白光LED汽車頭燈的技術(shù)發(fā)展

1、白光 LED 汽車頭燈的技術(shù)發(fā)展- 電氣論文白光 LED 汽車頭燈的技術(shù)發(fā)展吳騰奇華南師范大學(xué)目前全球各大汽車展中，都能看到以白光LED 作為汽車頭燈的概念車款，不僅花哨得引人注目，也在實(shí)用化方面注人不少研發(fā)心血，包括: 豐田汽本作為雷克薩斯品牌旗艦轎車推出的概念車LFSh ，及豐田品牌下一代微型面包車的概念車等，也都搭配了白光LED 頭燈，在在都使人感覺離白光LED 頭燈的未來已經(jīng)非常接近。不過。欲使白光LED 成為汽車頭燈的主要光源，相關(guān)部份的交通法條必須將其修訂。例如，聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)審議汽車頭燈的GRE 法條，預(yù)計(jì)會(huì)在 2 年之后才能允許使用白光LED 作為汽車頭燈的主光源， 倘若

2、法規(guī)修訂尚未通過，汽車市場導(dǎo)入白光LED 頭燈的過程將會(huì)待續(xù)延宕下去。細(xì)數(shù)當(dāng)前國際汽車廠商， 例如 :BMW 、Mercedes-Benz、Audi 、Lxus 等一級(jí)車廠，相繼推出各類型新款汽車，藉以吸引消費(fèi)者。其中最富變化性、最引人注目的便是炫光奪目的白光LED 車燈款式。過去，曾經(jīng)有人將LED 瞬為第 4 代汽車照明光源，這是因?yàn)長ED 頭燈除了一次性投入較高之外，在壽命、亮度、低耗電方面，都是傳統(tǒng)白熾燈、鹵素?zé)舻日彰髟O(shè)備無法相比擬的競爭優(yōu)勢。汽車頭燈必須要興起才能帶動(dòng)車用LED 產(chǎn)業(yè)過去 10 年中，高亮度的LED 陸續(xù)被應(yīng)用在汽車、卡車及大型游覽車的內(nèi)外車燈等領(lǐng)域。根據(jù) Eyespl

3、yJapan市場調(diào)查指出， 在 2004年大約有 30%的新車款以 LED 作飾車尾燈 (reartail lamp)或 CMHSL(CenterHigh-MountStopLamps) 。大部份新出廠汽車及大型交通工具己開始使用LED 當(dāng)作方向指示燈及第三煞車辨識(shí)燈。在此趨勢發(fā)展下。車用LED 在 2003年的市場規(guī)模超過 2億美元， 2004 年比 2003 年成長 24.2% ，市場規(guī)模約為2.36 億美元，2005年比 2004 年成長 19.1% ，市場規(guī)模則超過了 3 億美元·隨著采用LED 的新車款逐年擴(kuò)張，許多專家一致認(rèn)為往后數(shù)年中，仍可望維持二位數(shù)的成長率，預(yù)估 2

4、008年時(shí)市場現(xiàn)模將突破4.5 億美元。倘若白光 LED 汽車頭燈若能順利開發(fā)出新的產(chǎn)品及技術(shù)，汽車用LED 市場規(guī)模將持續(xù)擴(kuò)大，各方預(yù)測也將提早發(fā)生。一般來說、汽車頭燈屬于本車外使用的LED 種類。其技術(shù)特性指標(biāo)跟掌上型等消費(fèi)設(shè)備所使用的白光LED 類似、不過，對(duì)LED 發(fā)光角度、色差、亮度、閥位電壓、電流等光學(xué)、電學(xué)性能的一致性和可靠性，要求更高目前LED 在車外的主要應(yīng)用在于制動(dòng)燈、前方轉(zhuǎn)向燈、后方轉(zhuǎn)向燈、左右兩側(cè)轉(zhuǎn)向燈、 后方霧燈和倒車燈方面， 而在頭燈還處在研究開發(fā)階段，雖然已有部分先進(jìn)廠商已有展出樣品頭燈，但還沒有達(dá)到商業(yè)化批量生產(chǎn)的程度，其主要原因，包括 : 單個(gè)白光 LED 元

