汽車LED前照燈實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、LED汽車前照燈試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)1、 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖要對車燈進(jìn)行熱測試，首先設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)。整個實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括電源、數(shù)據(jù)采集、實(shí)驗(yàn)環(huán)境三個部分，其外形如圖1 所示。下面分別介紹。電源部分采用 MATRIX-MPS-3003L-3 直流電源。其最大輸出電壓為 30.0 V，最大輸出電流 3.0A。在這之間可以精確控制，達(dá)到改變模擬熱源功率的目的。數(shù)據(jù)采集采用 Agilent 34970 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。它將熱電偶采集的電壓信號轉(zhuǎn)換為溫度信息。采集的過程中采用 Agilent 內(nèi)部的自補(bǔ)償方式，數(shù)據(jù)采集的誤差為 1。數(shù)據(jù)采集用的傳感器采用 T 型熱電偶，其測量誤差約為 0.5。實(shí)驗(yàn)的大環(huán)

2、境為一密閉實(shí)驗(yàn)箱，以減小環(huán)境的影響。實(shí)驗(yàn)過程中模擬熱源放置于改造了的榮威轎車普通車燈，替代了車燈原來的近光燈，然后將車燈置于實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)進(jìn)行測試。改裝后的車燈實(shí)物圖如圖2。圖2 模擬LED車燈實(shí)物圖2、 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析首先對改裝后的車燈進(jìn)行了熱測試，實(shí)驗(yàn)時(shí)未采用任何強(qiáng)化散熱措施。實(shí)驗(yàn)的功率范圍從 30 W 至 50 W，每個溫度點(diǎn)約 2 小時(shí)達(dá)到穩(wěn)態(tài)，環(huán)境溫度為 19。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)測量過程中，最能直接反映發(fā)光二極管工作溫度的是如圖 3 所示的熱源底部溫度，因此這里將其單獨(dú)列出。圖3熱源底部熱電偶布置圖4 給出了模擬熱源底面測溫點(diǎn)溫度隨熱源總功率變化。可以看到熱源底面溫度隨著加熱功率的升高幾乎線性增加。

3、當(dāng)加熱功率從 30 W 升高到 50 W 時(shí)，熱源底面的溫度升高了約 40，達(dá)到 150 左右。從圖中可以看出兩個熱源底部溫度有所不同，這是由于放置熱源的鋁板是豎直放置，一個測溫點(diǎn)在上，一個測溫點(diǎn)在下，燈內(nèi)自然對流引起的熱空氣上升對上面的測溫點(diǎn)有加熱作用。在之后的實(shí)驗(yàn)過程中一般選取溫度較高點(diǎn)的溫度代表熱源底部溫度。圖4 模擬熱源底面溫度隨功率的變化從圖中可以看到在器件功率為 30 W 時(shí)，熱源底部的溫度為 107，根據(jù)LEWD1A 型 LED 的熱阻 4 K/W，可以推算如果采用真實(shí)的器件，器件的結(jié)點(diǎn)溫度將超過 140，此時(shí)如果采用真實(shí)的器件其工作狀態(tài)已經(jīng)比較差了。而此時(shí)的環(huán)境溫度僅為 19。

4、當(dāng)環(huán)境溫度升高至普通車燈測試標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的 80時(shí)，器件的結(jié)點(diǎn)溫度必然遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過芯片的可承受溫度范圍。同時(shí)由于廠家設(shè)計(jì)的近光燈工作時(shí)車燈功率不低于 40 W，因此 30 W 發(fā)熱量對應(yīng)的 LED 總功率還不能滿足近光燈照明要求，在實(shí)際應(yīng)用中車燈總發(fā)熱量還會進(jìn)一步提高，由此可見要使 LED 車燈能夠正常工作，在室溫環(huán)境下就需要對其進(jìn)行強(qiáng)化散熱。3、LED 汽車前照燈強(qiáng)化散熱方案設(shè)計(jì)與測試汽車前照燈的鋁基板到燈內(nèi)空氣，燈內(nèi)空氣到燈壁，以及燈壁到燈外環(huán)境這幾個部分是影響其散熱的主要環(huán)節(jié)。因此為了對車燈進(jìn)行強(qiáng)化散熱，在發(fā)光二極管選定的情況下，可以從這幾個環(huán)節(jié)入手。本節(jié)設(shè)計(jì)了幾種不同的強(qiáng)化散熱方案，并利用模擬

