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Simulazione termica di un faro auto Renault

Renault reduce el coste de los faros gracias a la simulación térmica

on 11 marzo 2019
Los faros en forma de “C” son, a día de hoy, uno de los rasgos distintivos de los automóviles de la casa francesa Renault. El costo de los mismo es atribuible, en un 30% a la parte mecánica y, ¡en un 70%!, a la parte electrónica. Por este motivo, una reducción del coste ligada a la parte electrónica de los faros supone un importante ahorro en el desarrollo total de este elemento del vehículo. A continuación, exponemos cómo Renault ha optimizado el desarrollo de los faros y, con ello, reducido los costes gracias al empleo de herramientas para el análsis térmico.

La primera generación de faros

fari auto

Figura 1. Faros de los vehículos de los segmentos C y D.

Para el desarrollo de la primera generación de faros basados completamente en LEDs, el equipo de diseño de la compañía examinó seis vehículos Renault pertenecientes a los segmentos C y D, como el Espace y el Koleos (figura 1). Primero, se estandarizaron todas las plataformas con un único sensor de altura, un nivelador estático común, un único controlador para las luces de posición, cortas y largas, un conector central común y módulos comunes para las luces delanteras cortas y largas. Este trabajo se completó en un año, habiendo examindo el desglose de los costes y estandarizado alrededor del 60% de los componentes de los faros (figura 2). Cabe señalar que los materiales plásticos utilizado representaban solo alrededor del 30% del precio total del ensamblaje. El volumen es el principal factor de coste para el precio de un faro. Sin embargo, el paso de los faros halógenos en 2012 (figura 3) a los faros LED en 2014 ha supuesto que los costes generales se hayan multiplicado por cuatro. Este hecho dio pie a considerar cómo reducir los costes en la segunda generación de faros.

Figura 2. Componentes estandarizados de un faro de la generación 1 comparados con los costes totales de un faro ensamblado.

Figura 3. La evolución de los costes y del diseño de los faros del Renault Clio entre el 2012 y el 2016.

La segunda generación de faros

Durante este periodo, los esfuerzos se centraron en el desarrollo de los faros del Renault Clio, perteneciente al segmento B. Este modelo fue sometido a un lavado de cara cuyo objetivo era introducir las luces de posición en forma de “C”, características de la marca, basadas en la tecnología LED (figura 3). La estrategia para lograrlo se sustentaba en los siguientes puntos:

  1. convertirse en el primer OEM generalista del sector del automóvil con faros basados completamente en LEDs para el segmento B;
  2. reducir el precio de los faros entre la primera y la segunda generación;
  3. obtener un mayor rendimiento de la iluminación a LED que de las anteriores del Clio;
  4. reducir 50 mm la profundidad total del faro.

La importancia de la simulación técnica

El equipo de Renault estandarizó el modelo Clio en una unidad de control electrónico LED (ECU) común, un sensor de altura común y un nivelador común. A continuación se intervino sobre las luces cortas, donde se obtuvo una reducción del precio del 30% gracias a la disminución del número de LEDs, a la reducción del 30% de la dimensión del disipador de calor y a las mejoras implementadas en el sistema óptico (tabla 1). De esta manera se obtuvo una mejora del 33% en el flujo de luz LED. La eficiencia óptima aumentó en un 25% y el tamaño total se redujo 50 mm. Gracias a las mejoras térmicas de los LEDs se pudieron aumentar la corriente y la temperatura máxima de unión y reducir el flujo a una temperatura ambiente inferior (tabla 1). Asimismo, el diseño del disipador de calor asociado dio lugar a una mejor gestión de la temperatura de unión y una mejor gestión de la reducción, por medio de simulaciones térmicas detalladas (figura 4).

Tabla 1. La evolución de las soluciones LED de la generación 1 del Renault Clio.

Figura 4. La evolución del peso de los radiadores del faro del Renault Clio de la generación 1 a la 2.

