日產(chǎn)的LED前照燈

　　日產(chǎn)汽車2010年12月上市了電動(dòng)汽車（EV）“LEAF”（中國名：聆風(fēng)。圖1）。該車以最初年產(chǎn)5萬輛，2012年年產(chǎn)20萬輛這一在EV中前 所未有的規(guī)模實(shí)施量產(chǎn)。該款車型有很多值得關(guān)注的地方，比如通過與具有通信功能的導(dǎo)航儀聯(lián)動(dòng)來指引充電設(shè)施所在位置，為延長續(xù)航距離對(duì)鋰離子充電電池進(jìn)行 徹底的電源管理等等。其中，標(biāo)配的LED前照燈也頗受關(guān)注。

　　負(fù)責(zé)為LEAF開發(fā)LED前照燈的是日本市光工業(yè)。為了以低成本實(shí)現(xiàn)“世界最高的節(jié)電性能”，市光工業(yè)在既可抑制白色LED的發(fā)光損失又可獲得所期望的配光特性方面下了一番工夫，同時(shí)還采取了對(duì)白色LED進(jìn)行高效散熱，確保高發(fā)光效率的對(duì)策。

　　LEAF的LED前照燈在近光燈光源上采用白色LED，近光燈點(diǎn)亮?xí)r的耗電量為整個(gè)前照燈23W。這一數(shù)值僅為55～60W級(jí)鹵燈的40％左右、 43～45W級(jí)HID燈的50％左右。即使與豐田混合動(dòng)力車“普銳斯（Prius）”的現(xiàn)有車型所配備的LED前照燈（近光燈點(diǎn)亮?xí)r約35W，新車發(fā)布時(shí) 的數(shù)值）相比耗電量還要小。

　　只用2個(gè)白色LED作為光源

　　在市光工業(yè)統(tǒng)管LED前照燈開發(fā)的村橋克廣（市光工業(yè)開發(fā)本部研究開發(fā)部P2P3第1項(xiàng)目組負(fù)責(zé)人）強(qiáng)調(diào)的一點(diǎn)就是，LEAF的每個(gè)前照燈只使用2個(gè) 白色LED（圖2）。LEAF售價(jià)為376萬4250日元（含稅），利用政府補(bǔ)貼時(shí)為298萬4250日元（含稅），作為EV將價(jià)位控制在了較低水平。但 該車卻在這一普及價(jià)位下標(biāo)配了LED前照燈。因此，與作為選配或者在高檔車型上配備時(shí)相比，勢必要將LED前照燈的部件成本控制在低水平上。為此就必須 “在其他廠家使用3個(gè)白色LED的地方只用2個(gè)”（市光工業(yè)）。

　　不過，如果簡單地將3個(gè)LED減為2個(gè)的話，前照燈的亮度就會(huì)不足。雖然隨著白色LED特性不斷改善，遲早能夠用2個(gè)實(shí)現(xiàn)與3個(gè)同等的亮度，但現(xiàn)有白 色LED的“亮度還未達(dá)到足夠明亮的程度”（村橋）。一般來說，提高對(duì)白色LED的輸入功率即可獲得足夠的亮度，但這時(shí)發(fā)熱量往往會(huì)增大，導(dǎo)致白色LED 的溫度上升，進(jìn)一步導(dǎo)致LED的發(fā)光效率下降。而且耗電量變大的話，會(huì)減弱LED前照燈的“低耗電”這個(gè)優(yōu)點(diǎn)所擁有的魅力。因此，市光工業(yè)為了能夠低損耗 地使用白色LED的光線采用了精密的配光控制技術(shù)，并進(jìn)行了可使白色LED保持高發(fā)光效率的散熱設(shè)計(jì)。

　　以3個(gè)反射面實(shí)現(xiàn)所期望的配光市光工業(yè)此次在配光控制的光學(xué)系統(tǒng)中采用了被稱為反射鏡型（反射型）方式。該方式通過用反射鏡反射光源（白色LED）發(fā)出的光線來實(shí)現(xiàn)需要的配光。此次的LED前照燈使用一次反射鏡（橢圓反射鏡）、燈罩、二次反射鏡（拋物面反射鏡）這三個(gè)反射面進(jìn)行配光（圖3）。

