幾種典型汽車前照燈用光源的性能試驗研究

文 醉，趙 斌，何云堂，吳 迪

(中國汽車技術研究中心，天津 300300)

引言

汽車前照燈是確保夜間行車安全的重要因素，而汽車前照燈光源是實現理想照明效果的關鍵環節。目前，汽車前照燈中多使用的是鹵素燈，而HID(氣體放電光源)由于具有較高的發光效率和更長的使用壽命，在中高檔轎車中得到了較多的應用[1-2]。近年來，LED技術發展快速，其具有節能、長壽命、響應速度快、造型設計靈活等特點，而通過使用LED模塊還可以產生各種適應性遠近光光型，使它能夠為多種汽車前照燈應用提供極佳的解決方案，成為了未來先進前照燈技術的發展趨勢[3]。越來越多的汽車廠商已經將LED汽車前大燈技術應用到了不少的車型上。

鹵素燈和HID燈的使用較為成熟，GB 15766.1《道路機動車輛燈泡尺寸、光電性能要求》也從功率、尺寸、光通量等各方面對鹵素燈和HID燈進行了規范。而對于LED光源而言，僅GB 25991—2010《汽車用LED前照燈》中對其在紅光顯色性成分、照度和色度溫度穩定性、LED模塊目標光通量等方面進行了規范。各種前照燈光源在結構尺寸、發光原理、散熱方式等方面都存在很大的差異，為了更好的評價前照燈光源的工作特性，本文對幾種典型的前照燈光源在發光特性、環境耐受性等方面進行了探討。

1 汽車前照燈用光源的光學特性對比分析

1.1 光譜成分的差異

鹵素燈與普通的白熾燈一樣，當電流通過鎢絲時，燈絲會燃燒并發出白熱的光，而鹵素燈由于在燈泡內添加了鹵元素，提高了使用壽命；汽車用HID燈則是利用氙氣受高電壓的激發而產生電弧光的原理來發光；白光LED通常采用兩種方法形成，第一種是利用“藍光技術”與黃色YAG熒光粉配合形成白光；第二種是多種單色光混合方法[4]。采用藍光LED加黃色YAG熒光粉的方式因其工藝較為簡單，技術成本較低，是目前制備白光LED最常用的方式。

圖1 3種前照燈光源的光譜成分Fig.1 The spectral component of 3 kinds of headlamp light sources

圖1為對3種前照燈光源的光譜成分測量結果。由圖1可知，3種光源光譜成分的差別很大。鹵素燈的光譜成分從趨紫極限向趨紅極限逐漸增大；HID燈的光譜成分在可見光范圍內變化相對凌亂，呈階躍性變化，出現了多個波峰以及波谷；而LED光源光譜成分則明顯可以看出，盡管當藍光激發黃色熒光粉后，熒光粉所釋放的光，其光譜并不是單一的黃光，而是涵蓋了可見光譜的絕大部分，其光譜分布仍然是連續的。

1.2 顯色性的比較

作為光源對物體本身顏色呈現的程度，顯色性也是評價光源的指標之一。從顯色性的角度去比較幾種典型的前照燈光源，由于鹵素燈泡的光譜分布與太陽光最為接近，其顯色性應是最好的[5]。對于LED光源，盡管藍色和黃色成分較多，而青色和紅色方面的光譜含量嚴重不足，這將造成顯色性變差。此外，由于有較多的藍光成分，有觀點認為這將產生比鹵素燈和HID燈更多的不舒適眩光。為了減少眩光，應盡可能減少前照燈LED光源的藍光成分[6]。由于白光LED光譜與傳統光源的光譜差別較大，加之在汽車駕駛時對紅色警示標志的顯色要求處于首要的地位，顯色指數并不能很好的反映白光LED光源應用在道路交通領域時的能力。為了考核LED前照燈光源的顯色性，GB 25991—2010《汽車用LED前照燈》中特別增加了對LED光源光譜最低紅光成分的要求[7-8]，如下列公式所示：

其中：Ee(λ)(單位：W)代表發光光譜能量。V(λ)(單位：l)代表光譜發光效率。λ(單位：nm)代表波長。分別對幾種典型前照燈光源的顯色指數和紅光成分進行測試及計算，其結果見表1。

表1 3種前照燈光源的紅光成分Table 1 The red light component of 3 kinds of headlamp light sources

從表1的數據可見，所測量的3種前照燈光源中，鹵素燈的顯色性明顯高于其他光源，鹵素燈的紅光成分也最多，而LED光源的紅光成分相對最小。

1.3 發光效率的比較

從節能與環保方面進行考慮，有必要對3種前照燈光源在發光效率上進行比較。目前，符合標準規定的車用鹵素燈泡的功率在55W～75W之間，發光效率在20～35lm/W之間，而車用HID的功率一般限定為35W，發光效率達到80～100 lm/W[9]。從表2可以看出，本次測量的1# LED光源，其發光效率介于鹵素燈和HID之間。近年來，許多汽車燈具廠家開始開發25W的HID燈，其使用功率得到進一步的下降，而LED技術也在快速的發展，LED光源的發光效率正在不斷增大，目前已有發光效率與HID相當的產品問世。

2 汽車前照燈光源環境耐受性對比分析

盡管汽車前照燈光源安裝在前照燈燈體內，但由于前照燈的安裝位置靠近發動機艙，當在高溫天氣以及發動機高負荷運行時，其散熱環境較為惡劣，且前照燈并不是完全封閉的。

因此，前照燈光源仍然會受到外界環境的影響。與鹵素燈和HID燈不同，LED光源的正常運行受溫度的影響較大。LED結溫過高會產生發光效率下降，光強衰減加快，熒光粉加速老化等一系列問題[10-11]。

