汽车LED前照灯实验系统设计

1、LED汽车前照灯试验系统设计1、 实验系统设计图1 实验系统图要对车灯进行热测试，首先设计了实验测试系统。整个实验系统包括电源、数据采集、实验环境三个部分，其外形如图1 所示。下面分别介绍。电源部分采用 MATRIX-MPS-3003L-3 直流电源。其最大输出电压为 30.0 V，最大输出电流 3.0A。在这之间可以精确控制，达到改变模拟热源功率的目的。数据采集采用 Agilent 34970 数据采集系统。它将热电偶采集的电压信号转换为温度信息。采集的过程中采用 Agilent 内部的自补偿方式，数据采集的误差为 1。数据采集用的传感器采用 T 型热电偶，其测量误差约为 0.5。实验的大环

2、境为一密闭实验箱，以减小环境的影响。实验过程中模拟热源放置于改造了的荣威轿车普通车灯，替代了车灯原来的近光灯，然后将车灯置于实验箱内进行测试。改装后的车灯实物图如图2。图2 模拟LED车灯实物图2、 实验结果与分析首先对改装后的车灯进行了热测试，实验时未采用任何强化散热措施。实验的功率范围从 30 W 至 50 W，每个温度点约 2 小时达到稳态，环境温度为 19。因为实验测量过程中，最能直接反映发光二极管工作温度的是如图 3 所示的热源底部温度，因此这里将其单独列出。图3热源底部热电偶布置图4 给出了模拟热源底面测温点温度随热源总功率变化。可以看到热源底面温度随着加热功率的升高几乎线性增加。

3、当加热功率从 30 W 升高到 50 W 时，热源底面的温度升高了约 40，达到 150 左右。从图中可以看出两个热源底部温度有所不同，这是由于放置热源的铝板是竖直放置，一个测温点在上，一个测温点在下，灯内自然对流引起的热空气上升对上面的测温点有加热作用。在之后的实验过程中一般选取温度较高点的温度代表热源底部温度。图4 模拟热源底面温度随功率的变化从图中可以看到在器件功率为 30 W 时，热源底部的温度为 107，根据LEWD1A 型 LED 的热阻 4 K/W，可以推算如果采用真实的器件，器件的结点温度将超过 140，此时如果采用真实的器件其工作状态已经比较差了。而此时的环境温度仅为 19。

4、当环境温度升高至普通车灯测试标准规定的 80时，器件的结点温度必然远远超过芯片的可承受温度范围。同时由于厂家设计的近光灯工作时车灯功率不低于 40 W，因此 30 W 发热量对应的 LED 总功率还不能满足近光灯照明要求，在实际应用中车灯总发热量还会进一步提高，由此可见要使 LED 车灯能够正常工作，在室温环境下就需要对其进行强化散热。3、LED 汽车前照灯强化散热方案设计与测试汽车前照灯的铝基板到灯内空气，灯内空气到灯壁，以及灯壁到灯外环境这几个部分是影响其散热的主要环节。因此为了对车灯进行强化散热，在发光二极管选定的情况下，可以从这几个环节入手。本节设计了几种不同的强化散热方案，并利用模拟

5、热源和真实器件对其强化散热的效果进行了研究，散热方案的目标是在环境温度为 80，器件总功率为 40 W 时，可以正常工作，也就是结点温度控制在 130 以下。3.1 导热板散热方案3.1.1 方案提出由于车灯内的热量需要通过自然对流或者热辐射的形式传递给车灯灯壁，然后才能传递到灯外环境。而此时自然对流和热辐射的热阻较大，导致器件的温度较高，因此这里考虑通过高导热的材料与器件所在的铝基板直接连接，然后将热量直接传导到灯室的外部，再通过导热板尾端的散热片传递到灯体周围空气中去，这样相当于减少了热量在灯内传递的热阻，达到强化散热的目的。图 5 导热板强化散热方案结构图综合考虑热导率以及重量和成本等因

6、素，这里采用铝板作为高导热材料。室温下，铝的热导率为 237 Wm-1K-1。整个散热结构如图 5 所示，其中导热铝板和散热片的尺寸如表 5.1 所示，这一结构尺寸主要是考虑到与车灯的整体形状和尺寸配合。表1 导热板及散热片尺寸3.1.2 散热效果的实验测试对于导热板形式的强化散热方案进行了实验研究，实验装置采用前一节中的实验装置，改装后的汽车前照灯如图 6 所示。图 6 导热板及改装后的车灯实物图实验的结果如图7 所示。从图中可以看出采用导热板后热源底面的温度比未采取强化散热措施时大大降低，在 55W 时下降约 50 左右。此时发光二极管产生的热量主要通过导热板传递到灯箱外部环境中去。在合作

7、方要求的器件工作功率 40 W 时，热源底部的功率为 82.5。考虑采用的器件的热阻为 4K/W，如果真实的器件工作在这种工作状况下，结点的温度为 115，此时可以满足工作要求。不过真实的车灯要求能工作在环境温度为 80 时，因此这种方法显然不能满足要求。图7 采用导热板强化散热后各测温点温度从图 7 可以看到在热源功率为 40 W 时，模拟热源底面到散热片的温差约为 19，散热片到环境温差约 38。导热板后的散热片与灯体环境的温差较大，说明这部分的热阻较大，因此考虑采用强制对流的方式强化导热板后的散热片与周围环境的换热。进一步也可以得到结论：如果要让 LED 汽车前照灯在环境温度为 80 时

