Cadlog Blog

News e aggiornamenti per l'industria elettronica e l'ingegneria

Simulazione termica di un faro auto Renault

Come Renault ha ridotto i costi dei fari per le automobili con la simulazione termica

di Paolo Subioli on 6 Marzo 2019

Oggi il design dei fari automobilistici costituisce una parte importante dello stile Renault e i fanali a forma di “C” sono parte integrante del fascino delle auto della casa francese. Il costo dei gruppi ottici dei fari automobilistici è imputabile per il 30% alla parte meccanica e per il 70% a quella elettronica. Quindi qualsiasi risparmio ottenibile sul lato elettronico ha un notevole peso sul costo complessivo di questo tipo di componenti. In questo articolo vedremo come la Renault è riuscita ad abbattere i costi dei propri fari, grazie soprattutto all’utilizzo di strumenti di analisi termica. Questi ultimi hanno consentito di ottimizzare in modo incrementale i progetti dei fari, per ottenere una riduzione dei costi del 50% nei due anni 2014-2016 e anche successivamente.

I fari di prima generazione

fari auto

Figura 1. I fari dei veicoli di segmento C e D analizzati in questo studio

Per la prima generazione di fari basati interamente sui LED, il team di progettazione ha esaminato sei dei veicoli Renault del segmento C e D, dall’Espace alla Koleos. (Figura 1). Sono state dapprima standardizzate tutte le piattaforme con un unico sensore di altezza, un livellatore statico comune, un driver unico per luci di posizione, anabbaglianti e fari di profondità, un connettore centrale comune e moduli comuni per i fari anabbaglianti e abbaglianti. Questo lavoro è stato completato in un anno, esaminando la ripartizione dei costi e standardizzando circa il 60% dei componenti dei fari (Figura 2). Si può notare come le materie plastiche adottate rappresentavano solo il 30% circa del prezzo complessivo di assemblaggio. L’effetto volume è il principale fattore di costo per il prezzo di un faro, così come il suo biglietto di ingresso alla fornitura. Tuttavia, passando dai fari alogeni nel 2012 (vedi figura 3) ai fari a LED nel 2014, i costi complessivi sono aumentati di quattro volte. Questo ha dato l’impulso di considerare se fosse possibile ridurre i costi nella seconda generazione dei fari.

Figura 2 – I componenti standardizzati di un faro della Generazione 1 a confronto coi costi complessivi di un faro assemblato

Figura 3 – L’evoluzione dei costi e del design dei fari della Renault Clio dal 2012 al 2016

I fari di seconda generazione

Il principale sforzo per lo sviluppo della seconda generazione dei fari si è concentrato sulla popolare auto di segmento B, la Renault Clio, che stava subendo un lifting. Stilisticamente la volontà era di indirizzarla verso la tipica luce di posizione Renault a forma di C, basata sui LED    (Figura 3). I pilastri della strategia per la generazione 2 di fari erano quattro:

  1. diventare il primo OEM generalista del settore automotive con fari interamente basati sui LED a LED completi in questa auto del segmento B;
  2. ridurre di un fattore di due il prezzo dei fari tra la prima e la seconda generazione;
  3. ottenere migliori prestazioni dell’illuminazione a LED rispetto a quelle iniziali della Clio;
  4. ridurre la profondità complessiva dell’assemblaggio del faro di 50 mm.

L’importanza delle simulazioni termiche

Il team ha standardizzato la Clio su una comune unità di controllo elettronico a LED (ECU), un sensore di altezza comune e un livellatore comune. Si è passati poi alla luce LED dei fari anabbaglianti, ottenendo una riduzione di prezzo al 30%, grazie a una diminuzione del numero di LED, una dimensione del dissipatore di calore minore del 30% e miglioramenti nel sistema ottico. Grazie a tutti questi interventi (Tabella 1), è stato migliorato il flusso luminoso del LED del 33% e ridotto il gruppo da otto a cinque LED. Inoltre è aumentata l’efficienza ottica del 25% ed è stata operata una riduzione di 50 mm delle dimensioni complessive dell’assemblaggio. Con i miglioramenti termici dei LED, il team è stato in grado di aumentare la corrente dei LED, aumentare la temperatura massima di giunzione e il declassamento del flusso a una temperatura ambiente inferiore (Tabella 1). Allo stesso modo, con il design del dissipatore di calore associato, è stato possibile ottenere una migliore gestione della temperatura di giunzione e una migliore gestione del declassamento, attraverso simulazioni termiche dettagliate (Figura 4).

Tabella 1 – L’evoluzione della soluzione a LED dalla Generazione 1 alla e per il fanale della Renault Clio

Figura 4 – L’evoluzione del peso dei radiatori del faro della Renault Clio dalla Generazione 1 alla 2

Per quanto riguarda la dimensione complessiva della confezione del proiettore, la figura 5 mostra il risparmio di profondità di 50 mm che è stato possibile ottenere tra la prima generazione, con un proiettore alogeno, e la seconda generazione, con un proiettore a LED, grazie ad un assemblaggio migliore. La Figura 6 mostra le tipiche simulazioni CFD per un proiettore alogeno realizzate con il software di Mentor integrato nel CAD, FloEFD®. Quest’ultimo mostra i complessi flussi d’aria e gli effetti termici che si possono verificare sulle superfici nell’assieme.