表 2 點亮1h后3種前照燈光源的發光效率Table 2 The luminous efficacy of 3 kinds of headlamp light sources after 1h

由于色度特性也是評價汽車前照燈光源的重要指標，本文著重研究了溫度對幾種典型的前照燈光源色度特性所產生的不同的影響，此外，作為汽車前照燈光源時，某些大功率的LED會增加穩流的電路裝置，在潮濕和海洋氣候的環境下，其工作性能是否會受到影響也值得探究，本文通過鹽霧試驗來模擬幾種典型的前照燈光源在潮濕和海洋氣候的環境下工作的狀況。

2.1 溫度對汽車前照燈光源色度特性的影響

圖2 溫度對鹵素燈(H7)、HID(D1S)、1# LED的色度特性的影響Fig.2 The influence of temperature on the chromaticity characteristic of Halogen lamp(H7)、HID(D1S)、1# LED

圖3 溫度對2# LED光源的色度特性的影響Fig.3 The influence of temperature on the chromaticity characteristic of 2# LED

圖2為3種前照燈光源在不同溫度下工作時其色品坐標的變化特性，框線所圍成的區域為白色光的色品坐標范圍。由圖2可以看出，當0℃為基準時，1# LED光源在溫度高于0℃和低于0℃點亮時，x和y的值都比在0℃點亮時要小，在10℃時，1# LED光源的色品坐標值甚至超出了白光的范圍。隨著溫度的上升，1# LED光源色品坐標x和y值都呈下降的趨勢。當色品坐標x和y值同時減小時，其光色相對將會變“藍”，降低了其顯色性能。而鹵素燈和氙氣燈在-10℃～80℃的范圍內點亮時其色品坐標值的變化很小，色度特性對溫度的變化并不敏感。而從圖3可以看出，在對 2# LED光源進行溫度影響測試時，其色品坐標x和y值同樣呈現出隨溫度上升而下降的現象。當在20℃下持續點亮2# LED光源30min和1h時，其色品坐標值幾乎沒有發生變化，因此，溫度對LED光源色度特性的影響是明顯的。

2.2 鹽霧對汽車前照燈光源的影響

為了了解鹽霧環境都汽車前照燈光源的影響，分別選取了3#～5# LED光源模塊，和鹵素燈(H7)、HID(D1S)進行了72小時的中性鹽霧試驗，其中有3#和4#LED光源模塊不含有電路板，而5# LED光源模塊則是LED光源集成在了電路板中。鹽霧試驗后，對幾種汽車前照燈用光源的光通量進行了測量。如圖4所示，鹵素燈、氣體放電燈光通量變化較小，而1#、2#LED光源光通量有一定的下降，而5#LED光源的光通量下降得最為明顯，其光通量下降比例達到20%。分析其原因，筆者認為，由于5#LED光源存在電路板連接，電路板抗腐蝕性能相對較差，因此其性能受到的影響較大。3#、4#LED光源由于沒有與電路板連接，其受鹽霧腐蝕的影響較小。

圖4 鹽霧試驗后各種前照燈光源光通量下降率Fig.4 The decay rate of luminous flux of headlamp light sources after salt corrosion test

3 結束語

(1)幾種前照燈光源的光譜特性盡管不同，但其光譜成分都是連續性的；HID燈、LED燈的顯示性相較于鹵素燈較差；而HID燈的發光效率最高，但LED燈的發光效率有進一步提升的潛力，其應用在汽車前照燈上更能顯現出節能環保的優勢。

(2)高低溫環境和鹽霧氣候對鹵素燈、HID燈在發光強度、色度特性等方面的變化影響較小，而對LED燈的影響較大，在高低溫的環境下，LED的色度會出現漂移，x和y值呈現出減小的趨勢，而鹽霧氣候會減小LED燈的發光強度，對于集成在電路板中的LED光源尤為明顯。因此，有必要增加相關測試環節，以評價LED光源的性能。對其設計者而言，需進一步提高LED光源在這些方面的工作穩定性。

[1] 于佳麗，勵強華.汽車前照燈光源的應用現狀與發展前景[J].中國科技縱橫，2011，12(4).

[2] 燕坤善,牛萍娟,付賢松.汽車前照燈光源及發展趨勢[J].光機電信息，25(11)：36-40.

[3] Rainer Neumann.Future Opportunities with LED Front Lighting.SAE International，2012.

[4] 龍奇，陳大華.LED汽車前照燈[J].中國照明電器，2004(2).

[5] 毛新武.新一代綠色光源LED及其應用技術[M].北京：人民郵電出版社，2009.

[6] 居家奇，林燕丹.LED汽車前照燈藍光成分與不舒適眩光[J].中國照明電器，2006(7).

[7] 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會，GB 25991—2010《汽車用LED前照燈》[S].北京：中國標準出版社，2010.

[8] 周鋼，吳杜雄.汽車用LED前照燈光源顯色性要求探析[J].信息技術與標準化，2013(7).

[9] 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會，GB 157666.1—2008《道路機動車輛燈泡尺寸、光電性能要求》[S].北京：中國標準出版社，2008.

[10] 謝倩雯.溫度對LED性能的影響[J].物聯網技術.2012，(3)：37-38.

[11] 梅毅，陳郁陽.LED溫度特性的測試[J].照明工程學報，2007，18(1)：17-20.