LED 汽車前照燈的設(shè)計(jì)方案

為21世紀(jì)的光源,LED吸引著人們密切的關(guān)注,但在作為汽車前照燈的實(shí)際應(yīng)用中,對例如系統(tǒng)要求高效率等問題就更必須予以充分考慮。本文討論了作為汽車前照燈使用的LED光源需要達(dá)到的性能,并展示了使用LED的下一代汽車白色LED前照燈系統(tǒng)。

引言自上世紀(jì)90年代白色LED的出現(xiàn)開始,其亮度增大趨勢是如此之快,以至于我們都把它們視為21世紀(jì)的光源?，F(xiàn)在我們使用白色LED作為汽車前照燈的光源,這樣它們的優(yōu)越性就可以得到充分的展示。這種新系統(tǒng)比通常使用的鹵鎢燈要明亮,與HID頭燈的亮度差不多。但是考慮到LED光源特有的優(yōu)越性,比如重量輕、安裝深度小、耗能低、壽命更長、沒有環(huán)境污染等,它們的確更適合作為下一代汽車前照燈系統(tǒng)的光源。此外,白色LED的使用還可以使整個(gè)車的設(shè)計(jì)變得更加靈活?，F(xiàn)在我們正在進(jìn)行白光LED汽車前照燈的研發(fā)工作,以充分展示它們的優(yōu)越性。

1白光LED的現(xiàn)狀

1.1白光LED的原理

白光LED有幾種不同的工作原理,表1展示了3種典型的原理。表la中的“藍(lán)光LED+$熒光粉”型是是白光LED發(fā)展的最高水平,它最有可能被用在第一代LED汽車前照燈系統(tǒng)中。表1b中的“紫外線LED+紅綠藍(lán)三色熒光粉”型因其高的顯色指數(shù)而最有潛力作為通常的照明系統(tǒng)用燈,但作為前照燈系統(tǒng)使用時(shí)還應(yīng)研究如何克服紫外光對塑料的老化作用。表1c中的“紅綠藍(lán)三芯片”型有改變發(fā)光顏色的性能,但它目前仍然不能在前照燈系統(tǒng)中使用,因?yàn)楹茈y克服它在使用過程中顏色的改變,這種顏色改變可能來自3種芯片溫度特性的不同,也可能來自不同LED的損耗退化速度。表1白光LED的原理。

1.2光通量

近年來白光LED的光效取得了顯著的進(jìn)步,2003年早期市場上一些高功率的LED光效己經(jīng)達(dá)到了30lmPW。圖1顯示對高功率LED光效提高的期待。最終LED的光效將達(dá)到一個(gè)在120～200lmPW之間的極限值。到2005或2006年,其光效就可達(dá)到60lmPW,最大功率預(yù)計(jì)可以達(dá)到1～5W,因此一個(gè)LED的光通輸出預(yù)計(jì)能達(dá)以60～300lm。

圖1用于汽車前照燈的白光LED的光效。

1.3亮度在通常的照明領(lǐng)域,LED作為熒光燈的替代品,其亮度從來就不是一個(gè)問題,只要光通量能不斷增大就可以了。因此LED技術(shù)的核心是如何提高光通量而不是提高亮度。但在汽車前照燈系統(tǒng)中,亮度就顯得比光通量重要得多了,其主要原因如下:當(dāng)今LED的亮度最大是4cdPmm2,這個(gè)數(shù)值比鹵鎢燈亮度20～25cdPmm2要低得多,而與HID前照燈比就更是低了10倍多。因此,為了設(shè)計(jì)出合適尺寸的汽車前照燈系統(tǒng),單個(gè)LED的輸出亮度必須提高到現(xiàn)在的2～3倍。

更進(jìn)一步分析可見,使用熒光粉的LED的出射亮度不僅僅決定于芯片的尺寸,同時(shí)還決定于與芯片作為一個(gè)整體的包含熒光粉的發(fā)光表面的外觀尺寸。

