浅谈LED汽车前照灯行业发展

李海涛浅谈LED汽车前照灯行业发展部件检验部中国兵器装备集团摩托车检测技术研究所MotorcycleTestTechnologyInstituteofChinaSouthIndustriesGroupCorporation国家摩托车质量监督检验中心ChinaNationalMotorcycleTestingCenter提纲一绪论三二LED汽车前照灯行业研发现状LED汽车前照灯发展预测绪论目录1汽车前照灯发展史342光源性能对比国内外LED汽车前照灯研究现状LED汽车前照灯现状总结一

绪论煤油灯乙炔灯1903冷光源白炽灯1925卤素灯1959HID1995LED灯20071汽车前照灯发展史非电光源电光源一

绪论白炽灯卤素灯HID灯LED灯光效10lm/w25lm/w90lm/w150lm/w寿命100h>300h>3000h几万hLED响应速快(1ms内、白炽灯200ms)、抗震、体积小2光源性能比较一

绪论2光源性能比较

绪论LED可见光波段，光效高，目前单颗功率不大，功率越小光效更高，启动方便，价格昂贵，光效提高空间大。放电光源光效较高，单颗功率大，小功率光效更低，高电压启动，目前适合大范围照明。热光源，光效低，光谱成分与太阳光类似，视觉友好型光源，功率大小均可启动方便，便宜，适合大功率投影照明。由于光效太低应该逐步退出普通照明从节能角度，应该随LED性能提高，千流明价格下降而逐步取代其它光能。2光源性能比较一

绪论——国外LED前照灯研究现状2007年5月日本小糸和日亚化工研发的LED近光灯安装在雷克萨斯LS600Ch上2008年奥迪R8安装了Lumileds和Osram研发的全LED前照灯。2009年雷克萨斯RX450h、普锐斯、HS250h三款车安装了LED前照灯。2011年奥迪R8安装上Philips的LED光源作为前照灯。2012年奥迪A6、奔驰CLS350、宝马6系列开始使用LED前照灯。一绪论——国内LED前照灯研究现状吉林东光瑞宝车灯有限责任公司基于奔腾B50车型研制的LED前照灯3个近光灯2个远光灯工作温度90℃寿命10000h以上一绪论——国内LED前照灯研究现状专利截止2013年1月份申请及受理LED汽车前照灯相关专利18个。其中：配光器专利：3个

散热器专利:

5个

整灯专利：10个

国内无LED光源的核心技术。国内LED汽车前照灯尚未得到应用。一绪论——国内LED前照灯研究现状GB25991-2010汽车用LED前照灯一般要求规定了抗振性、散热性、高低温、电磁兼容、光束调节装置。LED前照灯和电子光源控制器的一般要求配光性能光色光源（光通量限值）显色性(红光成分）一绪论——国内LED前照灯研究现状LED前照灯的配光稳定性LED前照灯照度和色度温度稳定性LED前照灯塑料配光镜和塑料光学组件LED前照灯耐温度循环试验LED前照灯极性反接和过电压GB25991-2010汽车用LED前照灯一

绪论LED汽车前照灯最先在近光灯上得到应用。LED汽车前照灯只在屈指可数的几款车上得到应用。

4国内外LED前照灯现状总结二LED汽车前照灯行业研发现状1LED光源光热电性能342LED汽车前照灯光学设计分析LED汽车前照灯散热设计分析总结二LED汽车前照灯行业研发现状光机热要求机械系统精密稳定影响灯具尺寸大小光源封装类型影响散热效果收集效率底不利于散热过热影响LED光输出过热引起机械形变机械结构和材料影响系统散热光、热、机一体化设计1LED光源性质目前用于生长外延片的衬底材料有很多种，市场上应用最广泛的是蓝宝石()，蓝宝石衬底的芯片按结构可分为倒装芯片和正装芯片，倒装芯片在光学性能、热学性能以及导电性能方面的优势使其在大功率照明中得到了应用。图1a.正装芯片示意图图a为GaN基地的LED芯片，芯片直接用导热硅胶结合在小尺寸反光碗或载片台上，光效受两个因素制约：1.P—GaN导电效率低，在P电极和P—GaN之间加NiAu合金电流扩散层，太薄会影响电流均匀度，但厚度增加吸收的光也会增加。2.蓝宝石导热能力差1LED光源性质——正装芯片

图b也为GaN基地的LED片，芯片直接贴装到硅载体或PCB基板上，优点体现在：1.用高反射率的金属作接触层提高了光的取出效率，采用0.12um厚的Ag和Al对470~520nm光的反射效率分别达96%和84%。2.P-N结到硅底板的热阻小。

图1

b.倒装芯片示意图1LED光源性质——倒装芯片热阻定义：LED光源热阻：LED热学特性

1LED光源性质光通量与结温辐射波长与结温正向电压与结温正数常量，负数常量温度：25℃光源模块：……1LED光源性质结论：LED器件之间无光子吸收现象LED模块特性2LED汽车前照灯光学设计分析前照灯反射式透镜成像式投影式配光系统分类直接通过反射器将光源的光强分布转化为所需光型，多重反射镜面属于反射式光学系统。反射式光学系统2LED汽车前照灯光学设计分析将光源的光强角分布在椭球反射器的焦平面内转换为空间分布，然后再将椭球反射器的焦平面上光强空间分布转换为所需光型。透射式光学系统2LED汽车前照灯光学设计分析以非球面透镜或其他形式透镜，将光源放在透镜焦点，使准平行光束被转换成光型。透镜成像式光学系统2LED汽车前照灯光学设计分析2LED汽车前照灯光学设计分析光学系统及光源选择计算光学元件参数软件仿真设计达到预期光度分布未达到预期光度分布加工样品并测试实验和仿真吻合实验和仿真存在较大差异设计成功分析原因分析原因2LED汽车前照灯光学设计分析LED前照灯光学设计属于非成像设计，关注的是辐射能量的传递效率及照度、光强、亮度的分布。光学设计软件有美国焦点软件的ZEMAX，美国LambdaResearch公司的TracePro，OpticalResearchAssociates公司的LightTools，美国BreaultResearchOrganization.Inc(BRO)公司的AdvancedSystemAnalysisProgram（ASAP）等。LightTools和TracePro偏重于非成像设计，AdvancedSystemAnalysisProgram（ASAP）既可以做成像设计，也可以做非成像设计，

