大功率LED汽車前照燈散熱與進(jìn)水問題研究

鄧 盈

福州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 福州 350108

0 引言

LED制造工藝已經(jīng)成為當(dāng)前推動照明體系高效發(fā)展的核心體系，同時成為汽車前照燈改造的主要技術(shù)。但是隨著大功率LED汽車前照燈的使用，其也暴露出許多不可忽視的問題，如LED芯片發(fā)熱較為嚴(yán)重，在汽車運行及不同環(huán)境的使用情況下，可能會出現(xiàn)導(dǎo)線及燈罩進(jìn)水現(xiàn)象?；诖?，文章以文獻(xiàn)研究法及技術(shù)分析法作為主要方式，綜合LED大功率汽車前照燈的散熱及防水問題落實分析，能夠為后續(xù)相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)研發(fā)提供有效保障。

1 大功率LED前照燈使用期間存在的問題

結(jié)合我國當(dāng)前的照明體系發(fā)展情況來看，LED已經(jīng)逐步取代了原有的鈉燈、鹵素?zé)簦貏e在汽車領(lǐng)域有著極強(qiáng)的應(yīng)用價值。不僅在汽車儀表盤信號指示燈方面廣泛應(yīng)用，大功率的LED芯片也被應(yīng)用在汽車頭燈的領(lǐng)域。利用該種方式設(shè)計的汽車前照燈，不僅造型美觀，具有較強(qiáng)的藝術(shù)感，還能夠有效節(jié)省電能，并能滿足常規(guī)的汽車行駛照明需求[1]。例如，當(dāng)前許多較為高檔的轎車及貨運汽車已經(jīng)將其前照燈進(jìn)行了改良，打造大功率、高亮度的LED前照燈，有效實現(xiàn)了成本及效益的提升。但大功率LED汽車前照燈在使用期間也存在一定的問題，主要包括散熱及進(jìn)水方面的問題。

1.1 散熱問題

與其他固體光源材料相比，LED芯片具有壽命長、能耗低、體積小、可靠性高、反應(yīng)速度快等優(yōu)勢。在當(dāng)前節(jié)能低碳及環(huán)保的背景下，將LED作為新型的汽車前照燈光源系統(tǒng)具有可行性。但是制約大功率LED光源全方位推廣的關(guān)鍵因素，便是LED芯片的結(jié)溫現(xiàn)象。大功率型的LED驅(qū)動電流往往在1 A以上，加上汽車對前照燈的依賴性較大，往往需要長時間使用，這就會導(dǎo)致芯片內(nèi)部逐步聚集了大量的熱量。

（1）熱量的不斷積累會導(dǎo)致光照效能下降，光通量也會不斷衰減。結(jié)合我國相關(guān)規(guī)定來看，LED前照燈的光通量需要控制在1 000 1m以上。若溫度在短時間內(nèi)無法快速散去，會直接導(dǎo)致光通量下降，從而影響汽車的實際通行安全。

（2）溫度的不斷提升會進(jìn)一步損害LED光源的壽命。阿雷紐斯法則指出，溫度每升高10 ℃，LED光源的壽命會下降近50%。若溫度達(dá)到極限，LED光源芯片會直接損壞，甚至?xí)霈F(xiàn)燒毀情況。

（3）溫度的積累會直接導(dǎo)致LED發(fā)光光譜的紅移出現(xiàn)轉(zhuǎn)換，主波長將偏移到紅外波段。這種變化導(dǎo)致的直接結(jié)果便是色溫及顯色指數(shù)出現(xiàn)較為明顯的變化。有實驗數(shù)據(jù)顯示，溫度每升高10 ℃，LED的波長會偏移1 nm左右，芯片的發(fā)光穩(wěn)定性會降低5%左右。

1.2 進(jìn)水問題

汽車的運行環(huán)境往往具備極強(qiáng)的多變性，在雨天、陰天及空氣濕度較大的區(qū)域，汽車的大燈進(jìn)水是較為嚴(yán)重的現(xiàn)象。從具體的進(jìn)水程度進(jìn)行劃分，可以分為兩種情況，一是燈罩上存在較為明顯的水珠，這是較為常見的現(xiàn)象；二是燈罩底部已經(jīng)儲存了大量的水，這直接會造成前照燈內(nèi)部電源短路及電阻升高。

