新型LED汽車車燈的設(shè)計(jì)研究

李俊清

摘? 要：隨著汽車電子技術(shù)的不斷發(fā)展，汽車車燈種類不斷增多。汽車車燈設(shè)計(jì)不僅要求具有照明功能，還要有裝飾功能。汽車大燈的基本功能還是照明，照明效果與配套裝飾效果日益突出，不同類型的車輛配備不同的車燈照明。LED是一種新型的半導(dǎo)體光源，其具有節(jié)能環(huán)保、響應(yīng)時(shí)間短、顏色飽和度高等諸多優(yōu)勢(shì)，LED汽車前照燈在高端車型上應(yīng)用具有很好的前景。LED前照燈涉及多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，該文圍繞LED汽車前照燈光源封裝等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，探討了LED汽車燈的設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：新型LED燈? 汽車燈? 設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：U463? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1672-3791（2019）02（c）-0074-02

LED燈具是利用LED作為光源制造的照明器具，被譽(yù)為第四代照明燈具，LED照明燈具在汽車照明、商業(yè)照明等領(lǐng)域有了廣泛的應(yīng)用。LED在車內(nèi)照明、應(yīng)急燈等方面的應(yīng)用取得了顯著成效，隨著LED照明技術(shù)的快速發(fā)展，LED前照明技術(shù)的應(yīng)用具有良好的普及前景。對(duì)LED汽車燈的設(shè)計(jì)研究具有重要的意義。

1? 汽車燈簡(jiǎn)介

1.1 汽車燈的種類

汽車的安全性能最終目的是保護(hù)駕駛員及車內(nèi)人員安全，隨著科技的發(fā)展，汽車燈已不僅是車輛的照明基礎(chǔ)設(shè)施了，日間行車燈等設(shè)施的誕生使車輛的安全性得到了進(jìn)一步的提升。汽車燈主要種類包括組合前照燈、組合尾燈與牌照燈。組合前照燈在車輛前部，前照燈發(fā)出的光可照亮車體前方道路，組合前照燈按光源不同分為鹵鎢燈、疝氣燈。

組合尾燈在車輛后部，其主要作用其發(fā)出行車信號(hào)，后車燈由后尾燈、倒車燈、制動(dòng)燈、后轉(zhuǎn)向燈燈組成。左右制動(dòng)燈是后車燈的重要組成部分，制動(dòng)燈是提示后車減速的燈，現(xiàn)在的制動(dòng)燈一般為霧燈[1]。

高溫制動(dòng)燈安裝在車尾上部，使后車易于發(fā)現(xiàn)車制動(dòng)，其作用是警示后方車輛，避免發(fā)生追尾事故。倒車燈在駕駛者掛上倒檔時(shí)自動(dòng)開啟，其作用是夜間照明。轉(zhuǎn)向信號(hào)燈用以向行人及車輛表示車輛轉(zhuǎn)向的燈具。轉(zhuǎn)向燈分為前后轉(zhuǎn)向與側(cè)轉(zhuǎn)向。

1.2 LED汽車燈

LED燈在汽車方面的應(yīng)用非常豐富，常見的是剎車燈及轉(zhuǎn)向燈，裝配LED照明燈具的汽車價(jià)格呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，如比亞迪、上汽通用凱悅等車型后組燈廣泛地應(yīng)用LED光源。LED汽車信號(hào)燈已逐漸進(jìn)入市場(chǎng)中低端車型。

LED應(yīng)用于汽車前照燈被汽車廠商所重視，因其光源具有節(jié)能與長(zhǎng)壽命的優(yōu)點(diǎn)。在節(jié)能環(huán)保的社會(huì)背景下，LED發(fā)展前景寬廣。

目前汽車前照燈遠(yuǎn)近光燈主要使用鹵素等單光源系統(tǒng)，隨著LED技術(shù)發(fā)展，LED作為遠(yuǎn)近光燈光源成為可能。LED采用多光源組合形式，改變汽車前照燈形狀，以往鹵素?zé)艄庠礋o(wú)法實(shí)現(xiàn)的概念車造型用LED光源可得以實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)師可使用2顆LED組合成近光燈。

2? LED汽車燈發(fā)光形式

LED是利用半導(dǎo)體PN結(jié)將電能轉(zhuǎn)換為光能的器件，LED晶片是P型半導(dǎo)體元素與N型半導(dǎo)體元素組成的PN結(jié)。LED+RGB熒光粉的綜合性能最好，但目前技術(shù)不成熟。PCLED中藍(lán)光LED芯片獲得白光LED結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，廣泛應(yīng)用于照明行業(yè)。

利用光源設(shè)計(jì)汽車前照燈分為反射型與投射型，因各類型前照燈有不同光學(xué)結(jié)構(gòu)，光學(xué)系統(tǒng)的性能不同。反射型前照燈可分為拋物面反射，自由曲面反射與多重曲面反射。拋物面反射前照燈反射器由拋物面構(gòu)成，光線經(jīng)反射后沿光軸方向平行發(fā)射。

投射性前照燈光學(xué)系統(tǒng)由橢球反射鏡，配光頭射鏡與擋板組成，LED光源朝上放置，可得到清晰的明暗截止線。因光擋板的存在，能量損耗較大，發(fā)光立體角為傳統(tǒng)光源的一半，光學(xué)設(shè)計(jì)需進(jìn)行優(yōu)化。

