汽车LED前照灯实验系统设计解析

LED汽车前照灯试验系统设计

1、实验系统设计

图1 实验系统图

要对车灯进行热测试，首先设计了实验测试系统。整个实验系统包括电源、数据采集、实验环境三个部分，其外形如图1 所示。下面分别介绍。

电源部分采用 MATRIX-MPS-3003L-3 直流电源。其最大输出电压为 30.0 V，最大输出电流 3.0A。在这之间可以精确控制，达到改变模拟热源功率的目的。

数据采集采用 Agilent 34970 数据采集系统。它将热电偶采集的电压信号转换为温度信息。采集的过程中采用 Agilent 内部的自补偿方式，数据采集的误差为 1℃。数据采集用的传感器采用 T 型

热电偶，其测量误差约为 0.5℃。

实验的大环境为一密闭实验箱，以减小环境的影响。实验过程中模拟热源放置于改造了的荣威轿车普通车灯，替代了车灯原来的近光灯，然后将车灯置于实验箱内进行测试。

改装后的车灯实物图如图2。

图2 模拟LED车灯实物图

2、实验结果与分析

首先对改装后的车灯进行了热测试，实验时未采用任何强化散热措施。实验的功率范围从 30 W 至 50 W，每个温度点约 2 小时达到稳态，环境温度为 19℃。因为实验测量过程中，最能直接反映发光二极管工作温度的是如图 3 所示的热源底部温度，因此这里将其单独列出。

图3热源底部热电偶布置

图4 给出了模拟热源底面测温点温度随热源总功率变化。可以看到热源底面温度随着加热功率的升高几乎线性增加。当加热功率从30 W 升高到 50 W 时，热源底面的温度升高了约 40℃，达到 150℃左右。从图中可以看出两个热源底部温度有所不同，这是由于放置热源的铝板是竖直放置，一个测温点在上，一个测温点在下，灯内自然对流引起的热空气上升对上面的测温点有加热作用。在之后的实验过程中一般选取温度较高点的温度代表热源底部温度。

图4 模拟热源底面温度随功率的变化

从图中可以看到在器件功率为 30 W 时，热源底部的温度为

107℃，根据LEWD1A 型 LED 的热阻 4 K/W，可以推算如果采用真实的器件，器件的结点温度将超过 140℃，此时如果采用真实的器件其工作状态已经比较差了。而此时的环境温度仅为 19℃。当环境温度

升高至普通车灯测试标准规定的 80℃时，器件的结点温度必然远远

超过芯片的可承受温度范围。同时由于厂家设计的近光灯工作时车灯功率不低于 40 W，因此 30 W 发热量对应的 LED 总功率还不能满足近光灯照明要求，在实际应用中车灯总发热量还会进一步提高，由此可见要使 LED 车灯能够正常工作，在室温环境下就需要对其进行强

化散热。

3、LED 汽车前照灯强化散热方案设计与测试

汽车前照灯的铝基板到灯内空气，灯内空气到灯壁，以及灯壁到灯外环境这几个部分是影响其散热的主要环节。因此为了对车灯进行强化散热，在发光二极管选定的情况下，可以从这几个环节入手。本节设计了几种不同的强化散热方案，并利用模拟热源和真实器件对其强化散热的效果进行了研究，散热方案的目标是在环境温度为 80℃，器件总功率为 40 W 时，可以正常工作，也就是结点温度控制在 130℃以下。

3.1 导热板散热方案

3.1.1 方案提出

由于车灯内的热量需要通过自然对流或者热辐射的形式传递给

车灯灯壁，然后才能传递到灯外环境。而此时自然对流和热辐射的热阻较大，导致器件的温度较高，因此这里考虑通过高导热的材料与器

件所在的铝基板直接连接，然后将热量直接传导到灯室的外部，再通过导热板尾端的散热片传递到灯体周围空气中去，这样相当于减少了热量在灯内传递的热阻，达到强化散热的目的。

图 5 导热板强化散热方案结构图

综合考虑热导率以及重量和成本等因素，这里采用铝板作为高导热材料。室温下，铝的热导率为 237 Wm-1K-1。整个散热结构如图 5 所示，其中导热铝板和散热片的尺寸如表 5.1 所示，这一结构尺寸主要是考虑到与车灯的整体形状和尺寸配合。

表1 导热板及散热片尺寸

3.1.2 散热效果的实验测试

对于导热板形式的强化散热方案进行了实验研究，实验装置采用前一节中的实验装置，改装后的汽车前照灯如图 6 所示。

图 6 导热板及改装后的车灯实物图

实验的结果如图7 所示。从图中可以看出采用导热板后热源底面的温度比未采取强化散热措施时大大降低，在 55W 时下降约 50℃左右。此时发光二极管产生的热量主要通过导热板传递到灯箱外部环境中去。在合作方要求的器件工作功率 40 W 时，热源底部的功率为82.5℃。考虑采用的器件的热阻为 4K/W，如果真实的器件工作在这种工作状况下，结点的温度为 115℃，此时可以满足工作要求。不过真实的车灯要求能工作在环境温度为 80℃时，因此这种方法显然不能满足要求。

图7 采用导热板强化散热后各测温点温度

从图 7 可以看到在热源功率为 40 W 时，模拟热源底面到散热片的温差约为 19℃，散热片到环境温差约 38℃。导热板后的散热片与灯体环境的温差较大，说明这部分的热阻较大，因此考虑采用强制对流的方式强化导热板后的散热片与周围环境的换热。进一步也可以得到结论：如果要让 LED 汽车前照灯在环境温度为 80℃时能够正常工作，单纯采用自然对流方式无法解决其存在的散热问题。

3.1.3 改善方案

为了强化导热板后的散热片与周围环境的换热，对前面的导热板方案进行了改进。这里采用了在散热片上安装风扇的方式来强化散热片的散热能力，以达到降低热源区域温度的目的。散热片后面的风扇采用 DELTA 公司的AFB1212L 型产品，风扇流量为 1.782 m3min-1，额定功率 1.68W，噪音 32.5 dB。整套装置通过金属支架固定在车灯内。加装了风扇的车灯结构如图 8 所示。对这种强化散热方案进行了测试，分别测试了 35 W、40 W 和 45 W 的车灯散热情况。实验结果如图 9所示。

图 8 热沉端增加风扇实物图图9加风扇不同发热功率对应的各测温点稳态温度

从图中可以看到，加装风扇后，整体温度大大下降，发热功率为40 W 时，热沉底面的温度，从未加装风扇时的 82.5℃，下降到之后的 54℃，下降了将近30℃，风扇的强化散热效果很明显。此时如果考虑环境温度升高到 80℃，简单估算热源底面温度约为 105℃，根据热阻推算，如果此时使用发光二极管，结点温度约为 135℃，车灯可以工作，但是工作状态不够优化。从图 9可以看出，加装风扇之后，散热片与车灯周围空气的温度差下降为 3℃左右。经过测量，此时导热板前端到尾端的温差为 9℃左右，温差较大。因此为了进一步提高强化散热的能力，考虑改进导热铝板的散热方式。提出了用热管替代导热铝板的方案。

3.2 热管式散热方案

3.2.1 方案提出

根据前面的分析，可以知道采用导热板将热源产生的热量直接导出车灯后，热源底面到车灯灯壳外表面的热阻被大大降低了。但是此