林金填，曹小兵

(旭宇光电(深圳)股份有限公司，广东 深圳 518126)

引言

LED光源具有寿命长、高效节能、体积小、环保等优点, 目前已经在汽车刹车灯、转向灯、倒车灯、尾灯、前照灯以及仪表用灯等方面得到大量推广应用，即将逐步取代传统气体放电灯成为汽车照明的新一代光源[1]。与此同时，由于空气动力学和汽车造型的需求,汽车前部位置越来越低且呈流线型,为前照灯预留的高度空间越来越小,而为满足汽车照明的智能化和人性化需求，光型依据路况和天气等因素自动变换的自适应前照灯(Adaptive Frontlighting System，AFS)也逐渐成为车辆的热点之一[2]。LED光学系统结构紧凑、模块化的优点,恰好能满足上述车灯发展的趋势,因此在汽车前照灯照明上具有巨大的应用潜力。

传统LED照明市场的竞争越来越激烈，众多照明厂商已开始拓展新市场，汽车照明作为照明市场细分领域吸引了照明厂商的纷纷涉足，新一代固态光源LED具有高效节能、抗震性好、启动快和寿命长等优点受到车商的青睐。2018之前，LED是25万元以上车型的专配，随着定价在15～20万元的一汽大众T-ROC系列SUV车用LED灯的标配化，势必代替传统光源广泛应用在汽车照明中，成为汽车照明领域的风向标[3]。相关调研数据显示，2017年中国LED汽车照明市场销售总量达245亿元，同比增长26%，随着LED汽车照明逐渐在中端车型的渗透，未来将保持快速增长的态势，预计2020年中国LED汽车照明市场规模有望突破425亿元的需求。2017年全球范围内新能源汽车销量的前十名中就有4家中国企业，销量前三名中有两家来自中国。德国大陆集团(Continental AG)和欧司朗(OSRAM)已同意合资建立一家生产车用照明模块的公司，韩国LG电子(LG Electronics)董事会批准了收购领先的汽车照明和大灯系统供应商奥地利ZKW集团的协议，中国LED封装企业木林森正计划通过台湾分公司进入汽车照明市场生产LED尾灯和方向指示灯模块，2017年星宇股份车灯产销量分别为5 989.8万只和5 701.2万只同比分别增长15.4%和12.5%。

1 车用LED照明设计特点

1)行车安全。汽车已成为人们出行必备的交通工具，夜间行车安全受到人们的高度重视，前照灯作为汽车照明的主要手段，在汽车安全性方面具有举足轻重的地位，如何保证行车安全一直都是人们关注的焦点。根据中国公路学会发布的交通安全报告显示，汽车照明系统是汽车安全要件之一，也是汽车安全最主要的主动式安全装置。汽车通过采用前照灯自适应技术，可以减少驾驶员不断切换远近灯光的麻烦，并减轻驾驶员的操作负担，自适应照明灯具应符合GB/T 30036—2013《汽车用自适应前照明系统》的相应要求。据相关研究表明，前照灯作为汽车夜间行车安全保障的重要部分，照射距离越远其配光性能就越好，使汽车的在行驶过程中的安全性得以有效增加。驾驶员需要一个视野开阔的清晰照明，特别是在天气恶劣的大雾天里，信号灯也是行车过程中一个必不可少的安全指引，现有的车灯制造商都在引用先进技术来克服难点为行车安全保驾护航，为改善汽车照明系统为行车安全增加法码[4]。LED的光源色温一般设计在5 500～6 000 K之间，因此在LED灯光使用过程中，与其他光源相比更接近自然灯光[5]。在这种光源的作用下, 驾驶人员不会因为光线敏感问题而产生过度疲劳, 提升驾驶过程的舒适感。所以将LED技术应用到汽车前照灯设计过程中, 便会对驾驶员的视觉进行有效保护, 避免交通事故的发生[6]。

2)产品标准。2005年9月，国家质量监督检验检疫总局(AQSIQ)和国家认证认可监督管理委员会(CNCA)联合发布了第137号公告《实施强制性产品认证的机动车零部件产品目录》，该目录明确了国内机动车用前照灯、转向灯、前位灯、后位灯、制动灯、视廓灯、前雾灯、后雾灯、倒车灯、驻车灯、侧标志灯和后牌照板照明装置等产品需进行强制性3C认证后方可进行销售和使用。按照此目录要求为例，使用灯丝灯泡的汽车前照灯应符合GB 4599—2007《汽车用灯丝灯泡前照灯》要求，使用气体放电灯泡的汽车前照灯应符合国家标准GB 21259—2007《汽车用气体放电光源前照灯》要求，使用LED光源的汽车前照灯应符合GB 25991—2010《汽车用LED前照灯》要求。

