大功率LED汽车前照灯散热与进水问题研究

邓 盈

福州职业技术学院，福建 福州 350108

0 引言

LED制造工艺已经成为当前推动照明体系高效发展的核心体系，同时成为汽车前照灯改造的主要技术。但是随着大功率LED汽车前照灯的使用，其也暴露出许多不可忽视的问题，如LED芯片发热较为严重，在汽车运行及不同环境的使用情况下，可能会出现导线及灯罩进水现象。基于此，文章以文献研究法及技术分析法作为主要方式，综合LED大功率汽车前照灯的散热及防水问题落实分析，能够为后续相关领域技术研发提供有效保障。

1 大功率LED前照灯使用期间存在的问题

结合我国当前的照明体系发展情况来看，LED已经逐步取代了原有的钠灯、卤素灯，特别在汽车领域有着极强的应用价值。不仅在汽车仪表盘信号指示灯方面广泛应用，大功率的LED芯片也被应用在汽车头灯的领域。利用该种方式设计的汽车前照灯，不仅造型美观，具有较强的艺术感，还能够有效节省电能，并能满足常规的汽车行驶照明需求[1]。例如，当前许多较为高档的轿车及货运汽车已经将其前照灯进行了改良，打造大功率、高亮度的LED前照灯，有效实现了成本及效益的提升。但大功率LED汽车前照灯在使用期间也存在一定的问题，主要包括散热及进水方面的问题。

1.1 散热问题

与其他固体光源材料相比，LED芯片具有寿命长、能耗低、体积小、可靠性高、反应速度快等优势。在当前节能低碳及环保的背景下，将LED作为新型的汽车前照灯光源系统具有可行性。但是制约大功率LED光源全方位推广的关键因素，便是LED芯片的结温现象。大功率型的LED驱动电流往往在1 A以上，加上汽车对前照灯的依赖性较大，往往需要长时间使用，这就会导致芯片内部逐步聚集了大量的热量。

（1）热量的不断积累会导致光照效能下降，光通量也会不断衰减。结合我国相关规定来看，LED前照灯的光通量需要控制在1 000 1m以上。若温度在短时间内无法快速散去，会直接导致光通量下降，从而影响汽车的实际通行安全。

（2）温度的不断提升会进一步损害LED光源的寿命。阿雷纽斯法则指出，温度每升高10 ℃，LED光源的寿命会下降近50%。若温度达到极限，LED光源芯片会直接损坏，甚至会出现烧毁情况。

（3）温度的积累会直接导致LED发光光谱的红移出现转换，主波长将偏移到红外波段。这种变化导致的直接结果便是色温及显色指数出现较为明显的变化。有实验数据显示，温度每升高10 ℃，LED的波长会偏移1 nm左右，芯片的发光稳定性会降低5%左右。

1.2 进水问题

汽车的运行环境往往具备极强的多变性，在雨天、阴天及空气湿度较大的区域，汽车的大灯进水是较为严重的现象。从具体的进水程度进行划分，可以分为两种情况，一是灯罩上存在较为明显的水珠，这是较为常见的现象；二是灯罩底部已经储存了大量的水，这直接会造成前照灯内部电源短路及电阻升高。

分析进水的主要原因，在于汽车的大灯结构并不是完全密封的，在点亮的瞬间及长时间工作的状态下，LED系统本身会发出大量的热量，这些热量的产生会导致大灯的局部温度升高，进而导致压强出现变化，因此大部分大灯的结构中都会设置控制压强的通气口，这也会导致外部水汽进入。另外，在长时间使用过程中，水的毛细作用会导致空气中的部分水分渗入，而且常规的洗车、雨中行驶也会导致车灯内部进水。若是小规模的水雾及水滴，等待其自行散去即可；若是存在较大规模的进水情况，则会直接导致LED电线出现电阻升高的现象，而电阻升高会引发更多的热量，这与原有的热量叠加，会直接导致区域受损乃至整体系统报废。

