LED 汽車前照燈的設(shè)計(jì)方案

為21世紀(jì)的光源,LED吸引著人們密切的關(guān)注,但在作為汽車前照燈的實(shí)際應(yīng)用中,對(duì)例如系統(tǒng)要求高效率等問(wèn)題就更必須予以充分考慮。本文討論了作為汽車前照燈使用的LED光源需要達(dá)到的性能,并展示了使用LED的下一代汽車白色LED前照燈系統(tǒng)。

引言自上世紀(jì)90年代白色LED的出現(xiàn)開(kāi)始,其亮度增大趨勢(shì)是如此之快,以至于我們都把它們視為21世紀(jì)的光源?，F(xiàn)在我們使用白色LED作為汽車前照燈的光源,這樣它們的優(yōu)越性就可以得到充分的展示。這種新系統(tǒng)比通常使用的鹵鎢燈要明亮,與HID頭燈的亮度差不多。但是考慮到LED光源特有的優(yōu)越性,比如重量輕、安裝深度小、耗能低、壽命更長(zhǎng)、沒(méi)有環(huán)境污染等,它們的確更適合作為下一代汽車前照燈系統(tǒng)的光源。此外,白色LED的使用還可以使整個(gè)車的設(shè)計(jì)變得更加靈活。現(xiàn)在我們正在進(jìn)行白光LED汽車前照燈的研發(fā)工作,以充分展示它們的優(yōu)越性。

1白光LED的現(xiàn)狀

1.1白光LED的原理

白光LED有幾種不同的工作原理,表1展示了3種典型的原理。表la中的“藍(lán)光LED+$熒光粉”型是是白光LED發(fā)展的最高水平,它最有可能被用在第一代LED汽車前照燈系統(tǒng)中。表1b中的“紫外線LED+紅綠藍(lán)三色熒光粉”型因其高的顯色指數(shù)而最有潛力作為通常的照明系統(tǒng)用燈,但作為前照燈系統(tǒng)使用時(shí)還應(yīng)研究如何克服紫外光對(duì)塑料的老化作用。表1c中的“紅綠藍(lán)三芯片”型有改變發(fā)光顏色的性能,但它目前仍然不能在前照燈系統(tǒng)中使用,因?yàn)楹茈y克服它在使用過(guò)程中顏色的改變,這種顏色改變可能來(lái)自3種芯片溫度特性的不同,也可能來(lái)自不同LED的損耗退化速度。表1白光LED的原理。

1.2光通量

近年來(lái)白光LED的光效取得了顯著的進(jìn)步,2003年早期市場(chǎng)上一些高功率的LED光效己經(jīng)達(dá)到了30lmPW。圖1顯示對(duì)高功率LED光效提高的期待。最終LED的光效將達(dá)到一個(gè)在120～200lmPW之間的極限值。到2005或2006年,其光效就可達(dá)到60lmPW,最大功率預(yù)計(jì)可以達(dá)到1～5W,因此一個(gè)LED的光通輸出預(yù)計(jì)能達(dá)以60～300lm。

圖1用于汽車前照燈的白光LED的光效。

1.3亮度在通常的照明領(lǐng)域,LED作為熒光燈的替代品,其亮度從來(lái)就不是一個(gè)問(wèn)題,只要光通量能不斷增大就可以了。因此LED技術(shù)的核心是如何提高光通量而不是提高亮度。但在汽車前照燈系統(tǒng)中,亮度就顯得比光通量重要得多了,其主要原因如下:當(dāng)今LED的亮度最大是4cdPmm2,這個(gè)數(shù)值比鹵鎢燈亮度20～25cdPmm2要低得多,而與HID前照燈比就更是低了10倍多。因此,為了設(shè)計(jì)出合適尺寸的汽車前照燈系統(tǒng),單個(gè)LED的輸出亮度必須提高到現(xiàn)在的2～3倍。

更進(jìn)一步分析可見(jiàn),使用熒光粉的LED的出射亮度不僅僅決定于芯片的尺寸,同時(shí)還決定于與芯片作為一個(gè)整體的包含熒光粉的發(fā)光表面的外觀尺寸。

舉個(gè)例子來(lái)說(shuō),同樣是一個(gè)面積為1×1mm的芯片,它能發(fā)出30lm的光通量,但是它的亮度卻能在01cdPmm2之間變化,這取決于熒光粉的涂敷方式及部件的封裝方法(如圖2所示)。因此,用于汽車前照燈的LED用熒光粉必須涂敷得盡可能薄,這樣就不會(huì)增大光源系統(tǒng)的表面積。