　　一次反射鏡配備在白色LED的垂直方向附近，將白色LED發(fā)出的光線光路改向投射至二次反射鏡面。燈罩具有對(duì)前照燈發(fā)出的光束形狀進(jìn)行調(diào)整的功能（遮 擋功能）。雖然這部分采用燈罩這一名稱，但為了不使調(diào)整光束形狀時(shí)擋住的光線被浪費(fèi)掉，在燈罩上增加了反射功能。這樣，那些未沿著所期望的方向行進(jìn)的光線 便轉(zhuǎn)向二次反射鏡進(jìn)行反射。二次反射鏡會(huì)反射一次反射鏡及燈罩反射過來的光線以及部分直接來自白色LED的光線，最后作為前照燈的光線放射出去。這時(shí)，白 色LED的光線是由這些反射面進(jìn)行1～3次反射后，向前照燈外部射出的。在反射面中，二次反射鏡的形狀最為復(fù)雜。由多個(gè)反射面構(gòu)成，不是單純地投射光線， 而是能夠向必要的部位調(diào)配光線（圖4）。

　　在LED前照燈的光學(xué)系統(tǒng)中，除了此次采用的反射鏡型以外，還有使用透鏡的聚光燈型產(chǎn)品。以往的LED前照燈以聚光燈型為主流。據(jù)市光工業(yè)介紹，聚光 燈型雖然具有通過遮擋等容易制造出明暗界面的優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也存在光學(xué)系統(tǒng)的進(jìn)深方向變長，不利于精密配光控制的缺點(diǎn)。而LEAF的LED前照燈由于是反射 鏡型，因此能夠縮短光學(xué)系統(tǒng)的進(jìn)深。并且，通過組合上述功能各不相同的反射面來進(jìn)行精密控制，也可高效地制造出明暗界面。另外，前照燈的外觀設(shè)計(jì)也很有特 點(diǎn)，從外部無法直接看到白色LED光源。

　　反射鏡型LED前照燈的創(chuàng)意是在市光工業(yè)與法國法雷奧（Valeo）合作的過程中誕生的。反射鏡型的開發(fā)原本在法雷奧進(jìn)行，但一直未能實(shí)用化。后來通 過市光工業(yè)與法雷奧合作，使反射鏡型LED前照燈最終變?yōu)榱恕皩?shí)用化產(chǎn)品”（村橋）。法雷奧同時(shí)推進(jìn)聚光燈型和反射鏡型的開發(fā)。當(dāng)時(shí)聚光燈型LED前照燈 已在市面上出現(xiàn)，而反光鏡型尚無實(shí)用先例，為了突出“獨(dú)創(chuàng)性作為賣點(diǎn)”（村橋），市光工業(yè)選擇了開發(fā)反光鏡型LED前照燈。

光源采用的白色LED是從美國飛利浦流明公司（Philips Lumileds Lighting）采購的。市光工業(yè)從2005年開始與日產(chǎn)及飛利浦流明共同開發(fā)LED前照燈。此次LED前照燈采用飛利浦流明的白色LED并配備在日產(chǎn) 車輛上，正是共同開發(fā)的成果之一。另外，市光工業(yè)在共同開發(fā)之前就已經(jīng)在研發(fā)LED前照燈，曾在展會(huì)等場合展出過使用20多個(gè)LED芯片的LED前照燈。

　　此次配備的白色LED為多芯片型，4個(gè)1mm見方的白色LED橫向排成一列配備在一個(gè)封裝內(nèi)（圖1）。通過使用4個(gè)芯片，獲得了可供前照燈使用的足夠亮度。

　　據(jù)市光工業(yè)介紹，在開發(fā)白色LED時(shí)，為了輕松配備到前照燈上，該公司在封裝形狀及電源連接器等方面向飛利浦流明提出了諸多要求。要求內(nèi)容甚至還涉及 白色LED芯片在封裝內(nèi)的安裝位置精度。詳細(xì)數(shù)值未予公布，據(jù)說原因在于白色LED芯片的安裝位置稍有偏差，就會(huì)影響到基于反射面的光學(xué)系統(tǒng)。