另外，出口企业应注意，销往欧洲经济委员会(Economic Commission for Europe，ECE)48个成员国的汽车用照明产品需符合ECE法规要求及进行E-mark认证，从2011年开始，在欧盟地区销售的轿车和小型货车必须安装日行灯(Daytime Running Light，DRL)，司机在白天行驶过程中也应开启DRL以减少交通事故的发生。美国是联邦制国家，销往美国的汽车用照明产品应符合联邦法规和各州地方法规要求，通过美国交通部DOT认证及符合联邦机动车辆安全标准(FMVSS)要求。销往其它地区或国家的汽车用照明产品均应符合当地法律法规及相应认证要求。

3)前照灯眩光阈值增量。有充分的证据表明,HID前照灯的色度影响了人们对不舒适眩光的主观感受。虽然此前的研究并未精确描述人们的主观感受由什么所支配,然而可以确定的是,随着蓝光成分的增加或是色温的增加,不舒适度也增加了[7]。特别是在夜晚行车时对面来车的大灯导致的眩光比安装在高处的路灯导致的眩光强很多，因此道路设计时通常采用隔离带来避免双向行车大灯导致的眩光。国家标准要求将汽车前照灯按使用状态在暗室内进行配光检测，并对清洁及污染的前照灯进行相应试验，不同照度值对应不同光幕亮度进行测量验证配光的符合性。为了模拟前照灯在实际使用过程的眩光阈值增量，研究人员选择在夜晚行车过程中对使用LED前照灯的车辆进行了现场测量，测量现场安排在一条没有安装路灯的双向单行公路上如图1(a)，除了测试车辆的前照灯光之外，只有零星几盏居民用灯，测量点设在距离前照灯35 m处如图1(b)，测量系统采用经过专业亮度校准的超大视角数码相机为主机，它能将180°视野内的物体成像到传感器上，一次性测量180°半球空间的亮度分布，测试系统的软件将前照灯发光部分圈选出来计算它的光幕亮度，并根据灯成像的位置坐标计算灯具与视线的夹角，加入眩光阈值增量按图1(c)仿真并计算出前照灯的眩光阈值增量为94.83%、路面亮度11.08 cd/m2及垂直面照度10.58 lx等数据。由此可见，针对车用前照灯眩光阈值增量的限值、测量方法及仿真需进一步完善，其结果对前照灯的应用及行车照明控制具有重要意义，并期望能推动汽车前照灯眩光阈值增量限定纳入标准的进程。

图1 前照灯眩光阈值增量现场测量Fig.1 Headlamp glare threshold increment field measurement

4)LED优势。在能源短缺的背景下，高效节能LED从发明到成熟应用备受瞩目，随着应用过程光电指标和可靠性取得突破及提高，以及发光效率和结温耐受度的提高，推动了LED在汽车照明中的推广应用，其优势主要体现在以下方面：① 固态LED光源具有使用寿命长、抗震性强、不含汞(Hg)和维护便利等优势，在耐振动和耐冲击性能也远优于普通灯泡, 而且有体积小和环境适应性强等优点[8]。② LED启动并达到目标值光通量的时间比气体放电灯短，在汽车行驶过程中，这种差距直接影响车辆在高速行驶时的反应时间差，可降低交通事故发生及提高行车安全。③ 恒流工作的LED不会因电压波动出现忽明忽暗，功率低则发热量小，从而降低了汽车的自燃风险。④ 基于LED发光角度的可控性，车用灯具的光学设计更便利，在概念车上的典型应用更为突出。

5)智能控制模式。智能控制技术是基于计算机、传感器、通讯、网络与自动控制等多学科技术领域交叉而发展起来的综合技术。汽车照明控制系统也越来越智能化，汽车制造商以更环保、更安全、更有驾驶体验和更节能为目标，汽车照明系统将进行一场重要的应用革新，易于控制的LED也得到广泛的应用。具有代表性的车用照明制造商开发出一系列采用LED照明及智能控制系统，利于传感器收集天气、照明和车辆行驶条件等信息，自动调节灯光模式来适应驾驶人员的舒适性，确保车辆在各种行驶条件下提供最佳照明来确保行车安全[9]。

