LED技術在汽車燈具中的應用

傅劍華 李文強 周華 于紅秀

(中國汽車技術研究中心，天津 300162)

1 引言

1885年，德國工程師卡爾·本茨 (Karl.Benz)研制出世界第一臺汽油機為動力的三輪內燃機車，汽車由此誕生并迅速發(fā)展起來。但是，要在夜間或照明不足的區(qū)域行駛，就必須有照明燈具，由此在十九世紀80年代產生了第一盞汽車前照燈——老爺車懸掛式汽燈，并在1912年出現(xiàn)了第一款電氣前照燈［1］。早期汽車前照燈用的是鎢絲白熾燈，昏黃的燈光只適合速度較慢的汽車。在車輛日益增多、車速不斷提高的形勢下，汽車前照燈又發(fā)展為亮度更高的鹵鎢前照燈、高強度氣體放電前照燈，并出現(xiàn)近光燈、遠光燈、前霧燈等多個燈種。同時，照明僅是瞻前已經不夠，還需左顧右盼和免除后顧之憂，由此誕生如制動燈、轉向燈、后霧燈等一系列燈種，為避免夜晚行車的追尾或轉彎時的相撞起了關鍵性作用。

作為汽車行駛必不可少的安全部件，汽車燈具在汽車主動安全方面的作用至關重要。據(jù)統(tǒng)計，夜晚或自然光線不足的情況下發(fā)生的交通事故占總事故的25%，并且50%的傷亡事故發(fā)生在夜間［2］。在100多個ECE法規(guī)中，與車燈有關的法規(guī)就有近40個。我國目前汽車產品的70多項強制性檢驗中，與車燈有關的項目就占了近25個。

因此，為提高行車安全，越來越多的新技術被逐漸應用到汽車燈具中，如側轉向燈的光纖傳導技術、前照燈AFS技術等。當然，這其中也包括發(fā)光二極管技術 (Light Emitting Diode，簡稱LED)在汽車燈具尤其是在汽車前照燈上的應用。近幾年的汽車設計中，LED車燈的使用越來越多，給汽車外觀增加現(xiàn)代感的同時，也為更多人所熟悉，并引領當今汽車燈具發(fā)展的潮流和方向。

2 LED技術在汽車燈具中的應用

LED是一種場致發(fā)光光源，它是將電直接轉化為光能的半導體器件。LED發(fā)光原理是在p-n結兩端上加正向電壓，則 p區(qū)中空穴會流向n區(qū);n區(qū)的電子會流向p區(qū)。隨著電子空穴對的復合放出能量，其中一部分能量轉化為熱，另一部分能量轉化為光。這種新一代固態(tài)冷光源于20世紀60年代問世［3］，并在儀表、電信等信號指示上獲得初步應用，形成了LED早期的應用市場，但由于其光強度、光衰減等性能指標問題還無法在汽車燈具中獲得廣泛應用。

80年代后期伴隨高亮度發(fā)光二級管技術的出現(xiàn)，LED在車外照明信號的應用成為可能。典型標志性事件為:1988年Nissan在280Z汽車上首次使用STANLEY生產的72只AlGaAs紅色高亮度LED作為汽車高位制動燈［4］。從此，LED正式進入汽車照明市場。

90年代，LED的材料開發(fā)不斷演進，Toshiba和Hewlett-Packard在1991年共同開發(fā)出以磷化鋁鎵銦(InGaAlP)制成的四元素高亮度LED。在技術上和批量生產上，為汽車燈具光源的LED化鋪平了道路。

進入二十一世紀，LED技術突飛猛進，并逐漸取代白熾燈、真空熒光等傳統(tǒng)光源被廣泛組合應用到汽車儀表背光照明、操作開關、頂燈、閱讀燈、門鎖燈等車內照明上。另外，LED可靠性強、使用壽命長、色純度高、響應速度快、體積小便于設計等優(yōu)點得以突顯，在汽車外部照明方面也得到越來越普遍的應用［5-6］。特別是最近幾年，LED車燈被廣泛應用于轉向信號燈、制動燈、位置燈、倒車燈、霧燈、牌照燈等燈具上，已經成為汽車潮流的新寵。目前，80%以上的歐系和日系汽車安裝了LED高位制動燈。市場上幾大汽車領導廠商也不斷推出以LED為光源的新型汽車，像日系的 Toyota、Mitsubishi、Honda、Nissan 等 廠 商 推 出 的 Teana、Crown、Reiz，美系通用汽車旗下的Cadillac、Buick，以及德系車廠的 Mercedes-Benz、BMW、AUDI等都已采用LED尾燈，并逐漸形成了LED汽車燈具的產業(yè)化。

