李海濤，王永春，魏飛雄，井珍珍，曹 琛

(中國兵器裝備集團(tuán)摩托車檢測技術(shù)研究所, 陜西 西安 710032)

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緊湊型LED汽車前照燈的開發(fā)

李海濤，王永春，魏飛雄，井珍珍，曹 琛

(中國兵器裝備集團(tuán)摩托車檢測技術(shù)研究所, 陜西 西安 710032)

介紹了LED汽車前照燈應(yīng)用概況，說明了LED汽車前照燈存在的問題，給出了開發(fā)緊湊型LED前照燈的建議，并對LED汽車前照燈的前景進(jìn)行了展望。

大功率LED; 緊湊型前照燈; 配光設(shè)計(jì); 散熱

引言

大功率LED光效已達(dá)到150lm/W以上，壽命達(dá)幾萬小時(shí)，在汽車照明燈具中具有廣闊的應(yīng)用前景[1-4]。LED光源顯色指數(shù)能達(dá)到98，色溫可達(dá)5500K左右，可避免駕駛員產(chǎn)生視覺疲勞[5]。相比于傳統(tǒng)汽車前照燈的光學(xué)系統(tǒng)，LED光源體積小，發(fā)光空間是2π平面，光能利用效率更高[6]，是未來汽車前照燈的必然選擇。

1 LED汽車前照燈應(yīng)用概況

1.1 國外LED汽車前照燈

2007年日本小系制作所和日亞化學(xué)工業(yè)為雷克薩斯LS600Ch研制了近光燈，近光系統(tǒng)由3個(gè)并排透鏡組成的投射式組件和一個(gè)反射鏡組成的反射式組件構(gòu)成。繼雷克薩斯LS600近光燈之后，在短短一年內(nèi)，豐田為RX450h、普銳斯和HS250h成功設(shè)計(jì)了LED近光燈。

2008年Lumileds和Osram為奧迪R8V10成功研發(fā)了LED近光燈和遠(yuǎn)光燈，總共54顆LED光源，LED光效100lm/W。隨后奧迪公司為A8和A6也設(shè)計(jì)了LED前照燈。

2008年Hella為凱迪拉克Escalade Platinum研發(fā)了一款全LED前照燈，該前照燈包括5個(gè)近光燈組和3個(gè)遠(yuǎn)光燈組，色溫5500K。

2012年進(jìn)口到我國的奔馳CLS350實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化LED前照燈配置，該款前照燈總共24顆LED光源，色溫5400K。

1.2 國內(nèi)LED汽車前照燈

國內(nèi)對LED汽車燈具也十分重視，國家863“半導(dǎo)體照明工程”項(xiàng)目和“十一五”首批啟動(dòng)的項(xiàng)目就有“車用LED光源系統(tǒng)開發(fā)”、“大功率LED車燈研究及規(guī)模化應(yīng)用”、“橋車前大燈集成技術(shù)研究”等三個(gè)項(xiàng)目。吉林某公司為奔騰B50研制出LED汽車前照燈。奔騰B50的前照燈使用Osram大功率白光LED光源, 每個(gè)光源由5顆大功率LED串聯(lián)組成，每顆LED功率是3W。 遠(yuǎn)光燈使用2個(gè)LED光源，近光燈使用3個(gè)LED光源。我國一些科研院所和企業(yè)在LED汽車前照燈散熱和配光元件方面也申請了許多專利，取得了重要研究成果。

2 LED汽車前照燈存在的問題

LED汽車前照燈應(yīng)用發(fā)展過程呈現(xiàn)三個(gè)特點(diǎn)：一是LED最先應(yīng)用在近光燈中，然后應(yīng)用到遠(yuǎn)光燈上；二是LED前照燈都使用了很多個(gè)LED光源，每個(gè)光源配備散熱器和透鏡或反射鏡，燈具系統(tǒng)龐大；三是LED前照燈的市場占有率很低。LED前照燈發(fā)展之所以呈現(xiàn)上述現(xiàn)狀，主要原因是散熱問題難解決，遠(yuǎn)光燈要求比近光燈更高的光通量，散熱難度比近光燈大，所以在遠(yuǎn)光燈散熱不能解決的情況下，先在近光燈上使用LED光源。為了降低散熱難度，把多顆低光通光源分散開進(jìn)行散熱。配光方面，LED是體積很小的面發(fā)光型光源，相比于全空間發(fā)光型的傳統(tǒng)光源，配光設(shè)計(jì)簡單，燈具效率高，沒必要用低光通光源代替高光通光源進(jìn)行單獨(dú)配光設(shè)計(jì)。LED前照燈的應(yīng)用成本較高，只有充分發(fā)揮LED的優(yōu)勢，讓其在科技上再上一個(gè)臺(tái)階，才能競爭過傳統(tǒng)的光源，在汽車前照燈應(yīng)用中發(fā)展壯大起來。

