大功率LED汽車前照燈散熱裝置的設(shè)計(jì)與分析

陳文林 安 震 劉晨陽 郝麗娜

(1.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧沈陽 110004;2.東北大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧沈陽110004)

1 引言

目前LED正逐步取代以往的鈉燈、鹵素?zé)魬?yīng)用在汽車領(lǐng)域。21世紀(jì)初，人類就將LED應(yīng)用于車內(nèi)儀表盤信號(hào)燈指示等小功率照明上，該領(lǐng)域所用的LED一般功率較小，不存在散熱問題。而后，隨著國外一些大型汽車燈廠商的大膽嘗試，一些車燈設(shè)計(jì)師提出了將LED應(yīng)用于汽車頭燈的大功率照明想法，因?yàn)閷ED應(yīng)用于前照燈中，汽車造型漂亮，藝術(shù)感觀好，并且能大大節(jié)約汽車電能。大功率LED照明應(yīng)用最重要的是車近光燈和遠(yuǎn)光燈，其次為日光燈，再者是剎車燈等。目前一些高檔轎車公司，比如寶馬、奔馳、奧迪、豐田［1］等已經(jīng)將大功率高亮度LED前照燈商品化，而不是僅僅局限于一些概念車領(lǐng)域了。截止目前，中國市場(chǎng)內(nèi)仍然有很少前照燈專門研發(fā)企業(yè)，其中最大的難題就是LED的散熱問題。

針對(duì)汽車前照燈散熱器的研究，現(xiàn)在國內(nèi)外已經(jīng)取得了一些成績。2002年，通用照明電氣有限公司［2］在其小型功率型LED燈中采用在LED模塊后加裝有陣列的熱沉來進(jìn)行散熱。Aqkahn［3］等人于2004年采用壓電風(fēng)扇對(duì)LED進(jìn)行強(qiáng)制對(duì)流冷卻，其最后得出結(jié)果為該冷卻方法比自然對(duì)流冷卻溫度降低了37℃。黃秉鈞［4］等曾用回路熱管對(duì)LED路燈進(jìn)行冷卻。由于熱管其柔軟性好，可以在很長空間內(nèi)進(jìn)行流體傳熱，且可以根據(jù)設(shè)計(jì)的路燈進(jìn)行任意位置安裝。最后該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)是將微米毛細(xì)材料用作回路熱管的吸液芯，最后結(jié)果表明環(huán)境溫度為35℃，自然對(duì)流情況時(shí)，該回路熱管的表面溫度為73℃。Ma［5］等人于2005年將微槽道冷卻方法應(yīng)用于LED陣列，在LED模塊下面加裝由硅材料或者金屬基復(fù)合材料MMC做成的平板。在平板下面采用微加工的方法將平板加工成微型的槽道，讓流體在這些槽道中流過，流體將LED產(chǎn)生的熱導(dǎo)出。2006年，華中科技大學(xué)羅小兵教授［6］等人在《中國科學(xué)E輯》上報(bào)道了利用微噴冷卻高功率LED陣列的方案，并對(duì)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)值優(yōu)化工作。2011年，中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所［7］研制出大功率LED液態(tài)金屬散熱器工業(yè)化樣機(jī)，制作出針對(duì)200W的LED的液態(tài)金屬散熱器工業(yè)化樣機(jī)，可確保室溫下LED光源滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)基板背面最高溫度低于45℃。以上設(shè)計(jì)的大功率LED汽車前照燈散熱器的結(jié)構(gòu)和原理比較復(fù)雜，實(shí)際應(yīng)用在汽車前照燈中會(huì)出現(xiàn)維護(hù)困難等諸多不便。本文將針對(duì)大功率LED汽車前照燈散熱的問題，設(shè)計(jì)三款簡單可靠的散熱裝置，通過ANSYS進(jìn)行熱分析，選擇一款最合適的散熱器，進(jìn)行實(shí)際加工，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其散熱的可行性。

2 大功率LED前照燈散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究

本文設(shè)計(jì)了三款常用的LED散熱器，將根據(jù)ANSYS分析結(jié)果選擇一款最優(yōu)的散熱結(jié)構(gòu)。以下針對(duì)這三種散熱器進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1)第一種LED車燈結(jié)構(gòu)模型的建立

如圖1所示，LED車前照燈由90個(gè)1W的大功率LED、鋁基板PCB、導(dǎo)熱板、導(dǎo)熱硅膠和散熱片組成。在相互連接的兩層面之間添加導(dǎo)熱硅膠使其粘連，增加兩個(gè)部分之間的傳熱，降低其熱阻。其中，在每兩個(gè)部件之間添加導(dǎo)熱硅膠厚度為0.5mm，導(dǎo)熱硅膠導(dǎo)熱率為2W (m·K)，采用鋁板作為導(dǎo)熱板。室溫下，鋁的熱導(dǎo)率為237 W (m·K)。其中導(dǎo)熱鋁板和散熱片的尺寸如表1所示，這一結(jié)構(gòu)尺寸主要是考慮到與車前燈的整體形狀和尺寸配合。