伴隨LED模塊技術的發(fā)展，高亮度輸出LED模塊也成功面世，如 Lumileds研制的白色 Luxeon LED模塊、OSRAM的“OSTAR”白色 LED模塊，使得LED在汽車前照燈上的應用也成為可能，并引領了新一代前照燈技術的潮流。但由于高成本的限值，目前的LED前照燈主要應用在高級豪華車輛上。2004年，Audi A8 6.0L豪華車第一次使用Lumileds的6個白色Luxeon LED作為日間行車燈。2007年，日本豐田汽車推出了Lexus頂級混合動力車“LS600h”和“LS600hL”，成為全球首次配備使用全白光Nichia LED前照燈的量產車 (見圖1)。

圖1 Audi A8日間行車燈 (左)及豐田全白光Nichia LED前照燈 (右)

3 LED汽車燈具的優(yōu)勢

3.1 節(jié)能環(huán)保

發(fā)光效能上，隨著近年LED材料結構學的進展，LED的發(fā)光效率也飛速提高。前照燈應用方面，2009年，白光 LED的發(fā)光效能也已達到70lm/W(見圖 2)［7-8］。而且 LED燈具將絕大部分的能量轉化為光能，作為熱量損失掉的僅是一小部分［9］。據(jù)估計，用 LED取代鹵素燈能提升整車的mpg指標 (每加侖燃油的行駛英里數(shù))約0.25。到歐洲實施白天必須開燈行駛的法規(guī)之時，更可把mpg提升約0.5。可見，LED燈具對整車燃油經濟性的改善將會有很大的貢獻。

圖2 LED發(fā)光效率發(fā)展趨勢 (左)及與傳統(tǒng)光源效率比較 (右)

3.2 前照燈光色辨別

目前路標幾乎都采用被動輝光的反射方式，而現(xiàn)在已經研發(fā)出來光譜接近于日光的 LED(見圖3)［10］，這使得它發(fā)出的光被物體 (如道路交通的指示標牌等)反射的有效性要高于其他光源，從而讓司機能在較遠的距離盡早發(fā)現(xiàn)，提高行車安全，也有助于司機在夜間像白天那樣方便地發(fā)現(xiàn)并看清交通標志。

圖3 白熾燈 (A)、HID(D2/D4)、白色LED及日光光譜 (D65)

3.3 前照燈防眩

白色LED光源色溫在5500K～6000K，因此白色LED光源比氙氣光源 (4000K)更接近自然光(4800K～6000K)。這樣的光線使得駕駛者不會因光線而感到疲勞，而是感到十分舒適。

研究表明，高強度氣體放電燈的短波階段 (－450nm)，對人眼造成的眩目效應較為顯著。在進行HID燈具的光學設計時，需要將光譜中最藍的部份推移至其射點光斑的邊緣，因為這些區(qū)域是本車司機眼睛通常不去注意的地方，從而減少該色光對人眼的不適干擾。但對于迎面駛來的會車司機，在車輛越過該邊際區(qū)域時藍光仍會引起對方眩目進而影響會車安全。有鑒于此，在防眩目方面，燈具設計上應盡量減少450nm以下波段的光，增加450nm～510nm波段的光，以減少不舒適感，并提高邊緣區(qū)域的視覺［10-11］。因此，LED前照燈既能保護本車司機的舒適視覺，也不會引起鄰車或會車司機的視障。

圖4 LED與傳統(tǒng)光源點亮相應時間對比

3.4 響應時間短

此外LED的響應時間短，比普通燈泡響應時間一般要快200～300ms(見圖4)［12-13］。應用于高位制動燈或轉向信號燈上，這點時間在高速公路上可以為司機贏得6.7m的制動距離 (按車速120km/h計算)，可以減少很多事故的發(fā)生。