ZEMAX偏重于成像设计。3LED汽车前照灯散热设计分析热量传递方式热传导热辐射对流散热基本理论3LED汽车前照灯散热设计分析热传导由于物体内部或物体之间温度差的存在，内部原子或者分子的热运动造成能量由物体温度高的区域向温度底的区域传递，或者由高温物体向低温物体传递。各项同性的连续介质导热方程3LED汽车前照灯散热设计分析热对流流体之间相互运动，低温流体与高温流体掺渗引起热量的传输。流体相对固体运动，温度差引起的能量交换称之为对流换热。导热与热对流同时存在流体与固体必须有直接接触和宏观运动由于流体的粘性和受壁面摩擦阻力的影响，紧贴壁面处会形成速度梯度很大的边界层3LED汽车前照灯散热设计分析热辐射高温物体以电磁波方式向外辐射能量的现象称作热辐射，热辐射引起能量传递的过程中，不需要发生能量传递的物体相互接触，真空中传递热量的速度最快。辐射散热的主要影响因素（1）物体本身的温度、表面辐射特性；（2）物体的尺寸、几何形状及相对位置。3LED汽车前照灯散热设计分析1自然散热

不同材料的散热片

不同结构的散热片2主动散热

风冷

水冷

半导体制冷3热管散热3LED汽车前照灯散热设计分析自然散热散热能力与散热器形状和散热材料有关系统稳定无额外功率损耗3LED汽车前照灯散热设计分析风冷风冷散热就是在灯具设计的时候加上风扇把热量从散热器上带走，散热器表面的气流速度越大表面对流换热系数越大，当气流速度到达一个数值后再增大空气流速散热效果就不会有显著提高，这个值由灯具和环境条件决定。虽然风扇成本不高，但风扇的体积、功耗、寿命以及工作时产生的噪音必须考虑3LED汽车前照灯散热设计分析液冷液冷散热主要由散热板、热交换器、贮液池和泵用连接管构成回路，冷却板和LED芯片封装模块的背光面相连，泵用来驱动工作液体，工作液体把冷却板上的热量带到热交换器上，再通过热交换器散失到周围环境中。其形状根据灯具结构决定，工作液体要求粘度小、密度小，这种液冷散热结构复杂、体积大、有额外功耗。有的灯具可以把贮液池安装在比芯片位置低的地方，就不需要泵。3LED汽车前照灯散热设计分析半导体散热半导体散热器是根据特殊半导体热电效应制作的散热器件，散热器可以做成片状。直流电经过P型半导体时吸收热量形成冷端，在N型半导体上释放能量形成热端，冷端可以安装LED光源。半导体散热器可靠性高，体积小。3LED汽车前照灯散热设计分析热管散热热管散热无需额外功率损耗，是目前LED光源散热研究的热点。国内在LED汽车前照灯热管散热方面申请的专利比较多，大多是汽车灯具公司的专利，实用性强。申请专利的公司有天津市汽车灯厂、常州星宇车灯股份有限公司、江苏洪昌科技股份有限公司等，LanKim等人研究热管散热效果，在25℃环境中，能把18.1W的白光LED光源结温降低到59.7℃[5]。4总结1前照灯为多光源及多配光元件组成的灯具系统。2配光功能与散热功能分离，每个光源模块配有单独散热器。3灯具系统体积庞大，没能充分发挥LED光源优势。LED光源有自身优势，也有其不足，LED前照灯必须克服其不足，充分发挥其优势，在科技上更上一个台阶。三LED汽车前照灯发展预测

光学

热学紧凑型LED前照灯三LED汽车前照灯发展预测紧凑型LED汽车前照灯1.多芯片集成的大功率LED光源模块。2.LED光源模块的芯片采用倒装封装方式。3.光学透镜作为散热器的一部分，同时要有高的光能利用效率。4.散热器性能稳定，散热能力强，占用空面体积小。三LED汽车前照灯发展预测液体热传导系数高、粘度小、凝固点低、光吸收率小、化学性质稳定液体封装LED远光灯设计方案三LED汽车前照灯发展预测液体封装LED远光灯设计方案1300lm的白光LED光源光强分布光谱分布三LED汽车前照灯发展预测液体封装LED远光灯照度分布入射光通量：1130.28lm光能利用效率：86.94%三LED汽车前照灯发展预测EmaxHV点HV点至1125R或LHV点至2250R或L国标要求≥48≥0.8Emax≥24≥6仿真结果56.1456.14≥49.97≥23.50液体封装LED远光灯仿真结果（单位lx）三LED汽车前照灯发展预测远光灯样品光源液体封装LED远光灯设计三LED汽车前照灯发展预测EmaxHV点HV点至1125R或LHV点至2250R或L国标要求≥48≥0.8Emax≥24≥6仿真结果56.1456.14≥49.97≥23.50样品测试54.17±1.0854.17±1.08≥46.94±0.97≥25.60±0.60液体封装LED远光灯照度分布（单位lx）三LED汽车前照灯发展预测热阻定义：LED光源热阻：