG中LCD屏、光學鏡片、底座、殼體，目前的LED耐溫等級：Tj＜125℃；LCD屏耐溫等級：Tmax＜105℃；光學鏡片耐溫等級：Tmax＜120℃；底座和殼體：Tmax＜120℃，散熱材料為ADC12。

發熱元器件工作溫度輸入，在熱仿真時必須知道發熱的來源，發熱電器件的工作溫度就是熱源，因此熱源溫度必須輸入。ARHUD的熱源輸入見表1。

表1 ARHUD的熱源輸入表

整車環境溫度根據乘員艙常出現的溫度，主要有以下兩種環境溫度：汽車乘員艙最高溫度85℃，人體最適溫度25℃。

散熱部件散熱方式，熱仿真的結果是在各發熱部件正常工作散熱的情況下，在散熱結構或散熱材料正常工作的情況下，仿真出來的熱仿真數據是否已經超出了各關鍵件的正常工作溫度，因此散熱方式也是熱仿真的一個重要環節，ARHUD的散熱主要有兩種方式：其一是使用一些散熱材料和設計散熱結構通過熱傳導的形式來被動散熱；其二是使用散熱風扇來主動散熱。

ARHUD的整體結構、詳細結構和尺寸、周邊件的位置等輸入也是熱仿真的關鍵，結構分析關系到熱的傳導和流通，體積的大小和各件的布置位置影響熱源的發散，因此需要整體結構、詳細結構和尺寸、周邊件的位置等輸入，從而達到更徹底熱仿真的目的。

3 熱仿真方法

待所有所需ARHUD整車熱仿真輸入條件都輸入完畢，ARHUD整車熱仿真使用ANSYS［4］旗下的icepak軟件進行仿真，在開始仿真之前需要對ARHUD的包絡及關鍵件進行建模，如圖2所示。

設置光照角度［3］及發熱件的參數值，設置入光口的系數及尺寸及光照度見圖3，鏡面反射的系數及導熱系數等見圖4，繪制網格設置散熱路徑及設置環境溫度然后進行計算。

圖2 ARHUD仿真建模

圖3 陽光光源輸入角度設置

4 熱仿真結果

環境溫度為25℃，太陽發散角為0.5°，太陽輻射度為1120W/m2，風擋玻璃、防炫光面、平面半透半反膜系數按圖4設置，入光面積尺寸與設置尺寸一致，背光LED為5.5W，LCD屏散熱功率1.5W，PCB板的散熱功率為8W，計算得出的LCD屏表面的溫度分布如圖5所示。計算結果為LCD表面最高溫度83.7℃，散熱器表面最高溫度55℃，LED最高溫度50.4℃，光學鏡片最高溫度48.3℃。

環境溫度為85℃時，計算得出的LCD屏表面的溫度分布如圖6所示。計算結果為LCD表面最高溫度105.3℃，散熱器表面最高溫度96.7℃，LED最高溫度107℃，光學鏡片最高溫度106℃。

5 總結

ARHUD整車熱仿真會有兩種結果，其一仿真的結果滿足熱敏感件的工作溫度。這種情況無需對方案進行改動。其二仿真結果不符合要求，即各耐熱件的熱仿真結果是大于各件的耐溫等級的，此時各耐熱件不能正常開展工作，此時需調整設計方案。ARHUD的避免因熱不能工作的方案有兩種，一是降功率工作，根據不同件的熱敏感程度對各發熱件進行降功率處理，保持ARHUD的環境溫度在熱敏感件的可工作溫度范圍內，此方案的缺點易造成客戶滿意度下降。二是增加主動散熱把環境溫度始終保持在熱敏感器件的合適工作溫度。

圖4 光學器件膜材設置

圖5 25℃環境溫度熱仿真結果

圖6 85℃環境溫度熱仿真結果