90W汽車LED前照燈散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

劉晨陽，尹 默，孫賀然，李 忠

(1.西安交通大學(xué)電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710049；2.南陽防爆集團(tuán)股份有限公司，河南 南陽 473011；3.中冶北方(大連)工程技術(shù)有限公司，遼寧 大連 116600；4.中國兵器工業(yè)第202研究所，陜西 咸陽 712099)

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90W汽車LED前照燈散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

劉晨陽1，尹 默2，孫賀然3，李 忠4

(1.西安交通大學(xué)電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710049；2.南陽防爆集團(tuán)股份有限公司，河南 南陽 473011；3.中冶北方(大連)工程技術(shù)有限公司，遼寧 大連 116600；4.中國兵器工業(yè)第202研究所，陜西 咸陽 712099)

針對(duì)目前大功率LED前照燈散熱困難等問題，運(yùn)用Pro/E設(shè)計(jì)了一款風(fēng)冷散熱形式的LED前照燈模型，并運(yùn)用ANSYS仿真分析得出其在不同對(duì)流狀態(tài)條件下的溫度場分布。同時(shí)搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行LED前照燈溫度試驗(yàn)測試，試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)LED結(jié)溫始終能控制在80℃以下， 此散熱模型的LED前照燈能很好地滿足散熱要求，有效的解決了LED前照燈的散熱問題。

白光LED；汽車前照燈；散熱

引言

21世紀(jì)初，LED就開始應(yīng)用于汽車內(nèi)小功率照明，日本豐田公司首次將LED應(yīng)用于凌志LS600 h Saloon車前照燈的近光照明[1]。目前，只有一些外國少數(shù)高檔轎車公司將大功率LED前照燈商品化，我國目前較少企業(yè)進(jìn)行LED前照燈的研發(fā)和生產(chǎn)。其最大的難題是LED的散熱問題[2]。

針對(duì)目前LED前照燈的散熱研究，外許多學(xué)者取得了一些成果。2006年，Lai[3]等人設(shè)計(jì)了一款由30個(gè)LED組成的車前照燈，單個(gè)LED發(fā)熱功率為2.5W，其采用的是水冷散熱系統(tǒng)來進(jìn)行散熱，仿真結(jié)果得到LED近光和遠(yuǎn)光結(jié)溫分布較均勻。2008年，韓國的Sunho Jang[4]等人設(shè)計(jì)了一套由30個(gè)1W的LED組成的30W大功率LED前照燈散熱系統(tǒng)裝置，其采用散熱方法是在燈殼兩邊設(shè)計(jì)一組風(fēng)通道進(jìn)行強(qiáng)制對(duì)流散熱，最后仿真結(jié)果得到LED的最高結(jié)溫僅為34℃。2010年，羅靜[5]等利用熱管和散熱翅片的不同組合設(shè)計(jì)出了一款LED前照燈散熱裝置。最后通過實(shí)驗(yàn)研究得到在工作環(huán)境50℃溫度下，遠(yuǎn)光燈最高溫度為65℃，近光燈最高溫度達(dá)80℃。LS600h[6]的LED近光燈采用的是耐高溫的多個(gè)LED光源，降低單個(gè)LED的發(fā)熱量，利用熱管來進(jìn)行散熱。Schefenacker[7]公司設(shè)計(jì)的一塊LED前燈采用在LED背部加裝風(fēng)扇進(jìn)行對(duì)流散熱。

以上介紹的所設(shè)計(jì)的LED前照燈功率多集中在30～75W，很多還停留在概念仿真階段，并沒有進(jìn)行真正意義上的使用。且大多數(shù)散熱方案比較復(fù)雜，占用了大量的燈體結(jié)構(gòu)，比如采用液冷散熱和熱管散熱，液體回路可靠性低，維護(hù)困難?；贚ED前照燈燈體結(jié)構(gòu)空間模型有限條件下，本文運(yùn)用Pro/E設(shè)計(jì)了一款風(fēng)冷形式散熱模型方案，且結(jié)構(gòu)簡單，占用體積小。通過仿真和實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，該款90W大功率LED前照燈散熱效果理想，適合應(yīng)用于汽車前照燈長時(shí)間照明使用。

