汽车LED前照灯实验系统设计解析.docx

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汽车LED前照灯实验系统设计解析

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30.0V，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Agilent34970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30W至50W，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。

当加热功率从30W升高到50W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30W时，热源底部的温度为107℃，根据LEWD1A型LED的热阻4K/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℃。

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40W，因此30W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40W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素，这里采用铝板作为高导热材料。

室温下，铝的热导率为237Wm-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。

在合作方要求的器件工作功率40W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40W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1.782m3min-1，额定功率1.68W，噪音32.5dB。

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35W、40W和45W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40W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40W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6mm，长200mm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40W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40W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30W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40W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。

在环境温度为25℃，热源总功率为40W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4K/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

3.4LED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（30W～60W）。

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40W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40W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吸收等因素，发热功率大于总功率的90%，这一点在进行车灯散热设计时应该予以考虑。

图20采用真实器件后各测温点稳态温度

从图20中可以看出器件的总功率为40W时，发光二极管底面温度为43℃，此时的灯体周围空气为30℃，如果环境温度升高到80℃，发光二极管结点温度按照热阻4KW-1估算约为120℃，可以满足合作方的要求。

当所有的器件都满负荷工作，总功率达到60W时，器件底面温度为52℃，此时如果考虑环境温度为80℃的情况，根据器件热阻推算结点温度约为139℃，此时耐温能力比较好的器件可以工作，但是工作状态比较差。

图21环境温度80℃时各测温点稳态温度

上面进行的测试是在正常环境温度下进行测试，然后再外推至环境温度为80℃，以推算器件的结点温度。

为了进一步研究散热方案在高温下的性能，下面进行了升温实验。

在实验中将测试箱的温度升高至80℃，其余与之前的实验相同。

实验表明环境温度升高至80℃后，在功率为30W～60W时车灯依然可以长时间正常工作。

实验结果如图21所示。

从图中可以看出，在环境温度80℃，功率为40W时，LED底板温度为97℃，根据器件的热阻可以知道此时结点温度约为123℃，而前面根据外推得到的器件结点温度为120℃，两者相当，而在车灯满负荷工作时（60W），两种方法得到的结点温度分别为143℃和139℃，相差不大，从而验证了前面的外推的方法的适用性。

同时也进一步说明采用的热沉式散热方案在环境温度80℃时，可以满足LED车灯设计要求。