Comment Renault a réduit les coûts des phares de ses voitures avec la simulation thermique

Aujourd'hui, la conception des phares de voiture est une partie importante du style Renault et les phares en forme de "C" font partie intégrante du charme des voitures de la société française. Le coût des groupes optiques des phares d’automobile est imputable pour 30% à la partie mécanique et pour 70% à la partie électronique. Par conséquent, les économies réalisables du côté électronique pèsent considérablement sur le coût total de ce type de composants. Dans cet article, nous verrons comment Renault a réussi à réduire les coûts de ses phares, grâce notamment à l'utilisation d'outils d'analyse thermique. Ces derniers ont permis d’optimiser progressivement les projets, d’obtenir une réduction des coûts de 50% sur les deux années 2014-2016 et même au delà.

Les phares de première génération

Figure 1. Les phares des véhicules des segments C et D analysés dans cette étude

Pour la première génération de phares à LED, l’équipe de conception a examiné six véhicules Renault de catégories C et D, de l’Espace au Koleos. (Figure 1). Toutes les plates-formes ont d'abord été normalisées avec un seul capteur de hauteur, un niveleur statique commun, un seul conducteur pour les feux de position, les feux de croisement et de route, un connecteur central commun et des modules communs pour les feux de croisement et les feux de route. Ce travail a été achevé en un an. Pendant cette période, la répartition des coûts a été examinée et environ 60% des composants des phares (Figure 2) ont été normalisés. On peut noter que les matières plastiques utilisées ne représentaient que 30% environ du prix de montage total. L'effet de volume est le principal facteur de coût pour le prix d'un phare, ainsi que son ticket d'entrée pour la fourniture. Cependant, en passant des phares halogènes en 2012 (voir la figure 3) aux phares à LED en 2014, les coûts globaux ont été multipliés par quatre. Cela a donné l’impulsion pour examiner s’il était possible de réduire les coûts de la deuxième génération de phares..

Figure 2 - Les composants standard d'un phare de génération 1 comparés aux coûts globaux d'un phare assemblé

Les phares de deuxième génération

L’essentiel des efforts consacrés au développement de la deuxième génération de phares a concerné la voiture populaire de catégorie B, la Renault Clio , qui faisait l’objet d’un lifting. Sur le plan esthétique, le choix s’est orienté vers le feu de position Renault typique en forme de C, basé sur des LED (Figure 3). La stratégie reposait sur quatre piliers:

devenir le premier équipementier généraliste du secteur automobile avec des phares entièrement basés sur des LED intégrales dans cette voiture de ctaégorie B;
réduire le prix des phares entre la première et la deuxième génération d'un facteur deux;
obtenir de meilleures performances d'éclairage LED que celles de la Clio d'origine;
réduire la profondeur totale de l’optique de 50 mm.

L'importance des simulations thermiques

L'équipe a normalisé la Clio sur une unité de contrôle électronique à LED, un capteur de hauteur un niveleur communs. Nous sommes ensuite passés à la lumière LED des feux de croisement, réalisant une réduction de prix de 30%, grâce à une diminution du nombre de LED, à une taille de dissipateur thermique inférieure à 30% et à des améliorations du système optique. Grâce à toutes ces interventions (tableau 1), le flux lumineux des LED a été amélioré de 33% et le groupe optique a été réduit de huit à cinq LED. En outre, l'efficacité optique a été augmentée de 25% et une réduction de 50 mm de la taille totale de l'ensemble optique a été réalisée.

Grâce aux améliorations thermiques des LED, l'équipe a pu augmenter le courant de la LED, augmenter la température maximale de la jonction et réduire le débit à une température ambiante plus basse (tableau 1). De même, avec la conception du dissipateur thermique associé, il a été possible d’obtenir une meilleure gestion de la température de jonction et une meilleure gestion du déclassement, par le biais de simulations thermiques détaillées (Figure 4).

Tableau 1 - L'évolution de la solution LED de la génération 1 vers et pour le phare Renault Clio

Figure 4 - L'évolution du poids des radiateurs du phare de Renault Clio de génération 1 à 2

En ce qui concerne la taille globale de l'ensemble de l’optique, la figure 5 montre la réduction de profondeur de 50 mm qui a pu être obtenue entre la première génération avec un projecteur halogène et la deuxième génération avec un projecteur à LED, grâce à un meilleur montage. La figure 6 montre des simulations CFD typiques pour un projecteur halogène réalisé avec le logiciel Mentor Graphics intégré à la CAO, FLOEFD®. Ce dernier montre les flux d'air complexes et les effets thermiques pouvant se produire sur les surfaces de l'assemblage.