En lo que se refiere al tamaño total del proyector, la figura 5 muestra la reducción de 50 mm que se obtuvo entre la primera generación, basada en los halógenos, y la segunda, LED, gracias a un mejor montaje. En la figura 6 se pueden observar las simulaciones CFD típicas realizadas con la herramienta Simcenter FLOEFD de Siemens. Muestra los complejos flujos de aire y los efectos térmicos que se dan en las superficies del conjunto.

Figura 5. Ahorro de 50 mm obtenido al pasar de la primera a la segunda generación.

simulazione termica faro auto

Figura 6. Simulación térmica de un conjunto.

Simulación de la temperatura en diferentes condiciones

En el caso particular del análisis térmico empleado en el diseño de los faros, este suele tener el objetivo de prever el rendimiento de la iluminación con una temperatura ambiente de 23°C y una temperatura máxima de 70°C entorno al LED. Para validar las simulaciones, se efectuaron tests experimentales en los cuales se fijó la temperatura exterior en 23°C y se colocaron ocho termopares fuera del grupo (figura 7) para conocer las condiciones con el motor del vehículo encendido y apagado.

Figura 7. Posición de los ocho termopares para el test de los faros a temperatura ambiente con el motor encendido.

La figura 8 muestra las trazas temporales del termopar tanto para el motor en marcha como para el vehículo parado durante 3 horas y 30 minutos. A continuación, se encienden las luces durante 1 hora y 30 minutos con el motor encendido y apagado y, después, se evaluán las luces y el motor en estado de conducción durante 1 hora y 30 minutos. La temperaturá puede superar los 50°C en el interior del faro con el motor al ralentí y las luces encendidas durante un periodo prolongado. La temperatura de la superficie de los faros puede alcanzar los 65°C en determinadas condiciones. Mediante otros tests se demostró que con las luces cortas encendidas durante 1 hora, la temperatura interior del faro pasa a 20°C, mientras que con las luces cortas y largas encendidas a la vez, la temperatura subía 5°C.

Figura 8. Temperatura de los termopares fuera del faro en varias condiciones.

Otras pruebas han demostrado que, con una temperatura ambiente de 70°C, las luces cortas y largas encendidas y el motor en marcha, la temperatura de unión del LED está muy cerca del peor escenario posible de 150°C. La conclusión extraída fue la siguiente: no es posible diseñar un sistema a LED teniendo en cuenta todos los casos de uso. Por lo tanto, el OEM debe identificar la mejor solución posible. Por ejemplo, a 23°C, tras una hora con el motor al ralentí, el rendimiento de iluminación es del 100%, pero si la temperatura ambiente se elevaba a 50°C, el rendimiento baja a un 80%. Para cumplir con la especificación, fue necesario añadir un sensor térmico al circuito impreso, de modo que la corriente se redujese en el caso de que la temperatura del LED superase un límite determinado. Llegados a ese punto, es posible realizar una reducción térmica y una reducción del flujo del faro LED completo.

Futuros desarrollos

Posteriormente, se puso en marcha un plan de acción para abordar la simulación y las pruebas de iluminación en la modalidad de los ciclos de conducción transitorios (figura 9). Como OEM, se buscaba poder simular el impacto de la velocidad del automóvil en el rendimiento térmico de la iluminación y, particularmente, en la variación térmica debida a la velocidad para cada uno de los motores de la casa Renault. Esto hará que, en el futuro, el uso del software CFD resulte fundamental para los diseñadores de la iluminación.

Figura 9. Medidas de la temperatura del faro en situaciones con el motor al mínimo.

De igual manera, es necesario poder modelar el comportamiento térmico del compartimiento del motor en paralelo a la simulación de los faros, ya que estos se influyen entre sí. Y, también, resulta fundamental la gestión térmica dentro del faro en el caso de la presencia de inductores térmicos. En resumen, Renault considera que el OEM debe ser responsable de todo el sistema térmico asociado con el diseño de los faros.

El equipo Renault Lighting tiene el objetivo de obtener una reducción adicional del precio del faro del 50% (figura 10).

Figura 10. Hoja de ruta de Renault para la reducción de los costes de los faros de cara a la generación 3.

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