5、件的亮度不足，而頭燈所使用的LED 尚有易衰減、價(jià)格過高等問題存在。白光 LED 如何因應(yīng)車上特殊要求長期以來，車上所使用的頭燈是以白熾燈、鹵素頭燈或氙氣頭燈(HighIntensity DischargeHeadlamps； HID)作為主發(fā)光源，并參照汽車燈的光學(xué)、電學(xué)及形狀為主要標(biāo)準(zhǔn)，另一方面在頭燈的反射鏡設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，是采用3 種光形的反射鏡來達(dá)成LED 頭燈的近光燈基本光形設(shè)計(jì)，另外再加上遠(yuǎn)光光形的反射鏡，使光形分布可依照頭燈模組不同需求，再由反射鏡加上遮片后徘列組合而成。在分析設(shè)計(jì)完成最佳化LED 投射式單元后，開始進(jìn)行智慧型LED 頭燈雛型的系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)，依照AFS 規(guī)范要求，在雛

6、型設(shè)計(jì)時(shí)，就必須以4 種不同光形的近光燈光形及1 個(gè)遠(yuǎn)光燈光形， 其中 LED PES 模組分為上中下共3 排，并以此為模組配對(duì)來達(dá)成適路性的光線需求。根據(jù)汽車制造業(yè)的習(xí)慣來看，傳統(tǒng)的車燈設(shè)計(jì)中是利用幾何光學(xué)的光路追跡法來設(shè)計(jì)而成， 并不會(huì)將物理光學(xué)理論中的干涉衍射，及色散對(duì)光能量的影響則不納入考慮，因此頭燈白光LED 的強(qiáng)度與通過該點(diǎn)的光線數(shù)目成正比，且不受光程影響。 另外，線光源能量也要達(dá)到分布均勻，功率密度也必須與總功率與長度成正比。業(yè)界實(shí)際應(yīng)用案例目前，絕大部分汽車頭燈具的廠家， 一般只在近光燈上搭配白光LED 模組，而遠(yuǎn)光燈則使用HID燈。此外，與豐田、本田汽車合作的白光LED 廠家

7、也展出了汽車白光LED 頭燈光源，給人留下了白光LED 模組正在走向大功率化的印象。在此，擷取 Stanley、OSRAINI 及日本小系等廠商所發(fā)表的白光LED頭燈目前的設(shè)計(jì)與產(chǎn)品發(fā)展?fàn)顩r。在 2008 年后，白光 LED 發(fā)光效率將超過 HID: 斯坦利電氣 (Stanley)推出的汽車頭燈是與德國Hella聯(lián)合開發(fā)的。該頭燈樣品是將4 個(gè)大型 LED 晶片封裝成一個(gè)大功率白光LED 模組，在近光燈上配備5 個(gè)這種模組、 遠(yuǎn)光燈上配備2 個(gè)。近光燈點(diǎn)亮?xí)r的光束總計(jì)為7001m ，據(jù)該公司公布資料表示，在未來必須確保白光 LED 能達(dá)到 HID 剛上市時(shí)的亮度，每個(gè)白光LED 模組發(fā)出140

8、1m 左右的光束。在實(shí)驗(yàn)后的樣品消耗的電力與同等亮度的HID 燈相比，初步評(píng)估為 HID 的 1.4 至 1.6 倍。白光 LED 的發(fā)光效率的提高， 雖然在過去一段時(shí)間白光LED 的發(fā)光效率出現(xiàn)遲緩的發(fā)展， 但在此之后又有了令人期待的發(fā)展。 Stanley內(nèi)部人員更大膽頂言，到了 2008年后，白光 LED 頭燈將會(huì)與 HID 燈的發(fā)光效率并駕齊驅(qū)。適路性白光 LED 設(shè)計(jì) : 日本小系（ Koito) 制作所推出的汽車頭燈配備有11 個(gè)白光 LED 模組，包括，近光燈 6 個(gè)、在遠(yuǎn)光燈時(shí)則另加 5 個(gè)。據(jù)該廠商表示，在近光燈點(diǎn)亮?xí)r的光束可達(dá)到 8001m 至 10001m 另外，也可根據(jù)行

9、駛狀態(tài)，對(duì)近光燈用的白光 LED 模組點(diǎn)亮進(jìn)行控制。比方說，在高速駕駛行為中 ( 超過100 公里 )，頭燈中央部分的 5 個(gè)點(diǎn)亮，便能使頭燈所投射的光束降低其照射范圍，使光線具有遠(yuǎn)射的照明效果。另一方面，若在市區(qū)行駛時(shí)，中央部分的上邊3 個(gè)與中央部兩側(cè)配備的1 個(gè)近光燈用白光LED 模組點(diǎn)亮，擴(kuò)大汽車頭燈光線照射角度。因此，使這項(xiàng)智慧型的頭燈設(shè)計(jì)兼具AFS 功能，可使行駛在彎道時(shí)燈光的投射角度會(huì)隨著汽車轉(zhuǎn)向方同進(jìn)行判斷照明范圍，也在頭燈中央部位設(shè)計(jì)具有活動(dòng)性。白光 LED 光源系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率為65%:歐司朗 (Osram)也在這 2年經(jīng)由 LED 廠、汽車廠商及汽車協(xié)會(huì)大力推廣下逐步而緩