分析進(jìn)水的主要原因，在于汽車的大燈結(jié)構(gòu)并不是完全密封的，在點亮的瞬間及長時間工作的狀態(tài)下，LED系統(tǒng)本身會發(fā)出大量的熱量，這些熱量的產(chǎn)生會導(dǎo)致大燈的局部溫度升高，進(jìn)而導(dǎo)致壓強(qiáng)出現(xiàn)變化，因此大部分大燈的結(jié)構(gòu)中都會設(shè)置控制壓強(qiáng)的通氣口，這也會導(dǎo)致外部水汽進(jìn)入。另外，在長時間使用過程中，水的毛細(xì)作用會導(dǎo)致空氣中的部分水分滲入，而且常規(guī)的洗車、雨中行駛也會導(dǎo)致車燈內(nèi)部進(jìn)水。若是小規(guī)模的水霧及水滴，等待其自行散去即可；若是存在較大規(guī)模的進(jìn)水情況，則會直接導(dǎo)致LED電線出現(xiàn)電阻升高的現(xiàn)象，而電阻升高會引發(fā)更多的熱量，這與原有的熱量疊加，會直接導(dǎo)致區(qū)域受損乃至整體系統(tǒng)報廢。

2 國內(nèi)外的防控技術(shù)研究現(xiàn)狀

早在2004年，便有國外學(xué)者通過壓電風(fēng)扇，針對LED進(jìn)行強(qiáng)制的對流冷卻。綜合具體的結(jié)果來看，利用強(qiáng)制對流冷卻的方式進(jìn)行散射，與常規(guī)的自然對流冷卻控制方式相比，溫度下降了近37 ℃[2]。以該種方法作為主要分析思路，國內(nèi)也有學(xué)者在回路熱管的基礎(chǔ)上進(jìn)行了LED燈的冷卻研究與實驗?；芈窡峁鼙旧淼娜彳浶暂^好，能夠在較長的空間內(nèi)進(jìn)行流體的傳熱。實驗結(jié)果表明，在環(huán)境溫度控制在35 ℃左右時，自然對流情況下，回路熱管的表面溫度為73 ℃。

后續(xù)國外相關(guān)學(xué)者又研究出了以微槽道冷卻方法為主的散熱方式，用于LED陣列的散熱中。在LED模塊下面加裝硅材料或者金屬及復(fù)合材料做成散熱板，在散熱板上設(shè)置多個微型槽，讓流體流經(jīng)微型槽來實現(xiàn)熱量的導(dǎo)出。但是這些技術(shù)體系在當(dāng)前的汽車車前照燈散熱應(yīng)用中都存在一定的局限性，如涉及了大量的制冷劑的應(yīng)用工藝，較為復(fù)雜，成本較高。同時，長時間的使用也無法實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保，因此急需進(jìn)行優(yōu)化和改良。

3 現(xiàn)有的大功率LED前照燈功能優(yōu)化方案

在當(dāng)前LED前照燈使用過程中，自身散發(fā)的熱量會對性能產(chǎn)生影響，而進(jìn)水也會導(dǎo)致熱量的遞增，因此為了有效實現(xiàn)防水及散熱，必須打造多功能的優(yōu)化體系。結(jié)合當(dāng)前市面上多種技術(shù)體系應(yīng)用情況來看，有效實現(xiàn)防水及散熱的技術(shù)已經(jīng)較為成熟，通常來講有以下幾種。

3.1 防水優(yōu)化

為了實現(xiàn)LED導(dǎo)線防水，當(dāng)前較為常見的方式是以線束包扎為主。通常選擇具有阻燃、耐磨、抗干擾、耐腐蝕及降噪等性能的材料針對線束進(jìn)行包扎。