5、熱源和真實(shí)器件對其強(qiáng)化散熱的效果進(jìn)行了研究，散熱方案的目標(biāo)是在環(huán)境溫度為 80，器件總功率為 40 W 時(shí)，可以正常工作，也就是結(jié)點(diǎn)溫度控制在 130 以下。3.1 導(dǎo)熱板散熱方案3.1.1 方案提出由于車燈內(nèi)的熱量需要通過自然對流或者熱輻射的形式傳遞給車燈燈壁，然后才能傳遞到燈外環(huán)境。而此時(shí)自然對流和熱輻射的熱阻較大，導(dǎo)致器件的溫度較高，因此這里考慮通過高導(dǎo)熱的材料與器件所在的鋁基板直接連接，然后將熱量直接傳導(dǎo)到燈室的外部，再通過導(dǎo)熱板尾端的散熱片傳遞到燈體周圍空氣中去，這樣相當(dāng)于減少了熱量在燈內(nèi)傳遞的熱阻，達(dá)到強(qiáng)化散熱的目的。圖 5 導(dǎo)熱板強(qiáng)化散熱方案結(jié)構(gòu)圖綜合考慮熱導(dǎo)率以及重量和成本等因

6、素，這里采用鋁板作為高導(dǎo)熱材料。室溫下，鋁的熱導(dǎo)率為 237 Wm-1K-1。整個散熱結(jié)構(gòu)如圖 5 所示，其中導(dǎo)熱鋁板和散熱片的尺寸如表 5.1 所示，這一結(jié)構(gòu)尺寸主要是考慮到與車燈的整體形狀和尺寸配合。表1 導(dǎo)熱板及散熱片尺寸3.1.2 散熱效果的實(shí)驗(yàn)測試對于導(dǎo)熱板形式的強(qiáng)化散熱方案進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)裝置采用前一節(jié)中的實(shí)驗(yàn)裝置，改裝后的汽車前照燈如圖 6 所示。圖 6 導(dǎo)熱板及改裝后的車燈實(shí)物圖實(shí)驗(yàn)的結(jié)果如圖7 所示。從圖中可以看出采用導(dǎo)熱板后熱源底面的溫度比未采取強(qiáng)化散熱措施時(shí)大大降低，在 55W 時(shí)下降約 50 左右。此時(shí)發(fā)光二極管產(chǎn)生的熱量主要通過導(dǎo)熱板傳遞到燈箱外部環(huán)境中去。在合作

7、方要求的器件工作功率 40 W 時(shí)，熱源底部的功率為 82.5。考慮采用的器件的熱阻為 4K/W，如果真實(shí)的器件工作在這種工作狀況下，結(jié)點(diǎn)的溫度為 115，此時(shí)可以滿足工作要求。不過真實(shí)的車燈要求能工作在環(huán)境溫度為 80 時(shí)，因此這種方法顯然不能滿足要求。圖7 采用導(dǎo)熱板強(qiáng)化散熱后各測溫點(diǎn)溫度從圖 7 可以看到在熱源功率為 40 W 時(shí)，模擬熱源底面到散熱片的溫差約為 19，散熱片到環(huán)境溫差約 38。導(dǎo)熱板后的散熱片與燈體環(huán)境的溫差較大，說明這部分的熱阻較大，因此考慮采用強(qiáng)制對流的方式強(qiáng)化導(dǎo)熱板后的散熱片與周圍環(huán)境的換熱。進(jìn)一步也可以得到結(jié)論：如果要讓 LED 汽車前照燈在環(huán)境溫度為 80 時(shí)

8、能夠正常工作，單純采用自然對流方式無法解決其存在的散熱問題。3.1.3 改善方案為了強(qiáng)化導(dǎo)熱板后的散熱片與周圍環(huán)境的換熱，對前面的導(dǎo)熱板方案進(jìn)行了改進(jìn)。這里采用了在散熱片上安裝風(fēng)扇的方式來強(qiáng)化散熱片的散熱能力，以達(dá)到降低熱源區(qū)域溫度的目的。散熱片后面的風(fēng)扇采用 DELTA 公司的AFB1212L 型產(chǎn)品，風(fēng)扇流量為 1.782 m3min-1，額定功率 1.68W，噪音 32.5 dB。整套裝置通過金屬支架固定在車燈內(nèi)。加裝了風(fēng)扇的車燈結(jié)構(gòu)如圖 8 所示。對這種強(qiáng)化散熱方案進(jìn)行了測試，分別測試了 35 W、40 W 和 45 W 的車燈散熱情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖 9所示。圖 8 熱沉端增加風(fēng)扇實(shí)物