8、能够正常工作，单纯采用自然对流方式无法解决其存在的散热问题。3.1.3 改善方案为了强化导热板后的散热片与周围环境的换热，对前面的导热板方案进行了改进。这里采用了在散热片上安装风扇的方式来强化散热片的散热能力，以达到降低热源区域温度的目的。散热片后面的风扇采用 DELTA 公司的AFB1212L 型产品，风扇流量为 1.782 m3min-1，额定功率 1.68W，噪音 32.5 dB。整套装置通过金属支架固定在车灯内。加装了风扇的车灯结构如图 8 所示。对这种强化散热方案进行了测试，分别测试了 35 W、40 W 和 45 W 的车灯散热情况。实验结果如图 9所示。图 8 热沉端增加风扇实物

9、图 图9加风扇不同发热功率对应的各测温点稳态温度从图中可以看到，加装风扇后，整体温度大大下降，发热功率为 40 W 时，热沉底面的温度，从未加装风扇时的 82.5，下降到之后的 54，下降了将近30，风扇的强化散热效果很明显。此时如果考虑环境温度升高到 80，简单估算热源底面温度约为 105，根据热阻推算，如果此时使用发光二极管，结点温度约为 135，车灯可以工作，但是工作状态不够优化。从图 9可以看出，加装风扇之后，散热片与车灯周围空气的温度差下降为 3 左右。经过测量，此时导热板前端到尾端的温差为 9左右，温差较大。因此为了进一步提高强化散热的能力，考虑改进导热铝板的散热方式。提出了用热管

10、替代导热铝板的方案。3.2 热管式散热方案3.2.1 方案提出根据前面的分析，可以知道采用导热板将热源产生的热量直接导出车灯后，热源底面到车灯灯壳外表面的热阻被大大降低了。但是此时的工作状态仍有改进的余地。通过实验分析发现，此时车灯的主要热阻集中在导热板前端至尾端的导热热阻上，在热源功率为 40 W 时，导热板上的温差在 10左右。如果可以将这一温差减小，那么散热装置将可以保证 LED 车灯在恶劣的 80 外部环境温度下正常工作。众所周知，热管是一种高效的传热装置，可以应用于小温差时的传热。热管采用相变传热，吸热端吸收的热量通过管壁传递给管内的液体工作介质。工质吸热后气化在压力作用下流向热管的

11、另一端冷凝段，并在冷凝段液化，释放热量。液化后的工质在重力或毛细力作用下回流至蒸发段，完成一个循环。由于相变传热比普通导热的效果好很多。因此本节采用热管代替导热板将热源热量引出灯壳，以进一步减小热源底面到灯壳之间的热阻。图10 为采用的热管散热组件，对其散热效果进行了实验研究。图10 热管散热组件实物图3.2.2 散热效果的实验测试实验中采用 4 根直径 6 mm，长 200 mm 的热管替代原来的三块铝制导热板。实验采用的热管的工质是含有添加剂的水，吸液芯为目前广泛使用的金属粉末烧结芯，管壳材料为紫铜。实验过程中，将热管插入一 T 型铝架，将模拟热源置于 T 型铝架的平面上，热量通过 T 型

12、铝架传递给热管，然后通过热管传递到车灯外，再通过置于热管尾端的散热片与风扇将热量传递到周围环境中去。整套散热装置用金属支架固定在车灯内。实验结果如图 11所示。图11 采用热管方案后各测温点稳态温度从图 11 可以看出采用热管后，在热源功率为 40 W 时，热源底部的温度与采用导热板时的情况相当，而此时热管两端的温差在 1 以内，证明热管工作正常，采用热管减少了采用导热板时导热板两端的温度降，然而此时的热源底部温度与采用铝基导热板时变化不大。分析其原因，一是采用热管后，由于热管直径较小，其与 T 型架的接触面积较小，同时 T 型架与铝基板之间的接触面积也比较小，导致扩散热阻较大；二是因为热管与

13、 T 型架之间相对于采用铝基板时的情况多了一个接触热阻；三是因为热管集中布置在一条线上，而热源分布比较分散，因此热管的作用没有完全发挥出来。3.2.3 热管改进方案上一节分析了采用热管后热源底部温度没有明显降低的原因，针对存在的问题，下面采取了改进措施，以提高热管散热组件的性能。改进方案改变了原有的 T 型铝板与铝基板接触，然后热管置于 T 型铝板之中的方式，而采用两个铝块置于铝基板背面，将四根热管两两插入铝块的方式。这样一方面增加了铝块与铝基板的接触面积，另外一方面由于热管的分布较之前更加分散，与热源的匹配较好，减少了扩散热阻。热管组件的实物如图 12所示。图12 改进的热管散热组件实物图对

