白光LED汽车头灯的技术发展

1、白光LED汽车头灯的技术发展-电气论文白光LED汽车头灯的技术发展吴腾奇华南师范大学目前全球各大汽车展中，都能看到以白光LED作为汽车头灯的概念车款，不仅花哨得引人注目，也在实用化方面注人不少研发心血，包括：丰田汽本作为雷克萨斯品牌旗舰轿车推出的概念车LFSh，及丰田品牌下一代微型面包车 的概念车等，也都搭配了白光 LED头灯，在在都使人感觉离白光 LED头灯的 未来已经非常接近。不过。欲使白光LED成为汽车头灯的主要光源，相关部份的交通法条 必须将其修订。例如，联合国欧洲经济委员会审议汽车头灯的GRE法条，预计会在2年之后才能允许使用白光LED作为汽车头灯的主光源，倘若法规修订尚 未通过，汽

2、车市场导入白光LED头灯的过程将会待续延宕下去。细数当前国际汽车厂商，例如:BMW、Mercedes-Benz、Audi、Lxus等一级车厂，相继推出各类型新款汽车，藉以吸引消费者。其中最富变化性、最引人注目的便是炫光夺目的白光 LED车灯款式。过去，曾经有人将LED瞬为第4代汽车照明光源，这是因为 LED头 灯除了一次性投入较高之外，在寿命、亮度、低耗电方面，都是传统白炽灯、卤 素灯等照明设备无法相比拟的竞争优势。汽车头灯必须要兴起才能带动车用 LED产业过去10年中，高亮度的LED陆续被应用在汽车、卡车及大型游览车的内外车灯等领域。根据EyesplyJapan市场调查指出，在2004年大约

3、有30% 的新车款以 LED 作饰车尾灯(reartail lamp)或 CMHSL(CenterHigh-MountStop Lamps)。大部份新出厂汽车及大型交通工具己开始使用LED当作方向指示灯及第三煞车辨识灯。在此趋势发展下。车用LED在2003年的市场规模超过2亿美元，2004年比2003年成长24.2%，市场规模约为2.36亿美元， 2005年比2004年成长19.1%，市场规模则超过了 3亿美元随著采用LED的 新车款逐年扩张，许多专家一致认为往后数年中，仍可望维持二位数的成长率， 预估2008年时市场现模将突破4.5亿美元。倘若白光LED汽车头灯若能顺利 开发出新的产品及技术

4、，汽车用 LED市场规模将持续扩大，各方预测也将提早 发生。一般来说、汽车头灯属于本车外使用的LED种类。其技术特性指标跟掌上型等消费设备所使用的白光LED类似、不过，对LED发光角度、色差、亮度、阀位电压、电流等光学、电学性能的一致性和可 靠性，要求更高目前LED在车外的主要应用在于制动灯、前方转向灯、后方转 向灯、左右两侧转向灯、后方雾灯和倒车灯方面，而在头灯还处在研究开发阶段， 虽然已有部分先进厂商已有展出样品头灯，但还没有达到商业化批量生产的程 度，其主要原因，包括：单个白光LED元件的亮度不足，而头灯所使用的LED尚 有易衰减、价格过高等问题存在。白光LED如何因应车上特殊要求长期以

5、来，车上所使用的头灯是以白炽灯、卤素头灯或氙气头灯(HighIntensity DischargeHeadlamps ; HID)作为主发光源，并参照汽车灯的光学、 电学及形状为主要标准，另一方面在头灯的反射镜设计基础上，是采用 3种光形的反射镜来达成LED头灯的近光灯基本光形设计，另外再加上远光光形的反 射镜，使光形分布可依照头灯模组不同需求， 再由反射镜加上遮片后徘列组合而 成。在分析设计完成最佳化LED投射式单元后，开始进行智慧型LED头灯 雏型的系统功能设计，依照 AFS规范要求，在雏型设计时，就必须以 4种不同 光形的近光灯光形及1个远光灯光形，其中LED PES模组分为上中下共3