9、圖 圖9加風(fēng)扇不同發(fā)熱功率對應(yīng)的各測溫點(diǎn)穩(wěn)態(tài)溫度從圖中可以看到，加裝風(fēng)扇后，整體溫度大大下降，發(fā)熱功率為 40 W 時(shí)，熱沉底面的溫度，從未加裝風(fēng)扇時(shí)的 82.5，下降到之后的 54，下降了將近30，風(fēng)扇的強(qiáng)化散熱效果很明顯。此時(shí)如果考慮環(huán)境溫度升高到 80，簡單估算熱源底面溫度約為 105，根據(jù)熱阻推算，如果此時(shí)使用發(fā)光二極管，結(jié)點(diǎn)溫度約為 135，車燈可以工作，但是工作狀態(tài)不夠優(yōu)化。從圖 9可以看出，加裝風(fēng)扇之后，散熱片與車燈周圍空氣的溫度差下降為 3 左右。經(jīng)過測量，此時(shí)導(dǎo)熱板前端到尾端的溫差為 9左右，溫差較大。因此為了進(jìn)一步提高強(qiáng)化散熱的能力，考慮改進(jìn)導(dǎo)熱鋁板的散熱方式。提出了用熱管

10、替代導(dǎo)熱鋁板的方案。3.2 熱管式散熱方案3.2.1 方案提出根據(jù)前面的分析，可以知道采用導(dǎo)熱板將熱源產(chǎn)生的熱量直接導(dǎo)出車燈后，熱源底面到車燈燈殼外表面的熱阻被大大降低了。但是此時(shí)的工作狀態(tài)仍有改進(jìn)的余地。通過實(shí)驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，此時(shí)車燈的主要熱阻集中在導(dǎo)熱板前端至尾端的導(dǎo)熱熱阻上，在熱源功率為 40 W 時(shí)，導(dǎo)熱板上的溫差在 10左右。如果可以將這一溫差減小，那么散熱裝置將可以保證 LED 車燈在惡劣的 80 外部環(huán)境溫度下正常工作。眾所周知，熱管是一種高效的傳熱裝置，可以應(yīng)用于小溫差時(shí)的傳熱。熱管采用相變傳熱，吸熱端吸收的熱量通過管壁傳遞給管內(nèi)的液體工作介質(zhì)。工質(zhì)吸熱后氣化在壓力作用下流向熱管的

11、另一端冷凝段，并在冷凝段液化，釋放熱量。液化后的工質(zhì)在重力或毛細(xì)力作用下回流至蒸發(fā)段，完成一個循環(huán)。由于相變傳熱比普通導(dǎo)熱的效果好很多。因此本節(jié)采用熱管代替導(dǎo)熱板將熱源熱量引出燈殼，以進(jìn)一步減小熱源底面到燈殼之間的熱阻。圖10 為采用的熱管散熱組件，對其散熱效果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。圖10 熱管散熱組件實(shí)物圖3.2.2 散熱效果的實(shí)驗(yàn)測試實(shí)驗(yàn)中采用 4 根直徑 6 mm，長 200 mm 的熱管替代原來的三塊鋁制導(dǎo)熱板。實(shí)驗(yàn)采用的熱管的工質(zhì)是含有添加劑的水，吸液芯為目前廣泛使用的金屬粉末燒結(jié)芯，管殼材料為紫銅。實(shí)驗(yàn)過程中，將熱管插入一 T 型鋁架，將模擬熱源置于 T 型鋁架的平面上，熱量通過 T 型

12、鋁架傳遞給熱管，然后通過熱管傳遞到車燈外，再通過置于熱管尾端的散熱片與風(fēng)扇將熱量傳遞到周圍環(huán)境中去。整套散熱裝置用金屬支架固定在車燈內(nèi)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖 11所示。圖11 采用熱管方案后各測溫點(diǎn)穩(wěn)態(tài)溫度從圖 11 可以看出采用熱管后，在熱源功率為 40 W 時(shí)，熱源底部的溫度與采用導(dǎo)熱板時(shí)的情況相當(dāng)，而此時(shí)熱管兩端的溫差在 1 以內(nèi)，證明熱管工作正常，采用熱管減少了采用導(dǎo)熱板時(shí)導(dǎo)熱板兩端的溫度降，然而此時(shí)的熱源底部溫度與采用鋁基導(dǎo)熱板時(shí)變化不大。分析其原因，一是采用熱管后，由于熱管直徑較小，其與 T 型架的接觸面積較小，同時(shí) T 型架與鋁基板之間的接觸面積也比較小，導(dǎo)致擴(kuò)散熱阻較大；二是因?yàn)闊峁芘c

