LED在汽車照明系統中的應用分析

林金填，曹小兵

(旭宇光電(深圳)股份有限公司，廣東 深圳 518126)

引言

LED光源具有壽命長、高效節能、體積小、環保等優點, 目前已經在汽車剎車燈、轉向燈、倒車燈、尾燈、前照燈以及儀表用燈等方面得到大量推廣應用，即將逐步取代傳統氣體放電燈成為汽車照明的新一代光源[1]。與此同時，由于空氣動力學和汽車造型的需求,汽車前部位置越來越低且呈流線型,為前照燈預留的高度空間越來越小,而為滿足汽車照明的智能化和人性化需求，光型依據路況和天氣等因素自動變換的自適應前照燈(Adaptive Frontlighting System，AFS)也逐漸成為車輛的熱點之一[2]。LED光學系統結構緊湊、模塊化的優點,恰好能滿足上述車燈發展的趨勢,因此在汽車前照燈照明上具有巨大的應用潛力。

傳統LED照明市場的競爭越來越激烈，眾多照明廠商已開始拓展新市場，汽車照明作為照明市場細分領域吸引了照明廠商的紛紛涉足，新一代固態光源LED具有高效節能、抗震性好、啟動快和壽命長等優點受到車商的青睞。2018之前，LED是25萬元以上車型的專配，隨著定價在15～20萬元的一汽大眾T-ROC系列SUV車用LED燈的標配化，勢必代替傳統光源廣泛應用在汽車照明中，成為汽車照明領域的風向標[3]。相關調研數據顯示，2017年中國LED汽車照明市場銷售總量達245億元，同比增長26%，隨著LED汽車照明逐漸在中端車型的滲透，未來將保持快速增長的態勢，預計2020年中國LED汽車照明市場規模有望突破425億元的需求。2017年全球范圍內新能源汽車銷量的前十名中就有4家中國企業，銷量前三名中有兩家來自中國。德國大陸集團(Continental AG)和歐司朗(OSRAM)已同意合資建立一家生產車用照明模塊的公司，韓國LG電子(LG Electronics)董事會批準了收購領先的汽車照明和大燈系統供應商奧地利ZKW集團的協議，中國LED封裝企業木林森正計劃通過臺灣分公司進入汽車照明市場生產LED尾燈和方向指示燈模塊，2017年星宇股份車燈產銷量分別為5 989.8萬只和5 701.2萬只同比分別增長15.4%和12.5%。

1 車用LED照明設計特點

1)行車安全。汽車已成為人們出行必備的交通工具，夜間行車安全受到人們的高度重視，前照燈作為汽車照明的主要手段，在汽車安全性方面具有舉足輕重的地位，如何保證行車安全一直都是人們關注的焦點。根據中國公路學會發布的交通安全報告顯示，汽車照明系統是汽車安全要件之一，也是汽車安全最主要的主動式安全裝置。汽車通過采用前照燈自適應技術，可以減少駕駛員不斷切換遠近燈光的麻煩，并減輕駕駛員的操作負擔，自適應照明燈具應符合GB/T 30036—2013《汽車用自適應前照明系統》的相應要求。據相關研究表明，前照燈作為汽車夜間行車安全保障的重要部分，照射距離越遠其配光性能就越好，使汽車的在行駛過程中的安全性得以有效增加。駕駛員需要一個視野開闊的清晰照明，特別是在天氣惡劣的大霧天里，信號燈也是行車過程中一個必不可少的安全指引，現有的車燈制造商都在引用先進技術來克服難點為行車安全保駕護航，為改善汽車照明系統為行車安全增加法碼[4]。LED的光源色溫一般設計在5 500～6 000 K之間，因此在LED燈光使用過程中，與其他光源相比更接近自然燈光[5]。在這種光源的作用下, 駕駛人員不會因為光線敏感問題而產生過度疲勞, 提升駕駛過程的舒適感。所以將LED技術應用到汽車前照燈設計過程中, 便會對駕駛員的視覺進行有效保護, 避免交通事故的發生[6]。

2)產品標準。2005年9月，國家質量監督檢驗檢疫總局(AQSIQ)和國家認證認可監督管理委員會(CNCA)聯合發布了第137號公告《實施強制性產品認證的機動車零部件產品目錄》，該目錄明確了國內機動車用前照燈、轉向燈、前位燈、后位燈、制動燈、視廓燈、前霧燈、后霧燈、倒車燈、駐車燈、側標志燈和后牌照板照明裝置等產品需進行強制性3C認證后方可進行銷售和使用。按照此目錄要求為例，使用燈絲燈泡的汽車前照燈應符合GB 4599—2007《汽車用燈絲燈泡前照燈》要求，使用氣體放電燈泡的汽車前照燈應符合國家標準GB 21259—2007《汽車用氣體放電光源前照燈》要求，使用LED光源的汽車前照燈應符合GB 25991—2010《汽車用LED前照燈》要求。