6、排, 并以此为模组配对来达成适路性的光线需求。根据汽车制造业的习惯来看，传统的车灯设计中是利用几何光学的光路 追迹法来设计而成，并不会将物理光学理论中的干涉衍射， 及色散对光能量的影 响则不纳入考虑，因此头灯白光 LED的强度与通过该点的光线数目成正比，且 不受光程影响。另外，线光源能量也要达到分布均匀， 功率密度也必须与总功率 与长度成正比。业界实际应用案例目前，绝大部分汽车头灯具的厂家，一般只在近光灯上搭配白光LED模 组，而远光灯则使用 HID灯。此外，与丰田、本田汽车合作的白光LED厂家也展出了汽车白光LED头灯光源，给人留下了白光 LED模组正在走向大功率 化的印象。在此，撷取Sta

7、nley、OSRAINI及日本小系等厂商所发表的白光 LED 头灯目前的设计与产品发展状况。在2008年后，白光LED发光效率将超过HID:斯坦利电气(Stanley) 推出的汽车头灯是与德国Hella联合开发的。该头灯样品是将4个大型LED晶 片封装成一个大功率白光LED模组，在近光灯上配备5个这种模组、远光灯上 配备2个。近光灯点亮时的光束总计为 7001m，据该公司公布资料表示，在未来必须确保白光 LED能达到HID刚上市时的亮度，每个白光LED模组发出1401m 左右的光束。在实验后的样品消耗的电力与同等亮度的HID灯相比，初步评估为HID的1.4至1.6倍。白光LED的发光效率的提高

8、，虽然在过去一段时间白光LED的发光效 率出现迟缓的发展，但在此之后又有了令人期待的发展。Sta nley内部人员更大胆顶言，到了 2008年|后，白光LED头灯将会与HID灯的发光效率并驾齐驱。适路性白光LED设计:日本小系（Koito）制作所推出的汽车头灯配备有11个白光LED模组，包括，近光灯6个、在远光灯时则另加5个。据该厂商表示， 在近光灯点亮时的光束可达到 8001m 至10001m另外，也可根据行驶状态， 对近光灯用的白光LED模组点亮进行控制。比方说，在高速驾驶行为中（超过100公里），头灯中央部分的5个点亮，便能使头灯所投射的光束降低其照射范 围，使光线具有远射的照明效果。另

9、一方面，若在市区行驶时，中央部分的上边 3个与中央部两侧配备的1个近光灯用白光LED模组点亮，扩大汽车头灯光线 照射角度。因此，使这项智慧型的头灯设计兼具 AFS功能，可使行驶在弯道时灯 光的投射角度会随著汽车转向方同进行判断照明范围， 也在头灯中央部位设计具 有活动性。白光LED光源系统的能量转换效率为65%:欧司朗（Osram）也在这2 年经由LED厂、汽车厂商及汽车协会大力推广下逐步而缓慢地改变。曾有汽车 厂商电气专家表示，汽车厂其实很乐见以白光 LED光源来代替白炽灯的LED 汽车头灯，不过，在设计上必须要参照传统头灯的发光源标准来设计，但LED光 源的基点属于阵列式，因此白光 LED

10、头灯而言，则是一项全新的思路。其技术 路线必须要应用白光LED光源的单色性，不加滤色片直接选用不同波长的多个 高效LED元件设计成分，才能满足汽车头灯具设计及加工的特殊性。反射型与投射型LED发光源3D模型仿真图。对LED元件的主要有3 项要求，分别为:LED必须具有高效、大功率、高可靠性(-40 C -125 C );另外， 就是符合电学、光学参数稳定性、一致性的高要求，譬如，在同一批元件的阀值 电压不一致性必须要小于0.1V;最后，则是LED元件在直流电点亮后，其使用 寿命必须超过1,000小时，发光强度衰减值要小于 20%对于白光LED头灯在 配线板及组件加工也有3项特点：一、车上的配线

11、板形状较为不规则，因此，必须要具有良好的导热、导 电功能三维阵列结构；二、具有耐高温、耐冲击振动和电流超载等；三、设计有优良值电流及恒电压等控制电路。白光LED须突破瓶颈汽车头灯才有前景未来汽车头灯开发的开发演进过程中，LED光源必须符合先进汽车照明 设计，然而造型、体积与效率为当前主要设计 LED头灯的当前之务，如何将此 目标做最佳化的设计，将会是未来LED车灯设计上，应再寻求突破的主要工作。虽然目前距离白光LED头灯商品化仍有段距离，可是国外车灯大厂仍不断推出新型之LED头灯雏型，有鉴于此，诸多传统的车灯厂商莫不加紧脚步， 开发白光LED头灯，未来配合高亮度 LED陆续推出，才能在最快的时

