90W汽车LED前照灯散热结构设计研究

刘晨阳，尹 默，孙贺然，李 忠

(1.西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室，陕西 西安 710049；2.南阳防爆集团股份有限公司，河南 南阳 473011；3.中冶北方(大连)工程技术有限公司，辽宁 大连 116600；4.中国兵器工业第202研究所，陕西 咸阳 712099)



90W汽车LED前照灯散热结构设计研究

刘晨阳1，尹 默2，孙贺然3，李 忠4

(1.西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室，陕西 西安 710049；2.南阳防爆集团股份有限公司，河南 南阳 473011；3.中冶北方(大连)工程技术有限公司，辽宁 大连 116600；4.中国兵器工业第202研究所，陕西 咸阳 712099)

针对目前大功率LED前照灯散热困难等问题，运用Pro/E设计了一款风冷散热形式的LED前照灯模型，并运用ANSYS仿真分析得出其在不同对流状态条件下的温度场分布。同时搭建实验平台进行LED前照灯温度试验测试，试验研究发现LED结温始终能控制在80℃以下， 此散热模型的LED前照灯能很好地满足散热要求，有效的解决了LED前照灯的散热问题。

白光LED；汽车前照灯；散热

引言

21世纪初，LED就开始应用于汽车内小功率照明，日本丰田公司首次将LED应用于凌志LS600 h Saloon车前照灯的近光照明[1]。目前，只有一些外国少数高档轿车公司将大功率LED前照灯商品化，我国目前较少企业进行LED前照灯的研发和生产。其最大的难题是LED的散热问题[2]。

针对目前LED前照灯的散热研究，外许多学者取得了一些成果。2006年，Lai[3]等人设计了一款由30个LED组成的车前照灯，单个LED发热功率为2.5W，其采用的是水冷散热系统来进行散热，仿真结果得到LED近光和远光结温分布较均匀。2008年，韩国的Sunho Jang[4]等人设计了一套由30个1W的LED组成的30W大功率LED前照灯散热系统装置，其采用散热方法是在灯壳两边设计一组风通道进行强制对流散热，最后仿真结果得到LED的最高结温仅为34℃。2010年，罗静[5]等利用热管和散热翅片的不同组合设计出了一款LED前照灯散热装置。最后通过实验研究得到在工作环境50℃温度下，远光灯最高温度为65℃，近光灯最高温度达80℃。LS600h[6]的LED近光灯采用的是耐高温的多个LED光源，降低单个LED的发热量，利用热管来进行散热。Schefenacker[7]公司设计的一块LED前灯采用在LED背部加装风扇进行对流散热。

以上介绍的所设计的LED前照灯功率多集中在30～75W，很多还停留在概念仿真阶段，并没有进行真正意义上的使用。且大多数散热方案比较复杂，占用了大量的灯体结构，比如采用液冷散热和热管散热，液体回路可靠性低，维护困难。基于LED前照灯灯体结构空间模型有限条件下，本文运用Pro/E设计了一款风冷形式散热模型方案，且结构简单，占用体积小。通过仿真和实验研究发现，该款90W大功率LED前照灯散热效果理想，适合应用于汽车前照灯长时间照明使用。

1 LED前照灯建模与仿真

1.1 LED前照灯模型建立

由以上分析可知，目前多数商品化LED前照灯功率较小，多为30～45W，考虑到LED应用于汽车前照灯照明光通量和光学性要求，本次设计的大功率LED前照灯功率为90W，因为目前单个LED最大功率为10W，所以需要设计多个LED组合排列前照灯方案。该方案采用的是单个LED功率3W，16个LED组成远光灯组，14个LED组成近光灯组。其远/近光灯组分布如图1所示。

图1 LED前照灯分布Fig.1 The LED array of headlamp

图2 均温板式方案LED前照灯模型Fig.2 The Mean-temperature plate structure model of LED headlamp

均温板的导热率为398 W/m·K，散热器尺寸如表1所示。

表1 散热器尺寸Table 1 The dimension of the heat sink

1.2 LED前照灯温度场仿真

传统的传热方式有热传导、热对流、热辐射三种传热方式[8]。LED工作时，LED温度不是很高。所以，我们可以忽略热辐射的影响，而只是考虑热传导和热对流。由于传热又可分为瞬态传热和稳态传热，且在LED结温分布中，我们只关心其最终的结点温度，所以对其瞬态传热不考虑，而只是考虑其稳态传热。故其导热服从泊松公式，即

(1)

在对其进行温度求解之前，必须要知道温度分布方程后，给出定解条件才能得出最终温度分布解。所以由三类边界条件可知，第一类边界条件是指器件的边界温度为定值，即

(2)

