汽车大灯研发设计：热仿真与光热一体化测试解决方案

近年来汽车行业的发展极为迅速，作为汽车当中极为重要的功能件、安全件、法规件——车灯也随着LED的广泛应用而得到更为多样化的发展，预计未来10年汽车车灯中的LED应用将广泛增加，卤素灯的应用将逐步减少，随之而来的则将是对提高LED效能，降低研发成本、缩短研发周期的迫切要求。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

作为车灯研发当中不可或缺的计算机仿真技术，在整灯设计研发当中有着不可替代的作用和优势，而对于LED而言，单纯的仿真技术也难以满足精益研发的要求。在研发阶段将仿真与测试相结合，将成为下一代LED光热一体化设计的趋势之一。

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。

一、LED热仿真与测试
在LED前大灯的开发成本中，大致分为远近光灯模组、日行、转向模块、塑料件、传动装置、位置传感器、电控和光学系统、防雾处理等重要的成本单元，而其中模组的设计占有巨大的比重，因此，从模组研发入手，减少余量、降低成本、同时缩短研发周期，对车灯的开发具有极大意义。而模组当中，最重要的热系统构成则是LED,PCB以及散热器。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。



1、LED结温的仿真预测与光热一体化设计
LED的输入功率并非全部转化为光能，而是70%都将转化为热能，且需要有效的散热途径将其散出，散热效果的优劣将直接影响LED的光强、寿命以及效果。相对于传统的卤素灯而言，LED的热量相对集中，因此短时间内的有效散热是LED热设计的关键所在。LED热设计中通常采用如下步骤：
1) 基于最严苛的边界条件定义最大接环热阻；
2) 设置热阻网络模型，计算散热器热阻；
3) 根据材料、空间预估散热器尺寸与外形；
4) 利用CFD软件进行仿真分析；
5) 确定热学与光学系统性能及余量；
6) 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

在车灯行业广泛应用的FloEFD软件中，LED封装模型可简化为使用便捷的双热阻模型，其中由节点至外壳的热阻 (Rjc)和节点至PCB板的热阻(Rjb)为双热阻模型的组成部分，该模型不仅使仿真过程在保证高精度的同时得到简化，也使其能够与测试过程相结合，建立用户化的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；通过T3Ster主机，能够对LED的热阻模型进行测试，该测试结果能够直接生成FloEFD仿真所需要的模型；同时与Teral LED仪器结合，能够利用积分球在热测试的同时对LED光通量进行测试，从而实现光、热一体化的测试方案，为用户达到流明要求、并满足热学要求、减少设计余量的高精度设计提供了强有力的工具。

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够良好的处理吸收、聚焦等一系列问题，并且用户可以根据精度的要求，设置离散条带数量与跟踪射线数量；该方法对于LED、卤素灯的辐射作用、透明件温度的准确预测、以及太阳辐射问题的有效预测起到极大的作用。

2、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软件与FloEFD软件均能够对PCB进行精细的热仿真，尤其在FloTHERM软件当中，能够将布线、过孔、各层特性进行综合考量，从而实现了PCB与元器件的精细仿真。

3、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。

二、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。

塑料件多为注塑成型，由于车灯对于外观的要求以及注塑工艺的灵活性，车灯中的塑料件大多为复杂曲面，对于传统CFD软件来说，处理如此复杂的结构是十分巨大的挑战，花费在前期模型修整和简化的时间也十分可观。因此选择具有强大的CAD处理功能、方便几何处理与灵活应对几何变化、网格生成算法直观的CFD软件也就十分必要。



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。

三、太阳辐射问题的研究
随着投射式大灯应用的增加，太阳辐射问题成为前大灯研发当中需要考虑的关键问题。由于太阳平行光对精度的要求高，以及照射角度与强度的变化范围大，从实验角度而言，太阳辐射实验无疑是成本大、精度高、时间周期长的方法。



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。


四、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。因此随着时间的推移，在车灯的使用过程中会逐渐渗透更多的湿气，在雨雪天气湿气大、灯罩内外表面温差增大时，将在外灯罩内表面形成水膜，影响光学系统的有效工作。因此研究通气孔的数量及位置，减少湿气的进入，加速灯内冷凝与蒸发的速度，即增加灯内的通风效率，或利用较热的气流增加空气的含水量，对于外透镜的水膜蒸发显得尤为重要。

由于实验方法在此方面无法发达到全场的可视化效果，因此研发人员仅仅能通过试验后的起雾情况猜测灯内的气流流动方式及湿度情况，相比之下，CFD工具则能够分析任意截面或表面的流动、湿度情况，准确的分析问题原因所在，并快速验证各种方案的优劣，在水膜方面的研究中具有无可替代的作用。
若要分析薄膜厚度问题，需要CFD工具具有如下功能：
1、液体覆膜功能
2、膜厚、膜相、质量、温度、生长率、热流量分析功能
3、固体表面润湿性功能
4、蒸发、冷凝的计算求解功能
5、湿度模型
6、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。

五、总结
综上，在车灯的热设计当中，仿真工具如FloEFD, FloTHERM以及测试工具T3Ster，Teraled等，能够解决LED/模组，整灯热分析、太阳辐射、水膜预测等问题，从而对降低成本、减少设计余量、缩短研发周期起到关键作用。