LED 光源在汽車前照燈中的應(yīng)用

李海濤 張若塵 李 瑋

1 中檢西部檢測(cè)有限公司（陜西 西安 710032）

2 中國(guó)質(zhì)量認(rèn)證中心西安分中心（陜西 西安 710068）

0 引言

汽車前照燈光源經(jīng)歷了乙炔燈、白熾燈、鹵素?zé)簟ID 燈、LED 燈的發(fā)展，其性能得到了很大提高。LED 是半導(dǎo)體照明冷光源，目前大功率白光LED 發(fā)光效率可達(dá)到150 lm/W 以上，小功率LED 光效在200 lm/W 以上，壽命可達(dá)幾萬小時(shí)。隨著LED 光源的發(fā)展，其發(fā)光效率還有較大的提升空間[1-3]。如果光源散熱且電源良好，LED 可實(shí)現(xiàn)在汽車壽命范圍內(nèi)不換燈，有廣闊的發(fā)展前景。LED 的工作電壓低、電流小、響應(yīng)速度快，且具有光源體積小、抗震、綠色環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，但同時(shí)也存在空間光色分布不均勻、空間顯色性不均勻、散熱困難等技術(shù)壁壘[4-5]。

1 LED 汽車前照燈的發(fā)展

2007 年，日本小系制作所和日亞化學(xué)工業(yè)為雷克薩斯LS600Ch 研制了世界上首個(gè)汽車前照燈。緊接著，豐田汽車公司為雷克薩斯RX450h、普銳斯和雷克薩斯HS250h 也成功設(shè)計(jì)了LED 前照燈。2008 年，Lumileds和OSRAM 為奧迪R8V10 成功研發(fā)了LED 前照燈，LED 光效為100 lm/W，LED 光源應(yīng)用在汽車前照燈上的節(jié)能優(yōu)勢(shì)被充分體現(xiàn)。2012 年1 月1 日，《汽車用LED 前照燈》（GB 25991—2010）實(shí)施，該標(biāo)準(zhǔn)是國(guó)內(nèi)首個(gè)LED 汽車前照燈的強(qiáng)制認(rèn)證檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)[6]。

LED 光源能夠使汽車燈具的設(shè)計(jì)風(fēng)格和造型布置具有靈活性，適于車型的個(gè)性化發(fā)展，同時(shí)LED 具有的節(jié)能、使用壽命長(zhǎng)、響應(yīng)速度快等優(yōu)勢(shì)將其推向應(yīng)用市場(chǎng)。隨著應(yīng)用技術(shù)的成熟及成本的降低，中小型燈具企業(yè)也能夠完成設(shè)計(jì)開發(fā)，中低端汽車也能夠安裝LED 汽車前照燈，其市場(chǎng)占有率得到了很大的提升。

2 LED 汽車前照燈的優(yōu)勢(shì)

LED 汽車前照燈光源壽命一般可達(dá)50 000 h 乃至100 000 h，光效高于150 lm/W。LED 是電能到光能的直接轉(zhuǎn)換，光電轉(zhuǎn)化效率高，亮燈響應(yīng)速度快（納秒級(jí)），有利于快速行駛的車輛使用。LED 占用體積小，適宜于燈具造型設(shè)計(jì)。LED 前照燈與傳統(tǒng)前照燈光效、壽命及響應(yīng)速度的對(duì)比如表1 所示。

