热仿真和热特性优化 在汽车LED车灯上的应用

 

汽车行业在最近几年发展异常迅猛，车灯这一汽车中的重要功能件，安全件和法规件在LED广泛使用的情况下也有了更加多样化的发展，据预测,LED在汽车车灯上的使用在今后10年内会普遍增长，而卤素灯使用会逐渐下降，随之产生了提高LED效能以及降低研发成本和缩短研发周期等迫切需求。围绕LED的自身特点，光与热的设计以及其他围绕核心问题而衍生的其他流动传热问题是整灯开发中尤为重要的部分， LED灯的设计研发，需要考虑与之相关的一系列问题：

 

整灯热设计
 

模组热仿真与设计

散热器的选择与设计

LED与PCB的热设计与仿真

LED生命周期预测

LED光热特性校核

风扇型号选择与位置优化

热界面材料的测试与仿真

太阳辐射仿真

水膜与内部通风情况预测 

 

做为车灯研发中的计算机仿真技术在整灯的设计与研发中具有功能与优势，对于LED来说，仅有仿真技术还很难达到精益研发的需求。研究开发阶段仿真和测试结合将是新一代LED光热一体化设计发展趋势之一。

 

以下，我们将提供在整灯研发过程中热设计关键部分的解决方案，用以完成如下工作：LED热仿真与测试、车灯结构件的温度预测、太阳辐射问题的研究、冷凝仿真与水膜厚度预测。

 

1.LED热仿真与测试

 

就LED前大灯研制成本而言，大体分为远近光灯模组，日行，转向模块，塑料件，传动装置，位置传感器，电控及光学系统等、在防雾处理这样一个重要成本单元中，又有很大比例是模组设计，所以从模组研发着手，在缩短研发周期的前提下，降低余量和成本，对于车灯研发有很大的意义。而模组中重要热系统组成有LED、PCB、散热器等。

 

由此，有几方面的精细设计在研发中起到关键作用：1，LED结温的仿真预测与光热一体化设计；2，PCB的设计与优化；3、散热器的设计与优化。

 

一、LED结温的仿真预测与光热一体化设计

 

LED输入功率并不总是转换成光能，但70%会转换成热能，并且需要通过有效散热途径进行散热，散热效果会直接影响LED光强，寿命和效果。与传统卤素灯相比较,LED热量比较集中，所以在很短的时间内对其进行有效地散热是LED热设计中的关键。LED的热设计一般有以下几个环节:

 

基于最严苛的边界条件定义最大接环热阻；

设置热阻网络模型，计算散热器热阻；

根据材料、空间预估散热器尺寸与外形；

利用CFD软件进行仿真分析；

确定热学与光学系统性能及余量；

对以上步骤进行优化迭代

 

基于该设计步骤，则可以使用一下仿真与测试工具进行支持，主要包括FloEFD、FloTHERM、T3Ster、TeraLED等工具。

 

1.适当的LED热模型- FloEFD双热阻模型

 

LED封装模型是车灯行业普遍采用的FloEFD软件之一，它可以简化成易于使用的双热阻模型，从节点到外壳（Rjc）以及从节点到PCB板（Rjb）都是双热阻模型中的一部分，所建模型既简化了仿真过程，又保证了精度，还能结合测试过程构建用户化LED热数据库。

 

2.适当的LED光热模型-光热一体化测试

 

光的输出是LED设计的性能指标，输入的电流、电压、器件温度、热耗相互影响。LED的光热模型对于芯片的热仿真意义重大。

 

 

本方案如图所示，热瞬态测试仪T3Ster能够对LED的光热效应进行同时跟踪；利用T3Ster主机可以实现LED热阻模型的实验，实验结果可直接产生FloEFD仿真中所需的模型；同时配合Teral LED仪器，可以用积分球边热测试边检测LED光通量，实现了光热一体化检测方案，为使用者实现流明要求，且符合热学要求，降低设计余量，进行高精度设计，提供一个有力工具。

 

3.高精度辐射计算模型

 

相比离散传递、离散坐标模型，高精度的蒙特卡洛模型在车灯系统中有着广泛的应用。车灯中的外透镜、内透镜等透明材料具有良好的透光性与一定的吸收特性， 

 

 

FloEFD软件在仿真计算中能够考虑透明件固体吸收的特性；蒙特卡罗计算模型能较好地解决吸收，聚焦等系列问题，用户可根据精度要求设定离散条带个数和跟踪射线个数；这种方法在LED,卤素灯辐射效果，透明件温度精确预报，太阳辐射问题高效预报等方面都发挥了很大作用。

