紧凑型LED汽车前照灯的开发

２０１５年４月　第２６卷第２期　照明工程学报　

ＺＨＡＯＭＩＮＧ　ＧＯＮＧＣＨＥＮＧ　ＸＵＥＢＡ０　Ａｐｒ．　２０１５　ＶｏＬ　２６　Ｎｏ．２　

紧凑型ＬＥＤ汽车前照灯的开发　李海涛，王永春，魏飞雄，井珍珍，曹　琛　（中国兵器装备集团摩托车检测技术研究所，陕西西安７１００３２）　摘　要：介绍了ＬＥＤ汽车前照灯应用概况，说明了ＬＥＤ汽车前照灯存在的问题，给出了开发紧凑型ＬＥＤ前照灯的　建议，并对ＬＥＤ汽车前照灯的前景进行了展望。　关键词：大功率ＬＥＤ；紧凑型前照灯；配光设计；散热　中图分类号：Ｕ４６３．６５＋１　文献标识码：Ａ　ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００４￣４０Ｘ．２０１５．０２．０２７　

Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｃｏｍｐａｃｔ　ＬＥＤ　Ｈｅａｄｌａｍｐｓ　Ｌｉ　Ｈａｉｔａｏ，Ｗａｎｇ　Ｙｏｎｇｃｈｕｎ，Ｗｅｉ　Ｆｅｉｘｉｏｎｇ，Ｊｉｎｇ　Ｚｈｅｎｚｈｅｎ，Ｃａｏ　Ｃｈｅｎ　（Ｍｏｔｏｒｃｙｃｌｅ　Ｔｅｓｔ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｃｈｉｎａ　Ｓｏｕｔｈ　Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ　Ｇｒｏｕｐ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｔｉｏｎ，Ｘｉ’ａｎ　７　１００３２，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：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．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｈｉｇｈ　ｐｏｗｅｒ　ＬＥＤ；ｃｏｍｐａｃｔ　ｈｅａｄｌａｍｐｓ；ｌｉｇｈｔ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｄｅｓｉｇｎ；ｈｅａｔ　ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ　

