高亮LED水冷方案在汽车方面的应用
摘要：随着以氮化镓为基础的材料技术的发展，高亮度的白色LED灯在过去几年里蓬勃发展，在很多地方都得到广泛应用，例如：户外照明、作业和装饰性照明以及飞机和汽车照明。本文旨在研究一种有效的应用于汽车前照灯的主动冷却溶液（液冷）解决方案。在研究中，本文从器件层到电路板层到整个系统层全面进行了散热设计。空气冷却和非能动液体冷却方法也被调查并且被判定在不合格的范围内。因此，选择了主动液体冷却法。对主动式液体冷却系统的几种配置进行了研究和优化工作，最终实现最优性能。
1.概述
由于体积小，种类多，与白炽灯光源相比性能更佳，现在，LED广泛应用于汽车外部。例如：刹车灯、转向指示灯和尾灯。随着较高的光功率输出，车辆用的白色LED正向照明正在研究中。尽管LED的许多特性使其成为一种非常有前途的汽车光源前照灯，但是，白色LED作为汽车前照灯使用的研究还处于初级阶段。目前，LED仅在一些概念车中作为前照灯出现，没有专门应用于前照灯。
目前，LED提供了一种高成本但流明输出不足的应用于生产汽车的解决方案，合格标准的每盏前照灯需要输出750lm，然而，由于LED平均电流输出只有40lm/w，达到标准需要更多的LED和更高的驱动能力。
随着对光输出的需求增加，驱动LED的功率不断增加，LED最终的封装管理对他们的效率、性能和可靠性有很大影响，对这些设备来说也越来越重要。
由于二极管节点温度升高，会导致LED的效率降低，发射波长变化，因此，LED的工作温度必须保持在最大值（e.g.lt;125℃）以下，在最佳温度环境下，LED效率高，色彩变化小。要做到这一点，最终的解决方案必须前面解决各级热设备之间的问题，包括封装、板和系统级别。商业上该应用中使用裸模壳高亮LED，最终使用计算流体动力学（CFD）在各级上执行热管理模拟以支持寻找合适的热管理解决方案。有关热管理解决方案的设计使用CFD的软件FloTherm。
2.主动液体冷却的选择
2.1从器件到板级别
为该应用选择的LED是CreeXBright900，这是一个900times;900mu;m的商用裸模芯片，他产生的光波长在460到470nm范围内，误差在2.5nm范围内，颜色呈蓝色，有条件的热管理可操作每个LED发电量高达2.7W，这里提出的系统包括15个LED安装在5个板上，每个板上有3个LED。
为了简化安装过程，LED必须单独包装。此外，LED需要加一层荧光粉以转换基于氮化镓的LED从蓝光到白光（可见光谱），光发射器热量是直接从设备到包的活动区域内消散的。因此，必须选择高导热陶瓷，在包装时提供低电阻热通道以及电气绝缘。AlN（k=200w/mk）在这种情况下，拥有非常符合在高功率器件中提供良好的热传导性。计算出的LED和ALN底部之间的热阻包装低于2℃/W。
图1：绝缘金属基板组件（a）AIN带引线连接LED（b）电路层（c）介电层（d）铝基板
然后将ALN（氮化铝）封装安装在绝缘的金属基板（IMS）（图1）。采用金属基板系统提供了热扩散和良好的热通道并大大简化了系统设计。IMS系统由三层组成：铜箔电路层用薄的介电层和金属粘合在一起，底板由铝制成[5]。
电介质是几种不同材料以及不同厚度的组合。比较了IMS系统的三个层次。热量仿真结果表明，优化板应具有厚实的电路层，在极薄的由高热材料制成的介电层来降低热阻的导电性。这个因此，这些层的厚度仅限于IMS系统的可制造性。选择的IMS结构包括70mu;m铜层和75mu;m电介质。导热系数为2.2 W/mk和1 mm的铝芯板层（表1）[4]。
表1：国际检测系统版结构和材料建模
2.2系统级——空气冷却
前照灯应用需要向前发光。为此，光学设计需要IMS系统面板安装在45°方向，对于被动空气冷却，散热器直接安装在IMS板后面。在真实应用程序中，整个系统被放置在前照灯外壳，通过对流减少散热。由于前照灯内部空间的限制，散热器的尺寸受到限制。因此（图2），LED结温远超过其最大值125°C。
图2：前照灯的温度分布被动空气冷却组件（Tj=200°C）。