表1 LED 前照燈與傳統(tǒng)前照燈性能對(duì)比

3 LED 汽車前照燈的技術(shù)瓶頸

3.1 散熱

LED 屬于半導(dǎo)體光源，不耐高溫。汽車前照燈使用的LED 是大功率器件，且使用在密閉空間，不利于熱量發(fā)散。OSRAM 某只大功率LED 模塊光通量和結(jié)溫的關(guān)系如圖1 所示。由圖1 可以看出，隨著結(jié)溫升高，光通量幾乎呈線性下降。通常，有兩種方法可以提高LED 散熱能力，一是提高LED 光源導(dǎo)熱能力，二是提高燈具散熱器的散熱能力。由于目前很難從工業(yè)化的LED 光源材質(zhì)及結(jié)構(gòu)方面提高散熱技術(shù)，因此往往采取將很多顆功率較小的光源分散排布的方式，以利于光源的散熱，但這樣光源體積小的優(yōu)勢(shì)便不再存在。從燈具的角度看，燈具輔助散熱技術(shù)包括風(fēng)扇、液冷、翅片及熱管技術(shù)。其中，風(fēng)扇散熱效果比較好，但增加了能耗，降低了系統(tǒng)的可靠性；液冷的系統(tǒng)穩(wěn)定性不高，為了加快熱量循環(huán)必須用泵促進(jìn)液體循環(huán)；翅片散熱器的系統(tǒng)可靠性比較高；熱管散熱效果好，系統(tǒng)可靠性高，是目前最受歡迎的散熱方式。

圖1 光通量隨結(jié)溫的變化趨勢(shì)圖

3.2 空間光色分布不均勻

根據(jù)《汽車用LED 前照燈》（GB 25991—2010）做LED 前照燈光色檢測(cè)時(shí)，近光測(cè)量50 V 點(diǎn)，遠(yuǎn)光測(cè)量HV 點(diǎn)，近光和遠(yuǎn)光的色坐標(biāo)同時(shí)滿足4個(gè)不等式，即：0.310 ≤x ≤0.500、0.382 ≤y ≤0.440、y ≤0.150+0.640x、y ≥0.050 ＋0.750x。在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境條件下，某款遠(yuǎn)光燈在配光測(cè)試屏上的光色分布如圖2 所示，鹵素?zé)簟怏w放電燈及LED 光源的光譜分布如圖3 ～圖5 所示。

圖2 投射式LED 前照燈遠(yuǎn)光

圖3 LED 光譜分布

圖4 氣體放電燈光譜分布

圖5 鹵素?zé)艄庾V分布

LED 光源為發(fā)射光譜峰值470 nm 的半導(dǎo)體芯片激發(fā)熒光粉產(chǎn)生560 nm 左右的光譜，由激發(fā)光譜和受激發(fā)光譜混合產(chǎn)生白光，光譜成分單調(diào)，透鏡配光容易產(chǎn)生色散現(xiàn)象，造成空間光色分布不均勻。駕駛員在顏色分布不均勻的燈光環(huán)境下駕駛車輛，容易產(chǎn)生視覺疲勞，尤其是藍(lán)光成分偏高時(shí)，影響更為惡劣。藍(lán)光是一種高能量可見短波，眼睛受到較為重度藍(lán)光照射，會(huì)導(dǎo)致瞳孔變小、視力下降等。

3.3 空間顯色性不均勻

《汽車用LED 前照燈》（GB 25991—2010）規(guī)定，LED前照燈或光源的紅光成分應(yīng)該滿足下列不等式要求，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定近光在50 V 點(diǎn)測(cè)試，遠(yuǎn)光在HV 點(diǎn)測(cè)試。

式中：Ee(λ)為光譜發(fā)光能量；V(λ)為光譜發(fā)光效率。紅光成分用光譜分析儀測(cè)試，LED 前照燈光譜在610 ～780 nm 范圍內(nèi)的光通量在可見光光通量中的占比不低于5%，在近光在50 V 點(diǎn)及遠(yuǎn)光在HV 點(diǎn)滿足要求的前提下，表現(xiàn)出空間顯色性嚴(yán)重不均勻的特征，進(jìn)而影響車輛的安全行駛。

4 總結(jié)

LED 汽車前照燈有諸多優(yōu)勢(shì)，這是傳統(tǒng)前照燈無法比擬的，但同時(shí)散熱難、空間光色及空間顯色性分布不均勻也是其特有的技術(shù)難題。目前，散熱技術(shù)已得到顯著提升，已能滿足LED 光源在汽車前照燈中的應(yīng)用；而空間光色及顯色性不均勻?qū)ζ嚢踩旭偭粝铝穗[患，且尚未引起車企重視，認(rèn)證檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)在這兩個(gè)方面也未做規(guī)定。為了LED 前照燈健康發(fā)展，需要認(rèn)證檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)光色及顯色性的空間均勻性做出規(guī)定。