最佳熱管理方法助力優(yōu)化汽車LED照明系統(tǒng)

核心提示：本文講述了能夠幫助汽車照明行業(yè)實現(xiàn)最佳熱管理的方法。我們就選擇和測量LED熱特性以及為特定應(yīng)用選擇最合適的 LED進行了討論。由于溫度過熱可能破壞LED系統(tǒng)的穩(wěn)定性，我們還討論了車前燈和車尾燈等形狀復(fù)雜照明系統(tǒng)的熱模擬，以及使用同步計算流體力學(xué)技術(shù)來設(shè)計更高品質(zhì)的產(chǎn)品并以更快、更高效、更經(jīng)濟的方式開發(fā)汽車照明系統(tǒng)。

　　行業(yè)趨勢

　　根據(jù)麥肯錫公司（McKinsey Company）對全球照明市場的見解，汽車照明市場目前規(guī)模約為180億美元（130億歐元），占整個照明市場的大約20%，預(yù)計到2020年將增至 250億美元（180億歐元）。隨著LED（發(fā)光二極管）的發(fā)展，汽車應(yīng)用中的LED預(yù)計在未來10年會顯著增長?！禠EDs Magazine》2012年11月刊登的一篇文章稱，戴姆勒即將面市的S系列梅賽德斯的所有照明系統(tǒng)都將使用LED。2010年至2020年，LED的價格將減至當(dāng)前價格的十分之一，因此相比傳統(tǒng)光源，LED將更具競爭力。

　　與傳統(tǒng)汽車照明光源不同的是，LED對溫度更加敏感，不僅僅需要對設(shè)計中使用LED的結(jié)構(gòu)和特性有足夠了解，還需要了解從散熱器到冷卻流體的整個熱管理系統(tǒng)。擁有了這些技能后，照明設(shè)計師就能優(yōu)化其設(shè)計，確保LED使用壽命長久，發(fā)射波長移位最小，或者光輸出損失最小。他們還能更有效地將LED作為一種光源來使用，并推動LED在汽車行業(yè)的全面普及。

　　在汽車照明領(lǐng)域使用LED的挑戰(zhàn)

　　隨著光源設(shè)計從白熾燈向LED轉(zhuǎn)變，傳統(tǒng)的熱管理概念已經(jīng)過時，需要養(yǎng)成新的思考方式。大多數(shù)白熾燈的電能中有約83%形成熱輻射，約12%形成熱損耗，不會面臨光源散熱難題。LED則大多通過傳導(dǎo)傳遞熱損耗（約60-85%），并對熱管理十分敏感。100瓦白熾燈的電光轉(zhuǎn)換效率僅為約5%，而LED的轉(zhuǎn)換效率能達到約15-40%，并且還在不斷提高。

　　LED的主要熱挑戰(zhàn)是維持高色度穩(wěn)定性和預(yù)期壽命。汽車行業(yè)的LED需要具備終生耐受性。LED不光更加高效，其更高的能見度也頗具價值，因此更加安全，歐洲經(jīng)濟委員會（ECE）規(guī)定從2011年起所有新款汽車都必須安裝日間行車燈（DRL）。

　　因為車頭燈和車尾燈等外部燈幾乎是完全密封的系統(tǒng)（除極小的氣流入口、出口以及普通白熾燈的小開口之外），因一個瑕疵而更換LED是不現(xiàn)實的。當(dāng)車頭燈或車尾燈多個LED出現(xiàn)故障時，只能通過更換整個車燈來解決。因此，不僅僅是LED，整個燈具設(shè)計都必須具有很高的可靠性和質(zhì)量，因為更換整個車頭燈很昂貴；如果還在保修期內(nèi)，那么系統(tǒng)的原始設(shè)備制造商（OEM）和供應(yīng)商將要花費很大的代價。

　　分析熱和輻射行為的特性可確保高可靠性

　　原始供應(yīng)商數(shù)據(jù)表并不總是提供從流體或結(jié)構(gòu)分析中得出精確可靠的模擬結(jié)果所需的數(shù)據(jù)；制造商也不經(jīng)常提供對測量數(shù)據(jù)誤差的保證或說明。因此，您將需要在為您的汽車安裝應(yīng)用之前，測試和測量其特性，以確保部件和材料的可靠性。

　　熱特性

　　LED的熱阻（Rth）會對產(chǎn)品的壽命、效率和多個域的運行以及電、熱和光學(xué)性能造成影響（圖1）。LED套件和其它所有半導(dǎo)體設(shè)備套件一樣，可通過熱阻進行很好的特性分析，以實現(xiàn)穩(wěn)定運行。熱阻（Rth）數(shù)值告訴我們單位熱源應(yīng)用于設(shè)備會導(dǎo)致溫度上升多少度。

　　圖1：熱問題影響著LED套件的方方面面。

　　最基本的方法是測量部件與溫度相關(guān)的電壓。LED從一個穩(wěn)定的狀態(tài)打開或關(guān)閉，過一段時間之后，又到達另一個穩(wěn)定的狀態(tài)（熱/冷，反之亦然）。在這個過程中不斷進行瞬態(tài)測量，提供很小測量電流下的熱瞬態(tài)響應(yīng)曲線。在測量出的溫度差異和功率差異（用于