13、 T 型架之間相對于采用鋁基板時(shí)的情況多了一個接觸熱阻；三是因?yàn)闊峁芗胁贾迷谝粭l線上，而熱源分布比較分散，因此熱管的作用沒有完全發(fā)揮出來。3.2.3 熱管改進(jìn)方案上一節(jié)分析了采用熱管后熱源底部溫度沒有明顯降低的原因，針對存在的問題，下面采取了改進(jìn)措施，以提高熱管散熱組件的性能。改進(jìn)方案改變了原有的 T 型鋁板與鋁基板接觸，然后熱管置于 T 型鋁板之中的方式，而采用兩個鋁塊置于鋁基板背面，將四根熱管兩兩插入鋁塊的方式。這樣一方面增加了鋁塊與鋁基板的接觸面積，另外一方面由于熱管的分布較之前更加分散，與熱源的匹配較好，減少了擴(kuò)散熱阻。熱管組件的實(shí)物如圖 12所示。圖12 改進(jìn)的熱管散熱組件實(shí)物圖對

14、改進(jìn)后的熱管散熱組件的散熱效果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)過程中采用的熱管與之前采用的熱管相同。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖 13 所示，比較圖 11 和圖 13 可以看出即使在環(huán)境溫度升高的情況下，采用改進(jìn)后的熱管方案，比之前的方案熱源底部的溫度仍然有所降低。在熱源功率為 40 W 時(shí)，熱源底部的溫度從改進(jìn)前的 55.1降低到之后的 51.1。考慮到環(huán)境溫度的變化，采用優(yōu)化的熱管方案可以降低熱源底面溫度約 8。此時(shí)如果考慮環(huán)境溫度為 80，能夠?qū)l(fā)光二極管的結(jié)點(diǎn)溫度控制在 130 以內(nèi)，可以滿足工作要求。圖13 采用改進(jìn)的熱管散熱組件后各測溫點(diǎn)穩(wěn)態(tài)溫度3.3 熱沉式散熱方案3.3.1 方案提出前面設(shè)計(jì)了導(dǎo)熱板和熱管

15、式散熱方案，可以滿足工作要求。但是這兩種方案存在的一個共同的問題就是需要在車燈內(nèi)另外加入導(dǎo)熱板或者熱管，這樣一方面增加了車燈的重量，另一方面增加了車燈生產(chǎn)和運(yùn)輸?shù)膹?fù)雜度，降低了其工作可靠性。為了克服這一問題，為 LED 汽車前照燈設(shè)計(jì)了一種新的強(qiáng)化散熱方案。這種方案與之前的方案的區(qū)別在于取消了導(dǎo)熱板與熱管，而將熱源從車燈中部向車燈尾部移動，將其直接置于車燈尾部的熱沉上。熱源發(fā)出的熱量直接通過熱沉傳遞到車燈外部。這樣做既減少了采用導(dǎo)熱板和熱管時(shí)存在的接觸熱阻，同時(shí)減少了散熱方案采用的零部件，增加了可靠性。存在的不足在于，需要對光源位置移動，因此燈內(nèi)的光路以及配光，需要重新進(jìn)行設(shè)計(jì)。由于光源的位置

16、移動不大而且是平行出光，因此對光路影響不大?？梢酝ㄟ^對配光的調(diào)整以及合理的設(shè)計(jì)熱沉的尺寸，在滿足前照燈照明功能的前提下，來解決散熱的問題。目前的測試只進(jìn)行了熱測試，進(jìn)一步的配光的調(diào)整需要與合作方共同完成。設(shè)計(jì)的示意圖如圖 5.20 所示。圖14 光源后移示意圖圖15 和圖 16 為所采用的熱沉的實(shí)物圖。整個結(jié)構(gòu)由中間的銅熱沉、周圍的鋁板和背面的風(fēng)扇組成。應(yīng)用時(shí)，將光源直接置于銅熱沉上，然后通過銅熱沉周圍的鋁基板固定于車燈尾部。鋁板的形狀主要是為了與車燈的尾部開口相配合。熱沉尺寸如表 5.2 所示。圖15 熱沉正面 圖16 熱沉背面3.3.2 散熱效果測試首先測量了不采用強(qiáng)迫對流時(shí)各個關(guān)鍵點(diǎn)的溫