1 LED前照燈建模與仿真

1.1 LED前照燈模型建立

由以上分析可知，目前多數(shù)商品化LED前照燈功率較小，多為30～45W，考慮到LED應(yīng)用于汽車前照燈照明光通量和光學(xué)性要求，本次設(shè)計(jì)的大功率LED前照燈功率為90W，因?yàn)槟壳皢蝹€(gè)LED最大功率為10W，所以需要設(shè)計(jì)多個(gè)LED組合排列前照燈方案。該方案采用的是單個(gè)LED功率3W，16個(gè)LED組成遠(yuǎn)光燈組，14個(gè)LED組成近光燈組。其遠(yuǎn)/近光燈組分布如圖1所示。

圖1 LED前照燈分布Fig.1 The LED array of headlamp

圖2 均溫板式方案LED前照燈模型Fig.2 The Mean-temperature plate structure model of LED headlamp

均溫板的導(dǎo)熱率為398 W/m·K，散熱器尺寸如表1所示。

表1 散熱器尺寸Table 1 The dimension of the heat sink

1.2 LED前照燈溫度場仿真

傳統(tǒng)的傳熱方式有熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射三種傳熱方式[8]。LED工作時(shí)，LED溫度不是很高。所以，我們可以忽略熱輻射的影響，而只是考慮熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流。由于傳熱又可分為瞬態(tài)傳熱和穩(wěn)態(tài)傳熱，且在LED結(jié)溫分布中，我們只關(guān)心其最終的結(jié)點(diǎn)溫度，所以對(duì)其瞬態(tài)傳熱不考慮，而只是考慮其穩(wěn)態(tài)傳熱。故其導(dǎo)熱服從泊松公式，即

(1)

在對(duì)其進(jìn)行溫度求解之前，必須要知道溫度分布方程后，給出定解條件才能得出最終溫度分布解。所以由三類邊界條件可知，第一類邊界條件是指器件的邊界溫度為定值，即

(2)

Γ為器件的邊界，T0為常數(shù)。

第二類邊界條件即

(3)

q為熱流率密度，也即上式為熱流率為定值或已知函數(shù)。第三類邊界條件為對(duì)流邊界條件，即

政治風(fēng)險(xiǎn)主要包括：戰(zhàn)爭、內(nèi)亂、恐怖活動(dòng)、政局不穩(wěn)、沒收、征用、國有化、政府違約、政府干預(yù)、政府工作效率低下、匯兌限制以及國際制裁。

(4)

α為對(duì)流散熱系數(shù)，Tf為與器件邊界相鄰的流體的溫度。

在ANSYS中對(duì)模型進(jìn)行簡化對(duì)稱處理，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，施加載荷。假設(shè)LED有70%電能產(chǎn)生為熱能，我們?cè)诿總€(gè)LED芯片上施加生熱率載荷為

表2為各種材料的導(dǎo)熱系數(shù)。

表2 材料的導(dǎo)熱系數(shù)Table 2 Thermal conductivity of materials

首先我們來研究在自然對(duì)流狀態(tài)下LED結(jié)溫的分布情況，即翅片底部采用的是自然對(duì)流散熱，對(duì)流系數(shù)為20 W/m2·℃，圖3是室溫25℃、環(huán)境溫度50℃兩種情況下的溫度模擬分布圖。

圖3 兩種不同環(huán)境溫度下的模擬分布圖Fig.3 The simulated distribution under two different ambient temperatures

由圖3(a)可知，在室溫環(huán)境溫度25℃時(shí)，芯片最高溫度為68℃；圖3(b)在室溫環(huán)境溫度50℃時(shí)，芯片最高溫度為91.6℃。LED陣列布置的不對(duì)稱性導(dǎo)致了LED結(jié)溫分布結(jié)點(diǎn)的不對(duì)稱性。與第一種相比，在環(huán)境溫度50℃情況下散熱較困難，產(chǎn)生的熱量不能很好地傳遞，而沿基板區(qū)域內(nèi)進(jìn)行傳遞。所以如果考慮由于一些外部原因，前照燈內(nèi)燈腔環(huán)境溫度繼續(xù)升高，則會(huì)使得結(jié)溫升高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于國標(biāo)80℃要求[9]，所以自然對(duì)流是無法滿足車

燈的低于80℃的要求的，因此，必須要進(jìn)行強(qiáng)化散熱。

由上述分析可知，自然對(duì)流狀態(tài)無法滿足LED前照燈散熱要求，為了更好的將LED熱量傳導(dǎo)出去，需要更好的散熱方式。下面采用強(qiáng)制對(duì)流冷卻方式，即在散熱片后面安裝風(fēng)扇， 運(yùn)用ANSYS仿真，只需要改變對(duì)流系數(shù)條件即可，設(shè)強(qiáng)制對(duì)流系數(shù)為50 W/(m2·℃)，其他條件不變， 依次觀察在室溫25℃，50℃下的溫度云圖。