另外，出口企業應注意，銷往歐洲經濟委員會(Economic Commission for Europe，ECE)48個成員國的汽車用照明產品需符合ECE法規要求及進行E-mark認證，從2011年開始，在歐盟地區銷售的轎車和小型貨車必須安裝日行燈(Daytime Running Light，DRL)，司機在白天行駛過程中也應開啟DRL以減少交通事故的發生。美國是聯邦制國家，銷往美國的汽車用照明產品應符合聯邦法規和各州地方法規要求，通過美國交通部DOT認證及符合聯邦機動車輛安全標準(FMVSS)要求。銷往其它地區或國家的汽車用照明產品均應符合當地法律法規及相應認證要求。

3)前照燈眩光閾值增量。有充分的證據表明,HID前照燈的色度影響了人們對不舒適眩光的主觀感受。雖然此前的研究并未精確描述人們的主觀感受由什么所支配,然而可以確定的是,隨著藍光成分的增加或是色溫的增加,不舒適度也增加了[7]。特別是在夜晚行車時對面來車的大燈導致的眩光比安裝在高處的路燈導致的眩光強很多，因此道路設計時通常采用隔離帶來避免雙向行車大燈導致的眩光。國家標準要求將汽車前照燈按使用狀態在暗室內進行配光檢測，并對清潔及污染的前照燈進行相應試驗，不同照度值對應不同光幕亮度進行測量驗證配光的符合性。為了模擬前照燈在實際使用過程的眩光閾值增量，研究人員選擇在夜晚行車過程中對使用LED前照燈的車輛進行了現場測量，測量現場安排在一條沒有安裝路燈的雙向單行公路上如圖1(a)，除了測試車輛的前照燈光之外，只有零星幾盞居民用燈，測量點設在距離前照燈35 m處如圖1(b)，測量系統采用經過專業亮度校準的超大視角數碼相機為主機，它能將180°視野內的物體成像到傳感器上，一次性測量180°半球空間的亮度分布，測試系統的軟件將前照燈發光部分圈選出來計算它的光幕亮度，并根據燈成像的位置坐標計算燈具與視線的夾角，加入眩光閾值增量按圖1(c)仿真并計算出前照燈的眩光閾值增量為94.83%、路面亮度11.08 cd/m2及垂直面照度10.58 lx等數據。由此可見，針對車用前照燈眩光閾值增量的限值、測量方法及仿真需進一步完善，其結果對前照燈的應用及行車照明控制具有重要意義，并期望能推動汽車前照燈眩光閾值增量限定納入標準的進程。

圖1 前照燈眩光閾值增量現場測量Fig.1 Headlamp glare threshold increment field measurement

4)LED優勢。在能源短缺的背景下，高效節能LED從發明到成熟應用備受矚目，隨著應用過程光電指標和可靠性取得突破及提高，以及發光效率和結溫耐受度的提高，推動了LED在汽車照明中的推廣應用，其優勢主要體現在以下方面：① 固態LED光源具有使用壽命長、抗震性強、不含汞(Hg)和維護便利等優勢，在耐振動和耐沖擊性能也遠優于普通燈泡, 而且有體積小和環境適應性強等優點[8]。② LED啟動并達到目標值光通量的時間比氣體放電燈短，在汽車行駛過程中，這種差距直接影響車輛在高速行駛時的反應時間差，可降低交通事故發生及提高行車安全。③ 恒流工作的LED不會因電壓波動出現忽明忽暗，功率低則發熱量小，從而降低了汽車的自燃風險。④ 基于LED發光角度的可控性，車用燈具的光學設計更便利，在概念車上的典型應用更為突出。

5)智能控制模式。智能控制技術是基于計算機、傳感器、通訊、網絡與自動控制等多學科技術領域交叉而發展起來的綜合技術。汽車照明控制系統也越來越智能化，汽車制造商以更環保、更安全、更有駕駛體驗和更節能為目標，汽車照明系統將進行一場重要的應用革新，易于控制的LED也得到廣泛的應用。具有代表性的車用照明制造商開發出一系列采用LED照明及智能控制系統，利于傳感器收集天氣、照明和車輛行駛條件等信息，自動調節燈光模式來適應駕駛人員的舒適性，確保車輛在各種行駛條件下提供最佳照明來確保行車安全[9]。