Γ为器件的边界，T0为常数。

第二类边界条件即

(3)

q为热流率密度，也即上式为热流率为定值或已知函数。第三类边界条件为对流边界条件，即

政治风险主要包括：战争、内乱、恐怖活动、政局不稳、没收、征用、国有化、政府违约、政府干预、政府工作效率低下、汇兑限制以及国际制裁。

(4)

α为对流散热系数，Tf为与器件边界相邻的流体的温度。

在ANSYS中对模型进行简化对称处理，并进行网格划分，施加载荷。假设LED有70%电能产生为热能，我们在每个LED芯片上施加生热率载荷为

表2为各种材料的导热系数。

表2 材料的导热系数Table 2 Thermal conductivity of materials

首先我们来研究在自然对流状态下LED结温的分布情况，即翅片底部采用的是自然对流散热，对流系数为20 W/m2·℃，图3是室温25℃、环境温度50℃两种情况下的温度模拟分布图。

图3 两种不同环境温度下的模拟分布图Fig.3 The simulated distribution under two different ambient temperatures

由图3(a)可知，在室温环境温度25℃时，芯片最高温度为68℃；图3(b)在室温环境温度50℃时，芯片最高温度为91.6℃。LED阵列布置的不对称性导致了LED结温分布结点的不对称性。与第一种相比，在环境温度50℃情况下散热较困难，产生的热量不能很好地传递，而沿基板区域内进行传递。所以如果考虑由于一些外部原因，前照灯内灯腔环境温度继续升高，则会使得结温升高，远远大于国标80℃要求[9]，所以自然对流是无法满足车

灯的低于80℃的要求的，因此，必须要进行强化散热。

由上述分析可知，自然对流状态无法满足LED前照灯散热要求，为了更好的将LED热量传导出去，需要更好的散热方式。下面采用强制对流冷却方式，即在散热片后面安装风扇， 运用ANSYS仿真，只需要改变对流系数条件即可，设强制对流系数为50 W/(m2·℃)，其他条件不变， 依次观察在室温25℃，50℃下的温度云图。

图4 强制对流状态下温度分布图Fig.4 The temperature distribution of forced convection condition

由图4可知，在环境温度为室温(25℃)情况下，LED芯片的最高结温为48.5℃，当环境温度为50℃时，LED芯片的最高结温为73.5℃。所以，当加载风扇进行强制对流后，LED的结温有了很大降低，同比下降幅度大约为20℃，故当采用强制对流法进行散热效果较好，且满足国家标准在50℃环境情况下LED结温低于80℃要求。

2 试验

由热力学理论可知，LED结温与热阻之间存在着一定的关系，LED热阻大小决定了其散热性能的好坏，LED热阻小，则散热性能好，反之则散热性能差。热阻Rθ为介质两端的温度差与介质所消耗的热功率之比[10]，即

(5)

△T为热流方向介质两端的温度差，单位为℃；P为介质所消耗的热功率，单位为W；Rθ热阻，单位℃/W。

若LED的芯片结温温度为TJ，则由式(2)可计算出LED的结温为

(6)

TA：环境的空气温度，单位：℃;RJA：芯片的结温TJ传导到空气TA的总热阻,单位为℃/W，由三部分组成，即

(7)

其中RJC为LED自身的热阻，RCB为基板到散热器间的热阻，RBA为散热器到空气的热阻。P为LED的热功耗(单位：W)。所以，由式(5)～式(7)可知，热量依次由芯片传导到散热垫底面的热阻RJC(LED自身热阻)，散热垫底部传导到散热器之间的热阻RCB，散热器到环境之间的热阻RBA散发出去，所以在周围温度一定，热耗功率一定的情况下，其本身热阻越低，结温也会较低，一旦LED光源封装完成后，其自身热阻值RJC也就固定了。所以利用热电偶测得铝基板表面温度[11]，继而可推算出LED的最高结温大小。

将所设计的LED前照灯模型制成实物，并进行驱动电源设计，目的是为了更好的模拟接近LED前照灯真实的工作状态，图5为LED前照灯近光灯组和远光灯组正常工作实物图。

图5 LED前照灯实物图Fig.5 LED headlamp working-state figure

图6 LED前照灯温测试验Fig.6 Temperature measuring experiment of LED headlamps

首先进行LED前照灯自然对流条件下测温试验，如图6所示。

将LED前照灯放入恒温箱中，调节恒温箱至设定的环境温度(25℃)，此时使得加装风扇不进行工作，按国标要求使得LED前照灯工作2h，此时只让LED近光灯组进行工作，待温度保持稳定后，用LED热电偶测量每个LED的铝基板点处温度，并取其平均值，最后测得其平均温度为50℃，由于功率LED热阻为5℃/W，故由式(2)可以大致推算LED结温大约为65℃；当远光灯组工作时，测得铝基板平均温度为52℃，故推算出LED结温大约为67℃。同理，调节恒温箱至温度至50℃，最后得出LED近光灯组结温86℃，LED远光灯组的结温为90℃。数据如表3所示。