3.5 其他優(yōu)點

LED光源比起其他傳統(tǒng)光源，使用壽命明顯要長，維護少，抗震性能強，總發(fā)熱量少，不含 Hg等元素，對環(huán)境污染小;另外，LED體積小，一個燈具可同時使用幾個LED模塊，使燈具的光學設計更為自由化，這種優(yōu)勢在概念車上的應用尤為突出。而且LED技術兼容數(shù)字化，可整合進數(shù)字網絡，促進照明的電子控制。［6］

4 LED汽車燈具的技術難題

LED汽車燈具的應用技術，在信號燈方面已趨于成熟，目前的困難集中在前照燈技術瓶頸的突破，表現(xiàn)在以下幾個方面:

4.1 散熱

高亮LED的亮度維持，最難解決的一個難題是散熱問題。因為LED晶粒只要遇到高溫，發(fā)光效率就會衰減甚至損壞 (參見圖 5)［14］。雖然低能耗LED器件的發(fā)熱量比鹵素燈具或 HID燈具要少得多，但后者大部分熱量是產生于燈具裝置之外，而LED產生的熱量卻是捂在微小的硅片里面來傳導的。這樣，將較小的熱量集中到芯片大小的器件上傳導和發(fā)散，因裝置的熱容量小也會引起LED溫度的驟升。LED的工作溫度必須保持在150℃以下的范圍，一般建議 LED工作溫度是在80℃以下。因此，如何通過高效率的散熱技術，讓LED車燈順利工作，成為LED車燈設計面臨的關鍵挑戰(zhàn)。

一種解決方案是:在一個燈具中使用數(shù)目較多的LED發(fā)光元件，讓單件的發(fā)熱量較小，再把它們布置在較大的空間內使其易于散熱。這就是小糸車燈為豐田的凌志LS600h配套前照燈時所采用的手法。而法雷奧則采用熱管理策略:為LED燈具設定了一種工作模式，當燈具的溫度升到預定警戒值時，自動切換到削減燈具供電功率20%的安保模式。這種程度的供電功率降低對燈光的亮度影響甚微，但卻能顯著地壓制住發(fā)熱水平。另外，在散熱方式研究領域，甚至出現(xiàn)氣流制冷和液體制冷等方式［15］。

圖5 LED發(fā)光性能與結溫、環(huán)境溫度的關系

4.2 亮度輸出

研究指出，要達到較好的前照燈照明條件，最好的情況是近光光通量為1100lm左右 (發(fā)光面為3500 cm2、出射擴散角為 45°)，亮度為 90cd/m2［7］。可以使用多個LED組合以滿足1100lm的光通量要求，但在亮度方面，單個普通LED光源的仍顯不足(見圖6)。單點不夠亮就難以達成下述目標:削減構成組合燈具的LED光源數(shù)目，有助于縮小汽車燈具占用的空間且易于靈活布置，并可簡化照明系統(tǒng)的布線和安裝，降低生產成本。

4.3 價格

LED燈具在中國市場發(fā)展的主要阻力是成本問題。LED芯片生產技術難度大、門檻高，養(yǎng)晶過程的溫度、濕度、供電及除塵要求十分嚴格，初期需要投入巨資建廠。目前 LED芯片的主要產地為中國臺灣，占有LED市場的47%。中國大陸的LED廠多為樹脂封裝加工，芯片需要大量進口，是成本高的原因。

圖6 LED與傳統(tǒng)光源亮度輸出對比

5 LED汽車燈具的發(fā)展前景

5.1 亮度輸出

近年來，高亮度LED技術發(fā)展迅猛。截至2008年，歐司朗光電半導體公司推出新款 OSTAR Headlamp LED，OSTAR Headlamp LED產生的光通量，依照串聯(lián)的芯片數(shù)量而定，介于700mA時的125 lm(單芯片)與1A時的1000 lm(五芯片)之間，可達到前照燈需要的亮度要求。高精度的工程設計、內置光閘功能、最佳的芯片安裝和封裝設計，讓OSTAR Headlamp LED具有全新的亮度數(shù)據(jù)和精確的燈光明暗截止線，適用于所有前照燈設計 (見圖7)。