10、慢地改變。曾有汽車廠商電氣專家表示，汽車廠其實(shí)很樂見以白光LED 光源來代替白熾燈的LED汽車頭燈，不過，在設(shè)計(jì)上必須要參照傳統(tǒng)頭燈的發(fā)光源標(biāo)準(zhǔn)來設(shè)計(jì)，但LED 光源的基點(diǎn)屬于陣列式，因此白光LED 頭燈而言，則是一項(xiàng)全新的思路。其技術(shù)路線必須要應(yīng)用白光LED 光源的單色性，不加濾色片直接選用不同波長的多個(gè)高效 LED 元件設(shè)計(jì)成分，才能滿足汽車頭燈具設(shè)計(jì)及加工的特殊性。反射型與投射型LED 發(fā)光源 3D 模型仿真圖。 對(duì) LED 元件的主要有 3項(xiàng)要求，分別為 :LED 必須具有高效、大功率、高可靠性（ -40 - 125 ); 另外，就是符合電學(xué)、光學(xué)參數(shù)穩(wěn)定性、一致性的高要求，譬如，在同

11、一批元件的閥值電壓不一致性必須要小于0.1V; 最后，則是 LED 元件在直流電點(diǎn)亮后，其使用壽命必須超過1,000小時(shí)，發(fā)光強(qiáng)度衰減值要小于20% 對(duì)于白光 LED 頭燈在配線板及組件加工也有3 項(xiàng)特點(diǎn) :一、車上的配線板形狀較為不規(guī)則，因此，必須要具有良好的導(dǎo)熱、導(dǎo)電功能三維陣列結(jié)構(gòu) ;二、具有耐高溫、耐沖擊振動(dòng)和電流超載等;三、設(shè)計(jì)有優(yōu)良值電流及恒電壓等控制電路。白光 LED 須突破瓶頸汽車頭燈才有前景未來汽車頭燈開發(fā)的開發(fā)演進(jìn)過程中，LED 光源必須符合先進(jìn)汽車照明設(shè)計(jì)，然而造型、體積與效率為當(dāng)前主要設(shè)計(jì)LED 頭燈的當(dāng)前之務(wù)，如何將此目標(biāo)做最佳化的設(shè)計(jì)， 將會(huì)是未來 LED 車燈設(shè)計(jì)

12、上，應(yīng)再尋求突破的主要工作。雖然目前距離白光LED 頭燈商品化仍有段距離，可是國外車燈大廠仍不斷推出新型之LED 頭燈雛型，有鑒于此，諸多傳統(tǒng)的車燈廠商莫不加緊腳步，開發(fā)白光LED 頭燈，未來配合高亮度LED 陸續(xù)推出，才能在最快的時(shí)間內(nèi)掌握 LED 頭燈產(chǎn)品的開發(fā)時(shí)機(jī)。不過，相較于目前汽車廠所使用的HID或鹵素?zé)?，在成本上白?LED 價(jià)格還是高出許多，而在規(guī)范上所要求的法規(guī)亮度，必須使用多組的白光LED 才能達(dá)到亮度需求。LED 與傳統(tǒng)燈具結(jié)合降低原始汽車改變?cè)O(shè)計(jì)路徑傳統(tǒng)的汽車頭前燈的設(shè)計(jì)方式，是以平滑拋物面所構(gòu)成的反射效果，再搭配上花紋透明燈殼， 將光源集中置于拋物面的焦距，以便形成平行

13、光束，再經(jīng)過小凸透鏡而形成雕塑光源。以目前兩大主要汽車頭燈應(yīng)用主流，分為多重反射鏡面車燈(Multi-Reflector;MR)與投射式汽車頭燈 (Projection System)。雖然這 2 種款式的汽車頭燈設(shè)計(jì)方式，都能符合LED 的發(fā)光原理及設(shè)計(jì)方式，不過， LED 是以面光源形式來產(chǎn)生光源，其發(fā)光立體角只是傳統(tǒng)光源，不到鎢絲燈泡的50% 的發(fā)光效率，因此，光學(xué)設(shè)計(jì)必須再經(jīng)過重新改良。這是因?yàn)轭^燈必須要在唯一反射鏡可以加以運(yùn)用的情況下，反射鏡設(shè)計(jì)也就相形重要， 遠(yuǎn)比傳統(tǒng)頭燈設(shè)計(jì)方式更富有難度及挑戰(zhàn)性。因此，如何將反射鏡獲得最佳化的處理過程，使LED 投射燈的模組體積尺寸縮到最小，以符

