汽车传感器总成温度场数值仿真分析

付宇 吴琳琳 卜晓兵 李向荣

（中汽研汽车检验中心（天津）有限公司）

随着人工智能时代的到来，汽车控制系统已进入电子控制时代，其所装载的传感器数量剧增，正逐步走向智能化、集成化、微型化和多功能化。为实现空间布置及功能最优化，车企将ADAS（高级驾驶辅助）系统、行车记录仪系统及雨量传感器系统集成为一体，形成一个总成部件，安装于内后视镜内部，紧贴玻璃表面。但由于各电子部件工作时均会放出热量，在狭小密闭的空间中，部件温度会明显上升，且其外界环境温度、湿度变化范围较大，因此组件内部极易出现热量聚集情况，影响部件工作稳定性，甚至会出现信号失真的问题。其中雨量传感器对工作温度要求最为严格，其工作的热力学温度不得超过358.15 K。因此，传感器组件内雨量传感器的温度需重点关注。文章以传感器总成为研究对象，应用数值模拟技术，对某一环境下组件内的温度场进行预测[1]，并对雨量传感器附近的温度进行重点关注，实现了部件在设计阶段的风险识别，为其性能优化提供了基础。

1 数值仿真计算

1.1 计算域几何模型的建立

本传感器组件由ADAS、行车记录仪、雨量传感器、大灯摄像头及外壳组成，安装于玻璃表面，为考虑太阳辐射，除建立组件模型外，还需建立玻璃及空气域模型[2]，如图1 所示。因此，模型分别建立了固体部件域、固体壳体域、固体玻璃域及流体空气域。

图1 汽车传感器总成温度场仿真计算域模型示意图

1.2 计算域网格划分

玻璃和外壳采用薄体网格，空气域以及其他部件均采用切割体网格，网格目标尺寸为4 mm，最小网格尺寸为2 mm[3]，网格数量为181 万，如图2 所示。

图2 汽车传感器总成温度场仿真网格划分示意图

1.3 物理模型设置

1.3.1 物性参数

本项目主要包括玻璃、外壳、雨量传感器、ADAS、大灯摄像头、行车记录仪以及空气域7 个部分，分别对各部分的密度、导热系数、比热容等物性参数进行设置。

1.3.2 固体域模型设置

固体域模型选择三维、固体、辐射、太阳辐射、耦合固体能量、梯度及定常模型，设置初始静态热力学温度为303.5 K。

1.3.3 气体域模型设置

为实现固体与气体之间的热量交换计算，需对流体域进行物理模型设置[4]。流体域物理模型选取三维、气体、层流、辐射、太阳辐射、耦合固体能量、梯度及定常模型。

1.4 边界条件设置

流体域边界物理条件设置为绝热，固体与边界物理条件设置为对流，并设置相应的对流换热系数、环境温度，固体及流体域均设置相应的发射率及透射率，如表1 所示。对于有热载荷的固体部件，将其设置为总热源。

表1 汽车传感器总成温度场仿真边界条件参数设置表

1.5 交界面设置

进行温度场仿真时，需要固体域与气体域之间的换热计算，通过设置交界面将贴近的表面调通，从而实现表面间的热量传递，各部件与空气域调通、壳体与空气域调通、玻璃与空气域调通[5]，如图3 所示。

图3 汽车传感器总成温度场仿真计算域交界面显示界面

2 数值仿真结果分析

2.1 部件温度分布情况

图4～图6 分别示出ADAS、雨量传感器及行车记录仪的表面温度分布云图。由于部件本身为发热源，因此，部件表面温度分布梯度较小。

图4 汽车ADAS 表面温度分布云图

图5 汽车雨量传感器表面温度分布云图

图6 汽车行车记录仪表面温度分布云图

2.2 玻璃表面温度分布情况

图7 示出汽车玻璃表面温度分布云图。从图7 可以看出，玻璃与部件接触区域的温度明显升高，由于ADAS 功耗较大，因此，ADAS 附近的玻璃温度较高，最高热力学温度达到355.15 K。

图7 汽车玻璃表面温度分布云图

2.3 空气域温度分布情况

图8 示出汽车空气域表面温度分布云图。从图8中可以看出，ADAS 周围空气温度最高，空气域最高热力学温度为379.15 K。

图8 汽车空气域表面温度分布云图

2.4 壳体表面温度分布情况

图9 示出汽车壳体表面温度分布云图。从图9 可以看出，受ADAS 部件功耗较大的影响，ADAS 附近壳体温度较高，最高热力学温度为376.15 K。

图9 汽车壳体表面温度分布云图

2.5 部件及区域温度分布情况

通过稳态仿真计算得到各部件的最高温度情况，如表2 所示。

表2 汽车部件及区域的最高温度表

2.6 雨量传感器温度情况

由于雨量传感器对工作要求较为严格，因此，需考察雨量传感器内部及周围空气温度分布情况。图10 示出雨量传感器温度分布云图。从图10 中可以看出，雨量传感器及其周围空气的热力学温度为348.15 K 左右，均低于358.15 K，满足工作温度要求。

图10 汽车雨量传感器剖面温度分布云图

3 结论

文章以汽车传感器总成模型为基础，采用数值仿真技术，模拟出总成内各部件的温度分布情况并对雨量传感器进行了重点关注。通过对总成内各部件的温度进行计算，可以得出：1）总成内各部件表面温度分布较为均匀；2）由于ADAS 功率较大，靠近ADAS 的玻璃及壳体温度较高；3） 雨量传感器的热力学温度在348.15 K 左右，未超过358.15 K 的工作限定温度，满足要求。