奧迪R8采用的即是由Lumileds和Osram公司提供OSTAR Headlamp LED。其LED頭燈具有全面的功能性，包括近光、遠光、日間行駛燈、前轉向信號燈及前位燈均為LED(見圖8)。每個頭燈組使用54個LED光源，能耗低是其一大特色:近光照明僅耗50瓦，日間行駛照明僅耗6瓦。

圖7 OSTAR Headlamp LED，擁有全新的亮度數(shù)據(jù)和精確的燈光明暗截止線

圖8 AUDI R8全LED前大燈

這種LED新光源使得汽車燈具的風格設計和造型布置具有空前的靈活性，且LED光輸出功率密度在技術上已能夠與HID燈具匹敵。因此一旦能降低成本并在技術上實現(xiàn)量產，它極有希望把現(xiàn)存的其他照明技術淘汰出局而獨霸車燈市場。

5.2 法規(guī)支持

LED在前照燈中的信號燈功能使用已經在ECE或SAE法規(guī)國獲得批準。不僅如此，針對汽車燈具照明，歐洲、美國和日本等發(fā)達國家希望從立法上規(guī)定，照明角度設計的調整，能改善汽車轉彎時所造成的照明死角或路面反射不足的問題，以達到最佳照明效益，并降低交通事故發(fā)生率。這就是AFS系統(tǒng) (主動式前照燈照明系統(tǒng))。2009年7月，我國也開始提出AFS照明系統(tǒng)的標準制定征求意見稿，估計近兩年內即可出臺。

5.3 LED與AFS系統(tǒng)

LED前照燈與AFS系統(tǒng)的結合，具有傳統(tǒng)光源無法比擬的一些優(yōu)點。LED前照燈能利用光點陣列來組合出前照燈的主動式照明功能，實現(xiàn)光照射方向隨轉向角度而變化的主動安保功能，而無需采用任何運動部件。這種主動式前照燈照明系統(tǒng)，有可能需要采用比以往所用過的數(shù)量更多的光管來構成點陣。照明系統(tǒng)的這種變化也符合并體現(xiàn)了當代汽車的機械裝置功能逐漸被全電裝系統(tǒng)所取代的大趨勢。

同一組LED陣列既可以作為前照燈的光源，也可同時用于轉向燈，只是在發(fā)揮不同照明功能時采用各自的光學鏡罩。作為一般的轉向燈，只須在車身兩側布置LED陣列，再加上簡單的開關功能即可。而要發(fā)揮智能前照燈的主動安保作用，讓前照光束隨車輛的轉向軌跡總是同步地照亮車前的道路，則需要布置較多的光源點陣并采取更復雜的光點電控，按照轉向輸入來控制光點陣列的明暗組合及其反光鏡，從而同步地改變前照燈光束的射向，實現(xiàn)車輛轉彎過程中的盲點照明 (見圖9)［16］。

圖9 傳統(tǒng)前照燈 (左)與AFS前照燈 (右)彎道盲點照明效果

這種與AFS技術的結合優(yōu)勢，將使LED在車輛照明領域取代其他傳統(tǒng)光源，成為歷史的必然選擇。

5.4 市場總值

隨著LED技術持續(xù)進步，車廠愿意導入的意愿也逐漸提升，根據(jù)美國研究機構SU資料顯示，2007年全球車用LED產值約7億美元，未來隨著車廠導入LED車燈的比例提升，預估至2010年產值將突破10億美元規(guī)模。而在汽車前照燈應用領域，預計到2012年，LED前照燈市場將達到8000萬美元。

6 結語

自上世紀80年代起，LED憑借可靠性強、使用壽命長、色純度高、響應速度快、體積小便于設計等優(yōu)點，在汽車外部照明領域得到越來越廣泛的應用。進入二十一世紀后，LED技術發(fā)展迅猛，尤其是近幾年在光輸出及散熱方面的一些突破，使LED得以應用于前照燈，并與AFS系統(tǒng)結合，成為汽車潮流發(fā)展的新寵。這種發(fā)展，在汽車時尚設計、提高主動安全方面都具有非常重要的現(xiàn)實意義。

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