【汽车】点亮前灯设计

wayne · 发表于 2017-11-25 12:19

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通过使用仿真优化LED汽车前灯的散热器设计， Momentive Performance Materials（迈图高新材料集团）成功缩短了物理测试所需的时间。通过仿真获得的前灯设计，不仅亮度增加两倍，同时将工作温度保持不变。

用作测试案例的售后市场LED前灯

发光二极管(LED)越来越多地被用作汽车前灯，据估计到2020年将有20%的汽车都会安装LED前灯。LED的低能耗有助于改善能效，同时其小尺寸方便工程师更加自由地开展时尚创新设计。阻碍LED普及应用的最大障碍是热管理。一般来说，70%的能量被转化成热量。LED比替代性照明技术具有更强的热敏感性，因为和其他半导体类似，它们的结温必须保持在较低水平才能正常工作。大部分LED前灯使用铝或铜散热器，通过强制风冷或液冷来耗散热量。

Momentive Performance Materials (Momentive)已经研发出热解石墨(TPG)，这种新材料的热导率是铜的四倍，重量是铜的四分之一。TPG的高热导率源自分层结构的高定向石墨晶体。为了向汽车应用推销这种新材料，Momentive着手研发能够改善现有LED前灯性能的最新散热器设计。优化设计需要使用大量原型，而制作和测试一个原型就需要几个星期的工作，但是通过使用ANSYS Fluent计算流体动力学(CFD)软件，Momentive工程师仅在15分钟内即可准确预测替代性热管理设计的性能。在一般的应用中，工程师通过仿真证明了TPG能够利用相同的基本热管理设计使LED的亮度加倍。作为备选方案，工程师通过去除用于强制风冷的风扇，不仅能降低热管理成本和能耗，提高前灯的可靠性，同时还能保持亮度不变。工程师制作了最终设计的原型，并将LED装配体测得的性能与仿真性能预测结果对比，两者非常吻合。

原始LED装配体设计的仿真结果显示了热流中存在瓶颈。

修改LED装配体设计以利用TPG散热器翅片

使用TPG散热器核心和翅片改善LED装配体设计

“把散热器翅片和基座更换为TPG材料，可将LED的输入功率提高两倍，LED的亮度加倍。”

仿真原始设计

售后市场LED前灯的二极管结温必须保持在120摄氏度以下。原始设计使用散热片、散热器基座和翅片、以及电扇进行散热。Momentive工程师使用ANSYS CFD为装配体的所有组件建模，并将每个组件的热导率添加到模型中。工程师把两个LED的30瓦总输入功率的70%作为热输入，并将其设定为LED芯片内的体积热源。该模型使用每分钟3立方英尺的强制气流进行仿真。仿真预测的总热阻为5.9C/W。此外，该设备还在LED芯片、LED散热片、散热器基座、散热器翅片和灯外壳处安装了热电偶。当温度达到均衡后，工程师在每个位置采集了不同输入功率下的温度值。仿真预测的温度特性与实验数据吻合，确认了仿真的准确性。

改善翅片设计

根据对基线模型的研究，工程师发现散热器翅片和散热器基座是热流的瓶颈。下一步是修改散热器翅片和散热器基座设计以改善热传导，并通过CFD建模验证它们的性能。Momentive工程师将模型中的散热器翅片材料修改为TPG核心加锡镀层的层压材料。由于石墨层间的范德华力较弱，因此TPG是一种柔软的材料，它通常必须被包含在某种结构元件中。在这种情况下，工程师发现薄的锡镀层能保护TPG材料免受湿气和磨损的影响，同时还能直接将TPG材料回流焊接到铝制基座。TPG材料的高热导率能让热量更均匀分布在整个翅片结构上，从而更高效地利用翅片的表面积。仿真结果得到的热阻为4.7 C/W，比基线设计的热阻低20%。

“Momentive工程师正在广泛使用仿真技术，以展示TPG热管理解决方案的众多优势和减少产品研发周期。”

改善核心设计

使用TPG散热器核心和翅片的LED前灯仿真有助于将热阻降低49%

使用TPG散热器核心和翅片的LED仿真结果显示，同等温度下的热阻降低49%、功率增大104%（与物理测量结果吻合）

接下来，Momentive工程师仔细查看设计，改善了散热器基座狭窄颈部处的热流。第一步是把T形TPG片用铜焊接到有T形凹陷的铝外壳上，以替换这个位置。用金属处理的TPG材料和铝外壳组件之间的高温铜焊点能提供理想的热接口和高粘接强度，可确保在连接LED芯片和TPG翅片时能够承受下游焊接温度。仿真显示TPG散热器基座可减少沿散热器基座和散热器翅片间狭窄颈部的温度梯度，并增加向空气耗散热量的有效面积。与3.0 C/W的额定热阻相比，使用TPG散热器核心的LED仿真结果显示热阻进一步下降29%。与基础设计相比，热阻总体下降49%。

仿真得出的结论是，就这个具体应用而言，将散热器翅片和基座更换为TPG材料时，与基线设计相比可将LED的输入功率提高两倍，LED 的亮度加倍，同时保持LED的结温不变。根据上述设计制作的LED前灯原型的测量结果，随后验证了仿真结果的准确性。进一步的探索显示，该前灯无需电扇即可在现有的30瓦功率水平下运行，从而有效降低前灯的成本、重量和能耗，并且通过消除潜在故障点提高了可靠性。接下来，Momentive工程师将广泛使用仿真技术，向汽车、航空航天、电信和国防行业的客户展示TPG热管理解决方案的众多优势。在设计流程中尽早使用仿真对所有大功率电子产品的能效与性能而言都十分重要。此外，仿真还能把改进后的设计优势展现给潜在客户。

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