己Ｉ吉　Ｉ　大功率ＬＥＤ光效已达到１５０１ｍ／Ｗ以上，寿命　达几万小时，在汽车照明灯具中具有广阔的应用前　景　。ＬＥＤ光源显色指数能达到９８，色温可达　５５００Ｋ左右，可避免驾驶员产生视觉疲劳　。相比　于传统汽车前照灯的光学系统，ＬＥＤ光源体积小，　发光空间是２盯平面，光能利用效率更高　，是未　来汽车前照灯的必然选择。　１　ＬＥＤ汽车前照灯应用概况　１．１国外ＬＥＤ汽车前照灯　２００７年日本小系制作所和Ｅｔ亚化学工业为雷克　萨斯ＬＳ６００Ｃｈ研制了近光灯，近光系统由３个并排　透镜组成的投射式组件和一个反射镜组成的反射式　基金项目：郑州市科技局国际合作项目（１０ＧＪＨＺ５１７）　组件构成。继雷克萨斯ＬＳ６００近光灯之后，在短短　一年内，丰田为ＲＸ４５０ｈ、普锐斯和ＨＳ２５０ｈ成功设　计了ＬＥＤ近光灯。　２００８年Ｌｕｍｉｌｅｄｓ和Ｏｓｒａｍ为奥迪Ｒ８Ｖ１０成功研　发了ＬＥＤ近光灯和远光灯，总共５４颗ＬＥＤ光源，　ＬＥＤ光效１００１ｍ／Ｗ。随后奥迪公司为Ａ８和Ａ６也设　计了ＬＥＤ前照灯。　２００８年Ｈｅｌｌａ为凯迪拉克Ｅｓｃａｌａｄｅ　Ｐｌａｔｉｎｕｍ研　发了一款全ＬＥＤ前照灯，该前照灯包括５个近光灯　组和３个远光灯组，色温５５００Ｋ。　２０１２年进口到我国的奔驰ＣＬＳ３５０实现了标准　化ＬＥＤ前照灯配置，该款前照灯总共２４颗ＬＥＤ光　源，色温５４００Ｋ。　１．２国内ＬＥＤ汽车前照灯　国内对ＬＥＤ汽车灯具也十分重视，国家８６３“半　导体照明工程”项目和“十一五”首批启动的项目　就有“车用ＬＥＤ光源系统开发”、“大功率ＬＥＤ车灯　第２６卷第２期　李海涛等：紧凑型ＬＥＤ汽车前照灯的开发　１３５　研究及规模化应用”、“桥车前大灯集成技术研究”　等三个项目。吉林某公司为奔腾Ｂ５０研制出ＬＥＤ汽　车前照灯。奔腾Ｂ５０的前照灯使用Ｏｓｒａｍ大功率白光　ＬＥＤ光源，每个光源由５颗大功率ＬＥＤ串联组成，每　颗ＬＥＤ功率是３Ｗ。远光灯使用２个ＬＥＤ光源，近光　灯使用３个ＬＥＤ光源。我国一些科研院所和企业在　ＬＥＤ汽车前照灯散热和配光元件方面也申请了许多专　利，取得了重要研究成果。　２　ＬＥＤ汽车前照灯存在的问题　ＬＥＤ汽车前照灯应用发展过程呈现三个特点：　一是ＬＥＤ最先应用在近光灯中，然后应用到远光灯　上；二是ＬＥＤ前照灯都使用了很多个ＬＥＤ光源，　每个光源配备散热器和透镜或反射镜，灯具系统庞　大；三是ＬＥＤ前照灯的市场占有率很低。ＬＥＤ前照　灯发展之所以呈现上述现状，主要原因是散热问题　难解决，远光灯要求比近光灯更高的光通量，散热　难度比近光灯大，所以在远光灯散热不能解决的情　况下，先在近光灯上使用ＬＥＤ光源。为了降低散热　难度，把多颗低光通光源分散开进行散热。配光方　面，ＬＥＤ是体积很小的面发光型光源，相比于全空　间发光型的传统光源，配光设计简单，灯具效率高，　没必要用低光通光源代替高光通光源进行单独配光　设计。ＬＥＤ前照灯的应用成本较高，只有充分发挥　ＬＥＤ的优势，让其在科技上再上一个台阶，才能竞　争过传统的光源，在汽车前照灯应用中发展壮大　起来。　目前大功率ＬＥＤ应用成本较高，如果其光效　高、寿命长、体较小等优势得不到充分发挥，就不　可能在市场上得到广泛应用。影响其诸多优势发挥　的关键因素是结温，随着ＬＥＤ结温升高发光效率和　寿命严重降低，图１和图２是ＯＳＲＡＭ一款大功率　ＬＥＤ模块的光通量、寿命与结温的关系，结温升高　光谱发生红移　。为解决这一问题，现阶段用风　扇、液冷、翅片及热管解决散热问题　”　。风扇散　热效果比较好，但增加了能耗降低了系统可靠性，　风扇的寿命和稳定性是前照灯系统的一个短板；液　冷系统稳定性不高，同时为增强散热必须用泵促进　液体循环，因此没有得到研发生产的认可；翅片散　热器的系统可靠性比较高；热管散热效果好，系统　可靠性高，是目前最受欢迎的散热方式。由于散热　器不能干涉ＬＥＤ光线，这四种散热器只能从光源的　背光面将热量传输到外界，散热器与光源的接触面　积小，散热能力不强，只能解决低光通量的ＬＥＤ光　源的散热问题，使用这四种散热器散热只能用多颗　低功率ＬＥＤ光源实现配光要求，导致灯具体积庞　大。汽车不可能留出太大的空间供灯具使用，因此　灯具庞大的体积与汽车紧凑型设计之间的矛盾是制　约ＬＥＤ前照灯发展的主要原因。　

图１　光通量随结温的变化　图２寿命随结温的变化　Ｆｉｇ．２　Ｌｉｆｅ　ａｓ　ａ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｊｕｎｃｔｉｏｎ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　