本文还对主动风冷进行了研究。但是，由于空间和外壳的限制要求高流量风扇的数量。这是不切实际的可靠性、成本和装配观点。因此，选择液体冷却液进行进一步分析。
2.3 系统级-被动液体冷却
两种可能的被动液体冷却配置研究对象：被动式闭环和热管。仿真结果表明，被动闭环可以达到所需的冷却水平以保持LED接头温度远低于其最大值工作温度。然而，在被动系统中，流体的运动是由浮力实现的。因此，这些系统要求换热器放在热源上方，以这种方式加热较轻的液体（水）会向上流动重力冷却。然而，尽管从热的角度来看，它不是一个合适的前照灯冷却解决方案，因为前照灯设计需要热交换器应位于LED模块下方。
对于热管溶液，循环热管系统是用于循环系统，但是，因为此应用每个LED板需要可调，因此，热管需要灵活性，大大增加了冷却液的耗费。从可用的柔性热管产品（如Thermotek、DAU），价格可以达到每单位1000美元。同样，尽管可从热力角度看，循环热管系统由于工程和成本原因，不是合适的解决方案考虑事项。因此，高亮度的冷却液应用在汽车的LED中变成主动液体冷却。
3、主动液体冷却
3.1 系统结构
液体冷却系统由泵、冷板组成。热连接到热源（IMS板），一个储液罐和热交换器。组成部分是由柔性软管连接，形成闭合回路。由于每个电路板必须单独可调，因此每块板上都装有单独的冷板。由于重量和体积限制，事实上远近光灯不同时打开时，一次单独的热交换由远光灯（HB）和近光灯（LB）分享。这样，热量的大小换热器可以增加一倍，从而增加热量提供耗散。热交换器包括带液冷底座的散热器。由于它的较好的热性能和可用性，最适合冷却液的液体是水加上一定比例的添加剂（例如防冻剂乙二醇、抗藻、抗真菌等）。这里考虑了几种配置。为了减少损坏泵，从而提高其可靠性，泵只能看到“冷”的液体。先用五个研究了LB-HB并联电路（图3）。虽然从热的角度来看是最佳的，但是解决方案需要两个歧管加上两个不同的软管部分，这使得系统过于复杂，因此，在这种情况下不是最佳选择。
图3 ：冷板和热交换器设计和它们的软管连接
第二种解决方案由相同的5 lb-hb冷板电路组成，但串联在一个回路上。回路较长，因此压降较高。热模拟结果表明，回路中的压力远远低于标准压力头，因此，压降不应对液体冷却液的热性能产生有害影响。
最后，提出了一种替代设计，包括一个液体回路通过所有LB冷板串联，接着是HB串联，然后进入加热交换器（图4）。这个设计展示了具有数量较少的软管的优点（14而不是17），较短的软管允许调整两个横梁，安装更简单。热模拟结果表明最后一组三个LED的温度（最后一块板位于循环）比第一组中的温度高5°C以下。
图4：主动液体冷却配置——液环串联所有LB冷板，接着是HB串联，然后进入加热换热器
使用Flotherm建模的系统配置是如图5所示。
图5：全自动液体冷却的全模型前照灯外壳内的近光系统（如图所示在图4中）
3.2.热优化
3.2.1.液体流量优化
图6显示的计算温度为额定（零压力）泵流函数阿斯泵浦的额定流量增加，温度下降。然而，流量高于0.12 L/S，减少的幅度较少。
图6：LED结计算温度（蓝色）和IMS板温度（红色）作为额定流量（额定压头为25kpa）
图7显示了名义流量和实际流量的计算关系。压力降对于低名义流量的影响是微不足道的。然而，流量增加，液体冷却的压力下降，回路限制实际流量。图8显示了这种关系在回路和额定流量为0.12 l/s，额定压头（无流量）为25 kpa。结果表明所选的泵将运行在其推荐的操作范围内。
图7:计算的实际流量是泵的额定（零压力）流量
图8:液体的压力与流量特性冷却回路和线性泵特性
3.2.1热交换器（散热器）优化
散热器的设计依赖于外部条件散热器，如气流类型和操作确定组件放置的环境和空气流量[6]。在这个应用中，由于水槽水平放置，无优先流。因此，为了减少重量，为散热器选择管脚配置。
在最佳散热片的设计有许多参数需要考。像管脚长度、数量、基底厚度等。由于LED温度的一些参数相互冲突的影响，这些参数的调查通过迭代过程。在这种情况下所研究的参数包括如下（见图9）：
1）散热器底座厚度（t）。 因为冷板下面已经把热量扩散到整个区域，基底厚度对LED温度的影响非常小。由于重量限制，它应该在机器能承受的条件下尽可能地薄。剩下的优化，设置为5毫米。
