汽车 LED 车灯散热结构优化设计与性能分析

引言

随着汽车照明技术的快速发展，LED 车灯因其高能效、长寿命和设计灵活性等优势，逐渐取代传统卤素灯和氙气灯成为主流选择。然而，LED在工作过程中产生的热量若不能及时散出，将导致结温升高，进而影响发光效率、色温稳定性和使用寿命。因此，高效的散热结构设计成为汽车LED 车灯研发的关键技术难题。

汽车LED 车灯散热需求

LED 车灯的散热需求源于其基本工作原理和热特性，与传统照明光源不同，LED 将大部分输入电能转化为光能的同时，仍有相当比例的能量以热能形式释放。研究表明，目前商用 LED 的光电转换效率约为 30–40% ，这意味着约 60‰ 的电能最终转化为热量。这些热量主要产生于 LED 芯片的 PN 结区域，如果无法及时传导出去，将导致结温迅速升高；LED 的性能参数与温度密切相关，实验数据显示，当结温超过临界值（通常为120-150^∘C ）时，LED 的光输出会显著下降，发光效率（流明/瓦）可能降低20.30% 。同时，高温还会加速 LED 器件的老化过程，使其寿命呈指数级缩短。据测算，结温每升高 10^∘C ，LED 的预期寿命将减少约 50% ，此外，温度不均匀分布还会引起色温漂移，影响车灯的光学性能。汽车LED 车灯的工作环境更加复杂多变，进一步增加了散热设计的难度。在夏季高温条件下，发动机舱内的环境温度可能达到 80^∘C 以上；而在寒冷地区，又需要应对极低温度下的热循环应力。同时，汽车行驶中的振动、灰尘和潮湿等因素也对散热结构的可靠性和耐久性提出了更高要求。这些特殊工况使得汽车LED 车灯的散热设计必须兼顾高效性、紧凑性和环境适应性。

2 汽车LED 车灯散热结构优化设计与性能分析

2.1 散热结构的材料选择

散热结构的材料选择直接影响汽车LED 车灯的热管理性能。理想的散热材料应具备高导热系数、低密度、良好加工性和适宜的成本。铝合金是目前应用最广泛的散热材料，特别是 6061 和 6063 系列，其导热系数约为150-200W/ （m⋅K） ，同时具有优异的铸造和加工性能。近年来，高导热铝合金如ADC12 等压铸合金在车灯散热器中得到更多应用，其导热性能可提高20‰ 。铜及其合金虽然导热性能更优（导热系数约 400W/（m⋅K） ），但由于密度大、成本高，在汽车LED 车灯中的应用相对有限，主要用于关键热界面或局部强化散热区域。为兼顾性能和成本，铜铝复合散热结构逐渐受到青睐，这种设计在热流密集区使用铜材，其他部位采用铝合金，通过摩擦焊接或钎焊工艺连接，金属基复合材料（MMC）如铝-金刚石、铝-石墨等，其导热系数可达 300-600W/（m⋅K） ，同时保持较低密度。碳纤维增强聚合物复合材料则以其轻质和可设计性见长，虽然导热性能中等，但通过特殊取向设计可以实现各向异性导热。相变材料（PCM）在应对瞬态热负荷方面表现出色，能够吸收大量热量而保持温度基本稳定；阳极氧化处理可在铝表面形成致密氧化层，提高辐射散热效率；微弧氧化则能创造更厚的多孔氧化层，进一步增强散热能力。对于需要绝缘的散热部件，陶瓷涂层或导热膏的应用可以保证电气安全的同时不牺牲导热性能。这些材料选择和优化策略需要根据具体车灯型号的散热需求、空间限制和成本目标进行综合权衡[1]。