智能照明系統可根據天氣、照明和行駛條件自動調節，在鄉村道路、高速公路、彎道以及大霧天氣中提供最佳可見性，從而大大提高了駕駛安全性。①鄉村道路模式：代替近光大燈更加寬闊和清晰地照亮駕駛員一側的路面，讓駕駛員更加有效地判斷前方路況，并在行人橫穿公路時做出迅速反應。②高速公路模式：在車速超過90 km/h時啟動高速公路模式提高前方能見度60%。當駕駛速度超過110 km/h時，光照強度提高及照亮距離比傳統氣體放電燈增加約50 m，確保高速行駛的安全性。③增強型霧燈模式：該模式在惡劣的氣候條件下為駕駛員提供更好的方位感，在降低光束強度的同時，智能控制系統將駕駛員一側的大燈向外轉動8°更好地照亮近側路面，并降低霧天反光眩目感。④主動照明模式：該模式根據不同的轉向角、橫擺率和車速自動開啟，大燈迅速向側面最大可達15°轉動規避前方車輛見圖2。⑤彎道輔助模式：當車輛行駛到十字路口、丁字路口、急轉彎及駕駛員大幅度轉動方向盤時，大燈將照亮車輛前方30 m左右及65°內路面區域有效保證行車安全。

圖2 LED車燈智能系統規避對面車輛Fig.2 LED car light intelligent system evades the opposite vehicle

2 車用LED照明典型應用

我國是世界頭號汽車生產大國，同時也是汽車消費大國，汽車相關配套產業也依托此契機蓬勃發展，車用照明產業憑借較高的市場回報和發展潛力成為照明行業關注的焦點，車用照明企業依托積累的研發技術、核心競爭力引領行業，在車用照明光及其控制技術上下功夫，其他部件圍繞這一核心部件進行優化組合成標準組件。1914年就進入汽車照明領域的飛利浦(PHILIPS)，2018年4月在武漢國際會議中心新品發布會上，發布了為消費者量身打造的經濟型恒銳光LED系列車燈，6 000 K色溫的高亮度前照燈光型精準不眩目，有效照明率提升達100%，一體化Thermal Cool酷睿散熱結構設計更利于快速升級，并帶來更安全及舒適的駕乘體驗。路虎、奧迪、奔馳和寶馬等車商也紛紛推出配置LED照明系統的新款轎車來吸引消費者，普通車也緊跟其后配備LED照明系統增加產品亮點。

1)奧迪：奧迪一直走在車燈技術的前沿，率先普及LED在車燈上的應用，A8[如圖3(a)]是第一款配置LED光源DRL的車型。該DRL兼轉向指示燈由22顆LED組成，上部近光燈由10顆LED加兩顆大功率LED組成遠光燈模塊，其L型設計燈體為車頭增添美感的同時有效提升了行車安全性，5 500 K色溫使交通參與者不會產生視覺疲勞。2014年A8推出的矩陣LED前照燈由25個高亮度LED組成，采用反光杯+光學透鏡來提升光利用率，并通過系統控制LED燈的形態及出光角度來調整照射區域。

2)奔馳：奔馳在全新CLS車型配置了LED前照燈，其他車型則配置LED光源DRL如圖3(b)。寶馬采用高亮度的LED替代亮度較低的冷陰極熒光燈(Cold Cathode Fluorescent Lamp，CCFL)，設計并推出了具有示寬和DRL功能的“天使眼”車燈。隨著LED的成熟應用，奔馳將在新一代6系列上率先使用LED遠近光燈照明系統來提升照明質量。

圖3 LED車燈典型應用Fig.3 Typical application of LED lights

3)雷克薩斯：首款使用LED前照燈[如圖3(c)]量產的是雷克薩斯于2008年推出的LS車型。其LS600h的近光燈和輔助照明均使用LED光源，近光燈配置了三組LED單元使用投射式光學系統，其下方的LED 輔助燈則采用反射式光學結構來擴展視野，在轉彎時照亮道路的拐角增強行車安全性。為了抑制由LED溫度上升導致性能下降,其在一個燈具中使用數目較多的LED發光元件, 讓單件的發熱量較小, 再把它們布置在較大的空間內使其易于散熱, 還運用了熱管散熱技術[10]。

4)吉利：吉利旗下的旗艦轎車博瑞是率先使用LED的國產品牌轎車。博瑞的前照燈和DRL均采用LED光源設計如圖3(d)，其有效照明距離分別為100 m和300 m，LED前照燈采用自動光感和4級高度調節設計來保證在各種天氣及路況條件下的行車安全。來自全球領先車用照明供應商法雷奧的整體設計具有很強的科技與時尚感，像是一雙晶燦流光的慧眼折射出LED技術精銳之魂，引領我國自主研發LED 汽車照明的技術方向。

3 車用LED照明質量問題及建議

車用LED照明作為一項具有突破性意義的新技術應用，已被大多數汽車制造商及消費者所接受，越來越多的高檔汽車都配備了LED照明系統。汽車用燈具由支架、LED光源和控制電路等3部分組成，由于汽車應用環境的特殊性，車用LED代替傳統光源還有很多技術難題還待解決。

