先进技术引领中国照明发展 LED前照灯发展技术探讨
所属分类：车灯/照明
2013-8-17 9:47:27 推荐指数：
前照灯是保障汽车安全运行的重要部件之一。近几年来，随着照明光源技术的进步，汽车前照灯经历了一个从白炽灯到卤素灯再到HID灯的发展过程，然而，这些传统光源均属于真空或充气的玻壳灯具，在亮度、寿命、体积、发热度、色温调整与坚固性等各个方面均存在着致命的弱点。LED汽车前照灯就是配置LED光源的一种前照灯，与传统的汽车前照灯相比，具有寿命长、节能、光质好、结构简单、响应快(NS级)、电压低、体积小等优点，其已成为国内外争相开发的热点。
LED前照灯掀起汽车照明领域一场革命
当前，随着汽车制造业的发展与人民生活水平的提高，汽车灯具的LED化、智能化是当今全球灯具发展的必然趋势。尤其是LED光源的小巧、坚固、长寿、节能、平面化、智能化等诸多优点能满足人们对汽车安全、舒适、豪华、节能、环保与多功能等方面的要求。许多知名的汽车制造商与供应商纷纷将此定为汽车工业新的经济增长点，纷纷将汽车照明LED化，以适应将来的汽车市场。
但在世界范围内，LED前照灯仍处于研制阶段，日本小糸车灯公司首先推出了LED前照灯样灯，德国海拉公司也以独具匠心的中心光源配合光纤定向导光的设计，推出了概念产品。
丰田的2008款雷克萨斯LS600Ch成为世界上首款应用LED前大灯的车型，该车灯是由日本小糸制作所(KOITO)研制和生产，该款LED前照灯也成为了世界第一只LED前照灯。随后Audi R8车型也推出了世界第一只全LED前照灯，第一时间使LED前照灯所有功能变成现实。
目前市场上几款配备LED前照灯的车型有LS600Ch、Audi R8、Escalade Platinum，这三种车型市场售价均超过10万美元，属于豪华车型。大众车型目前还没有配备LED前照灯的主要原因是LED光源的价格一直比较高，在一定程度上限制了LED前照灯的市场销量。尽管如此，很多汽车厂家还是将LED前大灯的应用列入日程中。
随着LED技术的不断成熟和完善，其光源的价格将逐渐下降，未来将会有更多的车型采用LED前照灯。据日本小糸车灯制作所预测，2010年日本销售的新车中将有5%配备LED前照灯，也就是说再过1-2年大众化车型也有望配备LED前照灯。
我国在“十一五”期间对LED汽车灯进行了重点部署和研发。国家863计划“半导体照明工程”重大项目，“十一五”首批启动课题中就安排了“车用LED光源系统开发”、“轿车前照大灯集成技术研究”和“大功率LED车灯研究及规模化应用”三个相关研发课题，分别由常州星宇车灯股份有限公司、吉林东光瑞宝车灯有限责任公司和天津一汽夏利汽车股份有限公司主持承担。目前，前两个课题都已顺利通过验收，一款基于奔腾B50车型的全LED前照灯样灯问世。奔腾B50全LED前照灯的研制成功标志中国在LED前照灯领域已经取得了进步，缩短了与国际先进水平的差距，也标志中国在汽车零部件领域自主创新方面取得了卓越的成果。随着第一只全LED前照灯的诞生，其产业化进程也将逐步缩短。
奔腾B50车型全LED前照灯样灯设计原理
一、结构设计
B50前照灯由远光灯、近光灯、行车灯、转向灯构成，B50的远光灯系统与mazda6的电路系统相同，即远光灯接通的时候，近光灯同时在接通状态，设计者在结构设计的时候，近光灯采用了3颗15W LED，远光灯采用2颗15W LED，因此实际照明的时候远光灯是5颗LED同时点亮。而位置灯与转向灯则采用普通LED。下图是B50前照灯系统结构图：
二、光源选择