14、改进后的热管散热组件的散热效果进行了实验研究。实验过程中采用的热管与之前采用的热管相同。实验结果如图 13 所示，比较图 11 和图 13 可以看出即使在环境温度升高的情况下，采用改进后的热管方案，比之前的方案热源底部的温度仍然有所降低。在热源功率为 40 W 时，热源底部的温度从改进前的 55.1降低到之后的 51.1。考虑到环境温度的变化，采用优化的热管方案可以降低热源底面温度约 8。此时如果考虑环境温度为 80，能够将发光二极管的结点温度控制在 130 以内，可以满足工作要求。图13 采用改进的热管散热组件后各测温点稳态温度3.3 热沉式散热方案3.3.1 方案提出前面设计了导热板和热管

15、式散热方案，可以满足工作要求。但是这两种方案存在的一个共同的问题就是需要在车灯内另外加入导热板或者热管，这样一方面增加了车灯的重量，另一方面增加了车灯生产和运输的复杂度，降低了其工作可靠性。为了克服这一问题，为 LED 汽车前照灯设计了一种新的强化散热方案。这种方案与之前的方案的区别在于取消了导热板与热管，而将热源从车灯中部向车灯尾部移动，将其直接置于车灯尾部的热沉上。热源发出的热量直接通过热沉传递到车灯外部。这样做既减少了采用导热板和热管时存在的接触热阻，同时减少了散热方案采用的零部件，增加了可靠性。存在的不足在于，需要对光源位置移动，因此灯内的光路以及配光，需要重新进行设计。由于光源的位置

16、移动不大而且是平行出光，因此对光路影响不大。可以通过对配光的调整以及合理的设计热沉的尺寸，在满足前照灯照明功能的前提下，来解决散热的问题。目前的测试只进行了热测试，进一步的配光的调整需要与合作方共同完成。设计的示意图如图 5.20 所示。图14 光源后移示意图图15 和图 16 为所采用的热沉的实物图。整个结构由中间的铜热沉、周围的铝板和背面的风扇组成。应用时，将光源直接置于铜热沉上，然后通过铜热沉周围的铝基板固定于车灯尾部。铝板的形状主要是为了与车灯的尾部开口相配合。热沉尺寸如表 5.2 所示。图15 热沉正面 图16 热沉背面3.3.2 散热效果测试首先测量了不采用强迫对流时各个关键点的温

17、度。实验结果如图 17 所示。从图中可以看出单纯依靠自然对流来对热沉进行散热，热源底面和散热片的温度很高。在环境温度为 25，总功率为 30 W 时，热源底面温度就超过了 100，此时如果采用 LED 器件，其结点的温度为 120。当总功率达到 40 W 时，车灯不能正常工作。但是此时比未采取任何强化散热方式时热源底面温度下降了约 15。这一实验进一步说明了不采用强制对流的方式难以满足 LED 汽车前照灯的散热要求。图17 风扇关闭时各测温点的稳态温度下面看采用强迫对流方式对热沉进行散热时的结果。风扇开启时各个测温点的温度随总的加热功率变化如图 18 所示。可以看出风扇开启后，整体温度明显降低

18、。在环境温度为 25，热源总功率为 40 W 时，热源底面温度为 36.3。此时可以估算环境温度为 80 时，如果采用热阻为 4 K/W的器件，器件的结点温度为 118。这一结点温度比前面的各种方案都要低，完全可以满足 LED车灯工作的需要。图 18 风扇开启时各测温点的稳态温度3.4 LED 前照灯实测前面提出了针对 LED 汽车前照灯的热沉式散热方案，并对其强化散热的效果进行了测试。结果表明这一方案可以满足车灯的工作要求，并且优于其他几种方案。在之前的测试过程中均采用了模拟热源，为了更加真实的进行测试，进一步检验这一方案的可行性。下面利用 LED，对这一方案进行了测试。验过程中发光器件根据

19、合作方的设计，采用了 6 个 LEWD1A 型大功率车灯专用 LED。图 19 为实验的实物图。图中亮光为发光二极管所发射，实验过程中车灯可以长时间工作在设定功率下（30 W60 W）。图 19 车灯实验实物图实验过程中各测点的稳态温度如图 20 所示。对比图 20 和图 18可以看到，采用真实器件时器件底面温度要高于相同功率的模拟热源的底面温度。如功率为 40 W 时，采用真实器件的器件底面温度为 43oC，而采用模拟热源时为36.3oC，考虑到两次实验时灯体周围的环境温度不同，加入一个环境的修正后，功率为 40 W 时，采用发光二极管的器件底面温度比采用模拟热源高约 2.5oC。分析其原因是由于采用的 LEWD1A 型发光二极管内部封装的 5 个大功率芯片尺寸较小，而且排列的很集中，因此热源比较集中，导致了其底部的温度比采用模拟热源时底部温度要高，这一点也与本章第一节模拟热源设计时的分析相一致。值得说明的是，采用真实器件时，器件的功率与器件的发热功率并不完全相同，需要考虑器件的发光效率。实验中所采用的器件其发光效率低于 10 %，如果同时考虑灯体对光线的