12、间内掌 握LED头灯产品的开发时机。不过，相较于目前汽车厂所使用的HID或卤素灯，在成本上白光LED价格还是高出许多，而在规范上所要求的法规亮度，必须使用多组的白光LED才 能达到亮度需求。LED与传统灯具结合降低原始汽车改变设计路径传统的汽车头前灯的设计方式，是以平滑抛物面所构成的反射效果，再搭配上花纹透明灯壳，将光源集中置于抛物面的焦距，以便形成平行光束，再经过小凸透镜而形成雕塑光源。以目前两大主要汽车头灯应用主流，分为多重反射镜面车灯 (Multi-Reflector;MR)与投射式汽车头灯(Projection System)。虽然这2种款式的汽车头灯设计方式，都能符合 LED的发光原

13、理及设 计方式，不过，LED是以面光源形式来产生光源，其发光立体角只是传统光源， 不到钨丝灯泡的50%的发光效率，因此，光学设计必须再经过重新改良。这是因为头灯必须要在唯一反射镜可以加以运用的情况下，反射镜设计也就相形重要，远比传统头灯设计方式更富有难度及挑战性。因此，如何将反射镜获得最佳化的处理过程，使 LED投射灯的模组体积尺寸缩到最小，以符合阵 列式LED头灯设计的空间需求。这当中最关键便是在于汽车头灯设计概念的改变，在光束聚焦的工 作不再靠透镜，而是由白光LED的周围反射面来负责。其反射面是轻质塑胶表 面涂装了非常光亮的铝层，曲面形状光学设计非常复杂，其表面可能是光滑面， 或是格状，多

14、面状的组合。这也将会是白光 LED汽车头灯在设计上技术及照明艺术的重大改变 ; 此后，汽车头灯的形状将不再局限汽车造型设计师在先天上限制，而汽车的近光灯、远光灯、方向灯将可整合成一体的灯组，从汽车头灯到汽车尾灯的造型便能 真正成为汽车造型的一部份，可以与车头、车尾的造型平滑无接缝地整合于一身。适路性照明与白光LED头灯未来发展趋势适路性汽车头灯照明系统(Adaptive Front-lightingSystem;AFS)已成为未来智慧型白光LED车灯照明发展趋势，目前各国车灯制造厂商也对此照明 系统大力投入研究开发。在90年代初期，由于以下两大领域的新科技运用，使得车辆前方照明系统得以朝提升驾

15、驶视野，及改进其他用路人视觉舒适及安全两方面进一步发 展。其中，以新的白光LED作为主要发光材料，以先进感测器及车用电子与作 动器相结合成新兴的照明光源与电脑辅助工具，可使白光LED头灯设计更为贴近汽车产业应用，并提供汽车头灯特殊照明。因此，适路性头灯照明系统在发展 一段时间后，欧洲法规方面对适路性前方照明系统也订定出了一些原则特性，原则中，提出适路前方照系统包含三大元素， 位于车辆右侧及左侧之照明元件、 系 统控制与供应及操作装置。如何依据AFS法规原则加以研究开发，目前雏型白光LED灯包含了三 项功能，可视不同路况，包括：一般路面、都市路面、高速路面、湿路路面进行 光线调整、失效模式(回复

16、原始设定)与远光灯，以达到不同光线的设置其中的 光线变化则可是利用白光 LED光形迭加的概念，点亮不同的 LED单元模组， 而不是利用传统车灯以驱动马达原理来达到适路性照明的功能。在进行阵列式白光LED头灯设计前，只具单一功能白光LED模组设计 将必须先行纳入考虑，主要是因为白光 LED头灯功能，要求能符合 AFS可变 光形的分布情况，因此必须由数个不同反射镜模组来加以组合， 才能达到此项设 计要求。另一方面在头灯的反射镜设计基础上，是采用3种光形的反射镜来达成LED头灯的近光灯基本光形设计，另外再加上远光光形的反射镜，使光形分布 可依照头灯模组不同需求，再由反射镜加上遮片后排列组合而成在分折设计完成 最佳化LED投射式单元后，开始进行智慧