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提高车灯热场仿真准确度——精细化建模

2020-07-15 21:58:04·  来源：IFAL  
　
原文：Research on fine structure modeling of solid state lighting for the thermal design of headlamps作者：Xiangrui Kong, Ru Li, Qingen Meng, Liwei Yi
原文：
Research on fine structure modeling of solid state lighting for the thermal design of headlamps
 
作者：
Xiangrui Kong, Ru Li, Qingen Meng, Liwei Yin, Hong Xiao.
 
单位：
Changzhou Xingyu Automotive Lighting System Co,Ltd. China
 
编译：王阳
指导：林燕丹
 
近年来，随着汽车工业的快速发展，汽车照明日新月异，人们对前照灯的要求也越来越高。以LED为代表的固态照明光源具有寿命长、体积小、转换效率高、低压直流供电等优点，与其他光源相比，固态光源具有绝对的技术优势，完全满足了前照灯的各种功能要求。2007年，丰田汽车发布了全球首款配备LED大灯的雷克萨斯LS600h汽车（图1），标志着LED大灯正式进入汽车照明市场。根据相关研究数据，2020年的中国LED汽车照明市场规模将超过425亿人民币。
本文的结论是：精细结构LED建模可以更准确地模拟灯具正常工作时灯箱内各部件的实际温度。精细结构建模是提高车灯热分析精度的有效手段。
 
图1 雷克萨斯 LS600h的LED前照灯
重要性
2018年5月，国际汽车照明和信号专家委员会在日本京都召开了全体成员第125次会议。会议中对大功率LED的散热性能提出了新的要求。研究表明，大功率LED和LD的70-90%的电能转化为热能，当热量集中在小尺寸芯片时，热流密度大，导致LED的PN结温度急剧上升。连续的高结温会导致发光波长偏移、发光效率降低，降低LED的稳定性，缩短LED的使用寿命。因此，为了保证LED前照灯的安全稳定工作，前照灯研制初期的散热设计非常关键，而如何通过仿真准确获取LED的结温数据则显得尤为重要。
LED散热通道
目前，带LED封装的灯具通常安装在陶瓷基板上。假设芯片之间没有热耦合效应，取一个芯片来分析其冷却通道。当点亮LED芯片时，热量从芯片区流出，传递热量主要有两种方式：第一种方式，热量通过芯片顶部的电极、磷光体层和硅胶（或环氧树脂）传递到器件上；另一种方式，热量通过芯片下面的硅衬底、晶体焊接层和封装基板传递到空气中或传递到引线框架的冷却系统。由于硅胶与环氧树脂等封装材料的导热性较差，芯片上部的热阻远大于芯片下部的热阻，第一种方式的散热可以忽略。LED散热主要通过PCB板和散热器传导以及灯箱环境的热辐射和热对流。LED工作时，灯箱的部件如反射镜、导光板、灯罩、支架和外壳都会迅速升温。各种部件相互接触产生热传导，灯内的空气因受热不均而产生热对流。
 
图2 CX53三维模型
CX53大灯及其精细结构
本文采用的CX53前照灯的三维模型如图2所示。该LED前照灯的远光灯和近光灯为一个整体，LED模块由散热器、PCB、固定支架和透镜组成，采用欧斯龙黑色平板LED，其近光灯为三个LED，远光为五个LED芯片，功率分别为8.9W和15.2W， 对应的PN结热阻分别为1.30K/W和0.90K/W。
在传统的车灯热场分析中，LED和PCB被简化为与实际尺寸相似的立方体。根据芯片和封装的实际结构，本文对LED车灯进行了精细结构建模，保留了封装层、荧光层、芯片层、引线框架层和外壳的结构，如图3所示。在Fluent ANSYS的壳单元中设置引线框架的上、下覆铜层和荧光层时，对应部分应具有不同的导热系数。
 
图3 LED内部结构建模
CX53前照灯热场分析
热场分析的目的是计算模型中各部件的温度分布、热梯度、热流密度等物理量。热量来源包括人体热源、热对流、热辐射和外部热场。本文所用的仿真软件Fluent基于流体力学计算，采用适当的算法求解空间离散区域内各节点的物理方程，得到相应的物理参数。
CX53前照灯采用通用预处理软件ANSA完成前照灯热分析的网格划分，并对LED和封装内部进行建模，获得所需的网格数量。划分得到的网格约256万个，示意图如图4所示。将ANSA软件划分的网格导入Fluent中进行仿真。对于精细结构的LED，封装内部保留了荧光层、光源、衬底、DA层和引线框架。引线框架层上下表面为镀铜层，中间为基材。上下外壳单元为覆铜层。LED内部各元件的材料配置见图5。
 
图4 LED空间分析的网格划分
 
图5 LED精细结构材料和热阻
此外，本文在边界条件中为各部分设置了合适的发射率和扩散系数。本文选择近光集成LED模块，近光为三片LED，远光为五片LED，电功率为8.9W和15.2W，光电转换效率为30%，热功率分别为6.23W和10.64W。工作环境温度为50℃，灯罩外表面与外壳外表面的热对流系数取8W/m^2·K。
 
仿真结果
 
从图6可以看出，精细模型LED模拟的最高温度为141.0℃，出现在远光LED中间的荧光层。对于没有精细化建模的模型，模拟的最高温度为130.2℃，出现在PCB和LED的耦合面上。根据结温计算公式，传统LED模拟结温最高为139.1℃，比精细结构LED最高模拟结温低1.9℃。对于温度分布云图，温度条的颜色由蓝色变为红色，温度逐渐升高。两种型号LED模块的温度分布趋势基本一致。而对于简化模型的LED模块，最高温度是LED焊脚温度130.2℃，低于精细模型LED结温的141.0℃。两个模块的最低温度出现在透镜上，分别为64.6℃和67.8℃。在相同的工作条件下，两种不同的LED建模方法得到的模拟温度会有一定的差异模块。关键点的温度如图7。
 
 
图6 LED精细结构建模（左）与传统结构建模（右）温度
 
图7 不同建模方法中LED关键点的最高温度
实验---仪器与方法
在本实验中，主要用热电偶测量温度。根据仿真结果，利用热电偶对前照灯主要部件的高温点进行实际测试。主要测试点和设备有：CX53前照灯样品（图8）、热电偶、AB胶、电熨斗、铝箔、数据采集器、高温烘箱等。
实验时，将CX53前照灯放入高温烘箱中。将高温烘箱的温度调至50°C，接通电源。当烘箱温度达到50°C且稳定后，接通CX53前照灯的直流电源，点亮前照灯。待灯正常工作约2小时后，灯内各部位温度达到稳态平衡，用热电偶和温度计测量灯罩、灯壳等部位的温度。
 
图8 CX53 前照灯样品
 
实验结果与仿真结果比较
 
在本次温度试验中，所用热电偶的测量误差为±2.5℃，因此，本次试验测得的温度是经过多次试验得到的平均值。另外，将精细建模的模拟温度与实际测试温度之间的差定义为△T1，将传统建模的模拟温度与实际测试温度之间的差定义为△T2。灯稳定后，读取并记录数据，结果见图9。通过对精细结构LED和简化模型LED模拟得到的温度数据进行比较，发现精细结构LED可以更准确地模拟灯具正常工作时灯箱内各部件的实际温度。
图9 建模数据和真实数据比较
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