【技术文章】高分辨率前照灯热管理面临的挑战与机遇

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，其核心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的最大功率可以达到55W甚至更高，这远高于传统LED前照灯的15~30W。

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。

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。

热管冷却方案

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%。

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。

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。

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，水冷散热器的热阻仅为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，光通量输出仅下降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。

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，高温的输出光通量仅下降了15%。

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，最大风速可达2.4m/s，这与前照灯机械风机相当，但其最小面积仅为3cm²，仅为机械风扇的1/8。

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，水冷方案是最好的，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，它不仅可以解决热问题，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。