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技术文章丨提高车灯热场仿真准确度——精细化建模

发布时间:2020-07-20

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引文

近年来,随着汽车工业的快速发展,汽车照明日新月异,人们对前照灯的要求也越来越高。以LED为代 表的固态照明光源具有寿命长、体积小、转换效率高、低压直流供电等优点,与其他光源相比,固态光源具有绝 对的技术优势,完全满足了前照灯的各种功能要求。2007年,丰田汽车发布了全球首 款配备LED大灯的雷克萨斯LS600h汽车(图1),标志着LED大灯正式进入汽车照明市场。根据相关研究数据,2020年的中国LED汽车照明市场规模将超过425亿人民币。

2018年5月,国际汽车照明和信号专家委 员会在日本京都召开了全体成员第125次会议。会议中对大功率LED的散热性能提出了新的要求。研究表明,大功率LED和LD的70-90%的电能转化为热能,当热量集中在小尺寸芯片时,热流密度大,导致LED的PN结温度急剧上升。连续的高结温会导致发光波长偏移、发光效率降低,降低LED的稳定性,缩短LED的使用寿命。因此,为了保证LED前照灯的安全稳定工作,前照灯研制初期的散热设计非常关键,而如何通过仿真准确获取LED的结温数据则显得尤为重要。

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图1 雷克萨斯LS600h的LED前照灯


LED散热通道

       目前,带LED封装的灯具通常安装在陶瓷基板上。假设芯片之间没有热耦合效应,取一个芯片来分析其冷却通道。当点亮LED芯片时,热量从芯片区流出,传递热量主要有两种方式:第一种方式,热量通过芯片顶部的电极、磷光体层和硅胶(或环氧树脂)传递到器件上;另一种方式,热量通过芯片下面的硅衬底、晶体焊接层和封装基板传递到空气中或传递到引线框架的冷却系统。由于硅胶与环氧树脂等封装材料的导热性较差,芯片上部的热阻远大于芯片下部的热阻,第一种方式的散热可以忽略。LED散热主要通过PCB板和散热器传导以及灯箱环境的热辐射和热对流。LED工作时,灯箱的部件如反射镜、导光板、灯罩、支架和外壳都会迅速升温。各种部件相互接触产生热传导,灯内的空气因受热不均而产生热对流。


CX53大灯及其精细结构

       本文采用的CX53前照灯的三维模型如图2所示。该LED前照灯的远光灯和近光灯为一个整体,LED模块由散热器、PCB、固定支架和透镜组成,采用欧斯龙黑色平板LED,其近光灯为三个LED,远光为五个LED芯片,功率分别为8.9W和15.2W, 对应的PN结热阻分别为1.30K/W和0.90K/W。

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图2   CX53三维模型

在传统的车灯热场分析中,LED和PCB被简化为与实际尺寸相似的立方体。根据芯片和封装的实际结构,本文对LED车灯进行了精细结构建模,保留了封装层、荧光层、芯片层、引线框架层和外壳的结构,如图3所示。在Fluent ANSYS的壳单元中设置引线框架的上、下覆铜层和荧光层时,对应部分应具有不同的导热系数。

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图3 LED内部结构建模图


CX53前照灯热场分析

       热场分析的目的是计算模型中各部件的温度分布、热梯度、热流密度等物理量。热量来源包括人体热源、热对流、热辐射和外部热场。本文所用的仿真软件Fluent基于流体力学计算,采用适当的算法求解空间离散区域内各节点的物理方程,得到相应的物理参数。

       CX53前照灯采用通用预处理软件ANSA完成前照灯热分析的网格划分,并对LED和封装内部进行建模,获得所需的网格数量。划分得到的网格约256万个,示意图如图4所示。将ANSA软件划分的网格导入Fluent中进行仿真。对于精细结构的LED,封装内部保留了荧光层、光源、衬底、DA层和引线框架。引线框架层上下表面为镀铜层,中间为基材。上下外壳单元为覆铜层。LED内部各元件的材料配置见图5。

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图4 LED空间分析的网格划分

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图5LED精细结构材料和热阻

此外,本文在边界条件中为各部分设置了合适的发射率和扩散系数。本文选择近光集成LED模块,近光为三片LED,远光为五片LED,电功率为8.9W和15.2W,光电转换效率为30%,热功率分别为6.23W和10.64W。工作环境温度为50℃,灯罩外表面与外壳外表面的热对流系数取8W/m2·K。

仿真结果

       从图6可以看出,精细模型LED模拟的温度极大值为141.0℃,出现在远光LED中间的荧光层。对于没有精细化建模的模型,模拟的温度极大值为130.2℃,出现在PCB和LED的耦合面上。根据结温计算公式,传统LED模拟结温极大值为139.1℃,比精细结构LED模拟结温极大值低1.9℃。对于温度分布云图,温度条的颜色由蓝色变为红色,温度逐渐升高。两种型号LED模块的温度分布趋势基本一致。而对于简化模型的LED模块,温度是LED焊脚温度130.2℃,低于精细模型LED结温的141.0℃。两个模块的温度极大值出现在透镜上,分别为64.6℃和67.8℃。在相同的工作条件下,两种不同的LED建模方法得到的模拟温度会有一定的差异模块。关键点的温度如图7。

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图6 LED精细结构建模(左)与传统结构建模(右)温度图

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图7 不同建模方法中LED关键点的**温度

实验检验

测试仪器与方法

       在本实验中,主要用热电偶测量温度。根据仿真结果,利用热电偶对前照灯主要部件的高温点进行实际测试。主要测试点和设备有:CX53前照灯样品(图8)、热电偶、AB胶、电熨斗、铝箔、数据采集器、高温烘箱等。

实验时,将CX53前照灯放入高温烘箱中。将高温烘箱的温度调至50°C,接通电源。当烘箱温度达到50°C且稳定后,接通CX53前照灯的直流电源,点亮前照灯。待灯正常工作约2小时后,灯内各部位温度达到稳态平衡,用热电偶和温度计测量灯罩、灯壳等部位的温度。

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图8 CX53 前照灯样品


实验结果与仿真结果比较

       在本次温度试验中,所用热电偶的测量误差为±2.5℃,因此,本次试验测得的温度是经过多次试验得到的平均值。另外,将精细建模的模拟温度与实际测试温度之间的差定义为△T1,将传统建模的模拟温度与实际测试温度之间的差定义为△T2。灯稳定后,读取并记录数据,结果见图9。通过对精细结构LED和简化模型LED模拟得到的温度数据进行比较,发现精细结构LED可以更准确地模拟灯具正常工作时灯箱内各部件的实际温度。

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图9   建模数据和真实数据比较

结论

       精细结构LED建模可以更准确地模拟灯具正常工作时灯箱内各部件的实际温度。精细结构建模是提高车灯热分析精度的有效手段。