淺談LED汽車前照燈行業(yè)發(fā)展

李海濤淺談LED汽車前照燈行業(yè)發(fā)展部件檢驗部中國兵器裝備集團摩托車檢測技術(shù)研究所MotorcycleTestTechnologyInstituteofChinaSouthIndustriesGroupCorporation國家摩托車質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心ChinaNationalMotorcycleTestingCenter提綱一緒論三二LED汽車前照燈行業(yè)研發(fā)現(xiàn)狀LED汽車前照燈發(fā)展預測緒論目錄1汽車前照燈發(fā)展史342光源性能對比國內(nèi)外LED汽車前照燈研究現(xiàn)狀LED汽車前照燈現(xiàn)狀總結(jié)一

緒論煤油燈乙炔燈1903冷光源白熾燈1925鹵素燈1959HID1995LED燈20071汽車前照燈發(fā)展史非電光源電光源一

緒論白熾燈鹵素燈HID燈LED燈光效10lm/w25lm/w90lm/w150lm/w壽命100h>300h>3000h幾萬hLED響應速快(1ms內(nèi)、白熾燈200ms)、抗震、體積小2光源性能比較一

緒論2光源性能比較

緒論LED可見光波段，光效高，目前單顆功率不大，功率越小光效更高，啟動方便，價格昂貴，光效提高空間大。放電光源光效較高，單顆功率大，小功率光效更低，高電壓啟動，目前適合大范圍照明。熱光源，光效低，光譜成分與太陽光類似，視覺友好型光源，功率大小均可啟動方便，便宜，適合大功率投影照明。由于光效太低應該逐步退出普通照明從節(jié)能角度，應該隨LED性能提高，千流明價格下降而逐步取代其它光能。2光源性能比較一

緒論——國外LED前照燈研究現(xiàn)狀2007年5月日本小糸和日亞化工研發(fā)的LED近光燈安裝在雷克薩斯LS600Ch上2008年奧迪R8安裝了Lumileds和Osram研發(fā)的全LED前照燈。2009年雷克薩斯RX450h、普銳斯、HS250h三款車安裝了LED前照燈。2011年奧迪R8安裝上Philips的LED光源作為前照燈。2012年奧迪A6、奔馳CLS350、寶馬6系列開始使用LED前照燈。一緒論——國內(nèi)LED前照燈研究現(xiàn)狀吉林東光瑞寶車燈有限責任公司基于奔騰B50車型研制的LED前照燈3個近光燈2個遠光燈工作溫度90℃壽命10000h以上一緒論——國內(nèi)LED前照燈研究現(xiàn)狀專利截止2013年1月份申請及受理LED汽車前照燈相關(guān)專利18個。其中：配光器專利：3個

散熱器專利:

5個

整燈專利：10個

國內(nèi)無LED光源的核心技術(shù)。國內(nèi)LED汽車前照燈尚未得到應用。一緒論——國內(nèi)LED前照燈研究現(xiàn)狀GB25991-2010汽車用LED前照燈一般要求規(guī)定了抗振性、散熱性、高低溫、電磁兼容、光束調(diào)節(jié)裝置。LED前照燈和電子光源控制器的一般要求配光性能光色光源（光通量限值）顯色性(紅光成分）一緒論——國內(nèi)LED前照燈研究現(xiàn)狀LED前照燈的配光穩(wěn)定性LED前照燈照度和色度溫度穩(wěn)定性LED前照燈塑料配光鏡和塑料光學組件LED前照燈耐溫度循環(huán)試驗LED前照燈極性反接和過電壓GB25991-2010汽車用LED前照燈一

緒論LED汽車前照燈最先在近光燈上得到應用。LED汽車前照燈只在屈指可數(shù)的幾款車上得到應用。

4國內(nèi)外LED前照燈現(xiàn)狀總結(jié)二LED汽車前照燈行業(yè)研發(fā)現(xiàn)狀1LED光源光熱電性能342LED汽車前照燈光學設(shè)計分析LED汽車前照燈散熱設(shè)計分析總結(jié)二LED汽車前照燈行業(yè)研發(fā)現(xiàn)狀光機熱要求機械系統(tǒng)精密穩(wěn)定影響燈具尺寸大小光源封裝類型影響散熱效果收集效率底不利于散熱過熱影響LED光輸出過熱引起機械形變機械結(jié)構(gòu)和材料影響系統(tǒng)散熱光、熱、機一體化設(shè)計1LED光源性質(zhì)目前用于生長外延片的襯底材料有很多種，市場上應用最廣泛的是藍寶石()，藍寶石襯底的芯片按結(jié)構(gòu)可分為倒裝芯片和正裝芯片，倒裝芯片在光學性能、熱學性能以及導電性能方面的優(yōu)勢使其在大功率照明中得到了應用。圖1a.正裝芯片示意圖圖a為GaN基地的LED芯片，芯片直接用導熱硅膠結(jié)合在小尺寸反光碗或載片臺上，光效受兩個因素制約：1.P—GaN導電效率低，在P電極和P—GaN之間加NiAu合金電流擴散層，太薄會影響電流均勻度，但厚度增加吸收的光也會增加。2.藍寶石導熱能力差1LED光源性質(zhì)——正裝芯片

