LED新技术及其在汽车照明中的应用电子版本

1、 PAGE 10 PAGE 1LED新技术及其在汽车照明中的应用【摘要】完善的汽车照明系统、准确及时的信号指示灯具可以有效的预防和减少交通事故发生的机率，给驾驶者提供安全保证，而层出不穷的新型照明光源和不断发展的新技术也为汽车内外造型提供了更多的设计灵感和设计空间，特别是LED光源的出现，使得汽车灯具不仅成为汽车安全必备的总成，也成为了汽车造型的点睛之笔，汽车前照灯甚至被看成是汽车的形象和灵魂。本文介绍了LED作为汽车照明光源的应用现状，并结合成熟案例提供了其在设计中的应用方法和注意事项，相信本文必定能为灯具设计师、灯具造型师提供设计和造型重要参考。【关键词】 汽车照明 LED 直射式 反射式

2、 透镜式 光导 智能照明New Applications with LED in Automotive Lighting Abstract: Perfect auto lighting system and exact single lamp can avoid and reduce traffic accident, providing driver and passenger safety assurance, besides new lighting source and technology emerging in endlessly giving auto styling more

3、design inspiration. This article attempts firstly to provide the state of LED application in automotive lighting, secondly, with some cases using LED, the designers of lighting styling and engineer of lighting can learn how to apply LED. Key words: Auto Lighting, LED, Direct Emission Reflector syste

4、m Lens system Light guide, Intelligent Lighting1.LED作为汽车照明光源应用现状照明技术的革新总是先从开发新型光源开始，从最初的钨灯到改进的卤素灯，再到氙气大灯，至到第四代光源LED（Light Emitting Diode），照明性能借助新光源的发展不断提高，从目前的分析来看，LED大有取代传统光源的趋势，技术成熟后，LED将取代以氙灯为代表的气体放电灯，以下是LED与传统照明光源的参数比较。光源光通量发光效率（Lm/W）色温白炽灯5082700卤素1100253200HID32001204000LED11001006500表1 LED与传统照

5、明光源的参数对比LED(Light-Emitting-Diode) 即发光二极管，是一种能够将电能转化为可见光的半导体，它不是通过热能使物体升温而发光，是由电能直接转换为光，因而称之为冷光。图1 各类车用LED作为一种新型的光源技术，LED的特点非常明显：图2 各种照明灯发光效率的进展LED的能量转化效率非常高。白炽灯为5，卤钨灯27，而高亮度LED达到55。根据美国能源部早在2004年所做的统计资料显示，白炽灯到现在基本上稳定在15流明/瓦(lm/w)以下，而HID，达到了127Lm/W，这两种光源的发光效率，从1980年至今，都趋于稳定。而1980年LED发光效率不超过10Lm/W，到后来

6、的75Lm/W，至今已达到100Lm/W（比HID低），但是，LED发光效率几乎呈指数增加，我们有理由相信未来LED发光效率必定超过HID光源。LED灯的能耗只是白炽灯10，表1列示了汽车信号灯与白炽灯能耗的比较。LED灯具能够大量节约汽车能源。功能功率/W节电效果（%）LED光源白炽灯制动灯25*221*2=4288转向灯3*2=621*2=4285位置灯1*2=25*2=1080高位刹车灯1.52192后雾灯32185示廓灯11090表2 汽车信号灯用LED与白炽灯的能耗比较与灯泡和气体放电灯HID相比，LED灯的使用寿命最长，装上LED灯后，没有其他意外事故，无需更换。LED灯响应时间极

7、短，大约只有250微秒，比其他的灯要快得多，能改善和提高汽车安全性。LED灯寿命极长，弃置废物非常少，可大大降低二次污染。LED体积小、重量轻。利用这一特点可设计又薄、又轻、又紧凑的各种式样的灯具，给汽车造型设计提供空间。LED的优点非常明显，目前已经成为内饰背光，内饰环境光，迎宾灯，外部信号灯的主要光源，但在2008年之前，LED应用于前大灯还存在一些问题，如散热问题，生产过程中的偏差问题，亮度不足、电流分布不均，高亮度白光LED成本比较高。5年以来，随着应用水平的提高，LED的应用范围已经覆盖了全车灯具，也包括前照灯，见下图。LED应用于前照灯更能提高整车设计的自由度，减少前照灯的厚度，且

8、具有独特的多点照明功能，而冷却元件从可见的部位移到光源的后面，意味着所需的安装深度也将更小，LED的应用提高了灯具的智能化水平。灯具智能化的需求也为LED的广泛应用提供了更大的舞台。前转向灯前照灯-远光/近光日见行车灯侧标志灯侧转向灯后组合灯刹车灯/转向灯/后雾灯/位置灯倒车灯高位刹车灯图3 LED在外部灯具中的应用LED在汽车灯具中的应用方法无论LED应用于前照灯，组合尾灯，还是内饰灯具，简单来说它的应用类型可以分成三类，直射式，反射式，透过式。了解了这些类型，工程师就可以进行LED灯具基本的排布设计。2.1直射式 能够从正前方或正后方可以直接看到LED光源本体的设计方式为直射式。这种排布方

9、法中，将LED放置于反射面中央，朝正前方/正后方布置，见下图。这种方法结构简单，较易实现配光，但是灯具点亮的视觉上易受LED直射光影响。图4 直射式发光原理图5 典型案例图6 典型案例2.2反射式LED灯具，从外观上不能直接看到LED光源，LED位于反射面一侧，左右布置或上下布置，相比于直射式，因为从灯具的正面无法看到LED光源本体，灯具的点亮效果好，没有炫目的问题，造型上相对比较自由，但是这种设计方法在考虑配光效果的前提下，结构相对复杂，控制精度要求高。图7 反射式发光原理图8 典型案例LED反射镜LED2.3透过式LED灯具这种设计方法中，光源发出的光透过其他介质（如PMMA，PC等材质）

