熱管理方法優(yōu)化汽車(chē)LED照明系統

核心提示：本文講述了能夠幫助汽車(chē)照明行業(yè)實(shí)現最佳熱管理的方法。我們就選擇和測量LED熱特性以及為特定應用選擇最合適的 LED進(jìn)行了討論。由于溫度過(guò)熱可能破壞LED系統的穩定性，我們還討論了車(chē)前燈和車(chē)尾燈等形狀復雜照明系統的熱模擬，以及使用同步計算流體力學(xué)技術(shù)來(lái)設計更高品質(zhì)的產(chǎn)品并以更快、更高效、更經(jīng)濟的方式開(kāi)發(fā)汽車(chē)照明系統。
行業(yè)趨勢
根據麥肯錫公司（McKinsey Company）對全球照明市場(chǎng)的見(jiàn)解，汽車(chē)照明市場(chǎng)目前規模約為180億美元（130億歐元），占整個(gè)照明市場(chǎng)的大約20%，預計到2020年將增至 250億美元（180億歐元）。隨著(zhù)LED（發(fā)光二極管）的發(fā)展，汽車(chē)應用中的LED預計在未來(lái)10年會(huì )顯著(zhù)增長(cháng)?！禠EDs Magazine》2012年11月刊登的一篇文章稱(chēng)，戴姆勒即將面市的S系列梅賽德斯的所有照明系統都將使用LED。2010年至2020年，LED的價(jià)格將減至當前價(jià)格的十分之一，因此相比傳統光源，LED將更具競爭力。
與傳統汽車(chē)照明光源不同的是，LED對溫度更加敏感，不僅僅需要對設計中使用LED的結構和特性有足夠了解，還需要了解從散熱器到冷卻流體的整個(gè)熱管理系統。擁有了這些技能后，照明設計師就能優(yōu)化其設計，確保LED使用壽命長(cháng)久，發(fā)射波長(cháng)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(lái)使用，并推動(dòng)LED在汽車(chē)行業(yè)的全面普及。
在汽車(chē)照明領(lǐng)域使用LED的挑戰
隨著(zhù)光源設計從白熾燈向LED轉變，傳統的熱管理概念已經(jīng)過(guò)時(shí)，需要養成新的思考方式。大多數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(guò)傳導傳遞熱損耗（約60-85%），并對熱管理十分敏感。100瓦白熾燈的電光轉換效率僅為約5%，而LED的轉換效率能達到約15-40%，并且還在不斷提高。
LED的主要熱挑戰是維持高色度穩定性和預期壽命。汽車(chē)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(jiàn)度也頗具價(jià)值，因此更加安全，歐洲經(jīng)濟委員會(huì )（ECE）規定從2011年起所有新款汽車(chē)都必須安裝日間行車(chē)燈（DRL）。
因為車(chē)頭燈和車(chē)尾燈等外部燈幾乎是完全密封的系統（除極小的氣流入口、出口以及普通白熾燈的小開(kāi)口之外），因一個(gè)瑕疵而更換LED是不現實(shí)的。當車(chē)頭燈或車(chē)尾燈多個(gè)LED出現故障時(shí)，只能通過(guò)更換整個(gè)車(chē)燈來(lái)解決。因此，不僅僅是LED，整個(gè)燈具設計都必須具有很高的可靠性和質(zhì)量，因為更換整個(gè)車(chē)頭燈很昂貴；如果還在保修期內，那么系統的原始設備制造商（OEM）和供應商將要花費很大的代價(jià)。
分析熱和輻射行為的特性可確保高可靠性
原始供應商數據表并不總是提供從流體或結構分析中得出精確可靠的模擬結果所需的數據；制造商也不經(jīng)常提供對測量數據誤差的保證或說(shuō)明。因此，您將需要在為您的汽車(chē)安裝應用之前，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體設備套件一樣，可通過(guò)熱阻進(jìn)行很好的特性分析，以實(shí)現穩定運行。熱阻（Rth）數值告訴我們單位熱源應用于設備會(huì )導致溫度上升多少度。

圖1：熱問(wèn)題影響著(zhù)LED套件的方方面面。