圖b也為GaN基地的LED片，芯片直接貼裝到硅載體或PCB基板上，優(yōu)點體現(xiàn)在：1.用高反射率的金屬作接觸層提高了光的取出效率，采用0.12um厚的Ag和Al對470~520nm光的反射效率分別達96%和84%。2.P-N結(jié)到硅底板的熱阻小。

圖1

b.倒裝芯片示意圖1LED光源性質(zhì)——倒裝芯片熱阻定義：LED光源熱阻：LED熱學特性

1LED光源性質(zhì)光通量與結(jié)溫輻射波長與結(jié)溫正向電壓與結(jié)溫正數(shù)常量，負數(shù)常量溫度：25℃光源模塊：……1LED光源性質(zhì)結(jié)論：LED器件之間無光子吸收現(xiàn)象LED模塊特性2LED汽車前照燈光學設(shè)計分析前照燈反射式透鏡成像式投影式配光系統(tǒng)分類直接通過反射器將光源的光強分布轉(zhuǎn)化為所需光型，多重反射鏡面屬于反射式光學系統(tǒng)。反射式光學系統(tǒng)2LED汽車前照燈光學設(shè)計分析將光源的光強角分布在橢球反射器的焦平面內(nèi)轉(zhuǎn)換為空間分布，然后再將橢球反射器的焦平面上光強空間分布轉(zhuǎn)換為所需光型。透射式光學系統(tǒng)2LED汽車前照燈光學設(shè)計分析以非球面透鏡或其他形式透鏡，將光源放在透鏡焦點，使準平行光束被轉(zhuǎn)換成光型。透鏡成像式光學系統(tǒng)2LED汽車前照燈光學設(shè)計分析2LED汽車前照燈光學設(shè)計分析光學系統(tǒng)及光源選擇計算光學元件參數(shù)軟件仿真設(shè)計達到預期光度分布未達到預期光度分布加工樣品并測試實驗和仿真吻合實驗和仿真存在較大差異設(shè)計成功分析原因分析原因2LED汽車前照燈光學設(shè)計分析LED前照燈光學設(shè)計屬于非成像設(shè)計，關(guān)注的是輻射能量的傳遞效率及照度、光強、亮度的分布。光學設(shè)計軟件有美國焦點軟件的ZEMAX，美國LambdaResearch公司的TracePro，OpticalResearchAssociates公司的LightTools，美國BreaultResearchOrganization.Inc(BRO)公司的AdvancedSystemAnalysisProgram（ASAP）等。LightTools和TracePro偏重于非成像設(shè)計，AdvancedSystemAnalysisProgram（ASAP）既可以做成像設(shè)計，也可以做非成像設(shè)計，

ZEMAX偏重于成像設(shè)計。3LED汽車前照燈散熱設(shè)計分析熱量傳遞方式熱傳導熱輻射對流散熱基本理論3LED汽車前照燈散熱設(shè)計分析熱傳導由于物體內(nèi)部或物體之間溫度差的存在，內(nèi)部原子或者分子的熱運動造成能量由物體溫度高的區(qū)域向溫度底的區(qū)域傳遞，或者由高溫物體向低溫物體傳遞。各項同性的連續(xù)介質(zhì)導熱方程3LED汽車前照燈散熱設(shè)計分析熱對流流體之間相互運動，低溫流體與高溫流體摻滲引起熱量的傳輸。流體相對固體運動，溫度差引起的能量交換稱之為對流換熱。導熱與熱對流同時存在流體與固體必須有直接接觸和宏觀運動由于流體的粘性和受壁面摩擦阻力的影響，緊貼壁面處會形成速度梯度很大的邊界層3LED汽車前照燈散熱設(shè)計分析熱輻射高溫物體以電磁波方式向外輻射能量的現(xiàn)象稱作熱輻射，熱輻射引起能量傳遞的過程中，不需要發(fā)生能量傳遞的物體相互接觸，真空中傳遞熱量的速度最快。輻射散熱的主要影響因素（1）物體本身的溫度、表面輻射特性；（2）物體的尺寸、幾何形狀及相對位置。3LED汽車前照燈散熱設(shè)計分析1自然散熱