圖4 強(qiáng)制對(duì)流狀態(tài)下溫度分布圖Fig.4 The temperature distribution of forced convection condition

由圖4可知，在環(huán)境溫度為室溫(25℃)情況下，LED芯片的最高結(jié)溫為48.5℃，當(dāng)環(huán)境溫度為50℃時(shí)，LED芯片的最高結(jié)溫為73.5℃。所以，當(dāng)加載風(fēng)扇進(jìn)行強(qiáng)制對(duì)流后，LED的結(jié)溫有了很大降低，同比下降幅度大約為20℃，故當(dāng)采用強(qiáng)制對(duì)流法進(jìn)行散熱效果較好，且滿足國家標(biāo)準(zhǔn)在50℃環(huán)境情況下LED結(jié)溫低于80℃要求。

2 試驗(yàn)

由熱力學(xué)理論可知，LED結(jié)溫與熱阻之間存在著一定的關(guān)系，LED熱阻大小決定了其散熱性能的好壞，LED熱阻小，則散熱性能好，反之則散熱性能差。熱阻Rθ為介質(zhì)兩端的溫度差與介質(zhì)所消耗的熱功率之比[10]，即

(5)

△T為熱流方向介質(zhì)兩端的溫度差，單位為℃；P為介質(zhì)所消耗的熱功率，單位為W；Rθ熱阻，單位℃/W。

若LED的芯片結(jié)溫溫度為TJ，則由式(2)可計(jì)算出LED的結(jié)溫為

(6)

TA：環(huán)境的空氣溫度，單位：℃;RJA：芯片的結(jié)溫TJ傳導(dǎo)到空氣TA的總熱阻,單位為℃/W，由三部分組成，即

(7)

其中RJC為LED自身的熱阻，RCB為基板到散熱器間的熱阻，RBA為散熱器到空氣的熱阻。P為LED的熱功耗(單位：W)。所以，由式(5)～式(7)可知，熱量依次由芯片傳導(dǎo)到散熱墊底面的熱阻RJC(LED自身熱阻)，散熱墊底部傳導(dǎo)到散熱器之間的熱阻RCB，散熱器到環(huán)境之間的熱阻RBA散發(fā)出去，所以在周圍溫度一定，熱耗功率一定的情況下，其本身熱阻越低，結(jié)溫也會(huì)較低，一旦LED光源封裝完成后，其自身熱阻值RJC也就固定了。所以利用熱電偶測得鋁基板表面溫度[11]，繼而可推算出LED的最高結(jié)溫大小。

將所設(shè)計(jì)的LED前照燈模型制成實(shí)物，并進(jìn)行驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)，目的是為了更好的模擬接近LED前照燈真實(shí)的工作狀態(tài)，圖5為LED前照燈近光燈組和遠(yuǎn)光燈組正常工作實(shí)物圖。

圖5 LED前照燈實(shí)物圖Fig.5 LED headlamp working-state figure

圖6 LED前照燈溫測試驗(yàn)Fig.6 Temperature measuring experiment of LED headlamps

首先進(jìn)行LED前照燈自然對(duì)流條件下測溫試驗(yàn)，如圖6所示。

將LED前照燈放入恒溫箱中，調(diào)節(jié)恒溫箱至設(shè)定的環(huán)境溫度(25℃)，此時(shí)使得加裝風(fēng)扇不進(jìn)行工作，按國標(biāo)要求使得LED前照燈工作2h，此時(shí)只讓LED近光燈組進(jìn)行工作，待溫度保持穩(wěn)定后，用LED熱電偶測量每個(gè)LED的鋁基板點(diǎn)處溫度，并取其平均值，最后測得其平均溫度為50℃，由于功率LED熱阻為5℃/W，故由式(2)可以大致推算LED結(jié)溫大約為65℃；當(dāng)遠(yuǎn)光燈組工作時(shí)，測得鋁基板平均溫度為52℃，故推算出LED結(jié)溫大約為67℃。同理，調(diào)節(jié)恒溫箱至溫度至50℃，最后得出LED近光燈組結(jié)溫86℃，LED遠(yuǎn)光燈組的結(jié)溫為90℃。數(shù)據(jù)如表3所示。