（1）常見防水材料。①熱縮管是較為常見的材料，其主要以熱固膠組成，在加熱之后可以收縮，能夠達(dá)到100%的防水及絕緣，耐高溫的最高標(biāo)準(zhǔn)為125 ℃。單層的熱縮管收縮率往往為55%，雙層的收縮率能夠達(dá)到75%[3]。②塑料套管。以PVC管或者波紋管為主，這其中波紋管的使用效率較高，耐高溫的標(biāo)準(zhǔn)往往在40～150 ℃。波紋管的類型包括閉口波紋管及開口螺紋管，其中，閉口波紋管的防水效果較好，但是組裝工藝較為復(fù)雜，操作困難。反觀PVC管，耐熱溫度不高，往往控制在80 ℃左右，在極特殊的環(huán)境下可以承受105 ℃的高溫。③膠帶也是較為常見的防水材料。從類型上劃分，以PVC、絨布、布基、海綿為主。PVC膠帶的黏性較高，耐久性較好，同時具有較強(qiáng)的絕緣能力，但是由于溫度的承受范圍以40～150 ℃為主，因此應(yīng)用范圍不廣。絨布膠帶以聚酯無紡布為主要材料，具有較強(qiáng)的耐腐蝕性，可以手動撕除，可承受的范圍為40～105 ℃。布基膠帶主要的制成材料是強(qiáng)力橡膠及棉纖維布，黏度較高，但是耐油污性及耐疲勞性不強(qiáng)，溫度承受范圍同樣為40～105 ℃。海綿膠帶是以低密度PE泡棉為基材，單面或者雙面涂布高性能壓敏膠復(fù)合而成，具有優(yōu)異的耐候性能、密封性和優(yōu)越的黏結(jié)性，應(yīng)用非常廣泛。④編制套管。該材料主要應(yīng)用在部分高磨損的環(huán)境下，柔軟性較好，具有較強(qiáng)的耐磨性及阻燃性。獨特的編制結(jié)構(gòu)還可以進(jìn)行拉伸，可快速、簡便地包裹線束，可以承受的溫度范圍在40～150 ℃。

（2）優(yōu)化策略。在此基礎(chǔ)上，還需要進(jìn)一步強(qiáng)化LED導(dǎo)線及芯片的防水性能。首先，落實好導(dǎo)線使用壽命的監(jiān)控，合理地進(jìn)行導(dǎo)線安裝，避免導(dǎo)線出現(xiàn)破損情況，進(jìn)一步降低導(dǎo)線毛細(xì)吸水的能力，這樣也可以有效避免水汽的滲透對系統(tǒng)產(chǎn)生影響。合理設(shè)計線束的具體固定方式及固定位置，可以結(jié)合不同車輛的實際使用情況及使用環(huán)境進(jìn)行有針對性的分析。其次，要避免導(dǎo)線出現(xiàn)彎曲情況，并且預(yù)留合理的彎曲空間，這樣才可以有效地維持導(dǎo)線質(zhì)量，避免折損口的出現(xiàn)影響其絕緣防水性能。

3.2 散熱優(yōu)化

（1）常見散熱技術(shù)。在實際的大功率LED前照燈設(shè)計過程中，從技術(shù)角度看，散熱方案主要涉及過熱傳導(dǎo)及對流換熱兩種主要方式。從散熱器周邊空氣實際流動方式的角度，可以將前照燈的具體散熱方法劃分為主動式散熱與被動式散熱兩種類型。主動式散熱主要是建立在風(fēng)冷散熱、液冷散熱及熱管散熱的基礎(chǔ)上進(jìn)行的熱量傳遞。例如，在散熱器的位置設(shè)置變速風(fēng)扇，能夠有效改善區(qū)域內(nèi)部的空氣流動，加強(qiáng)對流，從而實現(xiàn)換熱；或增加真空中介質(zhì)來實現(xiàn)熱量的相變改變。被動式的散熱方法主要是指選擇具有較高導(dǎo)熱系數(shù)的散熱器進(jìn)行散熱，該種方式往往應(yīng)用自然對流進(jìn)行換熱，例如熱傳導(dǎo)、對流換熱、輻射換熱這三種方式。換熱效果往往與散熱器本身的形狀、區(qū)域氣流運行狀態(tài)及對流傳熱系數(shù)有直接關(guān)系。

