美國能源部研制低功耗、高亮度的LED重卡車燈

美國能源部有計劃將8級重卡（毛重15噸以上）能耗降低50%以上。為了配合這一計劃，Grote Industries公司的一個照明研究小組開發(fā)了一套低能耗、高亮度的LED頭燈，可以直接安裝，并配合原裝白熾大燈所搭配的殼體和透鏡。

傳統(tǒng)白熾大燈、鹵素大燈和HID大燈的光源均為4π點光源，光向四周發(fā)射，即射向全球面，相比之下，LED屬于2π光源，光向一個面發(fā)射，即半個球面，所以需要特殊的光學(xué)布置。另外LED頭燈還需要額外的熱管理系統(tǒng)，以確保LED光源的使用壽命。

能源部的重卡計劃對照明用電量有嚴(yán)格限制，所以LED大燈的能耗成為了開發(fā)中最關(guān)鍵的指標(biāo)。設(shè)計小組正好借此機會，嘗試許多領(lǐng)先的光學(xué)和熱學(xué)新技術(shù)。

該套LED大燈使用光反射的原理，LED位于反射鏡之前，出射光線方向向后。出于效率、壽命、色溫和可靠性的考慮，該套頭燈采用多盞白光LED。研究對比了許多不同種類的大功率白光LED光源。近光燈采用一行四列布置的塑模LED。因為多個燈頭需要多個塑模，所以這幾個塑模干脆制成了一體，使得在日后安裝時不用再浪費時間調(diào)整幾個塑模之間的位置配合，可以直接在車輛前方獲得邊界清晰的光斑。

圖1：LED頭燈。其中可以看到LED支架，其作用是支承LED光源，使光線向后入射到反射鏡上

LED熱管理

LED從車輛索取的電能是普通白熾燈泡的三分之一，同時可以將20%的電能轉(zhuǎn)為光能，和白熾燈泡3%到4%的轉(zhuǎn)化率相比要高出不少，所以LED的發(fā)熱量也僅相當(dāng)于白熾燈泡的四分之一。

然而，LED的最大壽命要求LED二極管所處的環(huán)境溫度不能高于400到425K。即便處在室溫下，LED由于自身發(fā)熱，溫度很快就會升高到安全溫度的3到4倍，并燒毀LED。所以，光源熱管理系統(tǒng)的工作任務(wù)從針對白熾燈的材料抗高溫性能轉(zhuǎn)向了針對LED的材料高導(dǎo)熱性能。

圖2：LED頭燈成品，上方是行車燈，下面是霧燈

常規(guī)頭燈的照明裝置一般都被密封在了一個大尺寸的塑料殼體內(nèi)部。對于白熾燈來說，這種尺寸的卻比較合適，但對LED則不然。因為如果熱量沒有被及時排出，多余熱量將會積聚在殼體內(nèi)部，引起升溫。

熱傳導(dǎo)對燈具布置的要求有兩條：一是反射鏡和LED燈具的位置必須保證出射光線指向合適的方向，二是LED元件具有向外的導(dǎo)熱路徑。開發(fā)小組嘗試了不同的導(dǎo)熱手段。

首先，0號接地銅線被選為熱導(dǎo)管。銅線一端連著LED尾部的銅棒，另一端連著散熱片。散熱片可以放在殼體內(nèi)部，也可以作為燈罩背面的蓋子，安置在燈罩背面的開口處。這種布置有兩個缺點，一是銅線的導(dǎo)熱能力小于LED尾部的銅棒的產(chǎn)熱量，二是如果用減小銅線長度的方法減小熱傳導(dǎo)阻力，那么銅線的柔韌性就不能滿足車燈的正常使用要求。

圖3：裝配LED大燈的卡車效果圖

另一種方法采用金屬球和球鉸。但燈具的幾何構(gòu)造限制了這種方法的實現(xiàn)。但是因為頭燈只做上下運動，兩個互相滑動的金屬薄片卻可以滿足要求。兩個金屬片的位置和光源的轉(zhuǎn)動軸垂直，互相滑動，其中一個金屬片與反射鏡固定，另一個金屬片與殼體上的散熱片固定，導(dǎo)熱面積滿足使用要求。雖然該方案可行，但設(shè)計者擔(dān)心金屬薄片不能在LED整個壽命內(nèi)都保持理想的接觸狀況，所以未被采用。

最后的方案采用兩片平行的金屬圓盤，中間用波形彈簧連接并起導(dǎo)熱作用。內(nèi)金屬盤和LED的熱導(dǎo)管連接，能隨著LED光源的方向調(diào)整而移動。外金屬盤占據(jù)了燈罩后方、用于更換白熾燈泡的蓋子的位置。

