汽車行業(yè)在最近幾年發(fā)展異常迅猛，車燈這一汽車中的重要功能件，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化的發(fā)展，據(jù)預測,LED在汽車車燈上的使用在今后10年內(nèi)會普遍增長，而鹵素燈使用會逐漸下降，隨之產(chǎn)生了提高LED效能以及降低研發(fā)成本和縮短研發(fā)周期等迫切需求。圍繞LED的自身特點，光與熱的設(shè)計以及其他圍繞核心問題而衍生的其他流動傳熱問題是整燈開發(fā)中尤為重要的部分， LED燈的設(shè)計研發(fā)，需要考慮與之相關(guān)的一系列問題：

整燈熱設(shè)計

模組熱仿真與設(shè)計

散熱器的選擇與設(shè)計

LED與PCB的熱設(shè)計與仿真

LED生命周期預測

LED光熱特性校核

風扇型號選擇與位置優(yōu)化

熱界面材料的測試與仿真

太陽輻射仿真

水膜與內(nèi)部通風情況預測

做為車燈研發(fā)中的計算機仿真技術(shù)在整燈的設(shè)計與研發(fā)中具有功能與優(yōu)勢，對于LED來說，僅有仿真技術(shù)還很難達到精益研發(fā)的需求。研究開發(fā)階段仿真和測試結(jié)合將是新一代LED光熱一體化設(shè)計發(fā)展趨勢之一。

以下，我們將提供在整燈研發(fā)過程中熱設(shè)計關(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)件的溫度預測、太陽輻射問題的研究、冷凝仿真與水膜厚度預測。

1.LED熱仿真與測試

就LED前大燈研制成本而言，大體分為遠近光燈模組，日行，轉(zhuǎn)向模塊，塑料件，傳動裝置，位置傳感器，電控及光學系統(tǒng)等、在防霧處理這樣一個重要成本單元中，又有很大比例是模組設(shè)計，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，對于車燈研發(fā)有很大的意義。而模組中重要熱系統(tǒng)組成有LED、PCB、散熱器等。

由此，有幾方面的精細設(shè)計在研發(fā)中起到關(guān)鍵作用：1，LED結(jié)溫的仿真預測與光熱一體化設(shè)計；2，PCB的設(shè)計與優(yōu)化；3、散熱器的設(shè)計與優(yōu)化。

一、LED結(jié)溫的仿真預測與光熱一體化設(shè)計

LED輸入功率并不總是轉(zhuǎn)換成光能，但70%會轉(zhuǎn)換成熱能，并且需要通過有效散熱途徑進行散熱，散熱效果會直接影響LED光強，壽命和效果。與傳統(tǒng)鹵素燈相比較,LED熱量比較集中，所以在很短的時間內(nèi)對其進行有效地散熱是LED熱設(shè)計中的關(guān)鍵。LED的熱設(shè)計一般有以下幾個環(huán)節(jié):

基于最嚴苛的邊界條件定義最大接環(huán)熱阻；

設(shè)置熱阻網(wǎng)絡(luò)模型，計算散熱器熱阻；

根據(jù)材料、空間預估散熱器尺寸與外形；

利用CFD軟件進行仿真分析；

確定熱學與光學系統(tǒng)性能及余量；

對以上步驟進行優(yōu)化迭代

基于該設(shè)計步驟，則可以使用一下仿真與測試工具進行支持，主要包括FloEFD、FloTHERM、T3Ster、TeraLED等工具。

1.適當?shù)腖ED熱模型-FloEFD雙熱阻模型

LED封裝模型是車燈行業(yè)普遍采用的FloEFD軟件之一，它可以簡化成易于使用的雙熱阻模型，從節(jié)點到外殼（Rjc）以及從節(jié)點到PCB板（Rjb）都是雙熱阻模型中的一部分，所建模型既簡化了仿真過程，又保證了精度，還能結(jié)合測試過程構(gòu)建用戶化LED熱數(shù)據(jù)庫。

