近年來汽車行業的發展極為迅速，作為汽車當中極為重要的功能件、安全件、法規件——車燈也隨著LED的廣泛應用而得到更為多樣化的發展，預計未來10年汽車車燈中的LED應用將廣泛增加，鹵素燈的應用將逐步減少，隨之而來的則將是對提高LED效能，降低研發成本、縮短研發周期的迫切要求。圍繞LED的自身特點，光與熱的設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中尤為重要的部分， LED燈的設計研發，需要考慮與之相關的一系列問題：

整燈熱設計

模組熱仿真與設計

散熱器的選擇與設計

LED與PCB的熱設計與仿真

LED生命周期預測

LED光熱特性校核

風扇型號選擇與位置優化

熱界面材料的測試與仿真

太陽輻射仿真

水膜與內部通風情況預測

作為車燈研發當中不可或缺的計算機仿真技術，在整燈設計研發當中有著不可替代的作用和優勢，而對于LED而言，單純的仿真技術也難以滿足精益研發的要求。在研發階段將仿真與測試相結合，將成為下一代LED光熱一體化設計的趨勢之一。

以下，我們將提供在整燈研發過程中熱設計關鍵部分的解決方案，用以完成如下工作：LED熱仿真與測試、車燈結構件的溫度預測、太陽輻射問題的研究、冷凝仿真與水膜厚度預測。

一、LED熱仿真與測試

在LED前大燈的開發成本中，大致分為遠近光燈模組、日行、轉向模塊、塑料件、傳動裝置、位置傳感器、電控和光學系統、防霧處理等重要的成本單元，而其中模組的設計占有巨大的比重，因此，從模組研發入手，減少余量、降低成本、同時縮短研發周期，對車燈的開發具有極大意義。而模組當中，最重要的熱系統構成則是LED,PCB以及散熱器。由此，有幾方面的精細設計在研發中起到關鍵作用：

1，LED結溫的仿真預測與光熱一體化設計；

2，PCB的設計與優化；

3、散熱器的設計與優化。

1、LED結溫的仿真預測與光熱一體化設計

LED的輸入功率并非全部轉化為光能，而是70%都將轉化為熱能，且需要有效的散熱途徑將其散出，散熱效果的優劣將直接影響LED的光強、壽命以及效果。相對于傳統的鹵素燈而言，LED的熱量相對集中，因此短時間內的有效散熱是LED熱設計的關鍵所在。LED熱設計中通常采用如下步驟：

1) 基于最嚴苛的邊界條件定義最大接環熱阻；

2) 設置熱阻網絡模型，計算散熱器熱阻；

3) 根據材料、空間預估散熱器尺寸與外形；

4) 利用CFD軟件進行仿真分析；

5) 確定熱學與光學系統性能及余量；

6) 對以上步驟進行優化迭代

基于該設計步驟，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）適當的LED熱模型

FloEFD雙熱阻模型

在車燈行業廣泛應用的FloEFD軟件中，LED封裝模型可簡化為使用便捷的雙熱阻模型，其中由節點至外殼的熱阻 (Rjc)和節點至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得到簡化，也使其能夠與測試過程相結合，建立用戶化的LED熱數據庫。

2）適當的LED光熱模型-光熱一體化測試

光的輸出是LED設計的性能指標，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，熱瞬態測試儀T3Ster能夠對LED的光熱效應進行同時跟蹤；通過T3Ster主機，能夠對LED的熱阻模型進行測試，該測試結果能夠直接生成FloEFD仿真所需要的模型；同時與Teral LED儀器結合，能夠利用積分球在熱測試的同時對LED光通量進行測試，從而實現光、熱一體化的測試方案，為用戶達到流明要求、并滿足熱學要求、減少設計余量的高精度設計提供了強有力的工具。

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中有著廣泛的應用。車燈中的外透鏡、內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夠良好的處理吸收、聚焦等一系列問題，并且用戶可以根據精度的要求，設置離散條帶數量與跟蹤射線數量；該方法對于LED、鹵素燈的輻射作用、透明件溫度的準確預測、以及太陽輻射問題的有效預測起到極大的作用。

2、PCB的設計與優化

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用，PCB對產品的成本有著關鍵的影響，因此提高設計精度，減少設計冗余則十分重要。

FloTHERM軟件與FloEFD軟件均能夠對PCB進行精細的熱仿真，尤其在FloTHERM軟件當中，能夠將布線、過孔、各層特性進行綜合考量，從而實現了PCB與元器件的精細仿真。

3、散熱器的設計與優化

在多數散熱系統中，散熱器的設計都十分重要，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、散熱器通常不規則，且要求高效而輕量化。針對異型散熱器的設計，FloEFD軟件能在此方面發揮關鍵優勢，幫助研發人員迅速方便的解決設計問題。

二、車燈結構件的溫度預測

鹵素燈和LED燈都有散熱要求，特別在鹵素燈中，輻射和對流更是至關重要的散熱方式。車燈結構件多為塑料件且熱傳導系數比較小，輻射發射力比較大，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，車燈內塑料件多為復雜曲面且對常規CFD軟件，對這樣一個復雜結構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系統中的CFD軟件是近年來計算流體力學重要的發展趨勢，FloEFD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。若某結構件需要更改，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。

三、太陽輻射問題的研究

隨著投射式大燈應用的增加，太陽輻射問題成為前大燈研發當中需要考慮的關鍵問題。由于太陽平行光對精度的要求高，以及照射角度與強度的變化范圍大，從實驗角度而言，太陽輻射實驗無疑是成本大、精度高、時間周期長的方法。

FloEFD仿真工具在此方面優勢十分顯著，能在短時間內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，為研發提供有力保障。

四、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、溫度將對車燈內的氣體條件產生影響；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。因此隨著時間的推移，在車燈的使用過程中會逐漸滲透更多的濕氣，在雨雪天氣濕氣大、燈罩內外表面溫差增大時，將在外燈罩內表面形成水膜，影響光學系統的有效工作。因此研究通氣孔的數量及位置，減少濕氣的進入，加速燈內冷凝與蒸發的速度，即增加燈內的通風效率，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顯得尤為重要。

由于實驗方法在此方面無法發達到全場的可視化效果，因此研發人員僅僅能通過試驗后的起霧情況猜測燈內的氣流流動方式及濕度情況，相比之下，CFD工具則能夠分析任意截面或表面的流動、濕度情況，準確的分析問題原因所在，并快速驗證各種方案的優劣，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、冷凝的計算求解功能

5、濕度模型

6、瞬態求解功能

由此，我們可以根據用戶的法規就此問題展開分析。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。根據分析，更加確定是否需要改變通氣孔數量和位置、或進行防霧、干燥處理，為研發設計提供有效助力。