３紧凑型ＬＥＤ汽车前照灯开发　从以上考虑的问题出发，在充分发挥ＬＥＤ前照　灯光效高、寿命长、响应速度快、不眩光的基础上，　单光源是紧凑型汽车前照灯发展的方向，在条件允　许的情况下还应该发挥ＬＥＤ灯具的艺术效果。向这　个方向发展能使其与传统灯具竞争中健康发展壮大　起来。ＬＥＤ汽车前照灯需要高光通量的光源，用多　个尺寸较小的ＬＥＤ芯片或者单个尺寸较大的ＬＥＤ　芯片封装的光源均可实现高光通量的照明，无论采　用单颗大尺寸ＬＥＤ芯片光源还是采用多颗小尺寸的　ＬＥＤ芯片集成光源，都不存在ＬＥＤ芯片内部及ＬＥＤ　芯片之间的光子自吸收现象，因此影响ＬＥＤ光学性　能的因素只有散热　。　１３６　照明工程学报　２０１５年４月　ＬＥＤ光源模块的热阻表示为　ＰｆＲ　ｚ＋Ｐｔ。ｔ　Ｒ０　，，、　ｓ　—　

Ｒ＿－日　是ＬＥＤ的ＰＮ结到环境的热阻，Ｐ　和Ｐ　分别　是第ｉ个ＬＥＤ的热功率和ＬＥＤ光源模块的总热功　率，　。是ＬＥＤ封装材料的热阻。一般情况下，同　

一模块使用的ＬＥＤ芯片完全一样，式（１）就　变为　１　Ｒ　＝　＋　０　（２）　

，‘　式（２）表示一个封装了ｎ颗ＬＥＤ芯片的光源　

模块热阻，得出光源模块热阻随ＬＥＤ芯片数量增加　而降低。现阶段使用单颗大功率ＬＥＤ芯片实现近光　或远光的照明是不符合行业发展现状的，待ＬＥＤ前　照灯光效再提高一层时，才可能应用到前照灯上。　使用多颗ＬＥＤ封装的光源热阻小，散热比单芯片光　源容易，比多颗光源的前照灯节约灯具系统体积，　光源体积和单芯片光源前照灯相差很小。　使用多颗尺寸较小ＬＥＤ芯片封装的模块作为汽　车前照灯是现阶段的发展方向，一个在４ｍｍ×４ｍｍ　发光面内封装了９颗１ｍｍ　ｘ　１ｍｍ芯片的光源模块光　通量可以达到１３００１ｍ，完全满足近光灯和远光灯的　照明要求，这种光源采用单个透镜或反射镜就能解　决配光问题。　在解决前照灯散热问题方面，建议采用散热材　料能与ＬＥＤ模块全表面接触的散热方式，这种散热　方式使光源散热面积增加两倍以上。ＬＥＤ是面发光　型光源，采用光源全表面散热方式同时不能降低灯　具光能利用率，因此需要在ＬＥＤ出光面采用一种对　光源光学性能不产生影响的散热物质。目前已有专　家在做这方面研究，例如用一种热传导系数高、黏　度系数小、凝固点低、沸点高、光吸收率低、化学　性质稳定的液体封装灯具，用液体既解决散热又用　作配光透镜以解决光学问题。　

４　ＬＥＤ汽车前照灯发展前景　从２００１年起我国汽车年销量保持２０％的增长　速度，现已成为世界上最大的汽车市场。汽车今后　的发展方向是节能和环保型，２０１２年７月国务院颁　发了《２０１２－－２０２０节能与新能源汽车产业发展规　