2 国内外的防控技术研究现状

早在2004年，便有国外学者通过压电风扇，针对LED进行强制的对流冷却。综合具体的结果来看，利用强制对流冷却的方式进行散射，与常规的自然对流冷却控制方式相比，温度下降了近37 ℃[2]。以该种方法作为主要分析思路，国内也有学者在回路热管的基础上进行了LED灯的冷却研究与实验。回路热管本身的柔软性较好，能够在较长的空间内进行流体的传热。实验结果表明，在环境温度控制在35 ℃左右时，自然对流情况下，回路热管的表面温度为73 ℃。

后续国外相关学者又研究出了以微槽道冷却方法为主的散热方式，用于LED阵列的散热中。在LED模块下面加装硅材料或者金属及复合材料做成散热板，在散热板上设置多个微型槽，让流体流经微型槽来实现热量的导出。但是这些技术体系在当前的汽车车前照灯散热应用中都存在一定的局限性，如涉及了大量的制冷剂的应用工艺，较为复杂，成本较高。同时，长时间的使用也无法实现节能环保，因此急需进行优化和改良。

3 现有的大功率LED前照灯功能优化方案

在当前LED前照灯使用过程中，自身散发的热量会对性能产生影响，而进水也会导致热量的递增，因此为了有效实现防水及散热，必须打造多功能的优化体系。结合当前市面上多种技术体系应用情况来看，有效实现防水及散热的技术已经较为成熟，通常来讲有以下几种。

3.1 防水优化

为了实现LED导线防水，当前较为常见的方式是以线束包扎为主。通常选择具有阻燃、耐磨、抗干扰、耐腐蚀及降噪等性能的材料针对线束进行包扎。

（1）常见防水材料。①热缩管是较为常见的材料，其主要以热固胶组成，在加热之后可以收缩，能够达到100%的防水及绝缘，耐高温的最高标准为125 ℃。单层的热缩管收缩率往往为55%，双层的收缩率能够达到75%[3]。②塑料套管。以PVC管或者波纹管为主，这其中波纹管的使用效率较高，耐高温的标准往往在40～150 ℃。波纹管的类型包括闭口波纹管及开口螺纹管，其中，闭口波纹管的防水效果较好，但是组装工艺较为复杂，操作困难。反观PVC管，耐热温度不高，往往控制在80 ℃左右，在极特殊的环境下可以承受105 ℃的高温。③胶带也是较为常见的防水材料。从类型上划分，以PVC、绒布、布基、海绵为主。PVC胶带的黏性较高，耐久性较好，同时具有较强的绝缘能力，但是由于温度的承受范围以40～150 ℃为主，因此应用范围不广。绒布胶带以聚酯无纺布为主要材料，具有较强的耐腐蚀性，可以手动撕除，可承受的范围为40～105 ℃。布基胶带主要的制成材料是强力橡胶及棉纤维布，黏度较高，但是耐油污性及耐疲劳性不强，温度承受范围同样为40～105 ℃。海绵胶带是以低密度PE泡棉为基材，单面或者双面涂布高性能压敏胶复合而成，具有优异的耐候性能、密封性和优越的黏结性，应用非常广泛。④编制套管。该材料主要应用在部分高磨损的环境下，柔软性较好，具有较强的耐磨性及阻燃性。独特的编制结构还可以进行拉伸，可快速、简便地包裹线束，可以承受的温度范围在40～150 ℃。

（2）优化策略。在此基础上，还需要进一步强化LED导线及芯片的防水性能。首先，落实好导线使用寿命的监控，合理地进行导线安装，避免导线出现破损情况，进一步降低导线毛细吸水的能力，这样也可以有效避免水汽的渗透对系统产生影响。合理设计线束的具体固定方式及固定位置，可以结合不同车辆的实际使用情况及使用环境进行有针对性的分析。其次，要避免导线出现弯曲情况，并且预留合理的弯曲空间，这样才可以有效地维持导线质量，避免折损口的出现影响其绝缘防水性能。

