发光LED液冷方案在汽车行业的应用

1.介绍  

相对于白炽灯光源，LED的封装尺寸小，形式多样以及优异的性能近来广泛应用在汽车外灯上，如白光LED用于汽车前照灯的应用开始被重视。尽管LED灯以其优良的性能使其在汽车前照灯越来越有发展前景，但使其真正达到能应用在汽车前照灯的白光LED水平还处在起步阶段。目前，应用LED在汽车前照灯只是在一些概念车上，还没有推广普及到民用汽车领域。  

目前LED灯应用在车辆领域中存在光度不够，高成本等有待解决的问题。条文规定车辆前灯亮度要求每个灯需达到750lm， 而目前高亮LED等一般平均输出仅40lm/W，故需更多数量的LED和更高的供电功率使其满足上述标准。  

随着对光通量输出要求越来越高，LED的供电功率也会持续增加。LED封装的散热管理在车辆应用方面越来越需要关注，因为其散热的好坏会严重影响LED的效率，性能及可靠性等方面。  

如果二极管结温过高，就会降低LED效率而且发射波长会发生偏移。因此LED工作温度必须在其最大容许工作温度（125℃）以下，才能使其效率最佳发光颜色偏差不大。所以散热措施采用必须是全方位，全阶段的——从单个器件，封装级，板级到系统级的热分析。裸芯片(die) 发光LED已经进行商业方面的热分析应用。热分析模拟借助CFD（计算流体力学）方法对此类LED各个阶段进行全方位的热分析进而找出较合适的散热方案。本文利用CFD软件FloTHERM进行散热优化措施设计的研究。  

2.主动式液冷方法的选择  

2.1 从器件到板级  

以Cree XBright900型的LED为例。此LED是一个900*900 微米大小的芯片作为商用的裸芯片（die）提供。此LED在2.5nm 空间内产生460-470nm的波长，颜色为蓝色。需要对每个LED散出的2.7W热量进行散热控制。此LED系统是由15个小LED以每3颗分布在5个电路板子上构成的。  

为了简化安装过程，把每颗LED进行单独封装。进而使LED需要通过一层磷光质使GaN(氮化镓)基LED把蓝光转化为白光（可见光）发射出去。产生的热量直接通过器件耗散到封装外壳上。故高导热率的陶瓷片需要选择以提供较小的热阻路径和较好的电绝缘性。AIN陶瓷材料（K=200W/mK）非常适合作为大功率下热耗散的良导体。LED到AIN陶瓷封装底部之间的热阻计算值小于2℃/W。  


  
图1 绝缘金属基本组件（IMS）（a）AIN材料封装用金线连接LED,  

(b)回路层，（c）介电层，（d）铝基板  

AIN陶瓷封装安装在一块绝缘金属基板上（IMS）（图1）。IMS基板提供热扩散和热沉提供良好的热通路进而大大简化了此系统的设计。IMS由三层组成：铜箔回路层、薄的电介层以及铝基板。  

几种材料构成介质层和IMS的三层不同厚度组合的结构进行热分析方面比较发现，最优的板子应该是较厚的回路层以较快速率传递热量加上一层很薄的且导热率很高的介质层以减少其热阻，这些层的厚度由IMS制作工艺来决定。此文所选的IMS结构具体如下表所示：70μm铜层，75μm介电层导热率为 2.2W/mK和1mm厚的铝基板。  

表1.IMS板结构和模型中的材料  


  
2.2 系统级——空气冷却  

应用汽车前照灯要求光必须是向前照。为此需要把IMS板安放在前照灯组件后面的45度面处。对于被动式冷却，热沉直接就安装在IMS板的背面。在实际中，整个系统应放在前照灯的空腔里通过对流进行换热。由于空腔尺寸有限，热沉的尺寸收到了限制。如图2 所示，LED的结温远远超出其最大容许值125℃。  