圖1 導(dǎo)熱板方案LED車燈模型Fig.1 The thermal conductive plate solution model of the LED headlamp

表1 模型結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Structural parameters of model

2)第二種LED車前照燈模型結(jié)構(gòu)建立

如圖2所示，所設(shè)計(jì)的第二種LED車前照燈結(jié)構(gòu)為圓形散熱裝置，其散熱片采用圓形散熱翅片，其依次組成部分為9個(gè)10W的LED、鋁基板、導(dǎo)熱膠、圓形散熱翅片等組成，為了考慮車燈內(nèi)部體積的容易安裝，且易于在圓形翅片底部加裝風(fēng)扇，故設(shè)計(jì)成圓形結(jié)構(gòu)模式。散熱器的外形尺寸如表2所示。

表2 散熱器的結(jié)構(gòu)尺寸Table 2 The radiator structure size

3)第三種LED車前照燈模型結(jié)構(gòu)建立

圖2 圓形LED車前照燈散熱結(jié)構(gòu)模型Fig.2 Round heat-dissipation structure model of LED headlamp

如圖3所示，其所設(shè)計(jì)的第三種LED車前照燈散熱結(jié)構(gòu)，散熱翅片采用的是矩形散熱翅片，且散熱翅片內(nèi)部開設(shè)有兩列散熱通孔，其采用的LED為30個(gè)3W功率的LED燈珠，以上往下結(jié)構(gòu)為鋁基板、均溫板、散熱翅片，且相接觸的兩個(gè)層之間都用0.5mm厚的導(dǎo)熱膠粘連。表3所示為散熱器的結(jié)構(gòu)尺寸。鋁基板的尺寸為:180mm×100mm×2mm，均溫板尺寸為:180mm×100mm×1mm。導(dǎo)熱率為398W (m·K)。

圖3 第三種LED車前照燈模型結(jié)構(gòu)Fig.3 The third structure model of LED headlamp

表3 散熱器的結(jié)構(gòu)尺寸Table 3 the radiator structure size

3 汽車LED前照燈熱分析仿真研究

由于單顆LED不可能滿足汽車道路照明要求，本文設(shè)計(jì)了三款多芯片LED組合汽車前照燈模型，通過這三款模型的仿真比較，從中找出最佳三維模型，并觀察LED結(jié)溫仿真分布情況。LED前照燈散熱模型ANSYS溫度仿真分析過程分為以下幾步:①定義單元類型;②定義材料屬性;③劃分網(wǎng)格;④施加熱載荷與定義邊界條件;⑤求解并查看結(jié)果。根據(jù)以上步驟分別對(duì)前面設(shè)計(jì)的三種散熱結(jié)構(gòu)在自然對(duì)流和強(qiáng)迫對(duì)流 (加裝散熱風(fēng)扇)情況下進(jìn)行熱分析研究。

3.1 導(dǎo)熱板方案的熱分析研究

在進(jìn)行熱仿真分析時(shí)，材料熱導(dǎo)率為:鋁237W (m·K)，導(dǎo)熱硅膠2W (m·K)，PCB 板200W (m·K)，芯片300W (m·K)。

圖4 自然對(duì)流芯片溫度分布圖Fig.4 The natural convection temperature distribution of chip

圖5 強(qiáng)制對(duì)流溫度分布圖Fig.5 The temperature distribution

本實(shí)驗(yàn)分析是在假定環(huán)境溫度為25℃時(shí)做的仿真分析，由圖4、圖5可知，散熱裝置設(shè)計(jì)、對(duì)流系數(shù)、LED自身功率都對(duì)LED的結(jié)溫分布有著重要影響，改變這些參數(shù)對(duì)LED的結(jié)溫分布都有著重要影響。該車燈模型的導(dǎo)熱板設(shè)計(jì)使得熱傳遞存在障礙，肋板不助于熱量的散發(fā)和傳遞，而僅當(dāng)室溫25℃時(shí)，最高結(jié)溫也超過80℃，如果提高環(huán)境溫度到50℃時(shí)，那么經(jīng)過推算，LED的結(jié)溫將會(huì)遠(yuǎn)大于80℃，所以，該前照燈模型不能滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 圓翅片組合方案熱分析研究

