近年來汽車行業(yè)的發(fā)展極為迅速，作為汽車當(dāng)中極為重要的功能件、安全件、法規(guī)件——車燈也隨著LED的廣泛應(yīng)用而得到更為多樣化的發(fā)展，預(yù)計(jì)未來10年汽車車燈中的LED應(yīng)用將廣泛增加，鹵素?zé)舻膽?yīng)用將逐步減少，隨之而來的則將是對提高LED效能，降低研發(fā)成本、縮短研發(fā)周期的迫切要求。圍繞LED的自身特點(diǎn)，光與熱的設(shè)計(jì)以及其他圍繞核心問題而衍生的其他流動(dòng)傳熱問題是整燈開發(fā)中尤為重要的部分， LED燈的設(shè)計(jì)研發(fā)，需要考慮與之相關(guān)的一系列問題：

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

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(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，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(jì)的趨勢之一。

以下，我們將提供在整燈研發(fā)過程中熱設(shè)計(jì)關(guān)鍵部分的解決方案，用以完成如下工作：LED熱仿真與測試、車燈結(jié)構(gòu)件的溫度預(yù)測、太陽輻射問題的研究、冷凝仿真與水膜厚度預(yù)測。

一、LED熱仿真與測試

在LED前大燈的開發(fā)成本中，大致分為遠(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、電控和光學(xué)系統(tǒng)、防霧處理等重要的成本單元，而其中模組的設(shè)計(jì)占有巨大的比重，因此，從模組研發(fā)入手，減少余量、降低成本、同時(shí)縮短研發(fā)周期，對車燈的開發(fā)具有極大意義。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)測與光熱一體化設(shè)計(jì)；

2，PCB的設(shè)計(jì)與優(yōu)化；

3、散熱器的設(shè)計(jì)與優(yōu)化。

1、LED結(jié)溫的仿真預(yù)測與光熱一體化設(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。相對于傳統(tǒng)的鹵素?zé)舳?，LED的熱量相對集中，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(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(jìn)行同時(shí)跟蹤；通過T3Ster主機(jī)，能夠?qū)ED的熱阻模型進(jìn)行測試，該測試結(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試的同時(shí)對LED光通量進(jìn)行測試，從而實(shí)現(xiàn)光、熱一體化的測試方案，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

相比離散傳遞、離散坐標(biāo)模型，高精度的蒙特卡洛模型在車燈系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用。車燈中的外透鏡、內(nèi)透鏡等透明材料具有良好的透光性與一定的吸收特性，

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；該方法對于LED、鹵素?zé)舻妮椛渥饔?、透明件溫度的?zhǔn)確預(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(jì)與優(yōu)化

PCB在前大燈模組與控制單元，以及LED尾燈當(dāng)中具有廣泛的應(yīng)用，PCB對產(chǎn)品的成本有著關(guān)鍵的影響，因此提高設(shè)計(jì)精度，減少設(shè)計(jì)冗余則十分重要。

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

在多數(shù)散熱系統(tǒng)中，散熱器的設(shè)計(jì)都十分重要，無需贅述。而車燈中的散熱器特殊性就在于因空間和尺寸要求、散熱器通常不規(guī)則，且要求高效而輕量化。針對異型散熱器的設(shè)計(jì)，F(xiàn)loEFD軟件能在此方面發(fā)揮關(guān)鍵優(yōu)勢，幫助研發(fā)人員迅速方便的解決設(shè)計(jì)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?，輻射和對流更是至關(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。

塑料件多以注塑成型為主，因車燈對外觀要求和注塑工藝靈活等原因，車燈內(nèi)塑料件多為復(fù)雜曲面且對常規(guī)CFD軟件，對這樣一個(gè)復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行加工是一個(gè)非常大的難題，耗費(fèi)在早期模型修整與簡化上的時(shí)間非?？捎^。因此，選用有較強(qiáng)CAD處理功能，便于幾何處理和靈活處理幾何變化，網(wǎng)格生成算法形象直觀的CFD軟件同樣是非常有必要的。

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，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(dòng)識(shí)別變化而不需重新定義。

三、太陽輻射問題的研究

隨著投射式大燈應(yīng)用的增加，太陽輻射問題成為前大燈研發(fā)當(dāng)中需要考慮的關(guān)鍵問題。由于太陽平行光對精度的要求高，以及照射角度與強(qiáng)度的變化范圍大，從實(shí)驗(yàn)角度而言，太陽輻射實(shí)驗(yàn)無疑是成本大、精度高、時(shí)間周期長的方法。

FloEFD仿真工具在此方面優(yōu)勢十分顯著，能在短時(shí)間內(nèi)預(yù)測多個(gè)角度的太陽輻射情況，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

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(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，對于外透鏡的水膜蒸發(fā)顯得尤為重要。

由于實(shí)驗(yàn)方法在此方面無法發(fā)達(dá)到全場的可視化效果，因此研發(fā)人員僅僅能通過試驗(yàn)后的起霧情況猜測燈內(nèi)的氣流流動(dòng)方式及濕度情況，相比之下，CFD工具則能夠分析任意截面或表面的流動(dòng)、濕度情況，準(zhǔn)確的分析問題原因所在，并快速驗(yàn)證各種方案的優(yōu)劣，在水膜方面的研究中具有無可替代的作用。

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(jì)算求解功能

5、濕度模型

6、瞬態(tài)求解功能

由此，我們可以根據(jù)用戶的法規(guī)就此問題展開分析。預(yù)測從預(yù)處理、淋雨/高溫高濕，以及觀察階段的水膜生成與消散過程。根據(jù)分析，更加確定是否需要改變通氣孔數(shù)量和位置、或進(jìn)行防霧、干燥處理，為研發(fā)設(shè)計(jì)提供有效助力。