自由曲面前照燈是目前廣為流行的車燈，各種計(jì)算程序開發(fā)使得自由曲面的設(shè)計(jì)成本逐步降低，目前我國(guó)自由曲面前照燈設(shè)計(jì)水平與國(guó)外較大的差距。自由曲面前照燈以傳統(tǒng)拋物面反射鏡為基礎(chǔ)，每個(gè)區(qū)域由不規(guī)則的自由曲面組成，將光線反射到指定區(qū)域，通過(guò)光線疊加組合得到所需光型分布[2]。

自由曲面前照燈反射鏡利用率更高，與投射型相比提高了光能利用率。自由曲面千兆的能夠隨意調(diào)節(jié)自由曲面，但自由曲面設(shè)計(jì)時(shí)必須采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行復(fù)雜的計(jì)算，將設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為加工指令進(jìn)行加工。

3? LED汽車燈的設(shè)計(jì)關(guān)鍵

3.1 LED車燈驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)

LED性能已得到市場(chǎng)的認(rèn)可，閱讀燈等車內(nèi)照明燈具已開始應(yīng)用LED燈，LED車燈已成為目前國(guó)內(nèi)外汽車廠商爭(zhēng)先展示的一大亮點(diǎn)，全LED車燈已成為現(xiàn)實(shí)，未來(lái)5年內(nèi)，LED車燈市場(chǎng)將呈現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)。

LED車燈需多顆LED組成發(fā)光模組滿足發(fā)光要求。單個(gè)LED電壓較低，多個(gè)LED組合的模組需根據(jù)串并聯(lián)模式設(shè)計(jì)合適的驅(qū)動(dòng)電源。從LED路燈、室內(nèi)照明等LED照明燈具使用分析，LED燈具失效約30%因驅(qū)動(dòng)電源失效引起。

電源是LED照明器件中的重要部分，驅(qū)動(dòng)器為L(zhǎng)ED提供合適的工作電壓，LED光源電氣參數(shù)差別大，使用LED功率不同，所需驅(qū)動(dòng)電流不同。LED驅(qū)動(dòng)器性能要求不同，電源設(shè)計(jì)是LED照明中的重要工作。

LED驅(qū)動(dòng)器種類繁多，室內(nèi)使用LED燈具功率在5～20W左右，可用10顆1W的大功率LED全部串聯(lián)，驅(qū)動(dòng)器需將交流電轉(zhuǎn)化為直流電，應(yīng)滿足室內(nèi)燈具使用的其他方面要求，必須具有無(wú)觸電風(fēng)險(xiǎn)、成本低等特點(diǎn)。驅(qū)動(dòng)器有嚴(yán)格的汽車設(shè)計(jì)要求，LED驅(qū)動(dòng)器必須具備更高的可靠性。

3.2 LED車燈散熱系統(tǒng)

LED能與工作溫度密切相關(guān)，結(jié)溫升高，LED光衰加劇，壽命變短。LED燈具的工作狀況與溫度密切相關(guān)，如環(huán)境溫度升高，LED發(fā)光強(qiáng)度下降，發(fā)光波動(dòng)增長(zhǎng)。散熱系統(tǒng)性能直接關(guān)系到LED使用的最大正向電流，對(duì)LED照明系統(tǒng)進(jìn)行熱學(xué)設(shè)計(jì)非常重要。

LED汽車前照燈散熱設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)將產(chǎn)生熱量傳遞到車頂外部，汽車大燈用LED焊接在較大的銅基板上，用散熱膏貼在鋁散熱器，鋁基板利用翅片擴(kuò)大散熱表面積，導(dǎo)出LED芯片的熱量。

通常中小功率電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)為產(chǎn)用被動(dòng)散熱，被動(dòng)散熱技術(shù)可滿足大多的LED照明應(yīng)用，器件功率較大體積小時(shí)，局部溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致器件損壞。主動(dòng)散熱主要有風(fēng)冷、熱管散熱等方式，散熱效果好，熱管散熱使用高導(dǎo)熱率的元件傳熱，因汽車燈空間有限，液冷不適合車燈散熱使用，風(fēng)冷散熱具有成本較低等優(yōu)點(diǎn)，加裝風(fēng)扇對(duì)流，對(duì)達(dá)到降低散熱器高溫的目的非常有效。

4? 結(jié)語(yǔ)

半導(dǎo)體照明技術(shù)的進(jìn)步推動(dòng)了LED車用照明市場(chǎng)的發(fā)展，LED汽車燈將引領(lǐng)車用照明向更加綠色的方向發(fā)展。該文對(duì)LED汽車前照燈進(jìn)行了分析，介紹了LED知識(shí)與汽車前照燈設(shè)計(jì)理論。LED前照燈光學(xué)設(shè)計(jì)要充分考慮各元件的可制造型，光學(xué)設(shè)計(jì)以國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)為指導(dǎo)，光源尺寸越小，光學(xué)元件幾何尺寸精度要求越高。LED汽車前照燈驅(qū)動(dòng)器需經(jīng)嚴(yán)格測(cè)試，充分考慮到驅(qū)動(dòng)器的尺寸，體現(xiàn)LED節(jié)能等特點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 鄧建國(guó)，玉進(jìn)，郝革紅.一種新型LED汽車車燈設(shè)計(jì)分析[J].輕工科技，2013，29（7）：88-89.

[2] 黃楊程，蘇志林，朱曉東.新型LED汽車倒車燈的仿真設(shè)計(jì)[J].照明工程學(xué)報(bào)，2007（3）：50-53.