2）散热器高度（h）。热量的总高度水槽等于基础厚度（t）加上管脚高度（H）。管脚的高度是最主要的优化中的参数。因此，从热的角度看，它应该和在散热器的限制范围内，不应该挡住外面的光线。
3）管脚长（L）。计算出的最佳值为4.5毫米。然而，LED的灵敏度针长上的温度对于周围的影响小才是最佳。根据模拟结果，3.5到6 mm之间的值造成的增加值小于1°C。因此，此范围适用于此应用程序。
4）管脚宽（W）。计算出的最佳值为9mm。与管脚长相同，小变化范围仅在7.5到10 mm之间会使温度稍微升高。
5）X方向的管脚数（nx）。这个计算出的最佳值为40，对应管脚间距为5.1 mm。再次，从热模拟，任何数字都在范围内在这种情况下，35到45之间的可以满足工作要求。
6）Y方向的管脚数（ny）。由于前照灯空间有限，最大这里提到的数字在最宽的边上，在窄端数字将变小。这个计算出的最佳值为7，对应于间距为4毫米。7以上的值也可行。
7）实现的最佳散热器的总重量在铝中小于800克。
图9：散热器参数和尺寸
一些参数的优化取决于其他（例如管脚长和管脚宽）。因此，他们在优化过程中同时考虑最优化过程（见图10）。
图10：LED温度与针长的函数关系和引脚宽度。a）三维视图和b）轮廓图
其他参数（如针数）是独立的，因此可以单独优化（图11）。
图11：LED温度作为引脚的功能X（菱形）和Y（正方形）方向的数字。
总之，本应用程序优化散热器的尺寸如下（所有尺寸单位为mm）。
优化设计
t = 5, H gt; 30, h gt; 25, l = 4.5, w = 9, Nx=8, Ny=7
允许设计偏差（lt;1°C增加连接T）
3.5lt;llt;6, 5lt;wlt;10, 35lt;Nxlt;45, 7lt;Ny
4.总结
本文演示了高效液体冷却液的优化为新型前照灯定制的亮度LED应用选择。
根据调查发现，空气和被动液体冷却不足以维持LED结温度或低于其最大允许水平或在实际应用中实现不可行。而这些解决方案将适合从纯热点视图，光学和机械设计不被考虑在内。因此应当寻求合适的热管理解决方案。
因此，选择主动液体冷却作为在这些情况下的最佳冷却液。本文对几种不同的主动液体体系结构冷却进行了研究和比较。让液体流动和散热器的热优化为了最大限度地提高热性能而进行的。在寻找最佳热解的过程中，热管理不是唯一需要关注的因素；所有可制造性、产品等相关问题同时也考虑了规格。随着亮白色LED的发展，特定光输出所需的驱动功率在未来持续下降。因此热耗散也会减少。降低了功率对系统和低散热的要求，冷却液可以再次简化为被动空气冷却。
5.确认
这项工作部分得到了欧洲国家的支持通过FP6运输项目ISLE进行调试（合同TST3-CT03-506316）。作者希望感谢拉斐尔·乔丹（图柏林）和约琴·库泽（Global Light Industries GmbH）进行富有成效的讨论以及他们对这项工作的支持
6.参考文献
1. Pearson, T., Mounier, E., Eloy, J.C., Jourdan, D.,“Solid-state lighting in the automobile: concept,
market timing and performance,” LEDs Magazine,pp. 25-27, Apr. 2005.
2. Flomerics Ltd., FloThermTM 6.1 Instruction Manual,2005.
3. Cree LED Lighting Website [Online]:http://www.cree.com.
4. Lai, Y. and Cordero, N., “Thermal management of bright LEDs for automotive applications,” Proc. Of the 7th EuroSimE Conference,
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