LED智能汽车前照灯的传热性能优化研究

LED智能汽车前照灯的传热性能优化研究

赵旭,张一帆,邢尧

中检西部检测有限公司 陕西省西安市 710032

摘要：汽车产业对社会的发展起着举足轻重的作用，关系到整个社会的发展。纵观整个汽车业的变迁，车灯灯具一直都是汽车生产的主要组成部分。随着科技的迅速发展，照明技术也得到了极大的发展。车灯是行车安全的重要组成部分。灯光的作用是识别交通障碍和交通信号，简单来说，就是将汽车前面的路和指示牌点亮；第二项是展示交通的特性。在两个汽车相撞时，这个信号表示汽车在安全状态，以便与邻近的司机和其它车辆进行即时通讯，以防止发生事故。在中国汽车行业的高速发展下，车灯也在不断地升级，从最初的乙炔灯到现在的高档LED汽车前大灯。

LED照明灯的有效使用关键在于它的散热，在LED汽车照明与散热控制技术中，用于灯照明设备、交通工具或其它照明控制设备的散热用途或技术用途的发明专利数最多，而专利申请数排名前3。从该领域的专利数目来看，汽车照明系统的散热问题依然是一个亟待解决的问题。

关键词：LED汽车前大灯；传播性能；优化

1.使用LED智能汽车前照灯的必要性

LED是新世纪新型固态发光二极管，也是最有价值的一种。LED车灯是一种以LED作为主要光源的车辆大灯，与其它小型轿车照明系统相比，该照明系统具有寿命长、体积小、可靠性高、响应快、控制灵活等特点，并逐渐受到国外用户的重视。发光二极管光源的色温比较高，在色彩辨识方面比其它传统光源要好。在防眩目的作用下，既能保证司机不被强烈的光线所阻挡，又能避免司机的视觉疲劳。由于传统的车灯缺乏智能控制，很容易造成车辆的远光灯滥用，从而引发交通事故。智能化将是汽车大灯智能化的发展方向。为了实现照明系统的智能化，普通的卤素灯、氙气灯已不能满足这些需求，所以需要采用LED车灯。通过对大量的夜间交通事故资料的分析，发现在夜间的道路上，大约有1/4的交通流量是通过夜间行车来完成的。但是，在夜间发生的交通意外中，大约有一半是夜间发生的。造成夜间交通事故频发的原因有很多，而车辆灯光性能的降低是一个主要原因。安全照明灯具配光的可靠性以及安全工作系统的工作性能对行车安全起到重要的作用。可靠性要求越高，系统工作性能越稳定，灯光配置效果越好，车辆的安全运行表现也就越好。所以，LED智能化汽车前大灯能够很好的减少夜间交通事故的发生。

2.LED的原理与结构

2.1LED的原理

传统的汽车大灯光源有两种发光的基本原理：一是把光源的灯丝加热至白炽状态，然后以黑体的形式发射可见光；第二类为卤素灯泡，它是利用气体放电来产生持续的可见光，尽管两者都有很大的能量损耗，但是它们的耐温性很好，而且温度的变化不会对光的品质造成太大的影响。LED与常规光源的发光机理有很大的区别。这是一种固体的半导体光源。光源的耐热性很差，而且会受到结点温度的影响。它的最大耐热极限温度是150摄氏度，其体积比常规光源要小得多，因而具有较高的热通量。若使用温度过高或过高的结温，会使发光效率下降，从而导致使用寿命减少，甚至出现故障。所以，在LED汽车前照灯工作时，光源的散热是一个非常重要的问题

2.2LED的结构

LED是发光二极管的简称，常规光源在发光机理上存在差异，这是一种能够把电能直接转化成光能量的固体二极管。与一般二极管相同，LED包括PN结，也是单向导电的。当向LED两端施加电压时，其在PN结附近数微米处，与N区域的电子及p区域的空穴相结合。在这个时候，多余的能量会被释放成光，从而产生自发发光的荧光。一般发光二极管的结构，包括塑料透镜，填料，荧光层，晶片，引脚，底座，散热器等，具体见图2-2。