舉個(gè)例子來說,同樣是一個(gè)面積為1×1mm的芯片,它能發(fā)出30lm的光通量,但是它的亮度卻能在01cdPmm2之間變化,這取決于熒光粉的涂敷方式及部件的封裝方法(如圖2所示)。因此,用于汽車前照燈的LED用熒光粉必須涂敷得盡可能薄,這樣就不會(huì)增大光源系統(tǒng)的表面積。

圖2不同結(jié)構(gòu)的LED的亮度。

1.4壽命

通常而言,LED的使用壽命很長。在消費(fèi)用電子產(chǎn)品中,LED光源的的壽命與產(chǎn)品壽命相比足夠長,據(jù)報(bào)導(dǎo)一些高功率的LED的壽命能超過10000h,但遺憾的是,這些都是沒有考慮到作為汽車前照燈這一苛刻的工作環(huán)境得到的結(jié)果。如果要用于汽車前照燈,LED的壽命必須超過HID光源的3000h,若進(jìn)一步考慮到替換LED光源的過程難度更大,LED的壽命要求能夠超過10000h。LED光源要想成為汽車前照燈,其壽命仍然有待改進(jìn)和提高。

2汽車前照燈的實(shí)際應(yīng)用

2.1光學(xué)系統(tǒng)

一套LED前照燈系統(tǒng)毫無疑問需要多個(gè)LED光源,因?yàn)閱蝹€(gè)LED不能提供足夠的光通量。同時(shí),通常的鹵鎢燈和HID光源,它們發(fā)出的光線會(huì)射向除基底外的各個(gè)方向,而一般的目前使用的大功率LED發(fā)出的光線因受到結(jié)構(gòu)的限制,只會(huì)向半個(gè)球的方向發(fā)射。這就使得使用LED的前照燈的光學(xué)系統(tǒng)與常規(guī)的前照燈系統(tǒng)不同。但是這兩種前照燈系統(tǒng)對其出射光的要求是一樣的,因此基本上可以使用通常的方法設(shè)計(jì)使用LED的前照燈系統(tǒng)。

比光學(xué)特性不同更重要的是,由于LED光源的低發(fā)熱,LED前照燈系統(tǒng)中與光源相連接的部分可以使用塑料材料,這為設(shè)計(jì)者的配置設(shè)計(jì)提供了更大的自由性。同時(shí)設(shè)計(jì)者可以使用塑料導(dǎo)光管,這一點(diǎn)對目前前照燈系統(tǒng)來說是難以實(shí)現(xiàn)的。因此,當(dāng)設(shè)計(jì)LED前照燈光學(xué)系統(tǒng)時(shí),設(shè)計(jì)者將有更大的選擇空間:不但可以采用傳統(tǒng)的自由構(gòu)造的反射器件和投射器件,同時(shí)可以使用塑料導(dǎo)光管,這就讓設(shè)計(jì)者能根據(jù)不同的條件使用不同的方法以達(dá)到美觀性的要求,從而能使汽車前部外形輪廓更趨合理。

2.2光學(xué)系統(tǒng)組成成分的精確尺寸定位

因?yàn)長ED光源和光學(xué)系統(tǒng)做得更小,光學(xué)元件的相對位置就要求更加精確。以直接投射光學(xué)系統(tǒng)為例,圖3顯示了透鏡和LED的相對位置對出射光束的光軸方向的影響。LED前照燈系統(tǒng)包含了大量的光源,對于寬光束分布的遠(yuǎn)光束系統(tǒng),透鏡和LED相對位置的影響不會(huì)成為問題。而近光束有非常尖銳的截止面,為了達(dá)到各個(gè)LED單元發(fā)光光軸方向的一致性,前照燈系統(tǒng)的各個(gè)組成之間的相對位置就要求非常精確。這種精確的尺度要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于通常汽車前照燈的精度,因此LED頭燈系統(tǒng)的制造工藝正期待著創(chuàng)新性的突破。