圖2不同結(jié)構(gòu)的LED的亮度。

1.4壽命

通常而言,LED的使用壽命很長(zhǎng)。在消費(fèi)用電子產(chǎn)品中,LED光源的的壽命與產(chǎn)品壽命相比足夠長(zhǎng),據(jù)報(bào)導(dǎo)一些高功率的LED的壽命能超過(guò)10000h,但遺憾的是,這些都是沒(méi)有考慮到作為汽車前照燈這一苛刻的工作環(huán)境得到的結(jié)果。如果要用于汽車前照燈,LED的壽命必須超過(guò)HID光源的3000h,若進(jìn)一步考慮到替換LED光源的過(guò)程難度更大,LED的壽命要求能夠超過(guò)10000h。LED光源要想成為汽車前照燈,其壽命仍然有待改進(jìn)和提高。

2汽車前照燈的實(shí)際應(yīng)用

2.1光學(xué)系統(tǒng)

一套LED前照燈系統(tǒng)毫無(wú)疑問(wèn)需要多個(gè)LED光源,因?yàn)閱蝹€(gè)LED不能提供足夠的光通量。同時(shí),通常的鹵鎢燈和HID光源,它們發(fā)出的光線會(huì)射向除基底外的各個(gè)方向,而一般的目前使用的大功率LED發(fā)出的光線因受到結(jié)構(gòu)的限制,只會(huì)向半個(gè)球的方向發(fā)射。這就使得使用LED的前照燈的光學(xué)系統(tǒng)與常規(guī)的前照燈系統(tǒng)不同。但是這兩種前照燈系統(tǒng)對(duì)其出射光的要求是一樣的,因此基本上可以使用通常的方法設(shè)計(jì)使用LED的前照燈系統(tǒng)。

比光學(xué)特性不同更重要的是,由于LED光源的低發(fā)熱,LED前照燈系統(tǒng)中與光源相連接的部分可以使用塑料材料,這為設(shè)計(jì)者的配置設(shè)計(jì)提供了更大的自由性。同時(shí)設(shè)計(jì)者可以使用塑料導(dǎo)光管,這一點(diǎn)對(duì)目前前照燈系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是難以實(shí)現(xiàn)的。因此,當(dāng)設(shè)計(jì)LED前照燈光學(xué)系統(tǒng)時(shí),設(shè)計(jì)者將有更大的選擇空間:不但可以采用傳統(tǒng)的自由構(gòu)造的反射器件和投射器件,同時(shí)可以使用塑料導(dǎo)光管,這就讓設(shè)計(jì)者能根據(jù)不同的條件使用不同的方法以達(dá)到美觀性的要求,從而能使汽車前部外形輪廓更趨合理。

2.2光學(xué)系統(tǒng)組成成分的精確尺寸定位

因?yàn)長(zhǎng)ED光源和光學(xué)系統(tǒng)做得更小,光學(xué)元件的相對(duì)位置就要求更加精確。以直接投射光學(xué)系統(tǒng)為例,圖3顯示了透鏡和LED的相對(duì)位置對(duì)出射光束的光軸方向的影響。LED前照燈系統(tǒng)包含了大量的光源,對(duì)于寬光束分布的遠(yuǎn)光束系統(tǒng),透鏡和LED相對(duì)位置的影響不會(huì)成為問(wèn)題。而近光束有非常尖銳的截止面,為了達(dá)到各個(gè)LED單元發(fā)光光軸方向的一致性,前照燈系統(tǒng)的各個(gè)組成之間的相對(duì)位置就要求非常精確。這種精確的尺度要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于通常汽車前照燈的精度,因此LED頭燈系統(tǒng)的制造工藝正期待著創(chuàng)新性的突破。

圖3直接投射光學(xué)系統(tǒng)中LED放置位置的影響示意圖。

2.3LED的亮度和頭燈的尺寸

光源的亮度在汽車前照燈系統(tǒng)中顯得格外重要,因?yàn)榻馐鵁粢筮_(dá)到2000～30000cd的光強(qiáng)度,而遠(yuǎn)光束燈至少要求達(dá)到50000cd的光強(qiáng)。光源在一個(gè)給定方向的光強(qiáng)度取決于光源的發(fā)光部分在該方向的亮度,換句話說(shuō),取決于光源中許多的小發(fā)光體的亮度的總和。在此小發(fā)光體就是組成光源的眾多LED,光源LED的亮度需要考慮到光線在各個(gè)光學(xué)部件的反射和傳輸中的衰減。在一個(gè)典型的前照燈系統(tǒng)中,光在各個(gè)光學(xué)元件包括外透鏡在內(nèi)總的衰減大約是25%～40%。根據(jù)物理學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)看,光學(xué)元件是不可能放大光源的亮度,因而對(duì)光源的亮度的要求就決定了前照燈表面面積的下限了,見(jiàn)圖4所示。