技術文章丨提高車燈熱場仿真準確度——精細化建模

引文

近年來，隨著汽車工業的快速發展，汽車照明日新月異，人們對前照燈的要求也越來越高。以LED為代 表的固態照明光源具有壽命長、體積小、轉換效率高、低壓直流供電等優點，與其他光源相比，固態光源具有絕 對的技術優勢，完全滿足了前照燈的各種功能要求。2007年，豐田汽車發布了全球首 款配備LED大燈的雷克薩斯LS600h汽車（圖1），標志著LED大燈正式進入汽車照明市場。根據相關研究數據，2020年的中國LED汽車照明市場規模將超過425億人民幣。

2018年5月，國際汽車照明和信號專家委 員會在日本京都召開了全體成員第125次會議。會議中對大功率LED的散熱性能提出了新的要求。研究表明，大功率LED和LD的70-90%的電能轉化為熱能，當熱量集中在小尺寸芯片時，熱流密度大，導致LED的PN結溫度急劇上升。連續的高結溫會導致發光波長偏移、發光效率降低，降低LED的穩定性，縮短LED的使用壽命。因此，為了保證LED前照燈的安全穩定工作，前照燈研制初期的散熱設計非常關鍵，而如何通過仿真準確獲取LED的結溫數據則顯得尤為重要。

圖1 雷克薩斯LS600h的LED前照燈

LED散熱通道

       目前，帶LED封裝的燈具通常安裝在陶瓷基板上。假設芯片之間沒有熱耦合效應，取一個芯片來分析其冷卻通道。當點亮LED芯片時，熱量從芯片區流出，傳遞熱量主要有兩種方式：第一種方式，熱量通過芯片頂部的電極、磷光體層和硅膠（或環氧樹脂）傳遞到器件上；另一種方式，熱量通過芯片下面的硅襯底、晶體焊接層和封裝基板傳遞到空氣中或傳遞到引線框架的冷卻系統。由于硅膠與環氧樹脂等封裝材料的導熱性較差，芯片上部的熱阻遠大于芯片下部的熱阻，第一種方式的散熱可以忽略。LED散熱主要通過PCB板和散熱器傳導以及燈箱環境的熱輻射和熱對流。LED工作時，燈箱的部件如反射鏡、導光板、燈罩、支架和外殼都會迅速升溫。各種部件相互接觸產生熱傳導，燈內的空氣因受熱不均而產生熱對流。

CX53大燈及其精細結構

       本文采用的CX53前照燈的三維模型如圖2所示。該LED前照燈的遠光燈和近光燈為一個整體，LED模塊由散熱器、PCB、固定支架和透鏡組成，采用歐斯龍黑色平板LED，其近光燈為三個LED，遠光為五個LED芯片，功率分別為8.9W和15.2W， 對應的PN結熱阻分別為1.30K/W和0.90K/W。

圖2   CX53三維模型

在傳統的車燈熱場分析中，LED和PCB被簡化為與實際尺寸相似的立方體。根據芯片和封裝的實際結構，本文對LED車燈進行了精細結構建模，保留了封裝層、熒光層、芯片層、引線框架層和外殼的結構，如圖3所示。在Fluent ANSYS的殼單元中設置引線框架的上、下覆銅層和熒光層時，對應部分應具有不同的導熱系數。

圖3 LED內部結構建模圖

CX53前照燈熱場分析

       熱場分析的目的是計算模型中各部件的溫度分布、熱梯度、熱流密度等物理量。熱量來源包括人體熱源、熱對流、熱輻射和外部熱場。本文所用的仿真軟件Fluent基于流體力學計算，采用適當的算法求解空間離散區域內各節點的物理方程，得到相應的物理參數。

       CX53前照燈采用通用預處理軟件ANSA完成前照燈熱分析的網格劃分，并對LED和封裝內部進行建模，獲得所需的網格數量。劃分得到的網格約256萬個，示意圖如圖4所示。將ANSA軟件劃分的網格導入Fluent中進行仿真。對于精細結構的LED，封裝內部保留了熒光層、光源、襯底、DA層和引線框架。引線框架層上下表面為鍍銅層，中間為基材。上下外殼單元為覆銅層。LED內部各元件的材料配置見圖5。

圖4 LED空間分析的網格劃分

圖5LED精細結構材料和熱阻

此外，本文在邊界條件中為各部分設置了合適的發射率和擴散系數。本文選擇近光集成LED模塊，近光為三片LED，遠光為五片LED，電功率為8.9W和15.2W，光電轉換效率為30%，熱功率分別為6.23W和10.64W。工作環境溫度為50℃，燈罩外表面與外殼外表面的熱對流系數取8W/m²·K。

仿真結果

       從圖6可以看出，精細模型LED模擬的溫度極大值為141.0℃，出現在遠光LED中間的熒光層。對于沒有精細化建模的模型，模擬的溫度極大值為130.2℃，出現在PCB和LED的耦合面上。根據結溫計算公式，傳統LED模擬結溫極大值為139.1℃，比精細結構LED模擬結溫極大值低1.9℃。對于溫度分布云圖，溫度條的顏色由藍色變為紅色，溫度逐漸升高。兩種型號LED模塊的溫度分布趨勢基本一致。而對于簡化模型的LED模塊，溫度是LED焊腳溫度130.2℃，低于精細模型LED結溫的141.0℃。兩個模塊的溫度極大值出現在透鏡上，分別為64.6℃和67.8℃。在相同的工作條件下，兩種不同的LED建模方法得到的模擬溫度會有一定的差異模塊。關鍵點的溫度如圖7。

圖6 LED精細結構建模（左）與傳統結構建模（右）溫度圖

圖7 不同建模方法中LED關鍵點的**溫度

實驗檢驗

測試儀器與方法

       在本實驗中，主要用熱電偶測量溫度。根據仿真結果，利用熱電偶對前照燈主要部件的高溫點進行實際測試。主要測試點和設備有：CX53前照燈樣品（圖8）、熱電偶、AB膠、電熨斗、鋁箔、數據采集器、高溫烘箱等。

實驗時，將CX53前照燈放入高溫烘箱中。將高溫烘箱的溫度調至50°C，接通電源。當烘箱溫度達到50°C且穩定后，接通CX53前照燈的直流電源，點亮前照燈。待燈正常工作約2小時后，燈內各部位溫度達到穩態平衡，用熱電偶和溫度計測量燈罩、燈殼等部位的溫度。

圖8 CX53 前照燈樣品

實驗結果與仿真結果比較

       在本次溫度試驗中，所用熱電偶的測量誤差為±2.5℃，因此，本次試驗測得的溫度是經過多次試驗得到的平均值。另外，將精細建模的模擬溫度與實際測試溫度之間的差定義為△T₁，將傳統建模的模擬溫度與實際測試溫度之間的差定義為△T₂。燈穩定后，讀取并記錄數據，結果見圖9。通過對精細結構LED和簡化模型LED模擬得到的溫度數據進行比較，發現精細結構LED可以更準確地模擬燈具正常工作時燈箱內各部件的實際溫度。

圖9   建模數據和真實數據比較

結論

       精細結構LED建模可以更準確地模擬燈具正常工作時燈箱內各部件的實際溫度。精細結構建模是提高車燈熱分析精度的有效手段。