由上述试验结果可知，试验结果与仿真结果较吻合，自然对流情况下LED前照灯结温较高，无法满足国标要求，所以必须进行强制散热，图7为LED前照灯后面加装风扇进行强制对流散热试验。

表3 自然对流情况下LED前照灯温度测试结果Table 3 The test results of LED headlamp under natural convection

图7 风扇散热模型Fig.7 The fan heat dissipation model

图7为风扇工作后强制对流散热模型，将风扇和LED前照灯同时接通，将加装风扇的LED前照灯放入恒温箱中进行热测试试验，试验步骤与图6一致，首先是在环境温度为25℃进行热测试，当近光灯工作时，测得铝基板温度平均值为32℃，故由式(2)可推算出LED前照灯结温为47℃；然后将LED远光灯组开启，测得铝基板平均温度为35℃，此时LED芯片结温会达到50℃。然后调节恒温箱工作温度至环境温度50℃，测得其LED近光灯组结温为71℃，LED远光灯组结温为75℃。数据如表4所示。由此可见，试验结果与仿真结果基本吻合，验证了仿真结果的正确性。

表4 强制对流情况下LED汽车前照灯温度测试结果Table 4 The test results of LED headlamp under forced convection

由以上结果可知，由于当LED远光灯组开启时，LED铝基板热量加大，会使得温度稍微比近光灯工作时高2～3℃，加装风扇后，散热效果大大增加，且LED结温大幅度降低，在50℃环境温度条件下，LED前照灯最高结温为75℃，满足国标LED结温小于80℃要求。

3 结论

本文采用Pro/E软件设计一款LED前照灯模型，通过ANSYS对所设计模型进行仿真，得出了此散热模型的LED前照灯在强制对流散热时效果较好的结论。同时制作了风冷散热的LED前照灯实物，进行温测试验。通过两种结果比较，测试结果与仿真结果相差较小，验证了仿真理论的正确性。同时，国标50℃环境温度要求下，使用此散热模型的LED前照灯的最高结温不会超过80℃。所以此散热模型的LED前照灯能有效解决大功率LED的散热问题，且结构简单，适用性强，为后续的研究者提供了参考。

[1] 刘志伟. LED 前照灯研究[J].光机电信息，2009，26(4):35-39.

[2] 刘木清，周德成，梅毅. LED与传统光源光效比较分析[J].照明工程学报, 2006, 17(4):41-45.

[3] Lai Y，Cordero N，Barthel F， et al.Liquid cooling of bright LEDs for automotive applications[C].Proceedings of the 12thInternational Workshop on Thermal Investigation of ICs and Systems，2006: 80-85.

[4] Sunho Jang, Moo Whan Shin. Thermal Analysis of LED Arrays for Automotive Headlamp With a Novel Cooling System.IEEE TRANSACTIONS ON DEVICE AND MATERIALS RELIABILITY, 2008, 8, (3):561-564.

[5] 罗静.大功率 LED 汽车前照灯散热设计[J].汽车工程师，2011(03)：27-28.

[6] 余桂英.LED汽车前照灯的研制[OL].http://bbs.elecfans.com.

[7] http://www.ledsmagazine.com.

[8] 杨世铭，陶文铨. 传热学[M]. 北京： 高等教育出版社,1998:5.

[9] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.GB 25991—2010汽车用LED前照灯[S].北京：中国标准出版社，2010.

[10] 张万路. 功率型LED热学建模与结温测试分析[D].上海：复旦大学，2009.

[11] 郭威,陈继兵,安兵. LED光源的结温测量方法[J]. 电子工艺技术,2012,(6).

Research on Thermal Structure Design of 90W LED Car Headlamps

Liu Chenyang1，Yin Mo2, Sun Heran3，Li Zhong4

(1.StateKeyLaboratoryofElectricalInsulationandPowerEquipment，Xi’anJiaotongUniversity，Xi’an710049，China;2.NanyangExplosionProtectionGroupCo.,Ltd.,Nanyang473011,China;3.NorthernEngineering&TechnologyCorporation,MCC，Dalian116600,China;4.The202ResearchInstituteofChinaNorthIndustriesGroupCorporation,Xianyang712099,China)

In the view of heat dissipation problems of high power LED lamp, a cooling form of LED car headlamps was designed. Temperature field distribution in different convection conditions is obtained by ANSYS simulation analysis. At the same time, the experiment platform is set up for temperature test of LED car headlamps, the LED junction temperature can be controlled under 80 ℃ in the experiment. It shows that the radiation model of LED headlamp can meet the cooling requirements well. It can solve the problem of heat dissipation in LED car headlamps.

white LED；car headlamps；heat dissipation

U463.65+1

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2015.02.028