基于热解石墨的汽车LED前照灯散热问题研究

基于热解石墨的汽车LED前照灯散热问题研究

近些年，人们对汽车前照灯提出了越来越高的要求。相比于传统白炽灯光源，发光二极管（LED）具有使用寿命长、体积小、节能环保、结实耐用等一系列优点，从而引起了众多研究人员的重视。但是，传统的铝制或铜制散热结构不能满足汽车LED前照灯的散热要求，限制了LED的加载功率。因而，目前LED多用在车内照明灯、制动灯和信号灯，本文基于目前在售的汽车前照灯，利用热解石墨解决LED前照灯的散热问题。

热解石墨是一种新型炭素材料，在一定的炉压下高纯HC气体在1800～2000℃的高温石墨基体上经化学气相沉积出较高结晶取向的热解碳。铝、铜材料的导热系数为120～400W/m·K，而热解石墨的导热系数大于1500W/m·K。热解石墨质地较软，需要联合金属材料使用，在保证获得较高热传导率的同时，具有较高的机械强度。试验采用雪佛兰西尔维拉多（Silverado）皮卡车的前照灯为设计基础并模拟其使用环境。将其上的标准9006汽车卤素灯泡替换为2个CREE MT-G2高功率LED前照灯。将多个热电偶分别连接到LED芯片、散热片底座、散热片翅片和壳体上。LED前照灯的加载功率从0开始，每次增加3W一直达到规定的最大功率，同时限制各处温度不超过100℃。试验结果显示，LED前照灯的总体升温速度为6.4℃/W。由于热解石墨成本较高，因而只在前照灯散热的关键部件上使用，LED芯片下部和散热片翅片表面。将LED芯片下部的铝制散热片改为热解石墨，此时LED前照灯的总体升温速度为4.7℃/W。之后将散热片翅片两侧表面附着0.4mm的热解石墨，此时LED前照灯的总体升温速度为3.5℃/W。

对上述前照灯组件，利用商业化软件ANSYS Fluent进行热模拟。模拟仿真结果与试验结果类似。总体来说，将LED用作汽车前照灯时，若在散热结构的关键部位采用热解石墨，可将LED前照灯的加载功率提高1倍。

Eelco Galestien et al.2016 15thIEEEIntersociety Conference on Thermal and ThermomechanicalPhenomena in Electronic Systems (ITherm),LasVegasMay 31-June 3,2016.

编译：张振伟