汽車行業(yè)在最近幾年發(fā)展異常迅猛，車燈這一汽車中極其重要的功能件，安全件和法規(guī)件在LED廣泛使用的情況下也有了更加多樣的發(fā)展，預(yù)計在今后10年內(nèi)LED在汽車車燈上的使用將會廣泛增多，鹵素?zé)羰褂脮饾u減少，隨之也會出現(xiàn)提高LED效能、降低研發(fā)成本和縮短研發(fā)周期等方面的迫切需求。圍繞LED本身特性、光和熱等設(shè)計及其他圍繞核心問題派生出來的流動和傳熱問題，在整燈研制過程中顯得格外重要，LED燈在設(shè)計和研發(fā)過程中需要思考一系列與此有關(guān)的問題:

整燈熱設(shè)計

模組熱仿真與設(shè)計

散熱器的選擇與設(shè)計

LED與PCB的熱設(shè)計與仿真

LED生命周期預(yù)測

LED光熱特性校核

風(fēng)扇型號選擇與位置優(yōu)化

熱界面材料的測試與仿真

太陽輻射仿真

水膜與內(nèi)部通風(fēng)情況預(yù)測

作為車燈研發(fā)當(dāng)中不可或缺的計算機仿真技術(shù)，在整燈設(shè)計研發(fā)當(dāng)中有著不可替代的作用和優(yōu)勢，而對于LED而言，單純的仿真技術(shù)也難以滿足精益研發(fā)的要求。在研發(fā)階段將仿真與測試相結(jié)合，將成為下一代LED光熱一體化設(shè)計的趨勢之一。

下面，本文將對整燈研發(fā)中熱設(shè)計這一重點環(huán)節(jié)給出解決方案，以完成以下任務(wù):LED熱仿真及試驗，車燈結(jié)構(gòu)件溫度預(yù)測、太陽輻射問題研究，冷凝仿真及水膜厚度的預(yù)測。

一、LED熱仿真與測試

就LED前大燈研制成本而言，大體分為遠近光燈模組，日行，轉(zhuǎn)向模塊，塑料件，傳動裝置，位置傳感器，電控及光學(xué)系統(tǒng)等、在防霧處理這樣一個重要成本單元中，又有很大比例是模組設(shè)計，所以從模組研發(fā)著手，在縮短研發(fā)周期的前提下，降低余量和成本，對于車燈研發(fā)有很大的意義。而模組當(dāng)中，最重要的熱系統(tǒng)構(gòu)成則是LED,PCB以及散熱器。由此，有幾方面的精細設(shè)計在研發(fā)中起到關(guān)鍵作用：

1、LED結(jié)溫的仿真預(yù)測與光熱一體化設(shè)計

LED的輸入功率并非全部轉(zhuǎn)化為光能，而是70%都將轉(zhuǎn)化為熱能，且需要有效的散熱途徑將其散出，散熱效果的優(yōu)劣將直接影響LED的光強、壽命以及效果。相對于傳統(tǒng)的鹵素?zé)舳裕琇ED的熱量相對集中，因此短時間內(nèi)的有效散熱是LED熱設(shè)計的關(guān)鍵所在。

LED熱設(shè)計中通常采用如下步驟：

1) 基于最嚴苛的邊界條件定義最大接環(huán)熱阻；

2) 設(shè)置熱阻網(wǎng)絡(luò)模型，計算散熱器熱阻；

3) 根據(jù)材料、空間預(yù)估散熱器尺寸與外形；

4) 利用CFD軟件進行仿真分析；

5) 確定熱學(xué)與光學(xué)系統(tǒng)性能及余量；

6) 對以上步驟進行優(yōu)化迭代

基于該設(shè)計步驟，則可以使用一下仿真與測試工具進行支持，主要包括FloEFD、FloTHERM、T3Ster、TeraLED等工具。

1.適當(dāng)?shù)腖ED熱模型

FloEFD雙熱阻模型

在車燈行業(yè)廣泛應(yīng)用的FloEFD軟件中，LED封裝模型可簡化為使用便捷的雙熱阻模型，其中由節(jié)點至外殼的熱阻 (Rjc)和節(jié)點至PCB板的熱阻(Rjb)為雙熱阻模型的組成部分，該模型不僅使仿真過程在保證高精度的同時得到簡化，也使其能夠與測試過程相結(jié)合，建立用戶化的LED熱數(shù)據(jù)庫。

