大功率LED车灯风冷散热系统性能优化研究_陈从平.pdf

第 43卷 第 1期2023年 3月光 电 子 技 术OPTOELECTRONIC TECHNOLOGYVol.43 No.1Mar.2023大功率 LED车灯风冷散热系统性能优化研究陈从平1，马超1，尹丽伟2，张屹1，陈小春2（1.常州大学 机械与轨道交通学院，江苏常州 213164；2.常州星宇车灯股份有限公司，江苏常州 213022）摘 要：大功率 LED 车灯采用风扇进行强制对流散热，针对风扇周边空间尺寸影响车灯散热性能的问题，采用有限元仿真、均匀设计法及响应面分析相结合的研究方法进行优化研究。首先，利用有限元软件 FloEFD 研究了风扇护风罩与壁面的径向距离 A、风扇入风口与壁面的距离 B 及风扇出风口与散热器的距离 C三个设计参数对大功率 LED 车灯风冷散热系统散热性能的影响；然后，使用均匀设计法设计试验方案进行响应面分析并拟合出三个参数与 LED焊点温度之间的回归模型，利用 Pareto分析法确定三个参数对系统散热性能的影响大小；最后，利用 Minitab软件的响应优化器，以 LED 结温最小化为目标，确认三个参数的最佳组合是 A 为 8.4 mm、B 为 16.3 mm、C 为4.3 mm。通过对最佳组合进行实验，表明此组合具有最优的散热性能，同时仿真和实验结果具有一致性，验证了仿真的可靠性。关键词：发光二极管车灯；有限元仿真；响应面法；风冷散热中图分类号:TN41；TP391.9 文献标志码:A 文章编号:1005488X(2023)01003408Performance Optimization of Aircooled Cooling System for High Power LED HeadlightsCHEN Congping，MA Chao，YIN Liwei，ZHANG Yi，CHEN Xiaochun(1.School of Mechanical Engineering and Rail Transit,Changzhou University,Changzhou Jiangsu 213164,CHN；2.Changzhou Xingyu Auto Lamp Co.,LTD,Changzhou Jiangsu 213022,CHN)Abstract：High-power LED headlights adopt fans for forced convection heat dissipation.Aiming at the problem that the size of the surrounding space of fans could affect the heat dissipation performance of headlights，finite element simulation，uniform design method and response surface analysis were combined to carry out the optimization research.Firstly，the finite element software FloEFD was used to study the influence of three design parameters on the heat dissipation performance of the high-power LED headlight air cooling system：the radial distance between the fan shield and the wall（A），the distance between the fan inlet and the wall（B），and the distance between the fan outlet and the radiator（C）.Then，the uniform design method was used to design the test scheme for response DOI：10.19453/ki.1005488x.2023.01.006收稿日期：2022-09-21基金项目：国家自然科学基金（51875053）；国家重点研发计划课题（2018YFC1903101）；江苏省产业前瞻与关键核心技术碳达峰碳中和科技创新专项资金项目（BE2022044）作者简介：陈从平(1976)，男，博士，教授，研究领域为微尺度流体动力学与 3D打印；马 超(1998)，男，硕士研究生，研究领域为流体动力学与车灯热设计；（E-mail：M）尹丽伟(1988)，男，高级工程师，研究领域为车灯力学设计与车灯热设计。通讯作者研究与试制第 1期陈从平，等：大功率 LED车灯风冷散热系统性能优化研究surface analysis，and the regression model between the three parameters and LED solder joint temperature was fitted，and the influence of the three parameters on the system heat dissipation performance was determined by Pareto analysis method.Finally，the response optimizer of Minitab software was used to minimize the LED junction temperature，and the optimal combination of three parameters was confirmed to be 8.4 mm for A，16.3 mm for B，and 4.3 