车灯设计与仿真测试解决方案

汽车行业在最近几年发展异常迅猛，车灯这一汽车中极其重要的功能件，安全件和法规件在LED广泛使用的情况下也有了更加多样的发展，预计在今后10年内LED在汽车车灯上的使用将会广泛增多，卤素灯使用会逐渐减少，随之也会出现提高LED效能、降低研发成本和缩短研发周期等方面的迫切需求。围绕LED本身特性、光和热等设计及其他围绕核心问题派生出来的流动和传热问题，在整灯研制过程中显得格外重要，LED灯在设计和研发过程中需要思考一系列与此有关的问题:

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。

下面，本文将对整灯研发中热设计这一重点环节给出解决方案，以完成以下任务:LED热仿真及试验，车灯结构件温度预测、太阳辐射问题研究，冷凝仿真及水膜厚度的预测。

一、LED热仿真与测试

就LED前大灯研制成本而言，大体分为远近光灯模组，日行，转向模块，塑料件，传动装置，位置传感器，电控及光学系统等、在防雾处理这样一个重要成本单元中，又有很大比例是模组设计，所以从模组研发着手，在缩短研发周期的前提下，降低余量和成本，对于车灯研发有很大的意义。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

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

与离散传递和离散坐标模型相比较，高精度蒙特卡洛模型广泛应用于车灯系统。车灯中外透镜，内透镜和其他透明材料都有很好的透光性和部分吸收特性，

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广泛应用于前大灯模组和控制单元、LED尾灯中,PCB对于产品成本起着至关重要的作用，所以提高设计精度和降低设计冗余显得尤为重要。

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 

在大多数散热系统里，散热器设计是非常重要的，不必多说。但车灯内散热器的特殊性在于由于空间及尺寸的需求，散热器一般都是不规则的，并且需要高效轻量化。对于异型散热器设计而言,FloEFD软件可以在该领域中起到关键优势，有利于研发人员快速便捷地解决设计问题。

二、车灯结构件的温度预测

卤素灯和LED灯都有散热要求，特别在卤素灯中，辐射和对流更是至关重要的散热方式。车灯结构件多为塑料件且热传导系数比较小，辐射发射力比较大，所以塑料件的温度校核不可避免。

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

随着投射式大灯的应用越来越多，太阳辐射也就成了前大灯研发中一个重点要思考的问题。由于太阳平行光具有较高精度要求和照射角度及强度变化幅度较大等特点，在实验上，太阳辐射实验毫无疑问是一种代价较大，精度较高，时间周期较长的研究手段。

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。

由于实验方法并不能在这方面发展出全场可视化效果，所以研发人员只能从实验结束时起雾来推测灯内气流流动方式和湿度，相比较而言，CFD工具则可以对任意截面或者表面的流动和湿度进行分析，精确地分析出问题产生的原因，迅速地验证出各方案的优缺点，对水膜领域的研究有着不可替代的作用。

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

从而可按用户规定对这一问题进行分析。预报了由预处理到淋雨/高温高湿和观测阶段水膜产生和消散等过程。在分析的基础上，更明确了通气孔的个数及位置是要变化，还是要做防雾，干燥处理才能对研发设计起到有效的帮助作用。

五、总结

总之，车灯热设计中仿真工具有FloEFD和FloTHERM,测试工具有T3Ster和Teraled，本实用新型能很好地解决LED/模组的设计，整灯热分析，太阳辐射和水膜预测的难题，进而在降低成本，降低设计余量和缩短研发周期方面发挥关键性作用。