李海涛，王永春，魏飞雄，井珍珍，曹 琛

(中国兵器装备集团摩托车检测技术研究所, 陕西 西安 710032)



紧凑型LED汽车前照灯的开发

李海涛，王永春，魏飞雄，井珍珍，曹 琛

(中国兵器装备集团摩托车检测技术研究所, 陕西 西安 710032)

介绍了LED汽车前照灯应用概况，说明了LED汽车前照灯存在的问题，给出了开发紧凑型LED前照灯的建议，并对LED汽车前照灯的前景进行了展望。

大功率LED; 紧凑型前照灯; 配光设计; 散热

引言

大功率LED光效已达到150lm/W以上，寿命达几万小时，在汽车照明灯具中具有广阔的应用前景[1-4]。LED光源显色指数能达到98，色温可达5500K左右，可避免驾驶员产生视觉疲劳[5]。相比于传统汽车前照灯的光学系统，LED光源体积小，发光空间是2π平面，光能利用效率更高[6]，是未来汽车前照灯的必然选择。

1 LED汽车前照灯应用概况

1.1 国外LED汽车前照灯

2007年日本小系制作所和日亚化学工业为雷克萨斯LS600Ch研制了近光灯，近光系统由3个并排透镜组成的投射式组件和一个反射镜组成的反射式组件构成。继雷克萨斯LS600近光灯之后，在短短一年内，丰田为RX450h、普锐斯和HS250h成功设计了LED近光灯。

2008年Lumileds和Osram为奥迪R8V10成功研发了LED近光灯和远光灯，总共54颗LED光源，LED光效100lm/W。随后奥迪公司为A8和A6也设计了LED前照灯。

2008年Hella为凯迪拉克Escalade Platinum研发了一款全LED前照灯，该前照灯包括5个近光灯组和3个远光灯组，色温5500K。

2012年进口到我国的奔驰CLS350实现了标准化LED前照灯配置，该款前照灯总共24颗LED光源，色温5400K。

1.2 国内LED汽车前照灯

国内对LED汽车灯具也十分重视，国家863“半导体照明工程”项目和“十一五”首批启动的项目就有“车用LED光源系统开发”、“大功率LED车灯研究及规模化应用”、“桥车前大灯集成技术研究”等三个项目。吉林某公司为奔腾B50研制出LED汽车前照灯。奔腾B50的前照灯使用Osram大功率白光LED光源, 每个光源由5颗大功率LED串联组成，每颗LED功率是3W。 远光灯使用2个LED光源，近光灯使用3个LED光源。我国一些科研院所和企业在LED汽车前照灯散热和配光元件方面也申请了许多专利，取得了重要研究成果。

2 LED汽车前照灯存在的问题

LED汽车前照灯应用发展过程呈现三个特点：一是LED最先应用在近光灯中，然后应用到远光灯上；二是LED前照灯都使用了很多个LED光源，每个光源配备散热器和透镜或反射镜，灯具系统庞大；三是LED前照灯的市场占有率很低。LED前照灯发展之所以呈现上述现状，主要原因是散热问题难解决，远光灯要求比近光灯更高的光通量，散热难度比近光灯大，所以在远光灯散热不能解决的情况下，先在近光灯上使用LED光源。为了降低散热难度，把多颗低光通光源分散开进行散热。配光方面，LED是体积很小的面发光型光源，相比于全空间发光型的传统光源，配光设计简单，灯具效率高，没必要用低光通光源代替高光通光源进行单独配光设计。LED前照灯的应用成本较高，只有充分发挥LED的优势，让其在科技上再上一个台阶，才能竞争过传统的光源，在汽车前照灯应用中发展壮大起来。

目前大功率LED应用成本较高，如果其光效高、寿命长、体较小等优势得不到充分发挥，就不可能在市场上得到广泛应用。影响其诸多优势发挥的关键因素是结温，随着LED结温升高发光效率和寿命严重降低，图1和图2是OSRAM一款大功率LED模块的光通量、寿命与结温的关系，结温升高光谱发生红移[7-9]。为解决这一问题，现阶段用风扇、液冷、翅片及热管解决散热问题[10-13]。风扇散热效果比较好，但增加了能耗降低了系统可靠性，风扇的寿命和稳定性是前照灯系统的一个短板；液冷系统稳定性不高，同时为增强散热必须用泵促进液体循环，因此没有得到研发生产的认可；翅片散热器的系统可靠性比较高；热管散热效果好，系统可靠性高，是目前最受欢迎的散热方式。由于散热器不能干涉LED光线，这四种散热器只能从光源的背光面将热量传输到外界，散热器与光源的接触面积小，散热能力不强，只能解决低光通量的LED光源的散热问题，使用这四种散热器散热只能用多颗低功率LED光源实现配光要求，导致灯具体积庞大。汽车不可能留出太大的空间供灯具使用，因此灯具庞大的体积与汽车紧凑型设计之间的矛盾是制约LED前照灯发展的主要原因。