　　白色LED芯片是在藍(lán)色LED芯片上粘貼了熒光體后形成的。利用飛利浦流明稱為“Thin Film Flip Chip”（TFFC）的技術(shù)在陶瓷基板上以倒裝芯片形式安裝藍(lán)色LED芯片，然后在上面加蓋“Lumiramic”熒光板（圖2）。裝有4個(gè)白色LED 芯片的平面被用硅酮樹脂密封。密封部位為平面形狀，而不是白色LED中常見的透鏡形狀。

　　LED前照燈點(diǎn)亮?xí)r向每個(gè)白色LED輸入約10W功率。白色LED點(diǎn)亮?xí)r的光通量為550lm，因此點(diǎn)亮?xí)r的發(fā)光效率約為55lm/W。在白色LED 中，發(fā)光效率宣稱超過100lm/W的品種近年來不斷增加。與這些品種相比，此次LED前照燈的白色LED在發(fā)光效率上顯得有些偏低，但這種看法其實(shí)是不 對(duì)的。那些號(hào)稱超過100lm/W的發(fā)光效率，實(shí)際上是指脈沖發(fā)光狀態(tài)下LED芯片結(jié)溫接近室溫時(shí)的數(shù)值。而LEAF使用的白色LED，其性能則是實(shí)際使 用環(huán)境下的數(shù)值。實(shí)際使用環(huán)境下的結(jié)溫要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于室溫，結(jié)溫越高，發(fā)光效率就越低。因此，如果在結(jié)溫為室溫時(shí)測試，發(fā)光效率其實(shí)要比55lm/W時(shí)高得 多。

　　市光工業(yè)并未公布結(jié)溫接近室溫時(shí)的發(fā)光效率。一般而言，實(shí)際使用環(huán)境下的發(fā)光效率通常要比結(jié)溫接近室溫時(shí)低數(shù)十個(gè)百分點(diǎn)。

要想降低LED前照燈的耗電量，只通過第一回中提到的配光控制來減少白色LED的光損失，并在少數(shù)幾個(gè)地方獲得所期望的配光特性是不夠的。此外還必須能夠 在高效狀態(tài)下使用白色LED。而其中的關(guān)鍵就在于如何使白色LED產(chǎn)生的熱量釋放出去的散熱設(shè)計(jì)。其實(shí)，輸入白色LED的功率大都變成了熱能。如果這些熱 量使白色LED的溫度上升，則發(fā)光效率就會(huì)下降，導(dǎo)致發(fā)熱量增加。這樣一來，就會(huì)陷入發(fā)光效率進(jìn)一步下降、發(fā)熱量變得更大的惡性循環(huán)。

　　此次市光工業(yè)在LED前照燈的散熱設(shè)計(jì)中使用了熱流體解析模擬技術(shù)。在前照燈散熱設(shè)計(jì)中使用熱流體解析模擬的情況并不少見，不過，此次是在更上游的設(shè) 計(jì)過程，也就是樹脂等材料的耐熱性、對(duì)流、部件布局及散熱片的設(shè)計(jì)等基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中使用了該模擬技術(shù)，由此高效推進(jìn)了散熱設(shè)計(jì)。

　　前照燈的熱設(shè)計(jì)經(jīng)過基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、試制試驗(yàn)以及設(shè)計(jì)變更這四大過程后應(yīng)用于產(chǎn)品（圖1）。據(jù)市光工業(yè)負(fù)責(zé)散熱設(shè)計(jì)的菊池和重（開發(fā)本部核心工程 部模擬課資深專家、解析技術(shù)高級(jí)工程師）介紹，在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中，雖然模擬用模型的建模難度并不高，所花工時(shí)并不多，但通過計(jì)算獲得的信息卻占到了整個(gè)設(shè)計(jì)的 60％之多（圖2）。此次LED前照燈通過在這一基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中使用模擬技術(shù)，獲得了顯著效果。