 

二、PCB的设计与优化

 

PCB在前大灯模组与控制单元，以及LED尾灯当中具有广泛的应用，PCB对产品的成本有着关键的影响，因此提高设计精度，减少设计冗余则十分重要。

 

FloTHERM软件和FloEFD软件都可以对PCB做精细热仿真，特别是FloTHERM软件中可以综合布线，过孔和各层特性来实现PCB和元器件的精细仿真。

 

三、散热器的设计与优化 

 

 

在多数散热系统中，散热器的设计都十分重要，无需赘述。而车灯中的散热器特殊性就在于因空间和尺寸要求、散热器通常不规则，且要求高效而轻量化。针对异型散热器的设计，FloEFD软件能在此方面发挥关键优势，帮助研发人员迅速方便的解决设计问题。

 

2.车灯结构件的温度预测

 

无论是卤素灯还是LED灯，都具有散热的需求，尤其是卤素灯，辐射与对流是散热的关键途径。车灯结构件大多为塑料件，热传导系数相对较低，辐射发射力相对较高，因此对塑料件温度的校核也是必然的。

 

塑料件多以注塑成型为主，因车灯对外观要求和注塑工艺灵活等原因，车灯内塑料件多为复杂曲面且对常规CFD软件，对这样一个复杂结构进行加工是一个非常大的难题，耗费在早期模型修整与简化上的时间非常可观。因此，选用有较强CAD处理功能，便于几何处理和灵活处理几何变化，网格生成算法形象直观的CFD软件同样是非常有必要的。

 

 

 

嵌入CAD系统中的CFD软件是近年来计算流体力学重要的发展趋势，FloEFD则提供了能够嵌入CATIA, UG, Solidworks，Pro/E，Solidedge等主流CAD软件的功能，使曲面复杂的CFD仿真变得方便快捷。若某结构件需要更改，只需简单的在原始分析模型中修改几何，软件能够自动识别变化而不需重新定义。

 

3.太阳辐射问题的研究

 

随着投射式大灯的应用越来越多，太阳辐射也就成了前大灯研发中一个重点要思考的问题。由于太阳平行光具有较高精度要求和照射角度及强度变化幅度较大等特点，在实验上，太阳辐射实验毫无疑问是一种代价较大，精度较高，时间周期较长的研究手段。

 

 

FloEFD仿真工具在此方面优势十分显著，能在短时间内预测多个角度的太阳辐射情况，验证是否有聚焦问题的存在，防患于未然，为研发提供有力保障。

 

4.冷凝仿真与水膜厚度预测

 

车灯并非完全密封，会通过通气孔与发动机舱或乘员舱进行气体的交换，因此外界的湿度、温度将对车灯内的气体条件产生影响；此外，塑料件本身也具有吸水性，如海绵一样被浸润或释放水分。所以时间久了，车灯使用中就会渐渐渗入较多水分，雨雪天水分较重，灯罩内外层温差加大，会在外灯罩的内侧面上形成一层水膜而影响光学系统高效运行。所以研究通气孔个数和位置以减少湿气进入并加快灯内冷凝和蒸发，也就是提高灯内通风效率或者用更高温气流来提高空气含水量对外透镜水膜蒸发特别重要。

 

由于实验方法并不能在这方面发展出全场可视化效果，所以研发人员只能从实验结束时起雾来推测灯内气流流动方式和湿度，相比较而言，CFD工具则可以对任意截面或者表面的流动和湿度进行分析，精确地分析出问题产生的原因，迅速地验证出各方案的优缺点，对水膜领域的研究有着不可替代的作用。

 

若要分析薄膜厚度问题，需要CFD工具具有如下功能：

 

液体覆膜功能

膜厚、膜相、质量、温度、生长率、热流量分析功能

固体表面润湿性功能

蒸发、冷凝的计算求解功能

湿度模型

瞬态求解功能

 

 

由此，我们可以根据用户的法规就此问题展开分析。预测从预处理、淋雨/高温高湿，以及观察阶段的水膜生成与消散过程。根据分析，更加确定是否需要改变通气孔数量和位置、或进行防雾、干燥处理，为研发设计提供有效助力。

 

5.总结

 

总之，车灯热设计中仿真工具有FloEFD和FloTHERM,测试工具有T3Ster和Teraled，本实用新型能很好地解决LED/模组的设计，整灯热分析，太阳辐射和水膜预测的难题，进而在降低成本，降低设计余量和缩短研发周期方面发挥关键性作用。