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(jì)在今后10年內(nèi)LED在汽車車燈上的使用將會(huì)廣泛增多，鹵素?zé)羰褂脮?huì)逐漸減少，隨之也會(huì)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(jì)及其他圍繞核心問題派生出來的流動(dòng)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(jì)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(jì)

模組熱仿真與設(shè)計(jì)

散熱器的選擇與設(shè)計(jì)

LED與PCB的熱設(shè)計(jì)與仿真

LED生命周期預(yù)測(cè)

LED光熱特性校核

風(fēng)扇型號(hào)選擇與位置優(yōu)化

熱界面材料的測(cè)試與仿真

太陽(yáng)輻射仿真

水膜與內(nèi)部通風(fēng)情況預(yù)測(cè)

作為車燈研發(fā)當(dāng)中不可或缺的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，在整燈設(shè)計(jì)研發(fā)當(dāng)中有著不可替代的作用和優(yōu)勢(shì)，而對(duì)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(cè)試相結(jié)合，將成為下一代LED光熱一體化設(shè)計(jì)的趨勢(shì)之一。

下面，本文將對(duì)整燈研發(fā)中熱設(shè)計(jì)這一重點(diǎn)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(yàn)，車燈結(jié)構(gòu)件溫度預(yù)測(cè)、太陽(yáng)輻射問題研究，冷凝仿真及水膜厚度的預(yù)測(cè)。

一、LED熱仿真與測(cè)試

就LED前大燈研制成本而言，大體分為遠(yuǎn)近光燈模組，日行，轉(zhuǎn)向模塊，塑料件，傳動(dòng)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(gè)重要成本單元中，又有很大比例是模組設(shè)計(jì)，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(duì)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(xì)設(shè)計(jì)在研發(fā)中起到關(guān)鍵作用：

1、LED結(jié)溫的仿真預(yù)測(cè)與光熱一體化設(shè)計(jì)

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(qiáng)、壽命以及效果。相對(duì)于傳統(tǒng)的鹵素?zé)舳裕琇ED的熱量相對(duì)集中，因此短時(shí)間內(nèi)的有效散熱是LED熱設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。

LED熱設(shè)計(jì)中通常采用如下步驟：

1) 基于最嚴(yán)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(jì)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(jìn)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(duì)以上步驟進(jìn)行優(yōu)化迭代

基于該設(shè)計(jì)步驟，則可以使用一下仿真與測(cè)試工具進(jìn)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(jiǎn)化為使用便捷的雙熱阻模型，其中由節(jié)點(diǎn)至外殼的熱阻 (Rjc)和節(jié)點(diǎn)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(shí)得到簡(jiǎn)化，也使其能夠與測(cè)試過程相結(jié)合，建立用戶化的LED熱數(shù)據(jù)庫(kù)。

2.適當(dāng)?shù)腖ED光熱模型-光熱一體化測(cè)試

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

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

3.高精度輻射計(jì)算模型

與離散傳遞和離散坐標(biāo)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(jì)算中能夠考慮透明件固體吸收的特性；蒙特卡羅計(jì)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(duì)于LED、鹵素?zé)舻妮椛渥饔?、透明件溫度的?zhǔn)確預(yù)測(cè)、以及太陽(yáng)輻射問題的有效預(yù)測(cè)起到極大的作用。

2、PCB的設(shè)計(jì)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(duì)于產(chǎn)品成本起著至關(guān)重要的作用，所以提高設(shè)計(jì)精度和降低設(shè)計(jì)冗余顯得尤為重要。

FloTHERM軟件與FloEFD軟件均能夠?qū)CB進(jìn)行精細(xì)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(jìn)行綜合考量，從而實(shí)現(xiàn)了PCB與元器件的精細(xì)仿真。

3、散熱器的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

在大多數(shù)散熱系統(tǒng)里，散熱器設(shè)計(jì)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(duì)于異型散熱器設(shè)計(jì)而言,FloEFD軟件可以在該領(lǐng)域中起到關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)，有利于研發(fā)人員快速便捷地解決設(shè)計(jì)問題。

二、車燈結(jié)構(gòu)件的溫度預(yù)測(cè)

鹵素?zé)艉蚅ED燈都有散熱要求，特別在鹵素?zé)糁?，輻射和?duì)流更是至關(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(duì)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(duì)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(fèi)在前期模型修整和簡(jiǎn)化的時(shí)間也十分可觀。因此選擇具有強(qiáng)大的CAD處理功能、方便幾何處理與靈活應(yīng)對(duì)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(jì)算流體力學(xué)重要的發(fā)展趨勢(shì)，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(jiǎn)單的在原始分析模型中修改幾何，軟件能夠自動(dòng)識(shí)別變化而不需重新定義。

三、太陽(yáng)輻射問題的研究

隨著投射式大燈的應(yīng)用越來越多，太陽(yáng)輻射也就成了前大燈研發(fā)中一個(gè)重點(diǎn)要思考的問題。由于太陽(yáng)平行光具有較高精度要求和照射角度及強(qiáng)度變化幅度較大等特點(diǎn)，在實(shí)驗(yàn)上，太陽(yáng)輻射實(shí)驗(yàn)毫無(wú)疑問是一種代價(jià)較大，精度較高，時(shí)間周期較長(zhǎng)的研究手段。

FloEFD仿真工具在此方面優(yōu)勢(shì)十分顯著，能在短時(shí)間內(nèi)預(yù)測(cè)多個(gè)角度的太陽(yáng)輻射情況，驗(yàn)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(cè)

車燈并非完全密封，會(huì)通過通氣孔與發(fā)動(dòng)機(jī)艙或乘員艙進(jìn)行氣體的交換，因此外界的濕度、溫度將對(duì)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(rùn)或釋放水分。因此隨著時(shí)間的推移，在車燈的使用過程中會(huì)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(shí)，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(jìn)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(duì)于外透鏡的水膜蒸發(fā)顯得尤為重要。

由于實(shí)驗(yàn)方法并不能在這方面發(fā)展出全場(chǎng)可視化效果，所以研發(fā)人員只能從實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)起霧來推測(cè)燈內(nèi)氣流流動(dòng)方式和濕度，相比較而言，CFD工具則可以對(duì)任意截面或者表面的流動(dòng)和濕度進(jìn)行分析，精確地分析出問題產(chǎn)生的原因，迅速地驗(yàn)證出各方案的優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)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(zhǎng)率、熱流量分析功能

3、固體表面潤(rùn)濕性功能

4、蒸發(fā)、冷凝的計(jì)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(duì)這一問題進(jìn)行分析。預(yù)報(bào)了由預(yù)處理到淋雨/高溫高濕和觀測(cè)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(gè)數(shù)及位置是要變化，還是要做防霧，干燥處理才能對(duì)研發(fā)設(shè)計(jì)起到有效的幫助作用。

五、總結(jié)

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