Figura 5 – Il risparmio di 50 mm nel passaggio dell’assemblaggio del faro dalla Generazione 1 (alogeno) alla Generazione 2 (LED)

simulazione termica faro auto

Figura 6 – Simulazione termica di un assieme

Le temperature simulate nelle diverse condizioni d’uso

Per quanto riguarda in particolare l’analisi termica basata sulla CFD , utilizzata nella progettazione di proiettori, normalmente si punta a prevedere le prestazioni di illuminazione a una temperatura di 23 ° C nell’aria dell’ambiente esterno e fino a un massimo di 70 ° C per la temperatura al contorno del LED. Per convalidare le simulazioni, sono stati effettuati alcuni test sperimentali, in è stata fissata la temperatura ambiente all’esterno del proiettore a 23 ° C e installate 8 termocoppie all’esterno del gruppo (vedi figura 7), per condizioni di motore dell’auto acceso e spento.

Figura 7 – Posizione delle otto termocoppie per i test a motore acceso dei fari a temperatura ambiente

La Figura 8 mostra le tracce temporali della termocoppia, sia per il motore acceso che per la vettura ferma per 3 ore e 30 minuti; poi luci accese per 1 ora e 30 minuti con il motore acceso e fermo, e poi le luci accese e il motore in stato di guida per 1 ora e 30 minuti. È chiaro che le temperature possono raggiungere oltre i 50 ° C all’interno del proiettore, quando il motore è al minimo e l’illuminazione è accesa per un periodo prolungato. Inoltre, le temperature superficiali dei fari possono salire a 65 ° C in determinate condizioni di minimo. Con altri test è stato possibile dimostrare che con l’anabbagliante acceso per un’ora, la temperatura all’interno del faro è passata a 20 ° C, mentre con abbaglianti e anabbaglianti attivi contemporaneamente per un’ora è stata misurata una temperatura aggiuntiva di 5 ° C.

Figura 8 – Temperatura delle termocoppie all’esterno dell’assieme del faro nelle varie condizioni

Altre prove hanno consentito di dimostrare che – per temperature ambiente di 70 ° C, con entrambe le luci anabbaglianti e abbaglianti accese, e con il motore acceso – la temperatura di giunzione dei LED si avvicina molto allo scenario peggiore di 150 ° C. La conclusione è stata che non è possibile progettare un sistema a LED, se si vogliono tenere in considerazione tutti i casi d’uso. L’OEM deve quindi individuare il miglior compromesso. Ad esempio, a 23 ° C, dopo un’ora di funzionamento al minimo del motore, le prestazioni di illuminazione erano indicate al 100%, ma se la temperatura ambiente saliva a 50 ° C per la stessa situazione, tali prestazioni scendevano all’80%. Per rispettare la specifica, la conclusione è stata che era necessario aggiungere un sensore termico al PCB, in modo tale che la corrente potesse essere ridotta, se la temperatura al LED fosse stata maggiore di una certa soglia. A quel punto, è possibile eseguire un declassamento termico e un declassamento del flusso del faro LED completo.

Gli sviluppi futuri

Successivamente è stato messo in atto un piano d’azione per affrontare la simulazione e il collaudo dell’illuminazione in modalità di cicli di guida transitori (Figura 9). Come OEM, il desiderio è di poter simulare l’impatto della velocità della vettura sulle prestazioni termiche della sua illuminazione, e in particolare sulla variazione termica dovuta alla velocità per ciascuno dei motori della casa automobilistica. Ciò in futuro renderà fondamentale l’uso del software CFD per progettisti dell’illuminazione.

Figura 10 – Misurazioni della temperatura del faro in situazioni di motore al minimo

Inoltre è necessario poter modellare il comportamento termico del vano motore vicino, in parallelo con la simulazione dei fari, dal momento che si influenzano a vicenda. Ci sarà anche la necessità di una gestione termica all’interno del proiettore, quando saranno presenti induttori termici. In breve, Renault ritiene che l’OEM dovrebbe essere responsabile dell’intero sistema termico associato alla progettazione dei fari.

L’obiettivo del team Renault Lighting è quello di ottenere un’ulteriore riduzione del 50% del prezzo, per l’intero gruppo proiettore, portandolo ai livelli visti con i fari alogeni nei 5 anni precedenti (Figura 10).

Figura 11 – Roadmap di Renault per la riduzione dei costi dei fari fino alla Generazione 3.

Paolo SubioliCome Renault ha ridotto i costi dei fari per le automobili con la simulazione termica

Articoli correlati

Vi consigliamo la lettura dei seguenti articoli