LED 汽车灯散热器结构设计与散热分析[陈锦华等]

作者：陈锦华，何邦贵，周光盛 （650500 云南省 昆明市 昆明理工大学 机电工程学院）

发表时间：2021年7月

[ 摘要 ] LED 车灯亮度高、光色可调节、能环保，使用寿命长、元件体积小、质量轻、防眩目干扰，但由 于其在实际应用中，大部分电能转化成了热量，因此提高 LED 散热性能成为提高 LED 可靠性的关键技术 之一。运用 ANSYSIcepak 软件对 LED 汽车灯散热器的散热设计进行结构散热仿真分析，研究散热器三维 模型结构的改变和采用强迫风冷散热对 LED 结温的影响。对比不同结构的散热器，分析并得到稳定工作 的热分析图，得出一种散热效果最佳的结构，使得 LED 发光芯片处温度均在合适范围内。 

[ 关键词 ] LED 车灯；散热设计；热分析；ANSYS

0 引言 

汽车大灯不仅关系到一款车型的外貌，而 且与夜间行车及不良气候环境中的安全驾驶紧 密相关。20 世纪末，高亮度 LED 的发明在技术 上和批量生产上为汽车灯光源 LED 化铺平了道 路。从目前的车灯市场来看，LED 车灯无论在 车辆原配还是改装市场中占比越来越重。但是， LED 高功率产品的输入电能只有 15％ ~30％转 换为光能，剩下 70％ ~80％均转换为热能。由 于电子元器件的失效率随温度的升高而升高， 电子元器件的温度每升高 10 ℃，其失效率就会 增加一倍左右，同时电子设备的平均使用寿命 也会随着工作温度的增高而下降，因此对 LED 汽车灯散热器结构进行散热仿真分析和优化设 计就变得更加重要 。 

在设计 LED 发光芯片时，为能更好地控制 结温，对于散热，主要考虑提高发光芯片向外壳 传导热量的能力和提高外壳向外界散热的能力。 

本文利用 UG 进行三维建模并使用 ANSYS Icepak 软件进行散热分析，分析在采用强迫风冷 散热条件下，LED 汽车灯散热器的三维模型结构 的改变对散热性能的影响，并根据实际情况对散 热器结构进行优化设计。

1 理论分析 

1.1 热传导 

热传导是同一介质或不同介质间由于温差所 产生的传热现象。导热基本规律由傅里叶定律给 出，表示单位时间内通过给定面积的热流量，其表达式为

式中：Q——热传导热流量，W；λ——材料导热 系数，W/（m·℃）；A——垂直于导热方向的截面积， m2 ；t——沿等温面法线方向的温度梯度，℃ /m。 

1.2 对流换热 

对流换热是保证电子设备散热的主要方式。 对流换热是指流动的流体（气体或液体）与其相 接触的固体表面之间，由于不同温度所发生的热 量交换过程。其中，对流换热分为自然对流和强 迫对流，两种方式下的对流换热系数以及热流密 度如表 1 所示 [6]，自然对流是因为冷、热流体的 密度差引起的流动，而强迫风冷是由外力迫使流 体进行流动，是因为压力差而引起的流动。 对流换热可以使用牛顿冷却公式表达：

式中：Q——对流换热量，W；h——对流换热系 数，W/（m2 ·℃）；A——壁面的有效对流换热面积， m2 ；tw——固体表面的温度单位，℃；tf——冷却 流体的温度单位，℃。 

表 1 流换热系数及特性表 Tab.1 Flow heat transfer coefficients and characteristics

2 建立模型 

2.1 几何模型 

发光源是车灯的核心，现在广泛应用在汽车 上的是卤素大灯和氙气大灯，如图 1 所示。 

图 1 汽车大灯 Fig.1 Auto Lamp

分析原型为某公司的 D2H 型 LED 散热器， 对其基础模型进行散热情况的模拟，并对其结构 进行优化设计，具体参数见表 2、表 3 和表 4。 在实际使用中，热量从芯片产生，由 PCB 板传到散热器。其中，芯片与 PCB 板上有导电胶， PCB 板与散热器间涂有导热胶。D2H 型 LED 散 热器整体结构装配图和爆炸图分别如图 2 和图 3所示。本文主要研究 LED 散热器的结构优化， 可以忽略导电胶和导热胶。 