目前大功率LED應(yīng)用成本較高，如果其光效高、壽命長、體較小等優(yōu)勢得不到充分發(fā)揮，就不可能在市場上得到廣泛應(yīng)用。影響其諸多優(yōu)勢發(fā)揮的關(guān)鍵因素是結(jié)溫，隨著LED結(jié)溫升高發(fā)光效率和壽命嚴(yán)重降低，圖1和圖2是OSRAM一款大功率LED模塊的光通量、壽命與結(jié)溫的關(guān)系，結(jié)溫升高光譜發(fā)生紅移[7-9]。為解決這一問題，現(xiàn)階段用風(fēng)扇、液冷、翅片及熱管解決散熱問題[10-13]。風(fēng)扇散熱效果比較好，但增加了能耗降低了系統(tǒng)可靠性，風(fēng)扇的壽命和穩(wěn)定性是前照燈系統(tǒng)的一個(gè)短板；液冷系統(tǒng)穩(wěn)定性不高，同時(shí)為增強(qiáng)散熱必須用泵促進(jìn)液體循環(huán)，因此沒有得到研發(fā)生產(chǎn)的認(rèn)可；翅片散熱器的系統(tǒng)可靠性比較高；熱管散熱效果好，系統(tǒng)可靠性高，是目前最受歡迎的散熱方式。由于散熱器不能干涉LED光線，這四種散熱器只能從光源的背光面將熱量傳輸?shù)酵饨?，散熱器與光源的接觸面積小，散熱能力不強(qiáng)，只能解決低光通量的LED光源的散熱問題，使用這四種散熱器散熱只能用多顆低功率LED光源實(shí)現(xiàn)配光要求，導(dǎo)致燈具體積龐大。汽車不可能留出太大的空間供燈具使用，因此燈具龐大的體積與汽車緊湊型設(shè)計(jì)之間的矛盾是制約LED前照燈發(fā)展的主要原因。

圖1 光通量隨結(jié)溫的變化Fig.1 Luminous flux as a function of junction temperature

圖2 壽命隨結(jié)溫的變化Fig.2 Life as a function of junction temperature

3 緊湊型LED汽車前照燈開發(fā)

從以上考慮的問題出發(fā)，在充分發(fā)揮LED前照燈光效高、壽命長、響應(yīng)速度快、不眩光的基礎(chǔ)上，單光源是緊湊型汽車前照燈發(fā)展的方向，在條件允許的情況下還應(yīng)該發(fā)揮LED燈具的藝術(shù)效果。向這個(gè)方向發(fā)展能使其與傳統(tǒng)燈具競爭中健康發(fā)展壯大起來。LED汽車前照燈需要高光通量的光源，用多個(gè)尺寸較小的LED芯片或者單個(gè)尺寸較大的LED芯片封裝的光源均可實(shí)現(xiàn)高光通量的照明，無論采用單顆大尺寸LED芯片光源還是采用多顆小尺寸的LED芯片集成光源，都不存在LED芯片內(nèi)部及LED芯片之間的光子自吸收現(xiàn)象，因此影響LED光學(xué)性能的因素只有散熱[14]。

LED光源模塊的熱阻表示為

(1)

Rj-avg是LED的PN結(jié)到環(huán)境的熱阻，Pi和Ptotal分別是第i個(gè)LED的熱功率和LED光源模塊的總熱功率，R0是LED封裝材料的熱阻。一般情況下，同一模塊使用的LED芯片完全一樣，式(1)就變?yōu)?/p>

(2)

式(2)表示一個(gè)封裝了n顆LED芯片的光源模塊熱阻，得出光源模塊熱阻隨LED芯片數(shù)量增加而降低。現(xiàn)階段使用單顆大功率LED芯片實(shí)現(xiàn)近光或遠(yuǎn)光的照明是不符合行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀的，待LED前照燈光效再提高一層時(shí)，才可能應(yīng)用到前照燈上。使用多顆LED封裝的光源熱阻小，散熱比單芯片光源容易，比多顆光源的前照燈節(jié)約燈具系統(tǒng)體積，光源體積和單芯片光源前照燈相差很小。

使用多顆尺寸較小LED芯片封裝的模塊作為汽車前照燈是現(xiàn)階段的發(fā)展方向，一個(gè)在4mm×4mm發(fā)光面內(nèi)封裝了9顆1mm×1mm芯片的光源模塊光通量可以達(dá)到1300lm，完全滿足近光燈和遠(yuǎn)光燈的照明要求，這種光源采用單個(gè)透鏡或反射鏡就能解決配光問題。

在解決前照燈散熱問題方面，建議采用散熱材料能與LED模塊全表面接觸的散熱方式，這種散熱方式使光源散熱面積增加兩倍以上。LED是面發(fā)光型光源，采用光源全表面散熱方式同時(shí)不能降低燈具光能利用率，因此需要在LED出光面采用一種對光源光學(xué)性能不產(chǎn)生影響的散熱物質(zhì)。目前已有專家在做這方面研究，例如用一種熱傳導(dǎo)系數(shù)高、黏度系數(shù)小、凝固點(diǎn)低、沸點(diǎn)高、光吸收率低、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的液體封裝燈具，用液體既解決散熱又用作配光透鏡以解決光學(xué)問題。

4 LED汽車前照燈發(fā)展前景

從2001年起我國汽車年銷量保持20%的增長速度， 現(xiàn)已成為世界上最大的汽車市場。汽車今后的發(fā)展方向是節(jié)能和環(huán)保型，2012年7月國務(wù)院頒發(fā)了《2012—2020節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》， LED是節(jié)能型汽車的首選光源。立足LED技術(shù)現(xiàn)狀，充分利用LED光效高、壽命長，開發(fā)單光源緊湊型LED前照燈，使其在科技上更上一個(gè)臺(tái)階。緊湊型LED前照燈未來發(fā)展空間巨大。

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Development of Compact LED Headlamps

Li Haitao, Wang Yongchun, Wei Feixiong, Jing Zhenzhen, Cao Chen

(MotorcycleTestTechnologyInstituteofChinaSouthIndustriesGroupCorporattion,Xi’an710032,China)

The applicaton of LED headlamp was introduced, and its existing problems were elaborated. The suggestion of development of compact LED headlamp was presented. At last, the prospect of the LED headlamp was outlook.

high power LED；compact headlamps；light distribution design；heat dissipation

鄭州市科技局國際合作項(xiàng)目(10GJHZ517)

U463.65+1

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2015.02.027