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【技术文章】高分辨率前照灯热管理面临的挑战与机遇

发布时间:2021-08-03

浏览次数:134

原文:《Challenges & opportunities for thermal management of high resolution headlamp》

作者:Chun WANG, Ying LEI

编译:王阳  张欣瑜

指导:林燕丹


高分辨率前照灯技术

       随着照明技术的发展,前照灯光源不断升级以满足日益增长的需求。LED以其灵活、高效、寿命长的优点,取代了卤素灯和氙灯,成为主流光源。为了适应智能驾驶的发展趋势,前照灯设计进入了新一轮的交互式技术革命。基于真实路况输出信息的高分辨率技术,如数字投影照明,将是未来的一支生力军。

       数字投影照明以数字化光信号处理(DLP)技术为基础,其重要部件是数字微镜器件(DMD)。通过DMD上的数百万个微反射器,可以更精确地控制光路,甚至在公路上实现绘画。这需要更高的光通量,与此同时LED的功率可以达到55W甚至更高,这远高于传统LED前照灯的15~30W。

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DLP投影系统

功率增加会导致LED结温升高,输出光通量降低,有效寿命缩短。研究表明,随着结温的升高,LED的寿命将呈指数下降。为了保持其稳健性,必须给前照灯配备更有效的冷却系统。



传统冷却方案
从对流的角度,冷却系统可分为主动冷却和被动冷却。主动冷却系统由LED板和带轴流或离心风机的散热器组成,被动冷却系统由LED板和散热器组成。无论是使用被动还是主动冷却系统,散热片都是冷却系统的重要组成部分,它为从LED光源到周围介质的热量提供通道。其主要功能是在特定工作温度下保持LED结温。


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                                                                                                       (a) 被动对流                                (b)主动对流  

     对于传统的LED前照灯产品,无论是直接或间接的光学设计,散热片、风扇等强制风冷系统都能在散热上提供支持,甚至可以支持ADB模块和矩阵LED模块。但对于高分辨率的前照灯,由于功率远高于传统的LED前照灯,DMD上光辐射更多,导致其温度升高。这就要求在高温时降低LED功率以保护DMD。用以下模拟来说明这一点:对于采用强制风冷系统,铝散热器热阻为1.5℃/W,仿真的DMD温度为104℃,LED 结温为121℃,此时,面对高温条件,光通量输出将下降50%以上,不能保证良好的光学性能。

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(a) 强迫风冷系统      
(b)模拟结果


热管冷却方

      热管是一种两相传热装置,基于液体在封闭的真空通道中蒸发和冷凝进行热交换,其效果远好于热传导。对于热管冷却系统,热管散热器热阻为1.2℃/W,比传统冷却系统降低20%。DMD温度为100℃,LED 结温为117℃,在高温条件下,光通量输出下降了40%,与传统冷却系统相比,光学性能提高了10%。


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(a) 热管示意图     
(b)模拟结果
      此外,随着前照灯造型的窄长化趋势,热管冷却系统在前照灯设计上有其独特的灵活性:由于热管具有较高的导热系数,热源与散热器之间的距离对传热影响不大,当其距离从10mm增加到60mm时,DMD和光源温度的增加都低于1℃,从而可以增大内部空间,解决冷凝问题。

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(a)热源和散热器之间的距离    
(b)模拟结果

水冷方案
   水冷是一种高效的冷却技术:由于冷却介质水的高比热容,它能以较小的温升带走更多的热量。水冷系统如下图所示。从热源到散热器的热量通过热传递被水带走,由散热器控制水温。



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水冷系统示意图

数字投影模块水冷系统如下图所示。假设冷却介质为90℃发动机冷却水,模拟结果表明,水冷散热器的热阻为0.5℃/W,比传统冷却系统降低了67%。DMD温度93℃,LED结温115℃。在高温条件下,光通量输出下降25%,与传统冷却系统相比,其光学性能提高了25%。结果表明,水冷系统比热管冷却系统效率高,热性能和光学性能均有明显改善。

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(a)水冷系统 
(b)主动对流
       如果有额外的风扇和散热器进一步冷却发动机冷却水,水温可降至90℃以下。为了研究水温对DMD和光源温度的影响,本文比较了从70℃到90℃的5种不同的进水温度。对比发现,当水温低于80℃时,光源无需减额来保护DMD。在这种条件下,与室温相比,高温的输出光通量下降了15%。


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水温对DMD和光源的影响

前沿冷却技术
        除上述冷却方案外,还有其他一些前沿技术可以应用于前照灯,如离子风扇。离子风的产生原理如图。根据正负离子的中和原理,正离子从发生器传输到收集器,并与负离子中和,在这个过程中,会有稳定的气流,风速可达2.4m/s,这与前照灯机械风机相当,但其面积为3cm²,为机械风扇的1/8。


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(a)离子风示意图
(b)EHD风机

(c)离子风机应用



四种冷却方案对比
       针对上述不同的冷却技术,本文从冷却效率、散热器体积、灵活性和成本角度分析了其优缺点,为选择合适的冷却方案提供了参考(如下表)。通过对4种方案的比较,从冷却效率的角度来看,水冷方案是比较好的,但由于水循环和水温保持系统的特殊性,成本和灵活性都不好。热管解决方案比传统解决方案具有更好的冷却效率,并且由于热管的高导热性,散热片可以放置在灯具中任何有空间的地方,这意味着热管可以将热量传导到任何地方,它可以解决热问题,还可以解决冷凝问题。对于离子风机冷却系统来说,体积小给设计带来了更大的灵活性,但其成本较高,应用领域将非常有限。


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