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,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?zé)羰褂脮饾u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(yù)測

LED光熱特性校核

風(fēng)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(fēng)情況預(yù)測

做為車燈研發(fā)中的計算機(jī)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(dá)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(yù)測、太陽輻射問題的研究、冷凝仿真與水膜厚度預(yù)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(yuǎn)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(xué)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(xì)設(shè)計在研發(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；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(yù)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(jìn)行散熱，散熱效果會直接影響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，所以在很短的時間內(nèi)對其進(jìn)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(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；

對以上步驟進(jìn)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(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(dāng)?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(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)行同時跟蹤；利用T3Ster主機(jī)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(xué)要求，降低設(shè)計余量，進(jìn)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(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?zé)糨椛湫Ч?，透明件溫度精確預(yù)報，太陽輻射問題高效預(yù)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(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(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現(xiàn)PCB和元器件的精細(xì)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(yù)測

無論是鹵素?zé)暨€是LED燈，都具有散熱的需求，尤其是鹵素?zé)?，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(dǎo)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(fù)雜曲面且對常規(guī)CFD軟件，對這樣一個復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行加工是一個非常大的難題，耗費(fèi)在早期模型修整與簡化上的時間非?？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(qiáng)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(yù)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(yù)測

車燈并非完全密封，會通過通氣孔與發(fā)動機(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。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(xué)系統(tǒng)高效運(yùn)行。所以研究通氣孔個數(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(jìn)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(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(yù)測的難題，進(jìn)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。