從圖6、圖7中可以看出，采用風(fēng)扇強(qiáng)制對(duì)流散熱效果很明顯，在環(huán)境溫度為25℃情況下，采用鋁制散熱片芯片最高結(jié)溫為87℃，比自然對(duì)流情況下下降了約70℃，由此可以看出自然對(duì)流對(duì)散熱器溫度影響比較大。在室溫25℃時(shí)，LED結(jié)溫還是超過了80℃，不能保證LED能長期穩(wěn)定的工作，所以也排除此散熱方案。

圖6 自然對(duì)流鋁翅片溫度分布圖Fig.6 Natural convection finned aluminum profile temperature distribution

圖7 強(qiáng)制對(duì)流下鋁散熱片溫度分布圖Fig.7 Forced to shed the aluminum heat sink temperature distribution

3.3 均溫板式方案熱分析研究

考慮到汽車發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)熱嚴(yán)重或者其他惡劣條件下環(huán)境溫度短暫達(dá)到50℃，為使車燈穩(wěn)定工作，對(duì)環(huán)境溫度25℃與環(huán)境溫度為50℃時(shí)進(jìn)行ANSYS熱分析對(duì)比。ANSYS分析結(jié)果如圖8、圖9所示。

根據(jù)圖5與圖6的分析結(jié)果可得出:加載風(fēng)扇后，對(duì)流系數(shù)增大，LED結(jié)溫明顯降低，在強(qiáng)制對(duì)流狀態(tài)下，室溫環(huán)境溫度25℃時(shí)，芯片最高溫度為48.5℃;在室溫環(huán)境溫度50℃時(shí)，芯片最高溫度為73.5℃;與原先的自然對(duì)流相比，LED結(jié)溫有了很大的下降，同比下降結(jié)溫為20℃。熱流密度在LED周圍分布較為明顯，即熱量在LED附近轉(zhuǎn)移程度較大，而在基板上可以看出熱流密度較小。所以，加大對(duì)流系數(shù)，散熱效果明顯，且該散熱方案滿足國家標(biāo)準(zhǔn)在50℃環(huán)境情況下，LED結(jié)溫低于80℃要求，因此選用此種散熱方案。

圖8 在自然對(duì)流下均溫板在25℃和50℃溫度分布圖Fig.8 In nature to shed all panels in 25℃and 50℃temperature distribution

圖9 在強(qiáng)制對(duì)流下均溫板在25℃和50℃溫度分布圖Fig.9 Forced to shed all panels in 25℃and 50℃temperature distribution

4 結(jié)論

本文采用ANSYS軟件對(duì)三種LED車前照燈散熱模型進(jìn)行了熱仿真分析，并對(duì)其在自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流情況下散熱方式進(jìn)行熱仿真分析。通過分析比較得出采用風(fēng)扇強(qiáng)制對(duì)流散熱加強(qiáng)了車燈的周圍空氣流動(dòng)，使其更易于散熱，LED結(jié)溫更低。對(duì)均溫板式散熱板進(jìn)行加工制造，做成車燈進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，測(cè)試連續(xù)工作5個(gè)小時(shí)，LED的結(jié)溫始終低于80℃，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了采用均溫板式強(qiáng)制對(duì)流能夠保證LED前照燈穩(wěn)定工作。此散熱器具有結(jié)構(gòu)簡單、實(shí)用價(jià)值高等優(yōu)點(diǎn)，擁有廣闊的市場(chǎng)空間。

［1］劉木清，周德成，梅毅.LED與傳統(tǒng)光源光效比較分析［J］.照明工程學(xué)報(bào)，2006，17(4):41～45.

［2］Petrosk J.Thermal challenges facing new generation light emitting diodes［C］.Proceedings of SPIE，2002，4776:215～222.

［3］Aqkahn T，Garimella S V，Petroski J，et al.Optimal design of miniature piezoelectric fans for cooling light emitting diodes［C］.Proceedings of the Ninth Intersociety Conference on Thermal and Thermo mechanical Phenomena in Electronic Systems，San Diego，USA，2004.663～671.

［4］黃秉鈞.高亮度LED照明技術(shù)發(fā)展與太陽能照明應(yīng)用［R］.臺(tái)大機(jī)械系新能源中心，2005.

［5］Ma Z T，Wang X J，Zhu D Q，et al.Thermal analysis and modeling of LED arrays integrated with an innovative liquid-cooling module［C］.Proceedings of 6th International Conference on Electronics Packaging Technology，Shen Zhen，China，2005.

［6］羅小兵，劉勝，江小平，程婷.基于微噴射流的高功率LED散熱方案的數(shù)值和實(shí)驗(yàn)研究［J］.中國科學(xué)E輯:技術(shù)科學(xué)，2007，37(09):1194～1204.

［7］http:lights.ofweek.com 2011-05 ART-220001-8220-28466896.html.