2.適當(dāng)?shù)腖ED光熱模型-光熱一體化測試

光的輸出是LED設(shè)計的性能指標，輸入的電流、電壓、器件溫度、熱耗相互影響。LED的光熱模型對于芯片的熱仿真意義重大。

本方案如圖所示，熱瞬態(tài)測試儀T3Ster能夠?qū)ED的光熱效應(yīng)進行同時跟蹤；通過T3Ster主機，能夠?qū)ED的熱阻模型進行測試，該測試結(jié)果能夠直接生成FloEFD仿真所需要的模型；同時與Teral LED儀器結(jié)合，能夠利用積分球在熱測試的同時對LED光通量進行測試，從而實現(xiàn)光、熱一體化的測試方案，為用戶達到流明要求、并滿足熱學(xué)要求、減少設(shè)計余量的高精度設(shè)計提供了強有力的工具。

3.高精度輻射計算模型

與離散傳遞和離散坐標模型相比較，高精度蒙特卡洛模型廣泛應(yīng)用于車燈系統(tǒng)。車燈中外透鏡，內(nèi)透鏡和其他透明材料都有很好的透光性和部分吸收特性，

FloEFD軟件在仿真計算中能夠考慮透明件固體吸收的特性；蒙特卡羅計算模型能夠良好的處理吸收、聚焦等一系列問題，并且用戶可以根據(jù)精度的要求，設(shè)置離散條帶數(shù)量與跟蹤射線數(shù)量；該方法對于LED、鹵素?zé)舻妮椛渥饔谩⑼该骷囟鹊臏蚀_預(yù)測、以及太陽輻射問題的有效預(yù)測起到極大的作用。

2、PCB的設(shè)計與優(yōu)化

PCB廣泛應(yīng)用于前大燈模組和控制單元、LED尾燈中,PCB對于產(chǎn)品成本起著至關(guān)重要的作用，所以提高設(shè)計精度和降低設(shè)計冗余顯得尤為重要。

FloTHERM軟件與FloEFD軟件均能夠?qū)CB進行精細的熱仿真，尤其在FloTHERM軟件當(dāng)中，能夠?qū)⒉季€、過孔、各層特性進行綜合考量，從而實現(xiàn)了PCB與元器件的精細仿真。

3、散熱器的設(shè)計與優(yōu)化

在大多數(shù)散熱系統(tǒng)里，散熱器設(shè)計是非常重要的，不必多說。但車燈內(nèi)散熱器的特殊性在于由于空間及尺寸的需求，散熱器一般都是不規(guī)則的，并且需要高效輕量化。對于異型散熱器設(shè)計而言,FloEFD軟件可以在該領(lǐng)域中起到關(guān)鍵優(yōu)勢，有利于研發(fā)人員快速便捷地解決設(shè)計問題。

二、車燈結(jié)構(gòu)件的溫度預(yù)測

鹵素?zé)艉蚅ED燈都有散熱要求，特別在鹵素?zé)糁校椛浜蛯α鞲侵陵P(guān)重要的散熱方式。車燈結(jié)構(gòu)件多為塑料件且熱傳導(dǎo)系數(shù)比較小，輻射發(fā)射力比較大，所以塑料件的溫度校核不可避免。