由上述試驗(yàn)結(jié)果可知，試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果較吻合，自然對(duì)流情況下LED前照燈結(jié)溫較高，無法滿足國標(biāo)要求，所以必須進(jìn)行強(qiáng)制散熱，圖7為LED前照燈后面加裝風(fēng)扇進(jìn)行強(qiáng)制對(duì)流散熱試驗(yàn)。

表3 自然對(duì)流情況下LED前照燈溫度測試結(jié)果Table 3 The test results of LED headlamp under natural convection

圖7 風(fēng)扇散熱模型Fig.7 The fan heat dissipation model

圖7為風(fēng)扇工作后強(qiáng)制對(duì)流散熱模型，將風(fēng)扇和LED前照燈同時(shí)接通，將加裝風(fēng)扇的LED前照燈放入恒溫箱中進(jìn)行熱測試試驗(yàn)，試驗(yàn)步驟與圖6一致，首先是在環(huán)境溫度為25℃進(jìn)行熱測試，當(dāng)近光燈工作時(shí)，測得鋁基板溫度平均值為32℃，故由式(2)可推算出LED前照燈結(jié)溫為47℃；然后將LED遠(yuǎn)光燈組開啟，測得鋁基板平均溫度為35℃，此時(shí)LED芯片結(jié)溫會(huì)達(dá)到50℃。然后調(diào)節(jié)恒溫箱工作溫度至環(huán)境溫度50℃，測得其LED近光燈組結(jié)溫為71℃，LED遠(yuǎn)光燈組結(jié)溫為75℃。數(shù)據(jù)如表4所示。由此可見，試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合，驗(yàn)證了仿真結(jié)果的正確性。

表4 強(qiáng)制對(duì)流情況下LED汽車前照燈溫度測試結(jié)果Table 4 The test results of LED headlamp under forced convection

由以上結(jié)果可知，由于當(dāng)LED遠(yuǎn)光燈組開啟時(shí)，LED鋁基板熱量加大，會(huì)使得溫度稍微比近光燈工作時(shí)高2～3℃，加裝風(fēng)扇后，散熱效果大大增加，且LED結(jié)溫大幅度降低，在50℃環(huán)境溫度條件下，LED前照燈最高結(jié)溫為75℃，滿足國標(biāo)LED結(jié)溫小于80℃要求。

3 結(jié)論

本文采用Pro/E軟件設(shè)計(jì)一款LED前照燈模型，通過ANSYS對(duì)所設(shè)計(jì)模型進(jìn)行仿真，得出了此散熱模型的LED前照燈在強(qiáng)制對(duì)流散熱時(shí)效果較好的結(jié)論。同時(shí)制作了風(fēng)冷散熱的LED前照燈實(shí)物，進(jìn)行溫測試驗(yàn)。通過兩種結(jié)果比較，測試結(jié)果與仿真結(jié)果相差較小，驗(yàn)證了仿真理論的正確性。同時(shí)，國標(biāo)50℃環(huán)境溫度要求下，使用此散熱模型的LED前照燈的最高結(jié)溫不會(huì)超過80℃。所以此散熱模型的LED前照燈能有效解決大功率LED的散熱問題，且結(jié)構(gòu)簡單，適用性強(qiáng)，為后續(xù)的研究者提供了參考。

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Research on Thermal Structure Design of 90W LED Car Headlamps

Liu Chenyang1，Yin Mo2, Sun Heran3，Li Zhong4

(1.StateKeyLaboratoryofElectricalInsulationandPowerEquipment，Xi’anJiaotongUniversity，Xi’an710049，China;2.NanyangExplosionProtectionGroupCo.,Ltd.,Nanyang473011,China;3.NorthernEngineering&TechnologyCorporation,MCC，Dalian116600,China;4.The202ResearchInstituteofChinaNorthIndustriesGroupCorporation,Xianyang712099,China)

In the view of heat dissipation problems of high power LED lamp, a cooling form of LED car headlamps was designed. Temperature field distribution in different convection conditions is obtained by ANSYS simulation analysis. At the same time, the experiment platform is set up for temperature test of LED car headlamps, the LED junction temperature can be controlled under 80 ℃ in the experiment. It shows that the radiation model of LED headlamp can meet the cooling requirements well. It can solve the problem of heat dissipation in LED car headlamps.

white LED；car headlamps；heat dissipation

U463.65+1

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2015.02.028