2.2 散热结构优化设计

散热鳍片优化设计主要考虑几何参数对散热性能的影响。通过数值模拟和实验发现，鳍片高度、厚度和间距存在最佳组合。过密的鳍片会阻碍空气流动，过疏则减少散热面积。表面处理如阳极氧化可增大辐射系数，提高散热效率 10-15% 。热管技术利用相变传热原理，具有极高的等效热导率，将热管嵌入散热器基板，可快速将热量从LED 传导至远端散热鳍片。实验表明，采用热管可使 LED 结温降低 15-20^∘C ，特别适合空间受限的车灯设计。优化时需考虑热管布置角度和充液量选择。相变材料（PCM）散热利用材料熔解吸热特性，在瞬态大功率工况下缓冲温升，将PCM 与常规散热结构结合，可应对汽车启停时的热冲击。研究表明，合适的PCM 选择可使温度波动减少 30% 以上。设计时需平衡相变温度、潜热和封装体积等因素[2]。

2.3 散热结构的设计方法与评估

汽车LED 车灯散热结构的优化设计需要采用系统化方法，结合理论计算、仿真分析和实验验证。热阻网络分析法是基础设计工具，通过建立从LED 结到环境的热阻模型，可以初步评估散热性能。计算流体动力学（CFD）仿真则能更精确地预测温度分布和气流状况，现代仿真软件如FloTHERM、ANSYS Icepak 等可进行三维热流耦合分析，帮助优化散热片形状、间距和布局。红外热成像技术可以直观显示车灯表面温度分布，发现局部过热区域。结温测量通常采用电学法或光谱法，前者通过正向电压变化推算结温，后者则分析LED 发光光谱特征。可靠性测试包括温度循环、高温高湿和振动试验等，模拟汽车实际使用环境下的散热性能变化。仿生学设计借鉴自然界散热机制，如蜂巢结构散热片模仿蜜蜂巢穴的高效传热特性，拓扑优化技术通过算法自动寻找最佳材料分布，在给定空间内实现最优散热性能，模块化设计理念则提高了散热系统的通用性和可维护性，不同功率的LED 模块可以共享基本散热架构，降低开发成本，这些先进设计方法的应用，使得现代汽车LED 车灯在散热性能、重量和成本之间达到更好平衡[4]。

3 未来发展趋势

汽车LED 车灯散热技术正朝着高效化、紧凑化和智能化方向发展，新型散热材料如石墨烯、金属泡沫等具有极高的热导率，可显著提升散热性能，微通道液冷技术能在极小空间内实现高效散热，适合新一代微型化车灯设计。智能散热系统通过温度传感器和控制器实时调节散热强度，如变频风扇或可变流量液冷泵，实现能效最优。此外，系统级热设计将车灯散热与整车热管理系统整合，共享散热资源，提高整体效率，这些创新技术将推动汽车LED 照明向更高功率、更长寿命和更小体积发展。

结束语

汽车LED 车灯散热结构设计是一项综合性工程挑战，需要平衡散热性能、可靠性、成本和空间限制。研究表明，复合散热结构结合多种散热技术的优势，能够有效解决高功率LED 的散热问题。未来随着新材料和新技术的应用，汽车LED 车灯的散热性能将进一步提升，为更安全、更节能的汽车照明系统奠定基础。

参考文献：

[1]王成成，谢攀，李翠，等.大功率 LED 车灯铝合金散热器微弧氧化的散热性能仿真模拟[C]//中国汽车工程学会（China Society of Automotive Engineers）.2023 中国汽车工程学会年会论文集（5）.比亚迪汽车有限公司;，2023：246.DOI：10.26914/c.cnkihy.2023.070478.

[2]尹福祈，禹文浩，张超，等.基于 LED 光源的汽车车灯设计与优化[J].中国机械，2023，（20）：22-25.

[3]马超.大功率 LED 车灯散热系统设计与性能研究[D].常州大学，2023.DOI：10.27739/d.cnki.gjsgy.2023.000013.

[4]梁才航，吴启明，黄连生，等.大功率汽车 LED 前大灯散热性能数值模拟[J].照明工程学报，2021，32（04）：92-95+100.