图1 光通量随结温的变化Fig.1 Luminous flux as a function of junction temperature

图2 寿命随结温的变化Fig.2 Life as a function of junction temperature

3 紧凑型LED汽车前照灯开发

从以上考虑的问题出发，在充分发挥LED前照灯光效高、寿命长、响应速度快、不眩光的基础上，单光源是紧凑型汽车前照灯发展的方向，在条件允许的情况下还应该发挥LED灯具的艺术效果。向这个方向发展能使其与传统灯具竞争中健康发展壮大起来。LED汽车前照灯需要高光通量的光源，用多个尺寸较小的LED芯片或者单个尺寸较大的LED芯片封装的光源均可实现高光通量的照明，无论采用单颗大尺寸LED芯片光源还是采用多颗小尺寸的LED芯片集成光源，都不存在LED芯片内部及LED芯片之间的光子自吸收现象，因此影响LED光学性能的因素只有散热[14]。

LED光源模块的热阻表示为

(1)

Rj-avg是LED的PN结到环境的热阻，Pi和Ptotal分别是第i个LED的热功率和LED光源模块的总热功率，R0是LED封装材料的热阻。一般情况下，同一模块使用的LED芯片完全一样，式(1)就变为

(2)

式(2)表示一个封装了n颗LED芯片的光源模块热阻，得出光源模块热阻随LED芯片数量增加而降低。现阶段使用单颗大功率LED芯片实现近光或远光的照明是不符合行业发展现状的，待LED前照灯光效再提高一层时，才可能应用到前照灯上。使用多颗LED封装的光源热阻小，散热比单芯片光源容易，比多颗光源的前照灯节约灯具系统体积，光源体积和单芯片光源前照灯相差很小。

使用多颗尺寸较小LED芯片封装的模块作为汽车前照灯是现阶段的发展方向，一个在4mm×4mm发光面内封装了9颗1mm×1mm芯片的光源模块光通量可以达到1300lm，完全满足近光灯和远光灯的照明要求，这种光源采用单个透镜或反射镜就能解决配光问题。

在解决前照灯散热问题方面，建议采用散热材料能与LED模块全表面接触的散热方式，这种散热方式使光源散热面积增加两倍以上。LED是面发光型光源，采用光源全表面散热方式同时不能降低灯具光能利用率，因此需要在LED出光面采用一种对光源光学性能不产生影响的散热物质。目前已有专家在做这方面研究，例如用一种热传导系数高、黏度系数小、凝固点低、沸点高、光吸收率低、化学性质稳定的液体封装灯具，用液体既解决散热又用作配光透镜以解决光学问题。

4 LED汽车前照灯发展前景

从2001年起我国汽车年销量保持20%的增长速度， 现已成为世界上最大的汽车市场。汽车今后的发展方向是节能和环保型，2012年7月国务院颁发了《2012—2020节能与新能源汽车产业发展规划》， LED是节能型汽车的首选光源。立足LED技术现状，充分利用LED光效高、寿命长，开发单光源紧凑型LED前照灯，使其在科技上更上一个台阶。紧凑型LED前照灯未来发展空间巨大。

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Development of Compact LED Headlamps

Li Haitao, Wang Yongchun, Wei Feixiong, Jing Zhenzhen, Cao Chen

(MotorcycleTestTechnologyInstituteofChinaSouthIndustriesGroupCorporattion,Xi’an710032,China)

The applicaton of LED headlamp was introduced, and its existing problems were elaborated. The suggestion of development of compact LED headlamp was presented. At last, the prospect of the LED headlamp was outlook.

high power LED；compact headlamps；light distribution design；heat dissipation

郑州市科技局国际合作项目(10GJHZ517)

U463.65+1

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2015.02.027