1)散熱設計。LED的光輸出會因為自身的熱或來自發動機艙的高溫而影響本身PN結溫穩定, LED光通量和波長等重要參數受到PN結溫的直接影響, 這種不良的溫度循環將導致發光效率和壽命急劇下降。如果LED封裝散熱不良, 會使芯片溫度上升, 引起應力分布不均、芯片發光效率降低, 熒光粉轉換效率下降等一系列后果, 進而縮短LED的正常工作壽命[11]。車用LED燈具是在一個相對較為密閉的空間內工作，為了確保其穩定及可靠工作，LED燈具自主散熱結構設計的要求較高，如果燈具的散熱結構設計不當將導致熱堆積而加快LED光衰，降低其可靠性及縮短使用壽命，嚴重時將影響汽車照明效果而誘發交通事故[12]。熱仿真是評估具有已知邊際條件和負載的不同熱效應的通用方法，圖4為工程師使用熱仿真軟件對車用LED前照燈結構進行熱模擬評估散熱效果，只有充分地利用散熱管理手段，通過各種設計措施(水平和(或)垂直導熱)將熱量傳導給散熱器，利用自然對流和熱輻射傳遞至周圍環境，確保車用LED前照燈能穩定及可靠工作[13]。

圖4 LED車前照燈結構熱模擬Fig.4 Thermal simulation of LED car headlight structure

2)配光設計。在多車道的道路照明中,需要非對稱矩形配光，目前有研究通過建立LED光源的發光特性偏微分方程,利用數值求解法擬合出反射器自由曲面[14]。另一研究則運用能量網格劃分法,迭代計算出反射器面型[15]。但他們所實現的是對稱矩形配光,并不宜用在路面寬度較大的道路上。如果車用前照燈配光設計不當，將影響駕駛者的應變能力。LED光學特征與傳統光源有較大差別，可控發光角度的LED結合導光二次光學設計配光，使燈具的光強分布和照度分布更能滿足車用照明標準要求。設計者可根據車用前照燈的整體結構來設計配光，并聚焦LED有效光通量最大化的利用，采用每個單元反射器負責配光系統特定的照度區間，利用拋物面及光源的偏移旋轉來獲得最佳照度分布，車用前照燈的出光特性是設計者充分構思的核心點[16]。

3)光質量。目前市場上車用前照燈主要有鹵素燈、氙氣燈、LED燈和激光燈等類型。市面上60%以上的新車都使用鹵素燈，其優點是制造成本低和方便更換，缺點是亮度不夠。作為過渡品的氙氣燈，其亮度高和照射距離遠是最大的優勢，但在雨霧天的穿透效果不好，特別是在大霧天氣，駕駛員的眼前基本是一片白。寬色系的LED前照燈使用恒流精度、轉換效率和可靠性高的恒流電源來保證其穩定工作，可通過自適應技術將LED的色溫和亮度保持在要求范圍以內，體現LED燈光可控的應用優勢。

4)視覺舒適性。人眼在極端條件下能分辨色溫約為50～100 K，測量某款車用LED遠近光燈的最高色溫與最低色溫差距分別為1 600 K和1 300 K，如果人眼長時間在混合色溫下觀察事物容易引起視覺疲勞與不舒適感，因此色溫的不均勻性將會對駕駛舒適性產生影響，嚴重時將影響到駕駛安全。改善LED熒光粉涂覆工藝，確保各個角度的光學路徑一致，并綜合考慮燈功率和色溫的關系，做好LED車燈的散熱結構設計來保證色溫均勻性和光輸出的穩定性。

5)防護性能。車輛使用一段時間后，部分車燈會出現內有水霧或進水現象，嚴重的將影響照明功能。在前照燈3C認證標準中并沒有對產品防水防塵等級進行要求，通常是車燈制造商宣稱產品防水防塵的IP 等級。通過多個車燈防護失效典型案例的分析，主要是塑料結構件和密封圈因模具壽命、材料變化及組裝工藝等原因造成產品防護失效。在設計車用照明產品時，應對結構件的選材、生產工藝和耐候性等方面進行充分評估，并進行耐久性試驗來確保產品防護等級在其使用壽命期內是可靠的。

4 結語

從汽車照明行業整體來看，LED及智能控制在汽車照明領域具有廣闊的應用需求，由于高成本及行業準入門檻較高，導致汽車用LED照明還沒有得到普及應用。基于汽車工業的技術革新和創新性拓展，LED在汽車尾燈、方向燈及剎車燈的成熟應用，功能性前照燈也取得了突破性的進展，加之智能控制技術的成熟應用，照明企業應走出舒適區去探索與研究車用照明的需求，提升LED發光效率及降低產品成本，加快技術整合。LED及智能化將是車用照明市場的必然趨勢，新技術的應用將引領汽車照明進一步的發展。