汽车灯具散热方式与方法研究

【摘 要】汽车灯具作为汽车照明与信号装置的主要实现方式，在近年来随着技术工艺的革新也由原来的氙气灯发展为如今的LED灯，这种灯凭借节能环保、使用寿命长，且亮度更高等优势已经成为汽车的普遍选择，但是在散热方面有一定的待提高性。本文将具体对汽车灯具的散热方式与方法进行探讨研究。

【关键词】汽车灯具；散热；方式方法

1 前言

汽车灯具包括内部灯和外部灯，其中外部前照灯（大灯）因为是汽车夜间行驶照明的最重要保障和发出行驶信号的主要途径，所以对其亮度功率都有很大的要求，一般在40-60W之间，大功率引起高温度的产生，而高温却会对LED芯片的发光效率产生很大的负面影响。因此，研究出高效率的车灯散热管理技术是当前车灯设计亟待解决的问题。

2 灯具结温与散热

2.1 LED运行热传递过程

LED灯作为一种固态的二极管发光器，由磷化镓、磷砷化镓等III-V族化合物制成的半导体、具有极高的电光转换性能，LED开启运作后，在外部电场作用下，正向电流流过半导体，内部芯片首先产生热量，再以热传导、对流和辐射三种形式进行传递，其中，热传导是热量传递最主要的传递方式。因此通过改变热传导能力来提高散热性能是解决散热问题的可行办法。

从一般LED灯具的结构来看，LED线板空气热阻力的大小对散热性能起到着决定性作用。而这又可从以下三个方面进行分析：

（1）线路板热阻大小的影响因素有：线路板材料、LED间距、电阻分布形式、LED与线路板连接方式；

（2）热阻大小对芯片产生的热量能否导出到支架或热沉上有起到直接性作用；

（3）如果线路板到空气的热阻值过大，那么传递到线路板的热量会因聚焦过多而使线路板的温度快速上升到一个过高值，而对LED造成加速光衰、器件损坏等危害性后果。

2.2 结温的产生

LED的光电转换率只有20%，其余都转化为热量，结温由此产生。一般来说，具体产生原由有下面两种：

（1）内部量子效率不高。内部芯片的电子和空穴复合时，因电流泄漏使PN区载流子复合率降低而不能完全产生光子，那么这部分泄露的电流和电压的乘积就是转化成热能的功率，产生出热量结温；

（2）外部量子效率不高。电子和空穴复合时生成的光子无法全部映射到芯片外部而转化成热能，且绝大多数的光子因极低的外部量子效率最终都转化成了热量，形成结温的主要部分。

2.3 灯具散热的重要性

LED灯具虽然本身的功率不大，辐射出的热量也不多，但是因为在功率和光能的转换上，如上文所述，只有一小部分转化为光能，剩余大部分都转换成了热量，产生较高温度，而LED本身的特性又决定了其在较高温度集结的环境下，芯片的热密度会升高达上百瓦每立方，结温的升高会导致LED光输减少，这种情况下，发光的效率大大地降低，光衰明显，且芯片加速地老化，缩短了使用寿命。这就是大功率LED等的发光与散热之间的矛盾所在。

因此，只有设计出科学合理的散热管理系统，才能保证LED灯具的正常、持久高效地运行，确保汽车行驶安全，也延长了使用寿命，降低了维护成本。

3 灯具散热的方式方法

根据上文所述的热量产生的过程及原因，在具体的灯具散热技术开发和实施中，有以下几种方式方法：

3.1 内部方法

内部方法即从LED灯具自身着手，根据其结构性能提出的方法：

（1）改进LED的封装技术，实行金属表面绝缘，减少导热性，再从间距、分布及连接方式等方面，降低内部热阻，加快散热速率；

（2）一方面提高光子和电能的转化率，减少光子向热能的转化机率；另一方面提供工艺技术，减少电流泄漏的机率提高载流子复合率；

（3）可通过提高LED允许的最大结点温度值来增加最大允许的散热设计温差，增强散热设计的可操作性和散热实效。

3.2 外部方法

所谓外部方法，是指通过利用不同的散热装置，从而从LED外部实现散热：

（1）直接把金属线路板作为热沉向外部环境散发热量，经过自然空气的流动作用，实现线却降温；

（2）调整散热片结构，扩大现有的面积、选用导热性能佳的铝材，提高传导效率。但这种方式只能适用于较低热流密度的LED 系统，对于高热流密度则不适用；

（3）在灯源处加装小型的散热风扇，与灯具同事运作，形成与外界空气热交换的强制对流，这样风扇在加速散热片散热的同时，对流空气也直接把部分热量从线板带走，实现散热。但此法中的风扇只能吹散LED外部的一部分热量，无法作用到起线板内部，且在汽车行驶过程中存在不稳定因素，因此此法尚待提高；

（4）在LED灯具的背面加装带有针肋的热沉，同时加装电压风散来散热。但此法只适用于小功率管的LED灯具。

3.3 微观方法

（1）使用纯铝为基础材料，采用量子调控技术，加入热运动简谐振动频率高的声子晶体材料，并加入一些遏制非简谐振动的声子晶体材料，制成具有高比热容、快速平衡性能和能够与空气快速热交换的高性能散热材料；

（2）用技术手段提高热量流动的速度和频率，使其进行技术型性主动散热；

（3）加入温度范围更宽的热电波转换材料，将热能转换成频域更宽的电磁波向空间发射；

（4）使用技术手段来丰富热子转化成光子的频域，加大散热效率。

综上所述，要实现LED灯具的散热，最主要就是采用最短的热路径，扩大散热面积，想办法让热量以最高的速率输导出去，最终确保把LED灯具运行温度控制在安全标准范围以内，提高灯具的质量和使用可靠性。

4 结束语

以LED为载体的汽车灯具是控制方便、节能环保、操作响应快等诸多优点，是汽车安全行驶的重要工具，但灯具的散热问题作为作为LED本身美中不足的缺憾，也是汽车灯具制造行业不断努力攻克的难题。我们还需要进行不断地积累经验、更新研究，在现有的技术方案下精益求精，力争把这一世界性难题完美解决。

参考文献：

[4]佟鑫.LED灯具散热器的结构研究与优化设计[J].吉林大学，2013 （11）.

[5]蔡初华，李志勇.解决高功率LED灯具散热与成本[J].科技创新与应用，2013（31）.