智能照明系统可根据天气、照明和行驶条件自动调节，在乡村道路、高速公路、弯道以及大雾天气中提供最佳可见性，从而大大提高了驾驶安全性。①乡村道路模式：代替近光大灯更加宽阔和清晰地照亮驾驶员一侧的路面，让驾驶员更加有效地判断前方路况，并在行人横穿公路时做出迅速反应。②高速公路模式：在车速超过90 km/h时启动高速公路模式提高前方能见度60%。当驾驶速度超过110 km/h时，光照强度提高及照亮距离比传统气体放电灯增加约50 m，确保高速行驶的安全性。③增强型雾灯模式：该模式在恶劣的气候条件下为驾驶员提供更好的方位感，在降低光束强度的同时，智能控制系统将驾驶员一侧的大灯向外转动8°更好地照亮近侧路面，并降低雾天反光眩目感。④主动照明模式：该模式根据不同的转向角、横摆率和车速自动开启，大灯迅速向侧面最大可达15°转动规避前方车辆见图2。⑤弯道辅助模式：当车辆行驶到十字路口、丁字路口、急转弯及驾驶员大幅度转动方向盘时，大灯将照亮车辆前方30 m左右及65°内路面区域有效保证行车安全。

图2 LED车灯智能系统规避对面车辆Fig.2 LED car light intelligent system evades the opposite vehicle

2 车用LED照明典型应用

我国是世界头号汽车生产大国，同时也是汽车消费大国，汽车相关配套产业也依托此契机蓬勃发展，车用照明产业凭借较高的市场回报和发展潜力成为照明行业关注的焦点，车用照明企业依托积累的研发技术、核心竞争力引领行业，在车用照明光及其控制技术上下功夫，其他部件围绕这一核心部件进行优化组合成标准组件。1914年就进入汽车照明领域的飞利浦(PHILIPS)，2018年4月在武汉国际会议中心新品发布会上，发布了为消费者量身打造的经济型恒锐光LED系列车灯，6 000 K色温的高亮度前照灯光型精准不眩目，有效照明率提升达100%，一体化Thermal Cool酷睿散热结构设计更利于快速升级，并带来更安全及舒适的驾乘体验。路虎、奥迪、奔驰和宝马等车商也纷纷推出配置LED照明系统的新款轿车来吸引消费者，普通车也紧跟其后配备LED照明系统增加产品亮点。

1)奥迪：奥迪一直走在车灯技术的前沿，率先普及LED在车灯上的应用，A8[如图3(a)]是第一款配置LED光源DRL的车型。该DRL兼转向指示灯由22颗LED组成，上部近光灯由10颗LED加两颗大功率LED组成远光灯模块，其L型设计灯体为车头增添美感的同时有效提升了行车安全性，5 500 K色温使交通参与者不会产生视觉疲劳。2014年A8推出的矩阵LED前照灯由25个高亮度LED组成，采用反光杯+光学透镜来提升光利用率，并通过系统控制LED灯的形态及出光角度来调整照射区域。

2)奔驰：奔驰在全新CLS车型配置了LED前照灯，其他车型则配置LED光源DRL如图3(b)。宝马采用高亮度的LED替代亮度较低的冷阴极荧光灯(Cold Cathode Fluorescent Lamp，CCFL)，设计并推出了具有示宽和DRL功能的“天使眼”车灯。随着LED的成熟应用，奔驰将在新一代6系列上率先使用LED远近光灯照明系统来提升照明质量。

图3 LED车灯典型应用Fig.3 Typical application of LED lights

3)雷克萨斯：首款使用LED前照灯[如图3(c)]量产的是雷克萨斯于2008年推出的LS车型。其LS600h的近光灯和辅助照明均使用LED光源，近光灯配置了三组LED单元使用投射式光学系统，其下方的LED 辅助灯则采用反射式光学结构来扩展视野，在转弯时照亮道路的拐角增强行车安全性。为了抑制由LED温度上升导致性能下降,其在一个灯具中使用数目较多的LED发光元件, 让单件的发热量较小, 再把它们布置在较大的空间内使其易于散热, 还运用了热管散热技术[10]。

4)吉利：吉利旗下的旗舰轿车博瑞是率先使用LED的国产品牌轿车。博瑞的前照灯和DRL均采用LED光源设计如图3(d)，其有效照明距离分别为100 m和300 m，LED前照灯采用自动光感和4级高度调节设计来保证在各种天气及路况条件下的行车安全。来自全球领先车用照明供应商法雷奥的整体设计具有很强的科技与时尚感，像是一双晶灿流光的慧眼折射出LED技术精锐之魂，引领我国自主研发LED 汽车照明的技术方向。

3 车用LED照明质量问题及建议

车用LED照明作为一项具有突破性意义的新技术应用，已被大多数汽车制造商及消费者所接受，越来越多的高档汽车都配备了LED照明系统。汽车用灯具由支架、LED光源和控制电路等3部分组成，由于汽车应用环境的特殊性，车用LED代替传统光源还有很多技术难题还待解决。

