汽车ARHUD整车热仿真分析

张淑芳，赛影辉，米德旺，胡甜甜，胡皓月，陈 羽

（芜湖汽车前瞻技术研究院有限公司技术开发部，安徽 芜湖241000）

1 概述

随着社会的不断发展，汽车已经成为人们日常生活不可或缺的交通工具，随之而来的交通安全问题越来越引起人们的注意，交通事故已经成为当今社会人民生命财产的第一杀手。因此，汽车安全成为未来汽车发展的一个主要方向。ARHUD［1］一种汽车辅助视觉安全驾驶系统，此系统是将驾驶员驾驶时需要的一些重要信息通过此ARHUD的光路投射到汽车前风窗玻璃上，显示信息与周围的实景融合，融合实景的光线经过前风挡玻璃的反射后射入驾驶员眼睛，使驾驶员看到与实景融合的虚像。从而实现驾驶员不用低头看仪表即可感知各种路况信息，来实现安全驾驶。为了更优实现ARHUD的功能和性能，ARHUD在设计开发初期需对各项参数进行可行性分析，例如布置的可行性、性能参数的可行性、光学路径的可行性分析等。其中ARHUD的光害和散热［2］是可行性分析的关键考察项之一，此项关系到ARHUD性能和功能能否正常工作的关键依据，因此在设计之初要对设计的方案进行热仿真分析，用此来考察设计的方案是否满足散热需求。本文通过对特定的环境温度、不同光照度、各种发热件的热场及各件的耐热的分析，来考察设计参数的可行性，从而提出最优的散热设计方案。

2 ARHUD整车热仿真条件输入

如要做出ARHUD整车热仿真就需要明确在热仿真之前要做哪些准备工作，需要哪些输入条件。根据ARHUD整车热仿真需求整理如下输入：整车的工况、ARHUD的关键件及耐温件的材料类型、发热元器件工作温度、整车环境温度、散热部件散热方式、ARHUD的整体结构和详细结构、周边件的位置和材料等的输入。下面对各输入工况进行详细说明。

整车工况输入是代表车子在什么状态下开展热仿真，因阳光下由曲面镜的聚焦导致的光害的热量比较大，因此热仿真工况只考虑在强光照射下的温度。热仿真当前考虑3种整车工况，见图1：其一，输入强光照射下长期静态不启动ARHUD未开启工况；其二，在汽车未启动，经历长时间日光照射的情况下，车主进入车内并立即发动汽车的工况；其三，汽车正常行驶，车内温度正常，经过较长时间的日光照射，IP台温度较高，HUD工作环境温度较高工况。

图1 3种整车工况

ARHUD的关键件及耐温件的材料类型，关键件或发热件的周边件的耐温等级是热仿真要考察的关键输入项，在热仿真分析中就是要看最终仿真出来的热环境是否已经超出了关键或周边件的耐温等级，关键件的温度过高会导致不能正常工作甚至有可能导致起火，因此在热仿真之前一定要输入关键零部件所用的材料及其耐温等级。ARHUD的关键件有背光LED、PUG中LCD屏、光学镜片、底座、壳体，目前的LED耐温等级：Tj＜125℃；LCD屏耐温等级：Tmax＜105℃；光学镜片耐温等级：Tmax＜120℃；底座和壳体：Tmax＜120℃，散热材料为ADC12。

发热元器件工作温度输入，在热仿真时必须知道发热的来源，发热电器件的工作温度就是热源，因此热源温度必须输入。ARHUD的热源输入见表1。

表1 ARHUD的热源输入表

整车环境温度根据乘员舱常出现的温度，主要有以下两种环境温度：汽车乘员舱最高温度85℃，人体最适温度25℃。

散热部件散热方式，热仿真的结果是在各发热部件正常工作散热的情况下，在散热结构或散热材料正常工作的情况下，仿真出来的热仿真数据是否已经超出了各关键件的正常工作温度，因此散热方式也是热仿真的一个重要环节，ARHUD的散热主要有两种方式：其一是使用一些散热材料和设计散热结构通过热传导的形式来被动散热；其二是使用散热风扇来主动散热。

ARHUD的整体结构、详细结构和尺寸、周边件的位置等输入也是热仿真的关键，结构分析关系到热的传导和流通，体积的大小和各件的布置位置影响热源的发散，因此需要整体结构、详细结构和尺寸、周边件的位置等输入，从而达到更彻底热仿真的目的。

3 热仿真方法

待所有所需ARHUD整车热仿真输入条件都输入完毕，ARHUD整车热仿真使用ANSYS［4］旗下的icepak软件进行仿真，在开始仿真之前需要对ARHUD的包络及关键件进行建模，如图2所示。

设置光照角度［3］及发热件的参数值，设置入光口的系数及尺寸及光照度见图3，镜面反射的系数及导热系数等见图4，绘制网格设置散热路径及设置环境温度然后进行计算。

图2 ARHUD仿真建模

图3 阳光光源输入角度设置

4 热仿真结果

环境温度为25℃，太阳发散角为0.5°，太阳辐射度为1120W/m2，风挡玻璃、防炫光面、平面半透半反膜系数按图4设置，入光面积尺寸与设置尺寸一致，背光LED为5.5W，LCD屏散热功率1.5W，PCB板的散热功率为8W，计算得出的LCD屏表面的温度分布如图5所示。计算结果为LCD表面最高温度83.7℃，散热器表面最高温度55℃，LED最高温度50.4℃，光学镜片最高温度48.3℃。

环境温度为85℃时，计算得出的LCD屏表面的温度分布如图6所示。计算结果为LCD表面最高温度105.3℃，散热器表面最高温度96.7℃，LED最高温度107℃，光学镜片最高温度106℃。

5 总结

ARHUD整车热仿真会有两种结果，其一仿真的结果满足热敏感件的工作温度。这种情况无需对方案进行改动。其二仿真结果不符合要求，即各耐热件的热仿真结果是大于各件的耐温等级的，此时各耐热件不能正常开展工作，此时需调整设计方案。ARHUD的避免因热不能工作的方案有两种，一是降功率工作，根据不同件的热敏感程度对各发热件进行降功率处理，保持ARHUD的环境温度在热敏感件的可工作温度范围内，此方案的缺点易造成客户满意度下降。二是增加主动散热把环境温度始终保持在热敏感器件的合适工作温度。

图4 光学器件膜材设置

图5 25℃环境温度热仿真结果

图6 85℃环境温度热仿真结果