動車組用LED主照明燈具壽命特性研究

段曉霞,吳超云,吳志遠,趙計勝,郭云健

(1.中車唐山機車車輛有限公司，河北 唐山 063000；2.廣電計量檢測(北京)有限公司，北京 102600)

LED燈具有節能環保、智能操控、響應時間短、壽命長等諸多優點，因此采用LED做燈具照明已成為軌道交通車輛照明的趨勢，但在運用中LED燈具出現明顯光衰、照度均勻性變差、頻閃、燈具異響等問題，嚴重影響照明效果[1]。因此評估LED燈具的剩余壽命特性，量化高級修時的照明指標，對于判斷燈具能否繼續服役至關重要[2]。

1 燈具壽命特性

試驗樣品為12件某型動車組內部照明系統部件，產品標稱功率為18 W，使用時間約為8年左右。

對照明系統部件的壽命特性研究，關鍵在于分析其性能技術參數隨使用時間的衰減趨勢，并根據衰減量選取主要性能指標。通過利用功率分析儀、積分球測試系統和分布光度計測試系統等檢測設備，測試12組待高級修的LED燈具(表1)的功率、光效、顯色指數、色漂移等關鍵技術參數，分析產品性能衰減情況，確定燈具剩余壽命評估的關鍵指標。

表1 燈具實測參數平均值

(1)樣品實際測量的光效平均為79.9 lm/W，而近兩年LED燈具光效水平為120 lm/W左右，樣品質量欠佳。樣品燈具經6 000 h室溫點燈試驗后光通量相較于初始值下降了4%～5%，衰減較為明顯。

(2)平均實測功率約為15.6 W，功率衰減13%左右。

(3)顏色指標：樣品為暖白色調，色溫在4 000 K左右。實測6 000 h室溫點燈試驗后顏色指標衰減基本在0.3%以內，幾乎無衰減。

綜上可知，從樣品的衰減趨勢來看，光效(光通量與輸入功率之比)和功率衰減相對較為明顯，顏色指標衰減不明顯。因此選取光通量衰減趨勢作為燈具剩余壽命評估的關鍵指標[3]。

2 壽命特性研究

2.1 樣品試驗方案設計

根據相關國標要求，對上述12件樣品進行6 000 h室溫點燈試驗及1 000 h的55 ℃高溫加速試驗，通過分析試驗每階段光通量的衰減量并擬合光通量的衰減曲線，從而得到光通量的衰減常數、燈具的激活能以及高溫加速因子，并最終對LED燈具的剩余壽命[4-5]進行預估。

2.2 室溫點燈試驗

根據GB/T 33720—2017《LED 照明產品光通量衰減加速試驗方法》及GB/T 33721—2017《LED 燈具可靠性試驗方法》要求，在溫度(25±1)℃、最大相對濕度65%的無對流風空間下，使LED燈具穩定工作6 000 h，并每隔1 000 h測試其光通量。樣件為上述12件樣品中抽取的2件，測試結果如表2所示。

表2 室溫點燈光通量測試數據 lm

對被試樣本6 000 h后光通量測量數據進行相對0數據的歸一化處理，并對歸一化得到的數據進行算數平均值計算，得到該組樣品在各個時間點相對于0 光通量的光通維持率的數據見表3。

表3 樣品光通維持率

根據測試標準，燈具光通量衰減遵循自然指數規律，則使用以下公式進行擬合

lnφ=lnB-α×t

(1)

式中：φ——平均歸一化后流明輸出；

B——初始常數；

α——衰減系數；

t——點燈時間，h。

對每型號光通維持率取對數，表4為對數值結果。

表4 樣品光通維持率對數值

分別對其中的2個樣件點燈時長和光通維持率對數進行線性擬合，圖1為擬合結果。

y.光通維持率對數；x.老化時長；R2.擬合度。

由圖1可知，在(25±1)℃時燈具衰減系數α1為5.93×10-6。并初步推斷當光通維持率為0.7時，18 W燈具剩余壽命為60 314 h≈6.9年。

2.3 加速老化試驗

軌道交通車輛上LED燈具受溫度的影響較大[6-7]，因此溫度應力是加速試驗的環境應力。目前國內外熱老化壽命研究預測中，最重要和最常用的方法是基于Arrhenius模型進行外推的計算方法，選用恒定應力加速老化方法，可信度較高[8]。根據GB/T 33720—2017《LED 照明產品光通量衰減加速試驗方法》及GB/T 36361—2018《LED加速壽命試驗方法》要求，在(55±2)℃，最大相對濕度65%的無對流風空間，LED燈具穩定工作1 000 h或測試光通維持率低于70%時停止，每250 h測試一次光通量。表5為樣品加速老化光通量測試數據。

表5 樣品加速老化光通量測試數據 lm

對10個被試樣本1 000 h光通量測量數據進行相對0 數據的歸一化處理，并對歸一化得到的多組數據進行算數平均值計算，得到該組樣品在各個時間點相對于0 光通量的光通維持率的數據，表6為具體數據。

表6 樣品加速老化光通維持率

燈具光通量衰減遵循自認指數規律lnφ=lnB-α×t，根據以上數據處理，圖2為擬合曲線。通過擬合公式計算，55 ℃環境下，燈具衰減系數α2為8.05×10-5。根據擬合結果，在55 ℃環境下燈具光通維持率為0.7時的剩余壽命為4 332 h。

圖2 高溫加速點燈擬合曲線

2.4 LED燈具激活能計算

根據以上6 000 h和1 000 h點燈測試數據處理結果，表7為18 W燈具測試處理結果。

表7 18 W燈具測試數據處理結果

高溫加速老化的Arrhenius加速模型公式如式(2)所示：

(2)

式中：α——衰減常數；

A——前指因子；

Ea——激活能，eV；

Ts,i——試驗溫度，℃；

KB——玻爾茲曼常數，8.62×10-5eV/K。

(1)通過Ts,1(25 ℃)及Ts,2(55 ℃)的試驗數據，推導并計算LED燈具的激活能Ea：

(3)

將α1、α2、KB帶入上式，得出18 W燈具的激活能為Ea=0.725 eV。

(2)根據室溫實測數據與高溫加速實測數據，計算得到LED燈具的激活能Ea，并通過Arrhenius 加速模型計算55 ℃下LED燈具的加速老化因子AF，計算公式如式(4)所示。

(4)

式中：Tnormal——使用條件下(非加速條件下)的溫度值，Tnormal=Ts,1=25 ℃；

Tstress——測試條件下(加速條件下)的溫度值，Tstress=Ts,2=55 ℃。

將Ea、KB、Ts,1、Ts,2帶入上式，得出加速因子AF=13.21。

2.5 小結

(1)LED燈具(18 W)在55 ℃高溫加速老化環境下，加速倍數為13.2倍。

(2)當光通量衰減率為0.7時，燈具55 ℃下剩余壽命為4 332 h相當于室溫環境(25 ℃)下57 240 h(約6.5年)，這一結論與室溫點燈壽命預測結果幾乎相同。

3 結論

本文基于 Arrhenius模型原理的加速老化壽命預測法，來對LED燈具壽命進行評估。選取五級修修正產品作為研究對象，得到了產品高溫加速老化試驗加速因子的計算公式。

通過高溫點燈試驗，根據光通量自認指數規律擬合退化曲線，以此評估室溫點燈產品的剩余壽命。光通量自認指數規律可用于LED室內燈具產品在車輛設計最多使用年限及燈具剩余使用年限的評估，為產品的設計和維護提供參考。