10、进行配光，LED布置在透过介质之后或侧面，相较于前两种方法，结构最为复杂，配光也最难实现，但是点灯外观比较炫，能满足造型灵活多变的要求，因此这种方式越来越受到灯具设计师的青睐。按透过介质的不同形式可分为：光导式，异形导光体式，透镜式，透射式，内配光镜式。目前，造型师所要求的效果已无一定之规，可以说是天马行空，不拘一格，所以灯具设计师在应用各种方法时，没有严格意义上确切的分类，各种方法往往是混合使用的。2.3.1.光导式这种方式的配光原理是LED的发出的光在光导里进行全反射和折射来实现配光的。光导分两种，软质和硬质，软质的光导(发光原理见图9)可随意弯折，成本较高，而且在设计过程中，极易出现LE

11、D远端和近端的光照强度差异；硬质光导(发光原理见图10)可根据造型要求进行设计，通过光导上的刻度或刻痕来调整远端与近端的光照强度，使整体亮度均匀，灯具厂家应用硬质光导比较多。图9 软质光导的发光原理图10 硬质光导中应用外配镜实现配光效果在应用硬质光导时，有些灯具设计师不希望看到刻痕（带刻痕的点亮效果见图11），遇到这种情况，可以使用外配镜，以达到点亮柔和的效果，见图12。图11使用内配镜前后点亮效果的对比图12 使用内配镜的原理这种LED的应用形式会造成发光损耗，所以在前组合大灯的位置灯，后组合尾灯的位置灯，日间形成灯，侧转向灯，环境光灯具中应用比较多。图13 用硬质光导实现线光源效果图14

12、 用硬质光导实现点光源效果图15 硬质光导在内饰环境光中的应用2.3.2异形光导式（1颗或多颗LED对应1个导光片）配光原理：LED光线在光导片里进行全反射折射形成配光效果，与第一种光导的不同之处在于导光体为变截面式，这种效果很特别，但是设计难度很大，特别是难于实现发光的均匀性，这种技术目前还属于前沿技术。图16 典型案例图17 典型案例2.3.3透镜式（1颗LED对应1个透镜）其配光原理为LED发出的光穿过对应的透镜实现配光。这种方法能够实现一颗LED对应点亮一个透镜，在前照灯中应用于位置灯和日间形成灯，后尾灯中应用于后位置灯等。图19，图20，图21为成熟车型的应用情况，这一典型案例中使用

13、了12颗LED，实现了日间行车灯和位置灯的功能。图18光线传播图图19透镜式剖面图透镜LED散热器支架图20透镜式的结构图21透镜式的整体效果2.3.4投射式（12颗大功率LED对应一个投射单元）配光原理：通过反射和透镜折射进行配光，类似PES单元。这种方法一般应用于前照灯的远光和近光，使用多颗大功率LED实现配光要求，同时多组LED根据路况和行驶情况调整角度，能够达到智能化的要求。这是未来LED应用于前照灯的发展趋势，而国内在这方面的设计能力还比较欠缺。图23中，近光灯2使用了投射式设计方法以达到近光灯一点亮区域的配光要求。图22 投射式发光原理图23典型案例近光灯-18颗LED转角灯2颗L

14、ED远光灯8颗LED近光灯- 28颗LED转向灯13颗LED2.3.5内配镜式（多颗LED共用1个或2个内配光镜） 配光原理：LED的直射或反射光通过内配光镜进行扩散，以达到外观均匀的效果，这种方法应用于尾灯较多。图24内配镜发光原理图25使用内配镜后的点亮效果2.4综合应用图26中，图27是应用全LED前照灯的典型案例，这两个灯具使用了不同的设计方法。 图26全部使用LED的前照灯图27全部使用LED的前照灯2.5 其他注意事项以上介绍了LED布置的主要方法，但是由于LED的自身特点，设计师在应用LED时还需要注意以下几点：单个LED的光通量小，大功率的LED需要使用尺寸很大的散热器，所以L

15、ED光源一般采用阵列设计方法。LED的发光效率随温度升高而下降，而一般芯片温度超过120将失效，因此在灯具总成设计和工艺设计中一定要进行热设计。LED平面发光，方向性强，视角度小于180，与点光源、白炽灯不同，设计时一定要注意和利用LED不同的视角度和小于180这一特点。LED属于多元化合物半导体元件。多元化合物半导体元件的特点是其电学、光学、热学和机械等的参数指标离散性很大。在设计时，一定要充分考虑到这一特点，并要求元件生产公司按汽车用LED光源要求，对元件进行严格分类、分级。 结语汽车设计师提出的各种要求和汽车客户的需求使得灯具设计人员不断探索新的设计方法，必将使全LED灯具越来越绚烂多彩，而LED在智能化交通中也将起到越来越大的作用，成为汽车安全的有力保障。图27是某市场调查公司对各种光源使用比例的预测，未来3到5年，在高端汽车市场，LED将逐步取代氙气，成为汽车灯具的主要光源。图27光源市场占有率趋势分析参考文献：1 黄佐贤 .现代汽车灯具，长虹出版公司，20032 杨经国，冉瑞红，杜定旭，刘新民.光电子技术，四川大学出版社，19903 GB4785-2007, 汽车及挂车外部照明和光信号装置的安装规定4 ECE R112 关于发射非对称远光和/或近光并装用灯丝灯