不同材料的散熱片

不同結(jié)構(gòu)的散熱片2主動散熱

風冷

水冷

半導體制冷3熱管散熱3LED汽車前照燈散熱設(shè)計分析自然散熱散熱能力與散熱器形狀和散熱材料有關(guān)系統(tǒng)穩(wěn)定無額外功率損耗3LED汽車前照燈散熱設(shè)計分析風冷風冷散熱就是在燈具設(shè)計的時候加上風扇把熱量從散熱器上帶走，散熱器表面的氣流速度越大表面對流換熱系數(shù)越大，當氣流速度到達一個數(shù)值后再增大空氣流速散熱效果就不會有顯著提高，這個值由燈具和環(huán)境條件決定。雖然風扇成本不高，但風扇的體積、功耗、壽命以及工作時產(chǎn)生的噪音必須考慮3LED汽車前照燈散熱設(shè)計分析液冷液冷散熱主要由散熱板、熱交換器、貯液池和泵用連接管構(gòu)成回路，冷卻板和LED芯片封裝模塊的背光面相連，泵用來驅(qū)動工作液體，工作液體把冷卻板上的熱量帶到熱交換器上，再通過熱交換器散失到周圍環(huán)境中。其形狀根據(jù)燈具結(jié)構(gòu)決定，工作液體要求粘度小、密度小，這種液冷散熱結(jié)構(gòu)復雜、體積大、有額外功耗。有的燈具可以把貯液池安裝在比芯片位置低的地方，就不需要泵。3LED汽車前照燈散熱設(shè)計分析半導體散熱半導體散熱器是根據(jù)特殊半導體熱電效應制作的散熱器件，散熱器可以做成片狀。直流電經(jīng)過P型半導體時吸收熱量形成冷端，在N型半導體上釋放能量形成熱端，冷端可以安裝LED光源。半導體散熱器可靠性高，體積小。3LED汽車前照燈散熱設(shè)計分析熱管散熱熱管散熱無需額外功率損耗，是目前LED光源散熱研究的熱點。國內(nèi)在LED汽車前照燈熱管散熱方面申請的專利比較多，大多是汽車燈具公司的專利，實用性強。申請專利的公司有天津市汽車燈廠、常州星宇車燈股份有限公司、江蘇洪昌科技股份有限公司等，LanKim等人研究熱管散熱效果，在25℃環(huán)境中，能把18.1W的白光LED光源結(jié)溫降低到59.7℃[5]。4總結(jié)1前照燈為多光源及多配光元件組成的燈具系統(tǒng)。2配光功能與散熱功能分離，每個光源模塊配有單獨散熱器。3燈具系統(tǒng)體積龐大，沒能充分發(fā)揮LED光源優(yōu)勢。LED光源有自身優(yōu)勢，也有其不足，LED前照燈必須克服其不足，充分發(fā)揮其優(yōu)勢，在科技上更上一個臺階。三LED汽車前照燈發(fā)展預測

光學

熱學緊湊型LED前照燈三LED汽車前照燈發(fā)展預測緊湊型LED汽車前照燈1.多芯片集成的大功率LED光源模塊。2.LED光源模塊的芯片采用倒裝封裝方式。3.光學透鏡作為散熱器的一部分，同時要有高的光能利用效率。4.散熱器性能穩(wěn)定，散熱能力強，占用空面體積小。三LED汽車前照燈發(fā)展預測液體熱傳導系數(shù)高、粘度小、凝固點低、光吸收率小、化學性質(zhì)穩(wěn)定液體封裝LED遠光燈設(shè)計方案三LED汽車前照燈發(fā)展預測液體封裝LED遠光燈設(shè)計方案1300lm的白光LED光源光強分布光譜分布三LED汽車前照燈發(fā)展預測液體封裝LED遠光燈照度分布入射光通量：1130.28lm光能利用效率：86.94%三LED汽車前照燈發(fā)展預測EmaxHV點HV點至1125R或LHV點至2250R或L國標要求≥48≥0.8Emax≥24≥6仿真結(jié)果56.1456.14≥49.97≥23.50液體封裝LED遠光燈仿真結(jié)果（單位lx）三LED汽車前照燈發(fā)展預測遠光燈樣品光源液體封裝LED遠光燈設(shè)計三LED汽車前照燈發(fā)展預測EmaxHV點HV點至1125R或LHV點至2250R或L國標要求≥48≥0.8Emax≥24≥6仿真結(jié)果56.1456.14≥49.97≥23.50樣品測試54.17±1.0854.17±1.08≥46.94±0.97≥25.60±0.60液體封裝LED遠光燈照度分布（單位lx）三LED汽車前照燈發(fā)展預測熱阻定義：LED光源熱阻：