Figure 5 - L'économie de 50 mm dans le passage de l'ensemble phare de la génération 1 (halogène) à la génération 2 (LED)

Simulation thermique d'un assemblage d'un phare de voiture — Figure 6 - Simulation thermique d'un assemblage

Les températures simulées dans les différentes conditions d'utilisation

En ce qui concerne plus particulièrement l’analyse thermique à base de CFD utilisée dans la conception des projecteurs, elle vise normalement à fournir des performances d’éclairage pour une température de l’air extérieur à 23°C et pour une température ambiante de la LED d’un maximum de 70°C. Afin de valider les simulations, des tests expérimentaux ont été réalisés dans lesquels la température ambiante était réglée à 23°C à l'extérieur du projecteur et à 8 thermocouples à l'extérieur du groupe (voir la figure 7), avec un moteur de voiture. allumé et éteint.

thermocouples d'un phare de voiture — Figure 7 - Position des huit thermocouples pour les essais avec le moteur tournant sur les phares à la température ambiante

La figure 8 montre les traces de temps du thermocouple, à la fois pour le moteur en marche et pour le véhicule à l'arrêt pendant 3 heures et 30 minutes; puis les phares sont allumés pendant 1 heure et 30 minutes avec le moteur en marche et à l’arrêt; puis les phares sont allumés et le moteur à l’état de conduite pendant 1 heure et 30 minutes. Il est clair que les températures peuvent atteindre plus de 50°C à l'intérieur du projecteur, lorsque le moteur tourne au ralenti et que l'éclairage est allumé pendant une période prolongée. De plus, la température de surface des phares peut atteindre 65°C dans certaines conditions minimales. Avec d’autres tests, il a été possible de démontrer qu’avec les feux de croisement allumés pendant une heure, la température à l’intérieur du phare était portée à 20°C, tandis que pour les feux de route actifs pendant une heure, une température supplémentaire de 5°C était constatée.

Figure 9 - Température du thermocouple à l'extérieur de l'ensemble phare dans diverses conditions

D’autres tests ont montré que - pour des températures ambiantes de 70°C , avec les feux de croisement et les feux de route allumés, et moteur en marche - la température de jonction des LED est très proche du cas le plus défavorable de 150°C. La conclusion est qu'il est impossible de concevoir un système de LED, si vous souhaitez prendre en compte tous les cas d'utilisation. Le constructeur doit donc identifier le meilleur compromis. Par exemple, à 23°C, après une heure de marche moteur ralenti, la performance d'éclairage est indiquée à 100%, mais si la température ambiante passe à 50°C avec une marche de moteur identique, la performance d’éclairage tombe à 80%. Pour maintenir la meilleure performance, il est donc nécessaire d'ajouter un capteur thermique sur le circuit imprimé, de telle sorte que le courant puisse être réduit si la température de la LED est supérieure à un certain seuil. À ce stade, il est possible d'effectuer une baisse thermique et une baisse du flux du projecteur à LED complet.

Développements futurs

Par la suite, un plan d’action a été mis en place pour aborder la simulation et les tests de l’éclairage en mode de conduite transitoire (Figure 9). En tant qu'équipementier, le souhait est de simuler l'impact de la vitesse de la voiture sur les performances thermiques de son éclairage, et en particulier sur la variation thermique due à la vitesse de chacun des moteurs de la voiture. A l’avenir, cela rendra l'utilisation du logiciel CFD pour les concepteurs d'éclairage cruciale.

Figure 10 - Mesure de la température des phares dans les situations de moteur à l'arrêt

De plus, il est nécessaire de modéliser le comportement thermique du compartiment moteur à proximité de , parallèlement à la simulation des phares, car ils s'influencent mutuellement. Il faudra également une gestion thermique à l’intérieur du projecteur, lorsque des inducteurs thermiques seront présents. En résumé, Renault estime que le constructeur devrait être responsable de l’ensemble du système thermique associé à la conception des phares.

L’objectif de l’équipe Renault Lighting est d’obtenir une réduction supplémentaire de 50% sur le coût de l’ensemble du système d’optique, le ramenant ainsi à un niveau comparable à celui observé avec les phares à halogène des 5 années précédentes (Figure 10).