圖4：金屬圓盤和導(dǎo)熱用的波形彈簧

電子系統(tǒng)為帶有熱反饋功能的交換式電源。LED焊接在反射鏡前方的電路板上。電路板上還有一個負(fù)溫度系數(shù)電阻（NTC）。負(fù)溫度系數(shù)電阻（NTC）給交換式電源提供溫度信號作為反饋。交換式電源監(jiān)控負(fù)溫度系數(shù)電阻（NTC）的阻值，調(diào)節(jié)輸送給LED的電流大小，確保在較高的環(huán)境溫度下，LED不至于產(chǎn)熱過多。完整的熱學(xué)特性試驗在文章發(fā)表之時還沒有全部完成。

為了加快設(shè)計過程，開發(fā)人員特別改造了兩套交換式電源用于試制。電路板外包裹了鋁制外殼，放置于燈具殼體內(nèi)部。

光學(xué)設(shè)計

光學(xué)設(shè)計的任務(wù)是為近光燈和遠(yuǎn)光燈設(shè)計合適的反射鏡。原裝近光燈反射鏡尺寸為60毫米，設(shè)計人員在此基礎(chǔ)上嘗試使用稍復(fù)雜但尺寸更小的反射鏡。因為LED是面光源，所以反射鏡最好的形式為拋物線鏡面。假設(shè)鏡面延伸到拋物線的正焦弦，光源正對著拋物線的頂點，那么所有的出射光線都將成為受反射鏡控制的有用光線。

當(dāng)鏡面寬度為拋物線正焦弦時，焦距和通徑將具有固定的比例關(guān)系。如果反射鏡開口大小給定，那么光源距反射鏡上一點的最大距離等于開口大小的一半。如果光源尺寸給定，那么投射到空間中的最小的像（地面光斑）的尺寸由幾何投影關(guān)系決定。

圖5：燈罩蓋子里面與波形彈簧相接觸，外面與散熱片相連，將內(nèi)部熱量向外傳導(dǎo)

仿真結(jié)果顯示，地面光斑尺寸過大，不符合法規(guī)要求，原因在于模糊不清的光斑邊界間接增加了光斑的尺寸。遠(yuǎn)光燈的反射鏡寬度為120毫米。為了把LED光源固定于拋物線焦點位置，LED必須用用支架架起來，同時給電線和導(dǎo)熱銅線留出空間。支架經(jīng)過簡化，只保留兩個垂直桿件，以減少同光線的干涉，并為盡可能粗的導(dǎo)熱銅線留出空間，增加導(dǎo)熱性能。

為了減小近光燈組的大小，地面投射的光斑尺寸也必須變小。它可通過兩種方法實現(xiàn)，一是使用某種遮光措施，擋住部分光源，二是增加光源到反射鏡的距離。采用遮擋，擋住了部分光線，卻降低了電能使用率。如果給光源附加軸向轉(zhuǎn)角或采用較小焦距的拋物線，將使得部分光線無序地射出，不會增加地面光斑的尺寸。旋轉(zhuǎn)時，角度控制在90度以內(nèi)，以便使得光線中以90度出射的光線的入射點正好處在拋物線（反射鏡）的邊界。從而在反射鏡的兩側(cè)產(chǎn)生兩個光源的虛像，光線從兩個虛光源射出，成V字形。

亮度輸出測量值

圖6：使用12.8V電壓時，LED大燈的電流節(jié)省情況

近光燈的光束能量測量值為387流明，相比LED輸出值508流明，光學(xué)透鏡效率達(dá)到76%。滿足了75%的預(yù)計透鏡效率和3.4%的預(yù)計總效率。如果LED能按預(yù)計輸出550流明，那么總效率將達(dá)到5.3%。但LED光源輸出的光束能量低于預(yù)期值。

遠(yuǎn)光燈的光束能量測量值為583流明，LED輸出885流明。光學(xué)透鏡效率為66%。光源的能量轉(zhuǎn)化效率為6.5%，總效率為4.3%。

基于油耗減少量計算油費節(jié)省的方法有幾種。它們使用的變量有運轉(zhuǎn)時間、發(fā)電機效率、發(fā)動機效率等參數(shù)。根據(jù)不同的算法，安裝LED大燈帶來的油耗節(jié)省為每年3.8升到76升不等。

對于近光燈，LED效率比傳統(tǒng)大燈提高了1.0到3.4個百分點，遠(yuǎn)光燈為2.0到4.2個百分點。雖然油費節(jié)省不足以挽回LED大燈較高的售價，但是LED的壽命更長，有利于減少車輛長期的使用成本。總地看來，LED大燈帶來了更明亮的視野、更低的花費和更少的油耗。