（2）常用散熱裝置。①圓形散熱裝置。LED前照燈散熱結(jié)構(gòu)通常為圓形散熱裝置，主要利用圓形的散熱翅片作為散熱材料，并且在底部設(shè)置風(fēng)扇。利用仿真軟件進(jìn)行分析，模擬實際運行過程中存在的溫度散熱情況發(fā)現(xiàn)，散熱效果較為明顯，與自然對流的環(huán)境對比，溫度能夠有效下降70 ℃。②均溫板式散熱。其是以矩形散熱翅片作為主要散熱結(jié)構(gòu)，并且在內(nèi)部設(shè)置散熱通孔。這種設(shè)計方式能夠在風(fēng)扇工作之后進(jìn)一步提升對流系數(shù)，有效降低LED結(jié)溫現(xiàn)象。在這樣強(qiáng)制對流的環(huán)境下，當(dāng)室溫控制在25 ℃左右時，LED芯片的最高溫度可以達(dá)到48.5 ℃。與在自然對流下的溫度變化情況進(jìn)行對比，結(jié)溫現(xiàn)象明顯下降，下降的溫度控制在20～70 ℃。有學(xué)者通過這種方式進(jìn)行了為期5 h的試驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)最終的結(jié)溫溫度始終控制在80 ℃以下[4]。由此也可以證明，利用均溫板式強(qiáng)制對流的方式進(jìn)行降溫，具有一定的應(yīng)用效果，能夠有效滿足當(dāng)前的LED前照燈散熱需求。

4 創(chuàng)新型的大功率LED前照燈功能優(yōu)化方案

建立在上述散熱及防水技術(shù)體系的基礎(chǔ)上，為了進(jìn)一步實現(xiàn)成本控制，簡化散熱及防水的設(shè)計流程，打造多功能的大功率LED前照燈的防控體系，及時進(jìn)行創(chuàng)新是未來發(fā)展的核心路徑。

綜合前照燈進(jìn)水的具體原理來看，毛細(xì)作用、外部環(huán)境是主要影響因素，與此同時，進(jìn)水、油等相關(guān)物質(zhì)都會對LED系統(tǒng)造成影響。因此，將LED芯片及導(dǎo)線作為切入點，利用特殊涂料來構(gòu)建毛細(xì)屏障，能夠有效加大防水力度。防水涂層與導(dǎo)線之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖1所示，其中，涂層的化學(xué)基料為氟化油脂。

圖1 LED芯片導(dǎo)線防水涂層

綜上，利用均溫板式散熱方法，加上新型導(dǎo)線材料，可以有效實現(xiàn)大功率LED前照燈的散熱及防水功能。這種新型的設(shè)計方案不僅能夠有效防止導(dǎo)線本身的毛細(xì)效應(yīng)導(dǎo)致吸水，也可以進(jìn)一步降低原有的線束維護(hù)成本。與常規(guī)的保護(hù)套管及不同類型的膠帶相比，這種新型的技術(shù)能夠有效降低近50%的費用；與特殊密封圈及相關(guān)的熱縮管相比，這種方法能夠有效降低近30%的成本[5]。在這種新型技術(shù)體系的基礎(chǔ)上進(jìn)行實驗分析，具體的實驗結(jié)果如表1所示。

表1 新型技術(shù)的應(yīng)用成效

綜合以上所有結(jié)果進(jìn)行分析，最終結(jié)果滿足實際的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，由此證明該種新型的導(dǎo)線能夠有效滿足大功率LED前照燈的日常散熱及防水要求。

5 結(jié)束語

綜上所述，針對大功率LED汽車前照燈進(jìn)行優(yōu)化，要將重點放置在散熱及防水問題上?？偟膩碇v，均溫板式散熱方法配合涂料，能夠有效實現(xiàn)散熱和防水雙功能的優(yōu)化。在未來的發(fā)展過程中，需要進(jìn)一步研發(fā)新材料，在不阻止散熱性能的同時實現(xiàn)基礎(chǔ)防水是主要的研究重點，同時進(jìn)一步實現(xiàn)成本控制，提升經(jīng)濟(jì)效益及使用效益也是核心內(nèi)容。