  
图2. 被动式冷却方案前照灯剖面温度云图（Tj=200℃）  

主动式空气冷却也进行了研究。然而由于其内在的空间以及周围件的约束采用较大数量的高速风扇是不可行的。从其可靠性，成本及加工方面考虑都是行不通的。综上所述，液冷措施被确定为下一步研究方向。  

2.3 系统级——被动式液冷  

有两种被动式液冷可以考虑：被动式封闭循环和热管两种方式。  

模拟结果说明被动式封闭循环可以达到要求，可以使LED的结温能维持在最大容许工作温度下。然而被动式系统中液体驱动力是通过浮力来获得的。因此，此系统需要一个热交换器放在热源上，里面形成的较热、较轻液体（如水）将上行抵抗重力被冷却。虽然从热的角度看是可行的，但实际中此方法并不适合对前照灯进行冷却，因为前照灯设计里要求热交换器必须放着LED灯具的下面。  

对于热管冷却的办法，一个循环热管系统只是一个系统内的热量循环。然而，需要每一个LED板都需单独装上一套热管系统进而大大增加了整个LED灯具冷却系统的成本。灵活的热管产品（ 如Thermotek，Dau）其价格每个大约在1000$。况且，即使单从散热分析的角度考性可行，但由于其工程难度和成本方面看，采用热管方式冷却也是不可行的。  

综上所述，解决汽车行业应用高亮LED所需的冷却措施需要投向主动式冷却办法。  

3.主动式冷却  

3.1 系统结构  

液冷系统包括如下：泵，连接热源（IMS板）的冷板，蓄水池和热交换器。它们之间用管子连接构成封闭的回路系统。  

鉴于每一个板子都要调整，故每个冷板需要单独贴在每个相应的板子上。由于重量和体积的限制，以及远光和近光不会同时开启，故远光和近光共同使用一个热交换器。进而可以用加倍体积的换热器带走更多的热量。换热器是由热沉及底部液冷盘管构成。考虑到热特性和易用方面，冷却系统采用的工质主要是用增添添加剂的水（添加剂如：防冻液，乙二醇，抗藻及抗菌剂等。）  

有几种组合方案可以考虑。为了降低对泵的损坏和提高其可靠性，故泵的液冷部分是可见的。第一种方案是五个近光和远光（LB-HB）循环系统平行放置（图三）。从理想的热分析角度去看，需要两套岐管加上两个输水软管及连接部件。然而此方案使整个系统变得太复杂，因而不宜采用。  


  
图3 冷板和散热器设计及软管连接  

第二种解决方案由同样的5个LB-HB冷板回路构成，但是之间的链接用一个单循环构成。此循环路径很长导致压降很大。热分析模拟结果表明回路的压降值正好在泵压头一下，故不会对此冷却系统造成散热方面不利的影响。  

最后，一个备选的方案推出，此液体方案是一个回路通过一系列近光灯（LB）冷板，然后通过一些列远光灯（HB）冷板，最后经过散热器（如图4）。此设计的优点是管子数量从17根减到14根，较少的管子数有利于两种光单独进行调整进而易于安装。热分析表明此方案中在整个回路里最后一个板子上的3个LED的结温仅比第一方案中对应的结温高5度。  


  
图4 主动式液冷装置结构：液冷回路连接所有的LB冷板然后流入HB板进而流入散热器  

图5是应用FloTHERM分析建立的三维仿真模型。  


  
图5 在前照灯空间内完整的近光灯系统的主动式液冷全模型  [page]

3.2 散热优化  

3.2.1 液体流动优化  

图6所示在泵的名义流量变化下（压降为0）模拟计算的LED温度的变化曲线。随着泵名义流量的增加，LED结温逐渐下降。然而，当流速高于0.12 l/s后，结温变化不显著。  


  
图6 计算得到的LED结温曲线（蓝线）和IMS板温度（红色）  

图7 表明了名义流量和实际流量之间的关系。对于较低的名义流量下流体的压降变化很小，然而随着流量增加液体回路的压降限制了实际流量。图8所示回路中压降和流量之间的关系和泵的线性特征在名义流量0.12l/s 和名义压头（无流量时）25kPa的关系。结果表明封闭的泵需要在合适的工作点范围内运行才比较合理。  