圖3直接投射光學(xué)系統(tǒng)中LED放置位置的影響示意圖。

2.3LED的亮度和頭燈的尺寸

光源的亮度在汽車前照燈系統(tǒng)中顯得格外重要,因?yàn)榻馐鵁粢筮_(dá)到2000～30000cd的光強(qiáng)度,而遠(yuǎn)光束燈至少要求達(dá)到50000cd的光強(qiáng)。光源在一個(gè)給定方向的光強(qiáng)度取決于光源的發(fā)光部分在該方向的亮度,換句話說,取決于光源中許多的小發(fā)光體的亮度的總和。在此小發(fā)光體就是組成光源的眾多LED,光源LED的亮度需要考慮到光線在各個(gè)光學(xué)部件的反射和傳輸中的衰減。在一個(gè)典型的前照燈系統(tǒng)中,光在各個(gè)光學(xué)元件包括外透鏡在內(nèi)總的衰減大約是25%～40%。根據(jù)物理學(xué)的觀點(diǎn)來看,光學(xué)元件是不可能放大光源的亮度,因而對光源的亮度的要求就決定了前照燈表面面積的下限了,見圖4所示。

這里的表面面積是指從前方看過來的發(fā)光面積。而設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)際的前照燈,為了形成漫射光線及考慮系統(tǒng)其他元件的性能,這個(gè)面積的數(shù)值要變成原來的2～3倍。如前文所述,目前使用LED最大亮度是4cdPmm2,這顯然是不夠的?？紤]到汽車前照燈的實(shí)際尺寸,對近光束,LED的亮度至少要提高到目前的2倍,而遠(yuǎn)光束就要求提高到3倍。

圖4光源的亮度與汽車前照燈的最小表面面積的關(guān)系。

2.4近光束

為了證明LED前照燈系統(tǒng)的可能性,我們制造了能產(chǎn)生近光的帶反射器的燈具樣品,它的光分布符合美國的標(biāo)準(zhǔn)。圖5展示了這種模具,圖6是它的光分布情況。36lm的光通量和1600cd的最大光強(qiáng)可以通過使用2個(gè)LED配合一個(gè)38mm×94mm的反射鏡得到,其應(yīng)用的每個(gè)LED功率為1W,亮度是4cdPmm2,光通量是30lm,芯片的尺寸是1mm×1mm。

為了使系統(tǒng)的最大光強(qiáng)超過20000cd,需要使用13個(gè)這樣的單元。每個(gè)單元的反射面的投影面積是35172cm2,因而13個(gè)單元的總投射面積是464136cm2。擁有這樣一個(gè)投射面積的頭燈系統(tǒng)就太過龐大而不可能在實(shí)際中應(yīng)用。為了制造一個(gè)實(shí)用的樣品,LED的亮度至少要增加2倍。

圖5產(chǎn)生近光的帶反射器的燈具樣品。

圖6近光帶反射器的燈具樣品的光分布。

2.5遠(yuǎn)光束

我們進(jìn)一步試驗(yàn)如圖7所示的帶反射器的遠(yuǎn)光燈具樣品。圖8顯示了它的光分布情況。3600cd的最大光強(qiáng)是使用1個(gè)LED配合一個(gè)半徑為30mm的半圓形反光鏡得到,其應(yīng)用的每個(gè)LED功率為5W,亮度大約是4cdPmm2,光通量是95lm,芯片的尺寸是2mm×2mm。為了使其最大亮度能超過50000cd,需要使用14個(gè)這樣的單元,每個(gè)單元的反射面的投影面積是28126cm2,因而14個(gè)單元的總投射面積是395164cm2。擁有這樣一個(gè)投射面積的前照燈系統(tǒng)就太過龐大而無法實(shí)際應(yīng)用。為了制造一個(gè)實(shí)用的樣品,LED的亮度至少要增加3倍。