14、合陣列式 LED 頭燈設(shè)計(jì)的空間需求。這當(dāng)中最關(guān)鍵便是在于汽車頭燈設(shè)計(jì)概念的改變，在光束聚焦的工作不再靠透鏡，而是由白光LED 的周圍反射面來負(fù)責(zé)。其反射面是輕質(zhì)塑膠表面涂裝了非常光亮的鋁層，曲面形狀光學(xué)設(shè)計(jì)非常復(fù)雜，其表面可能是光滑面，或是格狀，多面狀的組合。這也將會(huì)是白光LED 汽車頭燈在設(shè)計(jì)上技術(shù)及照明藝術(shù)的重大改變;此后，汽車頭燈的形狀將不再局限汽車造型設(shè)計(jì)師在先天上限制，而汽車的近光燈、遠(yuǎn)光燈、方向燈將可整合成一體的燈組，從汽車頭燈到汽車尾燈的造型便能真正成為汽車造型的一部份， 可以與車頭、車尾的造型平滑無接縫地整合于一身。適路性照明與白光LED 頭燈未來發(fā)展趨勢適路性汽車頭燈照明系

15、統(tǒng)(AdaptiveFront-lightingSystem;AFS)已成為未來智慧型白光LED 車燈照明發(fā)展趨勢，目前各國車燈制造廠商也對(duì)此照明系統(tǒng)大力投入研究開發(fā)。在 90 年代初期，由于以下兩大領(lǐng)域的新科技運(yùn)用，使得車輛前方照明系統(tǒng)得以朝提升駕駛視野，及改進(jìn)其他用路人視覺舒適及安全兩方面進(jìn)一步發(fā)展。其中，以新的白光 LED 作為主要發(fā)光材料，以先進(jìn)感測器及車用電子與作動(dòng)器相結(jié)合成新興的照明光源與電腦輔助工具，可使白光 LED 頭燈設(shè)計(jì)更為貼近汽車產(chǎn)業(yè)應(yīng)用， 并提供汽車頭燈特殊照明。 因此，適路性頭燈照明系統(tǒng)在發(fā)展一段時(shí)間后，歐洲法規(guī)方面對(duì)適路性前方照明系統(tǒng)也訂定出了一些原則特性， 原則中

16、，提出適路前方照系統(tǒng)包含三大元素， 位于車輛右側(cè)及左側(cè)之照明元件、 系統(tǒng)控制與供應(yīng)及操作裝置。如何依據(jù) AFS 法規(guī)原則加以研究開發(fā)， 目前雛型白光 LED 燈包含了三項(xiàng)功能，可視不同路況，包括 : 一般路面、都市路面、高速路面、濕路路面進(jìn)行光線調(diào)整、失效模式 ( 回復(fù)原始設(shè)定 ) 與遠(yuǎn)光燈，以達(dá)到不同光線的設(shè)置其中的光線變化則可是利用白光 LED 光形迭加的概念，點(diǎn)亮不同的 LED 單元模組，而不是利用傳統(tǒng)車燈以驅(qū)動(dòng)馬達(dá)原理來達(dá)到適路性照明的功能。在進(jìn)行陣列式白光 LED 頭燈設(shè)計(jì)前，只具單一功能白光 LED 模組設(shè)計(jì)將必須先行納入考慮，主要是因?yàn)榘坠?LED 頭燈功能，要求能符合 AFS 可變光形的分布情況， 因此必須由數(shù)個(gè)不同反射鏡模組來加以組合， 才能達(dá)到此項(xiàng)設(shè)計(jì)要求。另一方面在頭燈的反射鏡設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上， 是采用 3 種光形的反射鏡來達(dá)成LED 頭燈的近光燈基本光形設(shè)計(jì)，另外再加上遠(yuǎn)光光形的反射鏡，使光形分布可依照頭燈模組不同需求， 再由反射鏡加上遮片后排列組合而成在分折設(shè)計(jì)完成最佳化 LED 投射式