汽车LED车灯散热结构设计

汽车 LED车灯散热结构设计

张俊杰 赵法杰

曼德电子电器保定光电分公司 河北省保定市 071000

摘要：LED以其体积小、寿命长、能耗低等优点，为汽车车灯提供了新一代光源。使用LED作为光源不仅可节约能源，还能延长其使用寿命。本文主要分析汽车LED车灯散热结构设计。
关键词：LED车灯；散热结构；设计
1、LED车灯概况

LED车灯是指使用LED作为车灯的光源，它以高亮度、低功耗、长寿命等优点在汽车领域得到了广泛应用。具有以下优点：①长寿，通常是几万甚至十万小时。一些人认为，若未来汽车照明灯使用LED，汽车的整个寿命将无需更换灯具。②高效节能。LED光源可直接产生车灯所需的红色、琥珀色等颜色，无需滤色，无损耗，功耗高达80%。③高光质，无辐射，属环保产品，“绿色”光源。④LED结构简单，内部支撑结构，四周采用透明环氧树脂密封，抗震性好。⑤点亮无延时，亮灯响应速度快，适合快速移动物体使用。⑥适于低电压工作，可充分用于汽车。⑦LED覆盖面积小，设计者可随意改变灯具模式，使汽车造型多样化。
2、LED前照灯应用中需解决的关键问题

2.1光学设计

因LED前照灯的工作原理与卤素灯及氙灯工作原理完全不同，因此LED汽车前照灯的光学设计不能应用以前的设计方法，必须重新设计。另外，LED车灯的光源通常由多个LED芯片集成，然后通过光通量的叠加来满足亮度要求。因此，有必要对各光源的出光反射及汇聚进行综合配光设计。

2.2驱动电源设计

汽车电源为12V或24V，LED通常由直流供电，需进行电源转换才能输出稳定的直流电源。另外，LED前照灯安装于发动机舱内，振动、高温、潮湿等环境对驱动电源耐受性也有很高要求。此外，根据实际需要，驱动电源还需有调光或恒流控制功能，从而增加了驱动电源设计难度。

2.3散热设计

因LED芯片固有的“缺陷”，其光亮转换效率仅为20%～30%，且发光波长不能被红外辐射散热，这意味着大部分能量将转化为热量。LED前照灯使用大功率LED光源，可产生更多热量。此外，发动机舱的高温也使其更难散热。由于热量的积累，芯片结温升高，这将导致一系列负面影响，如降低光效及缩短寿命等。因此，散热设计已成为LED车灯最大的问题。

3、汽车LED前照灯散热模型的建立

3.1两相流原理

由两相物质（至少一相为流体）组成的流动系统称为两相流，热管是两相流的典型应用。闭式管内真空后，将少量介质填入饱和液体，饱和液体从高温侧吸热汽化，饱和气体放热冷凝到低温侧，形成高速传热管，简称热管。热管热导率高达100000W/（m•K），广泛用于高热流半导体器件的散热。

3.2风扇散热主要因素

散热风扇是将电能转化为动能，改变散热元件周围空气扰动，提高对流换热系数，提高散热性能。散热风扇性能指标以风量、风压、转速等为表征，其选型应根据特性曲线确定。

3.3建立模型

设计三款LED前照灯结构，并根据热模拟结果确定最佳散热方案。1）经典LED散热结构。光源通过芯片、焊料、基板、导热胶固定在导热管上。导热管再经铆压、粘结、共晶方法、散热片进行无缝连接。改变基体、导热胶、导热管、散热器材质，计算LED结温，并根据结温判断模型的最佳散热组合。2）集成LED散热结构。采用倒装芯片固晶工艺，LED芯片直接焊接在扩展铜基板上，然后经铆压与集成散热结构无缝连接。集成散热结构包括导热管与散热片，其直径与高度均小于经典LED散热结构。通过改变一体式散热器材质，可根据结温判断不同材质的散热效果。3）基于热管与风扇的LED散热结构。其与集成LED散热结构相同，不同之处在于扩散铜基板直接与导热管相连，导热管与散热器相连，散热器的另一侧装有静音风扇。通过改变热管与散热器材质，增加风机强制对流，可判断不同组合的散热效果。
4、汽车LED灯结构模型仿真分析

利用有限元分析软件ANSYS，对LED灯散热器结构进行稳态热力学仿真分析。空气对流系数设为10W·m-2·K-1，环境温度22℃。这两种LED灯散热器结构设计除有无散热槽区别外，其他相同。LED芯片由碳化硅材料制成，芯片的粘接层为环氧粘接层，基板为散热性好的铜基板，导热粘接层为纳米银浆材料，散热器材料为铝合金。通过仿真计算，得到了两种有/无散热槽LED灯的稳态温度与应力分布。经计算，无散热器LED灯初始结构的最高温度和最大应力分别为75.661℃与327.81MPa，有散热器LED灯初始结构的最高温度和最大应力分别为74.068℃与316.86MPa。当LED用作光源时，通常要求最高结温不超过70℃。
5、有/无散热槽的LED灯散热器结构优化

优化时，采用参数化建模方法。设L、H1、N、S1、H2分别为底座边长、底座厚度、翅片数、翅片厚度、翅片长度的直接参数。间接参数翅片间距S2=[L-（S1·N）]/（N-1）。优化中，参数优化顺序是翅片数、翅片厚度、底座边长、翅片高度。确定翅片厚度时，根据第一步确定的翅片数量进行N+Δn优化，经正交设计确定翅片数及其厚度库，以得到最佳翅片数与厚度。结果表明，当底座边长为44mm，肋片厚为1.8mm时，LED灯温度与应力最低，分别为67.57℃、287.57MPa。当导热层厚度从0.08mm变为0.35mm时，芯片温度与热应力无显著变化，温差约为0.01℃。因此，以0.12mm最低温度与热应力导热层厚度为确定值，此时温度为66.44℃，应力为235.75MPa。对肋片长度24、26、28、30、32、34、36mm及底座厚度10、11mm进行控制变量仿真分析，随着肋片长度的增加，两组变量值发生了显著变化，相邻组间温度降低了约2.5℃，热应力降低了约11MPa，选择质量相对较低的10mm为确定值。针对具有散热槽结构的LED灯，优化了12个参数变量，计算176组参数模型，并对其结构进行仿真分析。结果表明，当底座边长44mm，肋片厚度1.8mm时，结构温度与应力分别为65.83℃、274.59MPa；当导热层厚度从0.08mm变为0.35mm时，芯片结温与热应力逐渐降低，0.38mm后逐渐增加，但不明显，此时温差与应力变化值约为0.01；因此，选择相对较低的导热层厚度0.17mm为相对优化值，温度为62.795℃，应力为218.9MPa；考虑到加工难度及质量控制，热罐高度4mm，深度9mm为相对优化值，温度62.85℃，应力252.23MPa；随着肋长增加，芯片结温与热应力逐渐降低。考虑质量因素，选取肋长34mm，底座厚度9mm为优化参数值，结构温度为62.78℃，应力为251.67MPa。由此可见，散热器采用散热槽结构，能提高LED汽车前照灯散热性能，为LED汽车前照灯设计提供了理论指导。

结语：LED技术还在飞速发展、不断更新，光学和热学性能设计也将越来越好，对其在汽车车灯上的应用提供更好的支撑。
参考文献：

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