Simulations thermo-optiques des systèmes de projection optoélectroniques pour l’éclairage automobile

Thermo-optical simulations of optoelectronic projection systems for automotive lighting

• Auteur / Autrice : Clément Rongier
• Direction : Fabrice Schmidt, Yannick Le Maoult
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique et transferts
• Date : Soutenance le 20/10/2021
• Etablissement(s) : Ecole nationale des Mines d'Albi-Carmaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Clément Ader-Albi (2009-....) - Institut Clément Ader / ICA
• Jury : Président / Présidente : Françoise Bataille
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fabrice Schmidt, Yannick Le Maoult, Agnès Delmas, Vincent Sobotka, Denis Maillet, Remi Gilblas
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Agnès Delmas, Vincent Sobotka

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transfert radiatif

Optoélectronique

Automobiles -- Éclairage

Thermographie

Diodes électroluminescentes

Mots clés libres

LED haute puissance

Thermographie infrarouge

Simulations multi-physiques

Méthode de lancers de rayons

Eclairage automobile

High-power LED

Infrared thermography

Multi-physics simulations

Ray-tracing method

Automotive front lighting

Résumé

L’éclairage automobile évolue vers des faisceaux de haute définition, générés par plusieurs centaines de sources de lumière par millimètre carré. Pour atteindre de telles performances, les systèmes conventionnels sont remplacés par des LEDs (Light Emitting Diode) haute puissance issues des dernières technologies optoélectroniques. Pour éviter la dégradation du système d’éclairage, il est nécessaire de contrôler la quantité de chaleur dissipée lors du fonctionnement de la LED (qui peut atteindre 40W). En outre, une fois le composant intégré au sein de son système optique, l’énergie lumineuse émise induit une concentration énergétique à l’intérieur de ce système qui subit alors un échauffement. L’objectif de l’étude est de développer des méthodes de simulations multi-physiques robustes, passant par un couplage CFD (Computational Fluid Dynamics) – méthode de lancers de rayons en vue de résoudre numériquement les trois modes de transferts (conduction, convection, rayonnement). Les travaux ont été scindés en trois axes. Le premier s’oriente autour de la validation du modèle thermique des LEDs. Différents moyens de mesure (spectrométrie, goniométrie, photométrie) ont été utilisés pour caractériser les propriétés thermiques et optiques des composants, paramètres qui permettront de construire les modèles thermiques. Ensuite, un dispositif expérimental a été développé en vue de mesurer de manière quantitative la température d’une LED en fonctionnement à l’aide de la thermographie infrarouge. Le second axe vise à coupler les transferts radiatifs (résolution par méthode de lancers de rayons) aux simulations thermiques résolues dans l’outil CFD FloEFD™ (méthode des Volumes Finis). Le dernier axe est destiné à l’étude du couplage des phénomènes conducto-convecto-radiatifs se produisant dans le module d’éclairage complet, i.e. avec prise en compte du système optique.

Automotive lighting is evolving towards high definition beams, generated by several hundred light sources per square millimeter. To achieve such performance, conventional systems are being replaced by high-power LEDs (Light Emitting Diode) based on the latest optoelectronic technologies. To avoid degradation of the lighting system, it is necessary to control the amount of heat dissipated during the operation of the LED (which can reach 40W). In addition, once the component is integrated into its optical system, the light energy emitted induces an energy concentration inside the system, which heats up. The objective of the study is to develop robust multi-physics simulation methods, through CFD (Computational Fluid Dynamics) – Ray-tracing method coupling, to numerically solve the three transfer modes (conduction, convection, radiation). The work has been divided into three areas. The first one is oriented around the validation of the thermal model of LEDs. Different means of measurement (spectrometry, goniometry, photometry) have been used to characterize the thermal and optical properties of the components, parameters that will allow the construction of thermal models. Then, an experimental device was developed to quantitatively measure the temperature of an operating LED using infrared thermography. The second axis aims at coupling the radiative transfers (solved by ray-tracing method) to the thermal simulations solved in the CFD tool FloEFD™ (Finite Volume Method). The last axis is intended to study the coupling of conducto-convecto-radiative phenomena occurring in the complete lighting module, i.e. with consideration of the optical system.