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(yù)測(cè),LED在汽車車燈上的使用在今后10年內(nèi)會(huì)普遍增長(zhǎng)，而鹵素?zé)羰褂脮?huì)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(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(cè)

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(cè)試與仿真

太陽輻射仿真

水膜與內(nèi)部通風(fēng)情況預(yù)測(cè) 

做為車燈研發(fā)中的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在整燈的設(shè)計(jì)與研發(fā)中具有功能與優(yōu)勢(shì)，對(duì)于LED來說，僅有仿真技術(shù)還很難達(dá)到精益研發(fā)的需求。研究開發(fā)階段仿真和測(cè)試結(jié)合將是新一代LED光熱一體化設(shè)計(jì)發(fā)展趨勢(shì)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(cè)試、車燈結(jié)構(gòu)件的溫度預(yù)測(cè)、太陽輻射問題的研究、冷凝仿真與水膜厚度預(yù)測(cè)。

就LED前大燈研制成本而言，大體分為遠(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，電控及光學(xué)系統(tǒng)等、在防霧處理這樣一個(gè)重要成本單元中，又有很大比例是模組設(shè)計(jì)，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(duì)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(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(cè)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。

LED輸入功率并不總是轉(zhuǎn)換成光能，但70%會(huì)轉(zhuǎn)換成熱能，并且需要通過有效散熱途徑進(jìn)行散熱，散熱效果會(huì)直接影響LED光強(qiáng)，壽命和效果。與傳統(tǒng)鹵素?zé)粝啾容^,LED熱量比較集中，所以在很短的時(shí)間內(nèi)對(duì)其進(jìn)行有效地散熱是LED熱設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵。LED的熱設(shè)計(jì)一般有以下幾個(gè)環(huán)節(jié):

• 基于最嚴(yán)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(jì)算散熱器熱阻；

• 根據(jù)材料、空間預(yù)估散熱器尺寸與外形；

• 利用CFD軟件進(jìn)行仿真分析；

• 確定熱學(xué)與光學(xué)系統(tǒng)性能及余量；

• 對(duì)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(cè)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

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(jiǎn)化成易于使用的雙熱阻模型，從節(jié)點(diǎn)到外殼（Rjc）以及從節(jié)點(diǎn)到PCB板（Rjb）都是雙熱阻模型中的一部分，所建模型既簡(jiǎn)化了仿真過程，又保證了精度，還能結(jié)合測(cè)試過程構(gòu)建用戶化LED熱數(shù)據(jù)庫。

2.適當(dāng)?shù)腖ED光熱模型-光熱一體化測(cè)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(duì)于芯片的熱仿真意義重大。

本方案如圖所示，熱瞬態(tài)測(cè)試儀T3Ster能夠?qū)ED的光熱效應(yīng)進(jìn)行同時(shí)跟蹤；利用T3Ster主機(jī)可以實(shí)現(xiàn)LED熱阻模型的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可直接產(chǎn)生FloEFD仿真中所需的模型；同時(shí)配合Teral LED儀器，可以用積分球邊熱測(cè)試邊檢測(cè)LED光通量，實(shí)現(xiàn)了光熱一體化檢測(cè)方案，為使用者實(shí)現(xiàn)流明要求，且符合熱學(xué)要求，降低設(shè)計(jì)余量，進(jìn)行高精度設(shè)計(jì)，提供一個(gè)有力工具。

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(gè)數(shù)和跟蹤射線個(gè)數(shù)；這種方法在LED,鹵素?zé)糨椛湫Ч该骷囟染_預(yù)報(bào)，太陽輻射問題高效預(yù)報(bào)等方面都發(fā)揮了很大作用。

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(duì)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軟件和FloEFD軟件都可以對(duì)PCB做精細(xì)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(shí)現(xiàn)PCB和元器件的精細(xì)仿真。

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(duì)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(shì)，幫助研發(fā)人員迅速方便的解決設(shè)計(jì)問題。

無論是鹵素?zé)暨€是LED燈，都具有散熱的需求，尤其是鹵素?zé)簦椛渑c對(duì)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(dǎo)系數(shù)相對(duì)較低，輻射發(fā)射力相對(duì)較高，因此對(duì)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(duì)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(duì)常規(guī)CFD軟件，對(duì)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(jiǎn)化上的時(shí)間非常可觀。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(shì)，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(jiǎn)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。

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(gè)重點(diǎn)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(qiáng)度變化幅度較大等特點(diǎn)，在實(shí)驗(yàn)上，太陽輻射實(shí)驗(yàn)毫無疑問是一種代價(jià)較大，精度較高，時(shí)間周期較長(zhǎng)的研究手段。

FloEFD仿真工具在此方面優(yōu)勢(shì)十分顯著，能在短時(shí)間內(nèi)預(yù)測(cè)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。

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(duì)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(rùn)或釋放水分。所以時(shí)間久了，車燈使用中就會(huì)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(huì)在外燈罩的內(nèi)側(cè)面上形成一層水膜而影響光學(xué)系統(tǒng)高效運(yùn)行。所以研究通氣孔個(gè)數(shù)和位置以減少濕氣進(jìn)入并加快燈內(nèi)冷凝和蒸發(fā)，也就是提高燈內(nèi)通風(fēng)效率或者用更高溫氣流來提高空氣含水量對(duì)外透鏡水膜蒸發(fā)特別重要。

由于實(shí)驗(yàn)方法并不能在這方面發(fā)展出全場(chǎng)可視化效果，所以研發(fā)人員只能從實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)起霧來推測(cè)燈內(nèi)氣流流動(dòng)方式和濕度，相比較而言，CFD工具則可以對(duì)任意截面或者表面的流動(dòng)和濕度進(jìn)行分析，精確地分析出問題產(chǎn)生的原因，迅速地驗(yàn)證出各方案的優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)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(zhǎng)率、熱流量分析功能

• 固體表面潤(rùn)濕性功能

• 蒸發(fā)、冷凝的計(jì)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(yù)測(cè)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。

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

文章來源：金鑒LED車燈實(shí)驗(yàn)室