LED前照燈近光系統(tǒng)實現(xiàn)及散熱機理研究.pdf

1、隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展以及節(jié)能減排、發(fā)展低碳經(jīng)濟政策的推行，人們對綠色汽車照明光源的需求與日俱增，使得LED在汽車照明領域的應用越來越廣泛，汽車燈具的LED化成為必然的發(fā)展趨勢。與傳統(tǒng)汽車前照燈光源相比，LED具有使用壽命長、體積小、耗能低、可靠耐用、響應快、設計靈活等優(yōu)點。盡管如此，LED要在汽車前照燈中取代傳統(tǒng)光源并非易事，需解決配光性能、驅(qū)動電源和散熱性能等關鍵問題。研究中，基于大功率白光LED的光學特性，實現(xiàn)了一種滿足標準配光要

2、求的汽車近光燈光學系統(tǒng);基于LED汽車前照燈的電學特性，對該近光系統(tǒng)對應的驅(qū)動電源工作性能展開了研究;以結(jié)溫和熱阻作為控制指標，從被動式散熱和主動式散熱兩個角度揭示了LED前照燈的散熱機理。
　　汽車前照燈的光學性能，尤其是近光燈的配光性能是影響汽車行駛安全和照明質(zhì)量的關鍵因素。研究中，基于大功率白光LED芯片的光電特性和GB25991-2010標準要求，以非成像光學理論和能量守恒定律為指導，實現(xiàn)了一種由變截面橢球體反射器、擋板和

3、自由曲面透鏡組成的投影式LED前照燈近光光學系統(tǒng)；基于Monte-Carlo光學追跡原理，對該近光系統(tǒng)的配光性能和光能利用率進行仿真研究;基于多場耦合理論揭示了LED前照燈光學特性與散熱性能的相互作用規(guī)律。結(jié)果表明:該近光系統(tǒng)的配光性能能夠滿足標準要求，其光能利用率相對于傳統(tǒng)橢圓截面投影式近光系統(tǒng)有較大提高;LED前照燈的光學特性與散熱性能彼此影響，相互制約，其工作過程是復雜的多場耦合過程。
　　汽車照明電源的輸出電壓穩(wěn)定性不高、

4、工作環(huán)境惡劣。因此，研究一種高效、高精度、恒流、亮度可調(diào)且可靠性高的驅(qū)動系統(tǒng)，是LED前照燈得以成功應用的基礎。根據(jù)LED前照燈的電學特性，選擇電感升壓式拓撲結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了一種基于MAX16832A驅(qū)動器的大功率白光LED汽車前照燈驅(qū)動系統(tǒng)，并對其工作性能進行了研究分析;基于熱耦合效應揭示了驅(qū)動電源對LED前照燈熱傳遞作用效果的影響機制。研究表明:不同負載和輸入電壓下，該驅(qū)動系統(tǒng)能輸出700mA穩(wěn)流精度較高的恒定電流;相同負載下，驅(qū)動系統(tǒng)

5、轉(zhuǎn)換效率隨輸入電壓增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢;負載為2顆LED時，驅(qū)動系統(tǒng)的整體轉(zhuǎn)換效率高于1顆LED負載和3顆LED負載，且輸入電壓為13V左右時，驅(qū)動系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率達到峰值94.3％;該驅(qū)動電路啟動迅速，性能參數(shù)穩(wěn)定，能滿足大功率LED汽車前照燈的工作要求;驅(qū)動電源對LED前照燈散熱性能的影響較為顯著，它與LED光源形成的雙耦合熱源會使LED前照燈熱負荷增加，通過折返式熱管理可以同時降低驅(qū)動電路和LED光源的發(fā)熱量，進而降低系統(tǒng)的熱負

6、荷。
　　LED前照燈工作過程中，大部分輸入功率將轉(zhuǎn)化為熱能，這些熱量若不能及時散去，將導致芯片發(fā)光效率下降、使用壽命縮短以及色溫漂移。研究了結(jié)溫和熱阻對LED前照燈光學特性和散熱機制的影響，根據(jù)LED前照燈近場氣體流動方式的不同，制定了被動式和主動式兩種散熱方案，優(yōu)化了LED前照燈的散熱機制。
　　基于多場耦合理論研究了自然對流模式下LED前照燈的散熱機理，結(jié)合傳熱強化的場協(xié)同理論，對散熱系統(tǒng)進行了優(yōu)化，同時完善了LED前

7、照燈的強化散熱理論。研究散熱器材質(zhì)對系統(tǒng)散熱性能的影響，探尋了散熱裝置結(jié)構(gòu)變化對系統(tǒng)散熱性能產(chǎn)生影響的物理本質(zhì)。研究表明:環(huán)境溫度相同時，發(fā)熱量越大，材料對系統(tǒng)散熱性能的影響越大;改變翅片的拔模角度會影響系統(tǒng)的散熱效果，隨著翅片拔模角度的增大，散熱系統(tǒng)最高溫度呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢;對散熱器翅片開縫可以改善氣流速度場和溫度梯度場的協(xié)同性，從而強化散熱，開縫寬度過小時不利于氣體流動，開縫寬度增大后，氣體流動較均勻，流場與溫度場的協(xié)同角變小

8、;被動式散熱方案只適用于LED前照燈在較低溫度和較小發(fā)熱功率的條件下工作，為進一步提高散熱性能，需要采用強制散熱措施。
　　建立了LED前照燈散熱的熱阻網(wǎng)絡模型，利用無相變換熱方式下氣體顯熱的改變、相變換熱方式下工質(zhì)汽化潛熱能的變化以及基于帕爾帖效應的熱電制冷理論，對LED前照燈的散熱性能進行優(yōu)化。探尋了導熱板散熱、熱管散熱和半導體制冷散熱方案下LED前照燈的散熱機制。當環(huán)境溫度最高為80℃、LED發(fā)熱功率最大為25W時，使LED

9、芯片結(jié)溫低于125℃作為控制目標。研究了不同散熱方案下LED前照燈的傳熱特點，分析了存在的主要熱阻;研究不同控制參數(shù)下的熱傳遞作用特性，探尋了強化LED前照燈散熱的基本途徑。結(jié)果表明:熱管式和半導體制冷式散熱系統(tǒng)的熱傳遞作用效果優(yōu)于導熱板式散熱系統(tǒng);采用風扇輔助導熱板散熱，其主要熱阻存在于導熱板的前后端，可使LED前照燈在低于65℃的環(huán)境溫度下正常工作，但不能滿足控制目標;熱管式散熱系統(tǒng)工作性能的影響因素主要有熱管充液率、布置方式以及各

10、組成段的長度;優(yōu)化熱管的受熱面積與冷卻面積之比，有利于熱量對外傳導，從而改善熱傳遞作用效果，當蒸發(fā)段、絕熱段和冷凝段長度分別為30mm、40mm和50mm時，試驗得到的芯片結(jié)溫較低;芯片結(jié)溫隨熱管充液率的增加呈現(xiàn)先降低后上升的趨勢，當充液率為30％時，熱傳遞作用效果較好;由微熱沉、U型熱管和散熱鰭片組成的“三級”散熱系統(tǒng)不僅可以減小接觸熱阻和擴散熱阻，還增加了熱管的冷凝面積，使回流工質(zhì)具有更高的過冷度，能夠降低補償室乃至蒸發(fā)段的溫度，當