1)散热设计。LED的光输出会因为自身的热或来自发动机舱的高温而影响本身PN结温稳定, LED光通量和波长等重要参数受到PN结温的直接影响, 这种不良的温度循环将导致发光效率和寿命急剧下降。如果LED封装散热不良, 会使芯片温度上升, 引起应力分布不均、芯片发光效率降低, 荧光粉转换效率下降等一系列后果, 进而缩短LED的正常工作寿命[11]。车用LED灯具是在一个相对较为密闭的空间内工作，为了确保其稳定及可靠工作，LED灯具自主散热结构设计的要求较高，如果灯具的散热结构设计不当将导致热堆积而加快LED光衰，降低其可靠性及缩短使用寿命，严重时将影响汽车照明效果而诱发交通事故[12]。热仿真是评估具有已知边际条件和负载的不同热效应的通用方法，图4为工程师使用热仿真软件对车用LED前照灯结构进行热模拟评估散热效果，只有充分地利用散热管理手段，通过各种设计措施(水平和(或)垂直导热)将热量传导给散热器，利用自然对流和热辐射传递至周围环境，确保车用LED前照灯能稳定及可靠工作[13]。

图4 LED车前照灯结构热模拟Fig.4 Thermal simulation of LED car headlight structure

2)配光设计。在多车道的道路照明中,需要非对称矩形配光，目前有研究通过建立LED光源的发光特性偏微分方程,利用数值求解法拟合出反射器自由曲面[14]。另一研究则运用能量网格划分法,迭代计算出反射器面型[15]。但他们所实现的是对称矩形配光,并不宜用在路面宽度较大的道路上。如果车用前照灯配光设计不当，将影响驾驶者的应变能力。LED光学特征与传统光源有较大差别，可控发光角度的LED结合导光二次光学设计配光，使灯具的光强分布和照度分布更能满足车用照明标准要求。设计者可根据车用前照灯的整体结构来设计配光，并聚焦LED有效光通量最大化的利用，采用每个单元反射器负责配光系统特定的照度区间，利用抛物面及光源的偏移旋转来获得最佳照度分布，车用前照灯的出光特性是设计者充分构思的核心点[16]。

3)光质量。目前市场上车用前照灯主要有卤素灯、氙气灯、LED灯和激光灯等类型。市面上60%以上的新车都使用卤素灯，其优点是制造成本低和方便更换，缺点是亮度不够。作为过渡品的氙气灯，其亮度高和照射距离远是最大的优势，但在雨雾天的穿透效果不好，特别是在大雾天气，驾驶员的眼前基本是一片白。宽色系的LED前照灯使用恒流精度、转换效率和可靠性高的恒流电源来保证其稳定工作，可通过自适应技术将LED的色温和亮度保持在要求范围以内，体现LED灯光可控的应用优势。

4)视觉舒适性。人眼在极端条件下能分辨色温约为50～100 K，测量某款车用LED远近光灯的最高色温与最低色温差距分别为1 600 K和1 300 K，如果人眼长时间在混合色温下观察事物容易引起视觉疲劳与不舒适感，因此色温的不均匀性将会对驾驶舒适性产生影响，严重时将影响到驾驶安全。改善LED荧光粉涂覆工艺，确保各个角度的光学路径一致，并综合考虑灯功率和色温的关系，做好LED车灯的散热结构设计来保证色温均匀性和光输出的稳定性。

5)防护性能。车辆使用一段时间后，部分车灯会出现内有水雾或进水现象，严重的将影响照明功能。在前照灯3C认证标准中并没有对产品防水防尘等级进行要求，通常是车灯制造商宣称产品防水防尘的IP 等级。通过多个车灯防护失效典型案例的分析，主要是塑料结构件和密封圈因模具寿命、材料变化及组装工艺等原因造成产品防护失效。在设计车用照明产品时，应对结构件的选材、生产工艺和耐候性等方面进行充分评估，并进行耐久性试验来确保产品防护等级在其使用寿命期内是可靠的。

4 结语

从汽车照明行业整体来看，LED及智能控制在汽车照明领域具有广阔的应用需求，由于高成本及行业准入门槛较高，导致汽车用LED照明还没有得到普及应用。基于汽车工业的技术革新和创新性拓展，LED在汽车尾灯、方向灯及刹车灯的成熟应用，功能性前照灯也取得了突破性的进展，加之智能控制技术的成熟应用，照明企业应走出舒适区去探索与研究车用照明的需求，提升LED发光效率及降低产品成本，加快技术整合。LED及智能化将是车用照明市场的必然趋势，新技术的应用将引领汽车照明进一步的发展。