陈文林 安 震 刘晨阳 郝丽娜

(1.东北大学资源与土木工程学院，辽宁沈阳 110004;2.东北大学机械工程与自动化学院，辽宁沈阳110004)

1 引言

目前LED正逐步取代以往的钠灯、卤素灯应用在汽车领域。21世纪初，人类就将LED应用于车内仪表盘信号灯指示等小功率照明上，该领域所用的LED一般功率较小，不存在散热问题。而后，随着国外一些大型汽车灯厂商的大胆尝试，一些车灯设计师提出了将LED应用于汽车头灯的大功率照明想法，因为将LED应用于前照灯中，汽车造型漂亮，艺术感观好，并且能大大节约汽车电能。大功率LED照明应用最重要的是车近光灯和远光灯，其次为日光灯，再者是刹车灯等。目前一些高档轿车公司，比如宝马、奔驰、奥迪、丰田［1］等已经将大功率高亮度LED前照灯商品化，而不是仅仅局限于一些概念车领域了。截止目前，中国市场内仍然有很少前照灯专门研发企业，其中最大的难题就是LED的散热问题。

针对汽车前照灯散热器的研究，现在国内外已经取得了一些成绩。2002年，通用照明电气有限公司［2］在其小型功率型LED灯中采用在LED模块后加装有阵列的热沉来进行散热。Aqkahn［3］等人于2004年采用压电风扇对LED进行强制对流冷却，其最后得出结果为该冷却方法比自然对流冷却温度降低了37℃。黄秉钧［4］等曾用回路热管对LED路灯进行冷却。由于热管其柔软性好，可以在很长空间内进行流体传热，且可以根据设计的路灯进行任意位置安装。最后该项实验是将微米毛细材料用作回路热管的吸液芯，最后结果表明环境温度为35℃，自然对流情况时，该回路热管的表面温度为73℃。Ma［5］等人于2005年将微槽道冷却方法应用于LED阵列，在LED模块下面加装由硅材料或者金属基复合材料MMC做成的平板。在平板下面采用微加工的方法将平板加工成微型的槽道，让流体在这些槽道中流过，流体将LED产生的热导出。2006年，华中科技大学罗小兵教授［6］等人在《中国科学E辑》上报道了利用微喷冷却高功率LED阵列的方案，并对冷却系统进行了数值优化工作。2011年，中国科学院理化技术研究所［7］研制出大功率LED液态金属散热器工业化样机，制作出针对200W的LED的液态金属散热器工业化样机，可确保室温下LED光源满负荷运行时基板背面最高温度低于45℃。以上设计的大功率LED汽车前照灯散热器的结构和原理比较复杂，实际应用在汽车前照灯中会出现维护困难等诸多不便。本文将针对大功率LED汽车前照灯散热的问题，设计三款简单可靠的散热装置，通过ANSYS进行热分析，选择一款最合适的散热器，进行实际加工，通过实验验证其散热的可行性。

2 大功率LED前照灯散热结构设计与研究

本文设计了三款常用的LED散热器，将根据ANSYS分析结果选择一款最优的散热结构。以下针对这三种散热器进行详细介绍。

1)第一种LED车灯结构模型的建立

如图1所示，LED车前照灯由90个1W的大功率LED、铝基板PCB、导热板、导热硅胶和散热片组成。在相互连接的两层面之间添加导热硅胶使其粘连，增加两个部分之间的传热，降低其热阻。其中，在每两个部件之间添加导热硅胶厚度为0.5mm，导热硅胶导热率为2W (m·K)，采用铝板作为导热板。室温下，铝的热导率为237 W (m·K)。其中导热铝板和散热片的尺寸如表1所示，这一结构尺寸主要是考虑到与车前灯的整体形状和尺寸配合。

图1 导热板方案LED车灯模型Fig.1 The thermal conductive plate solution model of the LED headlamp

表1 模型结构参数Table 1 Structural parameters of model

2)第二种LED车前照灯模型结构建立

如图2所示，所设计的第二种LED车前照灯结构为圆形散热装置，其散热片采用圆形散热翅片，其依次组成部分为9个10W的LED、铝基板、导热胶、圆形散热翅片等组成，为了考虑车灯内部体积的容易安装，且易于在圆形翅片底部加装风扇，故设计成圆形结构模式。散热器的外形尺寸如表2所示。

表2 散热器的结构尺寸Table 2 The radiator structure size

3)第三种LED车前照灯模型结构建立

图2 圆形LED车前照灯散热结构模型Fig.2 Round heat-dissipation structure model of LED headlamp

如图3所示，其所设计的第三种LED车前照灯散热结构，散热翅片采用的是矩形散热翅片，且散热翅片内部开设有两列散热通孔，其采用的LED为30个3W功率的LED灯珠，以上往下结构为铝基板、均温板、散热翅片，且相接触的两个层之间都用0.5mm厚的导热胶粘连。表3所示为散热器的结构尺寸。铝基板的尺寸为:180mm×100mm×2mm，均温板尺寸为:180mm×100mm×1mm。导热率为398W (m·K)。