圖7產(chǎn)生遠(yuǎn)光的帶反射器的燈具樣品

圖8遠(yuǎn)光帶反射器的燈具樣品的光分布

2.6LED的最大工作溫度和熱處理

在LED的所有的工作條件下,作為發(fā)光同時(shí)也是發(fā)熱的部件———P-N結(jié)的溫度(Tj)不能超過絕對額定值(Tjmax)。目前Tjmax大約是120℃,通過下面的計(jì)算可以看到,無法通過自然風(fēng)冷而達(dá)到這一要求。

下例中我們估計(jì)了LED的PN結(jié)的溫度,從而從熱學(xué)觀點(diǎn)來定LED前照燈系統(tǒng)的可行性。條件:單個(gè)LED輸入功率:PLED=2W總的LED消耗功率:PLAMP=24W(2W×12單元)LED的熱阻:Rthj-hs=15℃PW散熱器熱阻:Rthhs-a=115℃PW(散熱器使用鋁和黑色明礬石制成,體積為400cm3,為了實(shí)現(xiàn)燈的自然風(fēng)冷,以魚鰭狀延伸到燈的外部)周邊溫度:70℃(燈后方的散熱片周圍的周邊溫度)我們簡化計(jì)算模型用以得到整個(gè)平衡的結(jié)果計(jì)算:周邊溫度:Ta=70℃(1)散熱器的溫升:dThs=PLAMP×Rthhs-a=36℃(2)芯片的溫升:dTj=PLED×Rthj-hs=30℃(3)由式(1)(2)(3),我們就能得到PN結(jié)的溫度:Tj+Ta+dThs+dTj=70+36+30=136℃在這種條件下Tj超過了120℃,因此必須使用強(qiáng)制冷卻。

圖9LED前照燈的溫度分布。

3前照燈樣品

我們已經(jīng)生產(chǎn)了前照燈的樣品。圖10展示了我們設(shè)想的未來的LED頭燈系統(tǒng),它的光源全部采用LED,能產(chǎn)生遠(yuǎn)光束和近光束,并能改變燈傾角的模式。我們通過使空氣進(jìn)入燈前的開口而實(shí)現(xiàn)冷卻。

圖11展示了我們用以驗(yàn)證工作原理而設(shè)計(jì)的LED前照燈系統(tǒng)。它可在實(shí)際應(yīng)用的汽車上安裝并測試。

LED頭燈的近光束能產(chǎn)生19000cd的光強(qiáng)和500lm的光通量輸出,這對鹵鎢燈前照燈系統(tǒng)來說是一個(gè)非常有競爭力的數(shù)值。我們正在收集關(guān)于用這種燈熱處理的數(shù)據(jù)。圖12顯示了這種燈的光分布情況,因?yàn)椴捎玫氖悄壳癓ED產(chǎn)品,它并沒有達(dá)到最佳的情況,但它足以證明LED作為汽車前照燈的潛力。隨著LED性能的的優(yōu)化,LED前照燈系統(tǒng)在光分布方面也一定不會(huì)比現(xiàn)有的前照燈系統(tǒng)差。

圖10全部使用LED的汽車前照燈樣品。

圖11樣品在實(shí)際的汽車中的應(yīng)用。

圖12實(shí)際用于汽車的LED前照燈樣品的光分布。

4結(jié)論

現(xiàn)在可用的白光LED雖然已經(jīng)取得了很大的改進(jìn),但仍因其光強(qiáng)度偏低而不能用于商業(yè)汽車前照燈,并且還存在光學(xué)系統(tǒng)需要進(jìn)一步優(yōu)化的問題。盡管現(xiàn)在這種LED前照燈系統(tǒng)仍不可行,但它潛在的優(yōu)勢卻清楚的顯現(xiàn)出來了。LED亮度和穩(wěn)定性的提高,消耗費(fèi)用的下降,燈尺寸的生產(chǎn)工藝進(jìn)步,光學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)化,所有的這些問題有望在不久的將來得到解決,從而使用LED前照燈的汽車一定會(huì)在公路上出現(xiàn)。我們相信,美觀、節(jié)能、安全、低耗費(fèi)的LED汽車前照燈系統(tǒng)一定能得到普及。