mm for C.Through the experiment of the best combination，it showed that the combination had the best heat dissipation performance.At the same time，the simulation and experimental results were consistent，verifying the reliability of the simulation.Key words：LED headlight；finite element simulation；response surface method；air cooling引 言近年来，LED 光源因其节能环保、响应速度快、可靠性高、使用寿命长1-2，且能够提高汽车耐久性和舒适性等优点3，已逐步取代卤素灯、氙气灯等传统光源，成为车用照明领域的主要光源4-5。LED 芯片的大部分能量会转换为热量，热量过高将会缩短 LED 的使用寿命甚至损坏芯片，因此必须采用合理的散热方式保证 LED 车灯的正常工作6。对于低功率的 LED 车灯，自然对流即可实现有效散热；而随着大功率 LED 车灯的广泛使用，仅依靠传统的被动散热不能够满足散热需求，因此需要增加主动散热方式7。常见的主动散热方式包括热管、风冷及液冷散热，但热管散热的成本较高且导热能力有限，液冷散热成本高、结构复杂且可靠性差；相比于热管及液冷散热，风冷散热成本较低且可靠性更高，因此使用冷却风扇进行强制对流散热是当前大功率 LED车灯首选的散热方式8-9。目前国内外研究者通过仿真模拟等方法对冷却风扇及其散热性能进行了大量的研究。Srinivasa等10研究了冷却风扇和导流罩的设计参数对其散热性能的影响，结合 CFD 模拟和响应面法得到了风扇浸入比、扇芯距和导流罩倒角长度比的最佳取值。Kim 11对发动机冷却风扇外形进行单向流固耦合分析，研究了冷却风扇的性能和耐久性，采用改变冷却风扇叶片和后掠角的方法，通过对比实验确定了冷却风扇的最佳设计参数。Wilkinson 等12以某款M 型纯转子轴流风扇为例，研究了叶尖间隙、叶片角度和轮毂配置对风扇性能的影响，表明在一定范围内，风扇性能与叶尖间隙成反比、与叶片角度成正比，且平板轮毂在低风速时可以显著提高风扇的性能。吴本南13研究了风冷散热系统中风扇的安装方式，表明在产品的散热设计中，当受到空间结构尺寸等条件限制时，可以调整冷却风扇与发热元器件的间隔距离，以获得更好的散热效果。徐锦华等14利用风筒仿真模型研究了环形风扇的轴向伸入距离及径向间隙对风扇性能的影响，并指出冷却风扇在风筒中不同的轴向伸入距离对径向间隙的要求不同。杨丽君等15利用仿真方法研究了风扇安装位置对整车冷却能力的影响，表明当散热器与机体距离不变时，风扇与散热器的距离对散热器冷却能力的影响十分显著。上述研究方法都是通过优化风扇结构或改变风扇与热源的距离来提高散热效果，未考虑风扇周边空间尺寸对其散热性能的影响。文章采用数值仿真方法研究了风扇护风罩与壁面的径向距离、风扇入风口与壁面的距离及风扇出风口与散热器的距离三个设计参数对大功率 LED 车灯风冷散热系统散热性能的影响。采用均匀设计法和响应面法对三个设计参数进行试验设计，拟合出三个参数与LED 焊点温度 Ts之间的回归方程并确定三个参数对系统散热性能的影响大小。最后利用响应优化器得出三个设计参数的最佳组合方案，有效提高风冷散热系统的散热性能。1 模型构建文章以某款 LED 车灯的风冷散热系统为例进行优化研究，其实物模型如图 1(a)所示。该散热系统采用 V 型散热器并使用冷挤压工艺，相比传统铸铝工艺散热器，其导热性能有很大改善，搭配安装在散热器底部的轴流风扇，能够有效提高系统的散热性能。使用 UG 软件对大功率 LED 风冷散热系统进行建模，由于车灯结构较复杂，为了减少计算量及方便仿真结果分析，最终建立的简化模型如图 1(b)和 1(c)，主要包括 LED、PCB 板、散热器、风扇支架、风扇护风罩、风扇扇叶以及风扇转子。35光 电 子 技 术第 43卷文章主要考虑风扇护风罩与壁面的径向距离、风扇入风口与壁面的距离及风扇出风口与散热器的距离三个设计参数对大功率 LED 风冷散热系统散热性能的影响。图 2为风扇散热系统设计参数示意图，风扇护风罩与四周壁面径向距离相等，令径向距离为 A、风扇入风口与壁面的距离为 B、风扇出风口与散热器的距离为 C，A、B、C 的初始值分别为3 mm、10 mm、3 mm，此工况下通过仿真得到 LED焊点温度 Ts为 128.7。2 单因素仿真分析使用有限元软件 FloEFD 仿真分析 A、B、C 三个因素对大功率 LED 车灯散热性能的影响，计算过程将空气视为不可压缩流体并遵守以下方程：(1)连续性方程：ux+vy+wz=0（1）(2)动量守恒方程：(u2x+(vu)y+(wu)z)=-Px+u(uv)x+v2y+(wv)z)=-Py+v(uw)x+(vw)y+w2z)=-Pz+w-g（2）(3)能量守恒方程：(uT)x+(vT)y+(wT)z=(kcpT)+ST（3）式中：u、v、w 分别是 x、y、z轴坐标的速度矢量；P 表示压强；是哈密顿算子；是拉普拉斯算子；g为重力加速度；是动力粘度；T 是温度；cp是比热容；k是导热率；ST为粘性耗散项。LED 结温 Tj是衡量优化效果的标志，其计算式为：Tj=Ts+P Rth（4）式中：Ts为 LED 焊点温度；P、和 Rth分别为 LED 的功率、热转换效率和热阻。由于同规格 LED 的功率、热转换效率及热阻是相同的，则根据式(4)可知，LED 结温 Tj与焊点温度Ts的增量具有一致性。为了减少工作量，以焊点温度 Ts表征风冷系统的散热性能。2.1仿真条件设置为了保证仿真计算结果的准确性，首先进行网格无关性验证，采用矩形自适应网格技术生成六面体网格进行仿真计算。结果表明，当网格数量从10