2.適當?shù)腖ED光熱模型-光熱一體化測試

光的輸出是LED設(shè)計的性能指標，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)進行同時跟蹤；利用T3Ster主機可以實現(xiàn)LED熱阻模型的實驗，實驗結(jié)果可直接產(chǎn)生FloEFD仿真中所需的模型；同時配合Teral LED儀器，可以用積分球邊熱測試邊檢測LED光通量，實現(xiàn)了光熱一體化檢測方案，為使用者實現(xiàn)流明要求，且符合熱學要求，降低設(shè)計余量，進行高精度設(shè)計，提供一個有力工具。

3.高精度輻射計算模型

相比離散傳遞、離散坐標模型，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軟件在仿真計算中能夠考慮透明件固體吸收的特性；蒙特卡羅計算模型能較好地解決吸收，聚焦等系列問題，用戶可根據(jù)精度要求設(shè)定離散條帶個數(shù)和跟蹤射線個數(shù)；這種方法在LED,鹵素燈輻射效果，透明件溫度精確預報，太陽輻射問題高效預報等方面都發(fā)揮了很大作用。

二、PCB的設(shè)計與優(yōu)化

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

FloTHERM軟件和FloEFD軟件都可以對PCB做精細熱仿真，特別是FloTHERM軟件中可以綜合布線，過孔和各層特性來實現(xiàn)PCB和元器件的精細仿真。

三、散熱器的設(shè)計與優(yōu)化

在多數(shù)散熱系統(tǒng)中，散熱器的設(shè)計都十分重要，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，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)計問題。

2.車燈結(jié)構(gòu)件的溫度預測

無論是鹵素燈還是LED燈，都具有散熱的需求，尤其是鹵素燈，輻射與對流是散熱的關(guān)鍵途徑。車燈結(jié)構(gòu)件大多為塑料件，熱傳導系數(shù)相對較低，輻射發(fā)射力相對較高，因此對塑料件溫度的校核也是必然的。

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)塑料件多為復雜曲面且對常規(guī)CFD軟件，對這樣一個復雜結(jié)構(gòu)進行加工是一個非常大的難題，耗費在早期模型修整與簡化上的時間非常可觀。因此，選用有較強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軟件是近年來計算流體力學重要的發(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，軟件能夠自動識別變化而不需重新定義。

3.太陽輻射問題的研究

隨著投射式大燈的應(yīng)用越來越多，太陽輻射也就成了前大燈研發(fā)中一個重點要思考的問題。由于太陽平行光具有較高精度要求和照射角度及強度變化幅度較大等特點，在實驗上，太陽輻射實驗毫無疑問是一種代價較大，精度較高，時間周期較長的研究手段。

FloEFD仿真工具在此方面優(yōu)勢十分顯著，能在短時間內(nèi)預測多個角度的太陽輻射情況，驗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。

4.冷凝仿真與水膜厚度預測

車燈并非完全密封，會通過通氣孔與發(fā)動機艙或乘員艙進行氣體的交換，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。所以時間久了，車燈使用中就會漸漸滲入較多水分，雨雪天水分較重，燈罩內(nèi)外層溫差加大，會在外燈罩的內(nèi)側(cè)面上形成一層水膜而影響光學系統(tǒng)高效運行。所以研究通氣孔個數(shù)和位置以減少濕氣進入并加快燈內(nèi)冷凝和蒸發(fā)，也就是提高燈內(nèi)通風效率或者用更高溫氣流來提高空氣含水量對外透鏡水膜蒸發(fā)特別重要。

由于實驗方法并不能在這方面發(fā)展出全場可視化效果，所以研發(fā)人員只能從實驗結(jié)束時起霧來推測燈內(nèi)氣流流動方式和濕度，相比較而言，CFD工具則可以對任意截面或者表面的流動和濕度進行分析，精確地分析出問題產(chǎn)生的原因，迅速地驗證出各方案的優(yōu)缺點，對水膜領(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：

液體覆膜功能

膜厚、膜相、質(zhì)量、溫度、生長率、熱流量分析功能

固體表面潤濕性功能

蒸發(fā)、冷凝的計算求解功能

濕度模型

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。預測從預處理、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、或進行防霧、干燥處理，為研發(fā)設(shè)計提供有效助力。

5.總結(jié)

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