2-2LED结构

3.LED汽车前大灯的散热技术

3.1热管散热技术

热管的散热原理见图3-1。热管的构造比较简单，可以分成三个径向区域：壁、芯和蒸汽腔。并将其划分为蒸发区、隔热区、冷凝区三个层次。在稳态时，液态的工作介质会吸收热量，在蒸发器上形成水蒸气，再通过蒸气空间进入冷凝器，在放出热量后，凝结为液态。液体工作液被毛细力推动回到汽化器，完成了该过程。该工艺不需外界干扰，即全过程具有自动控制作用。热管价格昂贵，且安装在灯具上的可靠性较差，所以很少使用热管来进行照明。

图3-1热管散热原理图

3.2液体冷却技术

液体制冷技术常用的是水作为介质来进行冷却水的冷却和辐射。但是，这个阶段也有一些不足，即成本高，工艺复杂，很少用于汽车大灯的散热，这是一个水冷发光二极管散热管，见图3-2。

图3-2水冷LED散热灯泡

3.3风冷散热技术

风冷散热技术是目前普遍采用的一种技术，将其与散热器、电扇结合起来，用于LED车灯。通过合理配置散热器和高质量的材质，可以在一定程度上提高LED车灯的散热效果。在散热器的应用中，强迫对流散热是首选的方式。目前，各种知名的汽车品牌都采用了风冷散热技术。

4.智能LED汽车前大灯结构及特性

4.1智能LED汽车前照灯结构

汽车前大灯是汽车灯光设计中要求最高、结构复杂、设计制造难度最大的环节。从图4-1可以看出智能LED汽车前照灯的结构。由于其与感应器相连，智能LED大灯能够自动调节交通路口的照明亮度。该反射器主要是用来接受和收集由球体发出的反射光线。透镜的反射作用主要是将灯泡内的光线和辐射反射到与灯泡平行的表面。它的透光度可以得到很大的改善。目前，PC塑料是汽车照明灯罩的主要原材料，其透光率应在85%以上。为了给其它零件留出足够的空间，灯身和面罩构成一个封闭的环形区域。该挡光片的一面用铝箔包裹，并在其上安装了一个通风系统。

图4-1LED前照灯结构图

5.LED汽车车灯的热学特性对光学性能的影响

随着LED车灯的功率不断提高，其发热会持续上升，同时也会导致温度上升。若LED车灯的散热不良，则其结温将非常高。LED灯管是一种很灵敏的设备，温度过高会影响它的工作，亮度也会变得越来越低，并且会直接改变设备包装所用的材料的物理性质，并且会逐渐减少其使用寿命。若LED结温度上升10℃，则其波长沿长波方向移动1nm，亮度均匀度下降。所以，为了保证LED长期、稳定的使用寿命，其结构设计应具备优良的散热特性。

6.LED智能汽车前照灯的传热性能优化

当汽车的车灯被添加外壳时，它的温度就会上升。通过加入石墨烯的散热材料，可以有效地降低其温度。石墨烯的快速散热辐射涂料是由其组成的薄片高分子结构组成。低的热释光一般可以达到0.98，它可以把热能转换成红外线，并且可以迅速地散发热量。采用微纳技术和石墨烯涂料，可以有效地改善散热器的辐射与吸收性能，将传统散热器的热辐射转换成大量的红外线和光束，并将其向室内辐射。这样，就可以在辐射体的内部表面涂敷一层石墨烯热辐射薄膜和一种热辐射控制涂料，使辐射量达到0.98。在热辐射条件下，可以有效地保证热辐射的传热和对流热的特性，从而使热辐射的发射率、热的控制能力得到极大的改善。

7.结语

尽管采用LED智能车灯可以优化汽车大灯的散热效果，但是要实现汽车大灯散热的最佳化还需要一段时间。今后，我们还需要不断地探索各种方法，并通过持续的试验来改进其可靠性。

参考文献：

[1]王哲,王永通,刘佳欣,牟运,彭洋,陈明祥.内嵌陶瓷电路板的PCB基板制备及其LED封装性能[J].发光学报,2022,43(07):1139-1146.

[2]卢柏宏,陈军,赵建军.基于LED背景墙的电影虚拟化制作中的照明技术研究[J].现代电影技术,2022(07):10-19.

[3]丁文荣.LED前照灯光学及明暗截止线梯度设计研究[D].江苏大学,2021.