3.2 散热优化

（1）常见散热技术。在实际的大功率LED前照灯设计过程中，从技术角度看，散热方案主要涉及过热传导及对流换热两种主要方式。从散热器周边空气实际流动方式的角度，可以将前照灯的具体散热方法划分为主动式散热与被动式散热两种类型。主动式散热主要是建立在风冷散热、液冷散热及热管散热的基础上进行的热量传递。例如，在散热器的位置设置变速风扇，能够有效改善区域内部的空气流动，加强对流，从而实现换热；或增加真空中介质来实现热量的相变改变。被动式的散热方法主要是指选择具有较高导热系数的散热器进行散热，该种方式往往应用自然对流进行换热，例如热传导、对流换热、辐射换热这三种方式。换热效果往往与散热器本身的形状、区域气流运行状态及对流传热系数有直接关系。

（2）常用散热装置。①圆形散热装置。LED前照灯散热结构通常为圆形散热装置，主要利用圆形的散热翅片作为散热材料，并且在底部设置风扇。利用仿真软件进行分析，模拟实际运行过程中存在的温度散热情况发现，散热效果较为明显，与自然对流的环境对比，温度能够有效下降70 ℃。②均温板式散热。其是以矩形散热翅片作为主要散热结构，并且在内部设置散热通孔。这种设计方式能够在风扇工作之后进一步提升对流系数，有效降低LED结温现象。在这样强制对流的环境下，当室温控制在25 ℃左右时，LED芯片的最高温度可以达到48.5 ℃。与在自然对流下的温度变化情况进行对比，结温现象明显下降，下降的温度控制在20～70 ℃。有学者通过这种方式进行了为期5 h的试验，结果发现最终的结温温度始终控制在80 ℃以下[4]。由此也可以证明，利用均温板式强制对流的方式进行降温，具有一定的应用效果，能够有效满足当前的LED前照灯散热需求。

4 创新型的大功率LED前照灯功能优化方案

建立在上述散热及防水技术体系的基础上，为了进一步实现成本控制，简化散热及防水的设计流程，打造多功能的大功率LED前照灯的防控体系，及时进行创新是未来发展的核心路径。

综合前照灯进水的具体原理来看，毛细作用、外部环境是主要影响因素，与此同时，进水、油等相关物质都会对LED系统造成影响。因此，将LED芯片及导线作为切入点，利用特殊涂料来构建毛细屏障，能够有效加大防水力度。防水涂层与导线之间的结构关系如图1所示，其中，涂层的化学基料为氟化油脂。

图1 LED芯片导线防水涂层

综上，利用均温板式散热方法，加上新型导线材料，可以有效实现大功率LED前照灯的散热及防水功能。这种新型的设计方案不仅能够有效防止导线本身的毛细效应导致吸水，也可以进一步降低原有的线束维护成本。与常规的保护套管及不同类型的胶带相比，这种新型的技术能够有效降低近50%的费用；与特殊密封圈及相关的热缩管相比，这种方法能够有效降低近30%的成本[5]。在这种新型技术体系的基础上进行实验分析，具体的实验结果如表1所示。

表1 新型技术的应用成效

综合以上所有结果进行分析，最终结果满足实际的设计标准，由此证明该种新型的导线能够有效满足大功率LED前照灯的日常散热及防水要求。

5 结束语

综上所述，针对大功率LED汽车前照灯进行优化，要将重点放置在散热及防水问题上。总的来讲，均温板式散热方法配合涂料，能够有效实现散热和防水双功能的优化。在未来的发展过程中，需要进一步研发新材料，在不阻止散热性能的同时实现基础防水是主要的研究重点，同时进一步实现成本控制，提升经济效益及使用效益也是核心内容。