塑料件多為注塑成型，由于車燈對于外觀的要求以及注塑工藝的靈活性，車燈中的塑料件大多為復(fù)雜曲面，對于傳統(tǒng)CFD軟件來說，處理如此復(fù)雜的結(jié)構(gòu)是十分巨大的挑戰(zhàn)，花費在前期模型修整和簡化的時間也十分可觀。因此選擇具有強大的CAD處理功能、方便幾何處理與靈活應(yīng)對幾何變化、網(wǎng)格生成算法直觀的CFD軟件也就十分必要。

嵌入CAD系統(tǒng)中的CFD軟件是近年來計算流體力學(xué)重要的發(fā)展趨勢，F(xiàn)loEFD則提供了能夠嵌入CATIA, UG, Solidworks，Pro/E，Solidedge等主流CAD軟件的功能，使曲面復(fù)雜的CFD仿真變得方便快捷。若某結(jié)構(gòu)件需要更改，只需簡單的在原始分析模型中修改幾何，軟件能夠自動識別變化而不需重新定義。

三、太陽輻射問題的研究

隨著投射式大燈的應(yīng)用越來越多，太陽輻射也就成了前大燈研發(fā)中一個重點要思考的問題。由于太陽平行光具有較高精度要求和照射角度及強度變化幅度較大等特點，在實驗上，太陽輻射實驗毫無疑問是一種代價較大，精度較高，時間周期較長的研究手段。

FloEFD仿真工具在此方面優(yōu)勢十分顯著，能在短時間內(nèi)預(yù)測多個角度的太陽輻射情況，驗證是否有聚焦問題的存在，防患于未然，為研發(fā)提供有力保障。

四、冷凝仿真與水膜厚度預(yù)測

車燈并非完全密封，會通過通氣孔與發(fā)動機艙或乘員艙進行氣體的交換，因此外界的濕度、溫度將對車燈內(nèi)的氣體條件產(chǎn)生影響；此外，塑料件本身也具有吸水性，如海綿一樣被浸潤或釋放水分。因此隨著時間的推移，在車燈的使用過程中會逐漸滲透更多的濕氣，在雨雪天氣濕氣大、燈罩內(nèi)外表面溫差增大時，將在外燈罩內(nèi)表面形成水膜，影響光學(xué)系統(tǒng)的有效工作。因此研究通氣孔的數(shù)量及位置，減少濕氣的進入，加速燈內(nèi)冷凝與蒸發(fā)的速度，即增加燈內(nèi)的通風(fēng)效率，或利用較熱的氣流增加空氣的含水量，對于外透鏡的水膜蒸發(fā)顯得尤為重要。

由于實驗方法并不能在這方面發(fā)展出全場可視化效果，所以研發(fā)人員只能從實驗結(jié)束時起霧來推測燈內(nèi)氣流流動方式和濕度，相比較而言，CFD工具則可以對任意截面或者表面的流動和濕度進行分析，精確地分析出問題產(chǎn)生的原因，迅速地驗證出各方案的優(yōu)缺點，對水膜領(lǐng)域的研究有著不可替代的作用。

若要分析薄膜厚度問題，需要CFD工具具有如下功能：

1、液體覆膜功能

2、膜厚、膜相、質(zhì)量、溫度、生長率、熱流量分析功能

3、固體表面潤濕性功能

4、蒸發(fā)、冷凝的計算求解功能

5、濕度模型

6、瞬態(tài)求解功能

從而可按用戶規(guī)定對這一問題進行分析。預(yù)報了由預(yù)處理到淋雨/高溫高濕和觀測階段水膜產(chǎn)生和消散等過程。在分析的基礎(chǔ)上，更明確了通氣孔的個數(shù)及位置是要變化，還是要做防霧，干燥處理才能對研發(fā)設(shè)計起到有效的幫助作用。

五、總結(jié)

總之，車燈熱設(shè)計中仿真工具有FloEFD和FloTHERM,測試工具有T3Ster和Teraled，本實用新型能很好地解決LED/模組的設(shè)計，整燈熱分析，太陽輻射和水膜預(yù)測的難題，進而在降低成本，降低設(shè)計余量和縮短研發(fā)周期方面發(fā)揮關(guān)鍵性作用。