熱管理方法優(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(shí)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(jìn)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(jì)算流體力學(xué)技術(shù)來設(shè)計(jì)更高品質(zhì)的產(chǎn)品并以更快、更高效、更經(jīng)濟(jì)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(gè)照明市場的大約20%，預(yù)計(jì)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(jì)在未來10年會(huì)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(jià)格將減至當(dāng)前價(jià)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(jì)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(gè)熱管理系統(tǒng)。擁有了這些技能后，照明設(shè)計(jì)師就能優(yōu)化其設(shè)計(jì)，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(dòng)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(jì)從白熾燈向LED轉(zhuǎn)變，傳統(tǒng)的熱管理概念已經(jīng)過時(shí)，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(huì)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(dá)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(jià)值，因此更加安全，歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)（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?yàn)檐囶^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(gè)瑕疵而更換LED是不現(xiàn)實(shí)的。當(dāng)車頭燈或車尾燈多個(gè)LED出現(xiàn)故障時(shí)，只能通過更換整個(gè)車燈來解決。因此，不僅僅是LED，整個(gè)燈具設(shè)計(jì)都必須具有很高的可靠性和質(zhì)量，因?yàn)楦鼡Q整個(gè)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(fèi)很大的代價(jià)。
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(huì)對產(chǎn)品的壽命、效率和多個(gè)域的運(yùn)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(jìn)行很好的特性分析，以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行。熱阻（Rth）數(shù)值告訴我們單位熱源應(yīng)用于設(shè)備會(huì)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。