划》，ＬＥＤ是节能型汽车的首选光源。立足ＬＥＤ技　术现状，充分利用ＬＥＤ光效高、寿命长，开发单光　源紧凑型ＬＥＤ前照灯，使其在科技上更上一个台　阶。紧凑型ＬＥＤ前照灯未来发展空间巨大。　参考文献　［１］Ｒａｏ　Ｈ，Ｄｉｎｇ　Ｋ，Ｓｏｎｇ　Ｊ，ｅｔ　ａ１．Ｓｅｌｆ－ａｄａｐｔｉｖｅ　ｐｈｏｓｐｈｏｒ　ｃｏａｔｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｆｏｒ　ｗｈｉｔｅ　ＬＥＤ　ｐａｃｋａｇｉｎｇ［Ｊ］．　Ｆｒｏｎｔｉｅｒｓ　ｏｆ　０ｐｔｏｅｌｅｃｔｒ０ｎｉｃｓ，２０１２，５（１）：１－６．　［２］毛兴武，张艳雯，周建军．新一代绿色光源ＬＥＤ及其　应用技术［Ｍ］．北京：人民邮电出版社，２００８：　８９．９６．　［３］Ｎａｒｅｎｄｒａｎ　Ｎ，Ｇｕ　Ｙ，Ｆｒｅｙｓｓｉｎｉｅｒ　Ｊ　Ｐ，ｅｔ　ａ１．Ｓｏｌｉｄ—ｓｔａｔｅ　ｌｉｇｈｔｉｎｇ：ｆａｉｌｕｒｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｗｈｉｔｅ　ＬＥＤｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｃｒｙｓｔａｌ　Ｇｒｏｗｔｈ，２００４，２６８：４４９４５６．　［４］Ｋａｒｓｔｅｎ　Ｅｉｃｈｈｏｎ．ＬＥＤ　ｉｎ　Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ　Ｌｉｇｈｔｉｎｇ［ｃ］．　ＳＰＩＥ，２００６，６１３４：１—６．　［５］文尚胜．ＬＥＤ灯具的光品质分析［Ｊ］．照明工程学　报，２０１１，２２（５）：１０７—１１０．　［６］陶鑫，刘木清．一种应用自由曲面的ＬＥＤ汽车前照近　光灯配光设计［Ｊ］．照明工程学报，２０１３，２４（５）：　９９．１０２．　［７］Ｍｅｈｍｅｔ　Ａｒｉｋ，Ｃｈａｒｌｅｓ　Ｂｅｃｋｅｒ，Ｓｔａｎｔｏｎ　Ｗｅａｖｅｒ，ｅｔ　ａ１．　Ｔｈｅｒｍａｌ　Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ＬＥＤｓ：Ｐａｃｋａｇｅ　ｔｏ　Ｓｙｓｔｅｍ［ｃ］．　ＳＰＩＥ，２００６，５１８７：６４・７５．　［８］费翔，钱可元，罗毅．大功率ＬＥＤ结温测量及发光特　性研究［Ｊ］．光电子・激光，２００８，１９（３）：２８９－２９２．　［９］刘立明，郑小东．ＬＥＤ结温与光谱特性关系的测量　［Ｊ］．光子学报，２００９，３８（５）：１０６９—１０７３．　［１Ｏ］Ｙａｎ　Ｌａｉ，Ｎｉｃｏｌａｓ　Ｃｏｒｄｅｒ，Ｆｒａｎｋ　Ｂａｒｔｈｅｌ，ｅｔ　ａ１．Ｌｉｑｕｉｄ　ｃｏｏｌｉｎｇ　ｏｆ　ｂｒｉｇｈｔ　ＬＥＤｓ　ｆｏｒ　ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ［Ｊ］．　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｔｈｅｒｍａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒ，２００９，２９：１２３９・１２４４．　［１１］陈文林，安震，刘晨阳，等，大功率ＬＥＤ汽车前照灯　散热装置的设计与分析［Ｊ］．照明工程学报，２０１３，　２４（６）：１０１—１０５．　［１２］陈柏仁，马小康，蓝浩玮，等．蜂巢式散热鳍片应用　于高功率ＬＥＤ散热的研究［Ｊ］．太原理工大学学报，　２０１０，４１（５）：５５４・５６３．　［１３］田水，杨峻，王海波．大功率ＬＥＤ热管散热器研究　［Ｊ］．照明工程学报，２０１３，２４（２）：４４＿４８．　［１４］ＫＡＭＯＮ　Ｋｕｎｉｈｉｔｏ，ＴＡＫＥＳＨＩＴＡ　Ｊｕｎｉｃｈｉ，　ＦＵＫＵＩ　Ｔｓｕｙｏｓｈｉ，ｅｔ　ａ１．Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ｔｈｅ　Ｌｕｍｉｎｏｕｓ　ａｎｄ　Ｔｈｅｒｍａｌ　Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　Ｈｉｇｈ・・Ｐｏｗｅｒ　Ｎｅａｒ－－Ｕｈｒａｖｉｏｌｅｔ　ＬＥＤ　Ｐａｃｋａｇｅｓ　ｗｉｔｈ　Ｖａｒｉｏｕｓ　Ｃｈｉｐ　Ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔｓ［Ｊ］．Ｊ．Ｌｉｇｈｔ　＆Ｖｉｓ．Ｅｎｖ．，２００９，３３（３）：１４２－１４６．