图3 第三种LED车前照灯模型结构Fig.3 The third structure model of LED headlamp

表3 散热器的结构尺寸Table 3 the radiator structure size

3 汽车LED前照灯热分析仿真研究

由于单颗LED不可能满足汽车道路照明要求，本文设计了三款多芯片LED组合汽车前照灯模型，通过这三款模型的仿真比较，从中找出最佳三维模型，并观察LED结温仿真分布情况。LED前照灯散热模型ANSYS温度仿真分析过程分为以下几步:①定义单元类型;②定义材料属性;③划分网格;④施加热载荷与定义边界条件;⑤求解并查看结果。根据以上步骤分别对前面设计的三种散热结构在自然对流和强迫对流 (加装散热风扇)情况下进行热分析研究。

3.1 导热板方案的热分析研究

在进行热仿真分析时，材料热导率为:铝237W (m·K)，导热硅胶2W (m·K)，PCB 板200W (m·K)，芯片300W (m·K)。

图4 自然对流芯片温度分布图Fig.4 The natural convection temperature distribution of chip

图5 强制对流温度分布图Fig.5 The temperature distribution

本实验分析是在假定环境温度为25℃时做的仿真分析，由图4、图5可知，散热装置设计、对流系数、LED自身功率都对LED的结温分布有着重要影响，改变这些参数对LED的结温分布都有着重要影响。该车灯模型的导热板设计使得热传递存在障碍，肋板不助于热量的散发和传递，而仅当室温25℃时，最高结温也超过80℃，如果提高环境温度到50℃时，那么经过推算，LED的结温将会远大于80℃，所以，该前照灯模型不能满足设计要求。

3.2 圆翅片组合方案热分析研究

从图6、图7中可以看出，采用风扇强制对流散热效果很明显，在环境温度为25℃情况下，采用铝制散热片芯片最高结温为87℃，比自然对流情况下下降了约70℃，由此可以看出自然对流对散热器温度影响比较大。在室温25℃时，LED结温还是超过了80℃，不能保证LED能长期稳定的工作，所以也排除此散热方案。

图6 自然对流铝翅片温度分布图Fig.6 Natural convection finned aluminum profile temperature distribution

图7 强制对流下铝散热片温度分布图Fig.7 Forced to shed the aluminum heat sink temperature distribution

3.3 均温板式方案热分析研究

考虑到汽车发动机发热严重或者其他恶劣条件下环境温度短暂达到50℃，为使车灯稳定工作，对环境温度25℃与环境温度为50℃时进行ANSYS热分析对比。ANSYS分析结果如图8、图9所示。

根据图5与图6的分析结果可得出:加载风扇后，对流系数增大，LED结温明显降低，在强制对流状态下，室温环境温度25℃时，芯片最高温度为48.5℃;在室温环境温度50℃时，芯片最高温度为73.5℃;与原先的自然对流相比，LED结温有了很大的下降，同比下降结温为20℃。热流密度在LED周围分布较为明显，即热量在LED附近转移程度较大，而在基板上可以看出热流密度较小。所以，加大对流系数，散热效果明显，且该散热方案满足国家标准在50℃环境情况下，LED结温低于80℃要求，因此选用此种散热方案。

图8 在自然对流下均温板在25℃和50℃温度分布图Fig.8 In nature to shed all panels in 25℃and 50℃temperature distribution

图9 在强制对流下均温板在25℃和50℃温度分布图Fig.9 Forced to shed all panels in 25℃and 50℃temperature distribution

4 结论

本文采用ANSYS软件对三种LED车前照灯散热模型进行了热仿真分析，并对其在自然对流和强制对流情况下散热方式进行热仿真分析。通过分析比较得出采用风扇强制对流散热加强了车灯的周围空气流动，使其更易于散热，LED结温更低。对均温板式散热板进行加工制造，做成车灯进行实际测试，测试连续工作5个小时，LED的结温始终低于80℃，实验验证了采用均温板式强制对流能够保证LED前照灯稳定工作。此散热器具有结构简单、实用价值高等优点，拥有广阔的市场空间。

［1］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.

［2］Petrosk J.Thermal challenges facing new generation light emitting diodes［C］.Proceedings of SPIE，2002，4776:215～222.

［3］Aqkahn T，Garimella S V，Petroski J，et al.Optimal design of miniature piezoelectric fans for cooling light emitting diodes［C］.Proceedings of the Ninth Intersociety Conference on Thermal and Thermo mechanical Phenomena in Electronic Systems，San Diego，USA，2004.663～671.

［4］黄秉钧.高亮度LED照明技术发展与太阳能照明应用［R］.台大机械系新能源中心，2005.

［5］Ma Z T，Wang X J，Zhu D Q，et al.Thermal analysis and modeling of LED arrays integrated with an innovative liquid-cooling module［C］.Proceedings of 6th International Conference on Electronics Packaging Technology，Shen Zhen，China，2005.

［6］罗小兵，刘胜，江小平，程婷.基于微喷射流的高功率LED散热方案的数值和实验研究［J］.中国科学E辑:技术科学，2007，37(09):1194～1204.

［7］http:lights.ofweek.com 2011-05 ART-220001-8220-28466896.html.