17、度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖 17 所示。從圖中可以看出單純依靠自然對流來對熱沉進(jìn)行散熱，熱源底面和散熱片的溫度很高。在環(huán)境溫度為 25，總功率為 30 W 時(shí)，熱源底面溫度就超過了 100，此時(shí)如果采用 LED 器件，其結(jié)點(diǎn)的溫度為 120。當(dāng)總功率達(dá)到 40 W 時(shí)，車燈不能正常工作。但是此時(shí)比未采取任何強(qiáng)化散熱方式時(shí)熱源底面溫度下降了約 15。這一實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步說明了不采用強(qiáng)制對流的方式難以滿足 LED 汽車前照燈的散熱要求。圖17 風(fēng)扇關(guān)閉時(shí)各測溫點(diǎn)的穩(wěn)態(tài)溫度下面看采用強(qiáng)迫對流方式對熱沉進(jìn)行散熱時(shí)的結(jié)果。風(fēng)扇開啟時(shí)各個測溫點(diǎn)的溫度隨總的加熱功率變化如圖 18 所示。可以看出風(fēng)扇開啟后，整體溫度明顯降低

18、。在環(huán)境溫度為 25，熱源總功率為 40 W 時(shí)，熱源底面溫度為 36.3。此時(shí)可以估算環(huán)境溫度為 80 時(shí)，如果采用熱阻為 4 K/W的器件，器件的結(jié)點(diǎn)溫度為 118。這一結(jié)點(diǎn)溫度比前面的各種方案都要低，完全可以滿足 LED車燈工作的需要。圖 18 風(fēng)扇開啟時(shí)各測溫點(diǎn)的穩(wěn)態(tài)溫度3.4 LED 前照燈實(shí)測前面提出了針對 LED 汽車前照燈的熱沉式散熱方案，并對其強(qiáng)化散熱的效果進(jìn)行了測試。結(jié)果表明這一方案可以滿足車燈的工作要求，并且優(yōu)于其他幾種方案。在之前的測試過程中均采用了模擬熱源，為了更加真實(shí)的進(jìn)行測試，進(jìn)一步檢驗(yàn)這一方案的可行性。下面利用 LED，對這一方案進(jìn)行了測試。驗(yàn)過程中發(fā)光器件根據(jù)

19、合作方的設(shè)計(jì)，采用了 6 個 LEWD1A 型大功率車燈專用 LED。圖 19 為實(shí)驗(yàn)的實(shí)物圖。圖中亮光為發(fā)光二極管所發(fā)射，實(shí)驗(yàn)過程中車燈可以長時(shí)間工作在設(shè)定功率下（30 W60 W）。圖 19 車燈實(shí)驗(yàn)實(shí)物圖實(shí)驗(yàn)過程中各測點(diǎn)的穩(wěn)態(tài)溫度如圖 20 所示。對比圖 20 和圖 18可以看到，采用真實(shí)器件時(shí)器件底面溫度要高于相同功率的模擬熱源的底面溫度。如功率為 40 W 時(shí)，采用真實(shí)器件的器件底面溫度為 43oC，而采用模擬熱源時(shí)為36.3oC，考慮到兩次實(shí)驗(yàn)時(shí)燈體周圍的環(huán)境溫度不同，加入一個環(huán)境的修正后，功率為 40 W 時(shí)，采用發(fā)光二極管的器件底面溫度比采用模擬熱源高約 2.5oC。分析其原因是由于采用的 LEWD1A 型發(fā)光二極管內(nèi)部封裝的 5 個大功率芯片尺寸較小，而且排列的很集中，因此熱源比較集中，導(dǎo)致了其底部的溫度比采用模擬熱源時(shí)底部溫度要高，這一點(diǎn)也與本章第一節(jié)模擬熱源設(shè)計(jì)時(shí)的分析相一致。值得說明的是，采用真實(shí)器件時(shí)，器件的功率與器件的發(fā)熱功率并不完全相同，需要考慮器件的發(fā)光效率。實(shí)驗(yàn)中所采用的器件其發(fā)光效率低于 10 %，如果同時(shí)考慮燈體對光線的