LED汽车前照灯光能量优化设计

LED汽车前照灯光能量优化设计
作者：铁岭市华隆仪表有限公司 总经理 郭廷麟
优化设计应使产品更好地满足当前需要，同时具有满足更高需求的潜力。
一、 当前
1、 设计的目的：
满足标准规定的照度分布。这个要求分解开来，就是，
1.1 达到要求中最亮点照度值；
1.2 以最少的功率实现要求的照度分布
有很多设计者把散热作为一项重要课题，实际上不是必要的，下面分析将表明，这将是随光能优
化而解的事情。

2、 定义
总光通量：一盏前照灯的LED或集合所发出的所有光能量（lm）。
有效光通量：通过灯具窗口并投向照明区域、分布符合标准规定的的光能（lm）。
光能利用率：有效光通量除以总光通量（%）。
杂光：通过灯具窗口但并没有投向标准规定的照明区域的光能（lm）。

3、 符合标准的配光到底需要多少光能？
3.1 氙气灯标准
近光，标准要求照明区域为18m×3m 。见表一。
只要有290 lm的光能，就可以达到标准要求的配光，虽然这是最低值，提高50%以后，即435 lm 或
者450lm。使用THY技术，光能利用率可达45%，总光通量1000lm 就够了。按100 lm/W的发光效率，
合电功率10W。
实际上，表中第二行，补入值已经很高了，实际上是没有这样高的。
现在市场上的氙气灯是35W，3000 lm，光能利用率为450/3000=15% 。而电光利用率为450/35≈
13 lm/W 。
表一 照明区域分割成1×1m2的块，红字是标准要求照度值，lx 。内插补入其他值。
座标 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
1
1 2 ≥2 3 4 ≥4 7 ≤20 10 ≥12 14 ≥20 16 10 ≥4 4 3 ≥2 2 1

2
≥1 2 2 3 4 4 7 10 14 20 16 10 4 4 3 2 2 ≥1
3
1 1 2 3 3 3 5 8 8 10 10 6 3 3 2 2 1 1

由于每块的面积是1m2 ，所以，照度值就是同数值的光通量。
统计：左侧128 lm，右侧162 lm，共计290 lm 。
表二
座标 1 2 3 4 5 6 7 8
1
≥2 5 ≤12 8 ≥6 8 ≥12 8 5 ≥2

2
2 3 4 6 10 6 3 2
统计：左侧38 lm，右侧48 lm，共计 86 lm 。
3.2 LED灯标准
近光，照明区域8m×2m ，见表二
只要有86lm的光能，就可以达到标准要求的配光，虽然这是最低值，提高50%以后，即129lm 或
者130lm。使用THY技术，光能利用率可达45%，总光通量290lm 就够了。按100 lm/W的发光效率，
合电功率3W。
光能利用率为130/300=43.3% ，电光利用率为130/3=43.3 lm/W 。
如此低的功率，散热根本不是难题。
如果用卤素灯，55W、1500lm ，光能利用率130/1500=8.7% ，电光利用率130/55=2.36 lm/W 。
4、 由上面计算可知，光能利用率是设计优化的主要任务。
此任务有三个内容，对应光能传输的三个阶段，每一段都有其利用率，总光能利用率为三段的积：
4.1 光源发出的光尽可能多的从窗口投射出去。
4.1.1 光能收集
使用THY技术时，当LED的辐射半功率角是60°，此段利用率可以到45%以上，此值可以精确计
算并符合实际。此效果受益于菲涅尔透镜的使用，使收集光能的相对孔径达90°以上，吸收损失小，
重量轻。
玻璃透镜是不可能相比的，孔径角一般约30°，加上透镜很厚，光能利用率约20% 。
4.1.2 挡板
挡板的作用是形成黑白界线，必然遮拦光而造成损失。光源或二次光源的的光分布不同，则损失
也不同。
THY投影技术，LED模块的发光局限在封装边框内，明暗过渡快，挡板只需挡一点即可，损失小
于5% 。在封装技术完善后，自动生成明暗界线，不使用挡板。
自由反射面技术，二次光源已经扩散，为了保证最亮部位与50R、75R测量点相合，大约会损失
25%的光能。
4.2 光束的光能尽可能多的进入照明区域。
使用THY技术时，由于是投影原理，LED模块尺寸计算准确，有效光通量效率可以接近100% 。其
他技术的前照灯，实际照明区域比标准要求照明区域大很多，造成浪费。
4.3 照明区域内，光能的实际分布尽可能与标准要求相一致。
使用THY技术时，由于是投影原理，LED模块由多个发光单元组成，每个发光单元对应照明区域
的一个部分，并且其发光可以数字化精确控制，使者这一段要求圆满实现。
重要的是，LED的亮度损失小，同等条件下，在照明区域产生更高照度。
THY技术设计优化是全面的，包括：投影技术、菲涅尔透镜、阵列分布发光单元组成的LED模块、
数字控制的驱动电路。
二、 潜力
作为产品，满足目前要求是必要的。但是，如果没有满足进一步要求的潜力的话，是没有生命力
的。
汽车前照灯的进一步要求是什么呢？
在量的变化方面有：视野更宽阔明亮、更节能、更便宜等。
在质量方面，概括讲就是照明与人眼的功能相匹配，与车的行驶状态相匹配。
目前已经提出的随动系统（光轴在水平、垂直方向移动）是一种。已经有样品的是一种机械结构，
几乎没有商业价值。
光束发散角随车速高低而收缩与展开，这是远光与近光的连续变换；
行驶中对视野进行水平方向扫描；
车在停止、启动、低速行驶、高速行驶等不同状态下，运行不同模式，以达到节能、安全、免妨
碍他人等目的。
左行灯、右行灯切换；
远光灯、近光灯切换
其它人们渴望实现的照明方式。
总之，前照灯由“僵尸眼”进化为“灵动眼”是可期望的。
在全世界范围内，各种技术都在实施，也没有能产业化，但是，如果没有上述的发展潜力，终将
被淘汰。
THY技术中，以二维LED模块为光源的前照灯的功能是十分强大的。虽然该产品尚未产成，但是，
其功能还是可以想象的，同时实现上述功能，也轻而易举，而且不需要硬件的运动或改变。
而目前已知的其他技术，实现上述某一种功能尚可，自然极难，如果要实现全部功能，则根本没
有可能。
我们认为，只有用完善优化的技术和产品结构，才能在汽车照明领域内发挥出LED光源的真正优
势，满足人们当前和久远的需求欲望，同时给经营者带来巨大的利益。