表 2 散热器参数 Tab.2 Radiator's performance parameters

表 3 翅片的结构尺寸 Tab.3 Structural dimensions of fins

表 4 散热器主要材料热系性能参数 Tab.4 Thermal system performance parameters of main radiator materials

图 2 整体结构装配图 Fig.2 Entity model assembly drawing

图 3 整体结构爆炸图 Fig.3 Entity model exploded drawing

2.2 理论模型 

散热器采用强迫对流，风扇强制空气对流换 热系数取值范围为 30~100 W/(m2 ·K)。

PCB 上共有 12 颗 LED 发光芯片并对称安装于 铝基板两面，其内部结构复杂，因此将其简化成一 个长方体，长度 1 mm，宽度 1 mm，高度 0.23 mm。 因为 LED 发光芯片较小，可将其简化为一个热 源面 [7]，并假设每颗 LED 的性能完全相同。本 文主要分析 LED 汽车灯散热器结构对散热的影 响，简化 LED 发光芯片处温度，模型简化符合 实际情况。对散热器采用非结构化六面体划分网 格。环境温度为 20 ℃。强迫风冷散热，Icepak 自动求解出雷诺数 Re=5.351 03 和贝克莱特数 Pe=3.791 03，确定使用湍流。LED 汽车灯总功率 20 W，每个灯珠 1.6 W，光电效率为 20%，总热 功耗为 20 W×80%=16 W。 

对散热器采用非结构化六面体划分网格如图 4 所示。网格划分 element：178 144。图 5 为温 度分布云图。从图中可知结温为 83.97 ℃。

l 图 4 散热器模型的网格划分 Fig.4 Grid division of radiator model

图 5 散热器模型温度云图 Fig.5 Temperature cloud map of radiator model

3 散热结构设计及温度测试 

3.1 散热器翅片高度设计的优化分析 

原始模型翅片高度为 12 mm，模拟翅片的 高度分别为 8，10，12，14，16，18，20，22，24，26 mm。在不同翅片高度下对 LED 发光芯片 结温的影响如图 6 所示。

图 6 不同翅片高度的芯片结温 Fig.6 Chip junction temperatures at different fin heights

散热器的翅片高度发生变化后，散热器的散 热面积发生了改变。图 6 中可以看出，翅片的高 度在 8~16 mm 区间时，结温下降较快；翅片高度 大于 18 mm 时，结温有上升的趋势。分析可知： 散热器翅片高度的增加，使得翅片换热面积增加， 有利于散热器的散热，但并不是翅片越高散热器 效果越好。由图 6 可知，采用强迫风冷散热，当 翅片超过 18 mm 时，风力减弱，散热效果也减弱。 由此推断，在翅片高度区间在 14~20 mm 中散热 效果最佳。 

3.2 散热器翅片直径设计的优化分析 

原始模型翅片直径为 31 mm，模拟翅片的直径 为 27，29，31，33，35，37，39，41，43，45 mm。在不 同翅片直径下对 LED 发光芯片结温的影响如图 7 所示。

图 7 不同翅片直径的芯片结温 Fig.7 Chip junction temperatures with different fin diameters

在散热器翅片数量不变的前提下，改变翅片 的半径。由图 6 可以看出，在允许安装的最大半 径内，随着翅片半径的增加，直径在 26~34 mm 区间时，结温下降较快，但翅片直径增加到大于34 mm 后，结温下降缓慢。由于风扇风量固定不 变，因此再增加翅片半径对于散热效果不是很明 显。此时，增加翅片只会增加耗材，不会提高散 热效果。由此推断，在翅片直径区间在 45 mm 中 散热效果最佳。

4 结论 

通过分析散热器翅片的直径、高度对 LED 结温的影响发现，当翅片高度大于 14 mm 时，结 温下降较快，而翅片高度大于 18 mm 时，结温呈 现上升的趋势；翅片直径小于 38 mm 时，结温下 降趋势较快，而翅片直径大于 38 mm 时，结温下 降趋势缓慢。当散热器翅片高度为 18 mm，直径 为 45 mm 时散热性能最好。