选择LED作为前照灯的光源，具有以下优点：
色温更高，超过5000K，因此更接近日光水平;
超长寿命，比汽车寿命还要长;更低的能耗：
近光灯 < 40W，远光灯 < 45W;占用汽车的空间更小;
可以实现个性化的造型，前照灯中更容易增加个性元素;
冷光源，灯内的温度更低，使用普通树脂材料更环保;
灯光的利用率更高。
另外LED产品具备比卤素灯更高的光电转换效率，如下表：
为了能够实现比现有前照灯更好的技术指标，该前照灯采用OSRAM公司OSTAR系列的大功率LED产品，该LED采用5颗3W LED串联封装，输入电压18V，电流800mA，设计时采用了专用电路进行驱动，以便能够更好的发挥LED功效。
三、光学系统设计
光学设计采用近光灯光学设计和远光灯光学设计两种类型：
1.近光灯光学设计
近光灯设计采用的是椭球+透镜的设计方式，原理如下：
根据椭球的几何特性，它存在2个焦点，光源放置在其中一个焦点上，光源发出的光束通过椭球反射面反射会聚集在另外一个焦点上，而椭球的第二焦点又恰恰是透镜的焦点，根据透镜的性质，焦点上发射出的光线通过透镜的折射，输出的应当是平行光。根据这个原理，就可以根据ECE标准要求适当的改变椭球的形状，目的是使从透镜输出的光水平扩散，然后在透镜的焦点处放置遮光屏，以达到形成明暗截至线的目的。
鉴于目前单颗大功率LED的实际光通量(400lm)尚不能满足法规要求，因此，设计者采用了三联透镜组来制做近光灯组，设计图样如下图：
在配光过程中，针对每个透镜组分别配光，使每个透镜组发挥着不同的作用，其扩散角度也不尽相同，最终确保75r，50r等法规要求点达到最佳效果。
LED与普通卤素灯发光特性的区别，如下图：
卤素灯发光角度是360度，而LED发光角度仅仅在150度左右，在做配光设计的时候，应重点考虑到这一点，因此，实际上只用了1/4椭球。
2.远光灯光学设计
远光灯光学设计采用两种方案，第一种是反射镜配光，第二种是自由曲面的透镜配光。
远光灯的光学设计根据ECE标准要求，进行反射镜配光并结合自由曲面透镜的设计使其达到扩散的目的，并且最亮点能超过法规的要求。
(1)反射镜配光
反射镜配光是基于抛物面原理进行设计，根据抛物线的几何特性，光源放置在抛物面的焦点上。
(2)自由曲面透镜的设计
这部分配光设计由LED、散热系统、自由曲面透镜三部分组成，设计者通过对透镜表面部分进行配光设计，实现了预定的扩散目的。
反射镜配光是比较传统的配光方式，也比较容易控制，而自由曲面透镜的配光是专门为LED配光设计的，卤素灯不适合这种方案的设计。
四、散热系统设计
制约LED效率的最大障碍应该是散热问题，因此散热系统的设计也是LED前照灯设计的一项重要内容，我们使用ICEPAK与QFIN进行计算机设计与模拟：
使用QFIN主要用于设计散热器的叶片，对于近光灯三联透镜组的结构，散热器设计完成后图样如下：
该散热器的形状与车灯的结构有很大的关系，但与散热效果关系不大，与散热效果关系大的主要是叶片的间距与厚度，在45W功率下使用QFIN进行分析，初始温度为50℃，结果如下：
从图中我们可以看出，在10分钟内温度上升非常快，20分钟后趋于平衡，90度的平衡温度满足我们的要求。
LED前照灯的主要部件之一就是散热系统，如果灯的空间有限，就可以考虑增加外置风扇，这样就可以大大的增加散热系统的性能，从而控制LED的温度，减少光衰。卡迪拉克LED前照灯采用的就是这种外加风扇的方法。
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