由于能夠分離光和熱，可應(yīng)用于基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中

　　那么，此次為何能夠在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中使用模擬呢？其答案就在于LED前照燈中的熱量的流動(dòng)特點(diǎn)。從白色LED為起點(diǎn)的散熱路徑來看，其流動(dòng)途徑為：

作為發(fā)熱源的LED芯片
↓
配備LED芯片封裝的安裝基板
↓
使安裝基板的熱量向整個(gè)封裝底面擴(kuò)散的熱擴(kuò)散器
↓
散熱裝置（散熱片等）的連接部
↓
散熱裝置（散熱片等）
↓
外部空氣

可以說，從白色LED到外部空氣的整個(gè)路徑均為串聯(lián)狀態(tài)（圖3）。而鹵燈及HID燈等已有光源的散熱路徑頗為復(fù)雜。原因在于燈源本身同時(shí)向外部空氣放射光 與熱。也就是說無法以簡單的串聯(lián)狀態(tài)體現(xiàn)出來。因此，其基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中的散熱模型較為復(fù)雜，只能在試制試驗(yàn)及設(shè)計(jì)變更的過程中使用模擬。

　　LED的光線是從表面向外部空氣放射，而熱量是從背面向前照燈的外殼放射，光與熱處于分離狀態(tài)。由于LED表面的熱放射可忽略不計(jì)，因此熱量的流動(dòng)途 徑便如上所述。所以，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中的建模變得簡單，能夠?qū)嵤崃黧w解析模擬。憑借模擬效果，此次LED前照燈的熱解析實(shí)現(xiàn)了±2℃的計(jì)算精度，只用兩天時(shí)間 就完成了散熱設(shè)計(jì)。

　　利用模擬對(duì)散熱片等部分進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)計(jì)并掌握大致形狀及基本性能后，市光工業(yè)試制了1次產(chǎn)品。然后經(jīng)過最佳形狀和細(xì)微部分的設(shè)計(jì)，進(jìn)入了對(duì)最終形狀下的 散熱性能進(jìn)行確認(rèn)的量產(chǎn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)。由于計(jì)算精度較高，因此還有可能在下次及以后不試制產(chǎn)品便使用于量產(chǎn)。此次是市光工業(yè)首次量產(chǎn)LED前照燈，因此還是試 制了實(shí)際產(chǎn)品。另外，散熱片及配光控制用反光鏡等基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中的熱模擬耗時(shí)約2個(gè)半小時(shí)，而白色LED到散熱片只需1個(gè)半小時(shí)。此次將散熱片等部分劃分為約 70萬個(gè)網(wǎng)格進(jìn)行了計(jì)算。

　　降低散熱片和連接部的熱阻

　　據(jù)市光工業(yè)介紹，此次進(jìn)行LED前照燈的散熱設(shè)計(jì)時(shí)，還探討了散熱路徑中的散熱片連接部及散熱片本身的設(shè)計(jì)。其原因在于，LED產(chǎn)品是在LED芯片乃至熱擴(kuò)散器都收放在白色LED封裝內(nèi)的狀態(tài)下從LED廠商采購的，前照燈廠商無法變更。

　　在散熱片連接部及散熱片方面，要解決的問題是如何降低連接部和散熱片本身的熱阻。要想降低連接部的熱阻，尤為重要的是：（1）使用線夾、彈簧及螺釘?shù)?來保持將白色LED按壓在散熱片上的壓力及均勻的接觸面積；（2）考慮采用散熱膏及導(dǎo)熱片，并對(duì)其伴隨時(shí)間的劣化以及面積、厚度進(jìn)行管理。在散熱片方面， 需要在不組合冷卻扇、且不影響前照燈設(shè)計(jì)的大小及形狀上下工夫。此次進(jìn)行熱設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)前提是向每個(gè)白色LED輸入的10W功率中會(huì)有9W變成熱量。由于 所配白色LED的最大額定值為130℃（白色LED的表面溫度），因此是按照任何用途都不會(huì)達(dá)到130℃進(jìn)行的設(shè)計(jì)。