  
图7 泵的名义流量和实际流量对比曲线  


  
图8 液冷式回路和泵的线性特性组成的压力和流量特征线  

3.2.2 热交换器（热沉）的优化  

散热器的设计取决于其外部的条件，如空气流动的类型和工作环境，这些都决定了器件的摆放位置及空气流速。在本例中，热沉被水平放置，因为流动方向不能选择，故为了降低整体重量需要对散热器的齿片形状进行选择。  

散热器外形优化有很多参数需要考虑，如齿片长度，数量，基座厚度等。由于上述参数都会对LED温度有影响，故需要迭代程序对一系列参数进行*估。下面是对系列参数的研究结论：  

1）热沉基座厚度（t）。基于其连接冷板下面进而把热量传递到整个面积上，故基座厚度对LED温度影响很小。为了减少热沉重量，在机械方面容许的情况下尽可能减少厚度。确定选择厚度为5mm。  

2)热沉高度（H）. 热沉的整体高度等于基座厚度(t)加上齿高(h)。齿高大小事此优化中最重要的参数。尽量的采取较高的尺寸，但注意不能遮挡光的限制。  

3）齿片长度（l）。计算最优值是4.5mm。然而LED温度对于齿片长度在最优值附近波动的敏感度很小。根据模拟情况，其值在3.5-6mm之间变换时温度波动小于1度。所以在上述范围内齿片长度都是可以行的。  

4) 齿片宽度（w）。计算最优值是9mm。类似于齿长，齿宽在7.5-10mm之间变化时，温度波动很小。  

5）X方向齿数（Nx）。计算最优值40个，及此方向齿间距5.1mm。从热模拟结果看，此算例中X方向的齿数在35-45之间变换。  

6)Y方向齿数（Ny）。由于前照灯空间的限制，在最宽的边上放尽可能多的齿，最窄边放较少的数量。经计算最优值在为7个,其间距为4mm。7个以上也是可行的。  

7）铝质散热器的最终优化热沉重量少于800克。  


  
图9 热沉参数及三维尺寸  

因为此系列优化参数之间会互相影响（如齿长和齿宽），故在整个优化过程中需要同时考虑这些因素。（见图10）  


  
图10 齿长和齿宽相互变化时LED温度的变化A)3D视图B)剖面图  

其它参数（如齿数）是独立参数，可以单独进行优化（如图11）。  


  
图11 LED温度和齿数的关系（X方向：深兰色；Y方向：粉色）  

总之，优化后的热沉尺寸如下所示（单位：mm）  


  
优化结果  

t=5，H>30,h>25, l="4".5,w=9,Nx=8,Ny=7  

可微调的参数（结温变化小于1度）  

4. 结论  

此文阐述了对于高亮度LED灯应用在创新型汽车前照灯时采取的主动液冷方式及其优化。  

文中说明了空气冷去和被动液冷的方式要么不能满足LED结温最大容许温度要么无法在实际中实现。虽然有的方法单从散热分析的角度来看是可行的，但考虑到光学和机械方面又不能满足要求。因此为了找到合适的散热管理方法需要对前照灯设计进行全面考虑。  

基于此主动式液冷方式被确定为最适合的优化方案。此文阐述了几种不同的主动式液冷方案并进行了对比研究。散热优化还包括了液体流动优化和热沉优化进而最大可能的提高其散热性能。在整个优化方案寻优中，热方面不是唯一考虑的因素，所有相关的方面都加以了考虑如工艺制造和产品具体要求等方面。  

随着高亮度白光LED的发展，将来对特定光的供电功率会进一步持续降低。因此热耗散量也会降低。随着对系统加电功率的降低和热耗散量的减少，冷却方式可能又会采用被动冷却的方式。