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汽车LED 前照灯 - 车用LED照明技术及现状分析

2011年10月10日 15:11 本站整理 作者:秩名 用户评论(0
3 汽车LED 前照灯

  由于汽车前照灯在行车安全中具有重要的作用, 因此LED 前照灯是最难也是最后投入使用的。以前,LED前照灯只应用在概念车上, 随着LED 照明技术以及汽车产业的不断发展,LED 前照灯的应用范围已从概念车、豪华车向中档车甚至一般车型过渡, 并且照明发光强度已达到白炽灯的水平。

  汽车前照灯包括远光灯和近光灯。在夜间行驶时,远光灯应保证照亮车前100 m、高2 m 处范围内的物体, 且亮度均匀; 近光灯不但要保证车前40 m 司机能看清障碍物, 而且不能让迎面而来的驾驶员或行人产生眩光, 以确保汽车在夜间交会车行驶时的安全。

  传统汽车前照灯输出近光和远光两种功能的光束,且每种光束分布模式均呈静态分布, 具体的光照分布也都符合国家标准。但在实际应用中, 此系统射出的光束分布于有限的角度范围, 在一些较为复杂的路况下( 如转弯) 极易产生视觉盲区。另外, 传统汽车前照明系统不具备自动调整光束分布的功能, 近光光束和远光光束之间的变换需驾驶员手动操作实现, 这样在来往车辆频繁的行车环境下, 车辆之间容易产生眩目光。为了克服传统汽车前照灯的上述缺点, 自适应前照系统AFS 应运而生。

  AFS 是一种能使驾驶员更好地适应各种速度、道路类型和天气条件的变化, 提高驾驶安全性的前照灯系统。其工作原理如下: 当汽车进入特殊的道路状况(如弯道) 时, 由于方向盘和速度发生变化, 角度传感器和速度传感器传输到电控单元(ECU) 的信号就相应发生了变化。ECU 捕捉到这些信号变化, 同时判断车辆进入了哪种弯道, 并发出相应的指令给前照灯的控制单元, 控制单元根据收到的指令操控装在AFS 灯体内部的微电机带动发光三要素绕相应的旋转轴旋转, 从而在非常规路面及天气下行驶时, 改变照明方式, 提供更好的安全保障。

  随着白光LED 技术的发展及空气动力学和汽车造型的需求, 汽车前部位置越来越低且呈流线型, 为前照灯预留的空间越来越小。为了满足汽车照明智能化和人性化的需求,AFS 与LED 灯的结合已经成为现代汽车前照灯的发展趋势。

  4 车用LED 照明面临的问题及应对措施

  车用LED 照明技术作为一项具有突破性意义的新技术, 已经被大多数的汽车制造商以及消费者所接受,越来越多的高档汽车都配备了LED 灯。但由于汽车应用环境的特殊要求, 要真正实现车用LED 代替传统光源, 还有很多技术难题需要解决。

  (1) 成本问题

  全球范围内, 车用LED 生产成本的下降速度将是影响今后车用LED 大规模应用的主要因素之一。就元件本身而言, LED 灯的价格普遍高于其他传统光源。如:

  W 大功率白光LED 的市场价格约是白炽灯的十几倍到几十倍不等, 故LED 芯片还有很大的降价空间, 其主要途径为: ①发展大芯片大电流。现在的芯片一般在0.5 mm~1.5 mm 之间, 芯片小, 电流难以加大, 这是LED向单颗大功率发展的障碍。如果在不降低光效的前提下把芯片做大以便通过更大的电流, 大幅提高单颗LED的功率, 这样灯具所用的LED 数量将明显减少, 有助于灯具成本的下降。②研发新型衬底材料。现在国内已经启动了价格比较便宜的Si 衬底材料的研究, 希望能代替价格昂贵的蓝宝石或SiC。除价格便宜外,Si 还可以制作出比蓝宝石或SiC 衬底尺寸更大的衬底, 以提高MOCVD 的利用率, 从而提高管芯产率[ 18]。此外, 由于Si的硬度比蓝宝石和SiC 低, 在加工方面也可以节省成本。据国外某知名公司的估计, 使用硅衬底制作蓝光GaN LED 的制造成本将比蓝宝石和SiC 衬底低90%。③继续延长LED 的寿命。理论上,LED 的寿命已经超过汽车使用寿命, 但在实际汽车环境应用中,LED 使用寿命还有待进一步提高。如果LED 实际使用寿命能达到整车的寿命, 则在汽车寿命期内无需更换光源, 免去了这方面的维修费用, 就会更加经济。

  就整个车用LED 照明系统而言, 必须降低LED 驱动方案的系统级成本, 以提高该项技术的市场竞争力。

  降低方案成本的途径之一是尽可能减少驱动器的元器件数量, 同时这也有利于提高系统可靠性, 因为PCB 上的每个元件都可能是系统的一个失效点。

  (2) 散热问题

  通常高功率LED 输入功率约20%转换成光能, 剩下的80%均转换为热能, 这比传统灯源高很多。如果这部分热能无法导出, 将会使LED 界面温度过高, 进而影响产品生命周期、发光效率及稳定性, 由此整个汽车照明系统就会受到严重影响[19]。目前改善车用LED 灯具散热的主要途径:①LED 自身的改进。首先, 改进封装结构。传统直插式LED 封装结构热阻高达250℃/W~300℃/W, 而新的封装结构采用低电阻率、高导热性能的材料粘结芯片, 在芯片下部加铜或铝质热沉, 并采用半包封结构, 大大提高了LED 的散热能力[ 20-21]。其次, 改进LED 的制作材料, 采用超薄、高导热、高绝缘陶瓷薄片作基底, 提高散热效果; 开发量子转换效率高、能承受高温的荧光粉,提高允许的最大结点温度, 增大允许的散热设计温差,以降低散热设计的难度。②散热装置的改进。主要有: 考虑采用合适的散热形式, 如热管、风扇、水冷等, 要保证将热量迅速地散发出去, 同时散热装置能够稳定地工作[ 22 -23]; 考虑散热片的结构形状尺寸, 要保证足够的散热面积, 同时散热效果要好; 考虑电路板的设计格式, 可将印制电路板设计为上下两层, 下层专用于信号发生电路及驱动电路, 上层为LED 点阵电路, 这样能够有效地避免因为LED 的热量传递到驱动芯片而使其损坏。

  (3) 光效问题

  提升LED 光效是车用LED 技术发展的关键, 是车用LED 产业化的出发点和原动力。从封装技术上来说,LED 的封装应该尽量减少光线在其内部的全反射, 增加衬底基板反射率, 从而使光线能够尽量多地透射出来,增加LED 的发光效能。今年2 月,Cree 公司已经宣布其实验室成果LED 光效已经达到2 081 m/W, 相信这不是极限, 还会有更高的提升空间, 但需要有新的技术突破。

  (4) 电磁干扰问题

  汽车环境下同样面临电磁干扰问题EMI (ElectroMagnetic Interference) 。车载电子产品对噪声很敏感, 尤其是导航系统、无线电路和AM 无线电波段接收机。为了最大限度地降低发生噪声干扰的可能性, 有些LED驱动IC 中采用了恒定频率开关拓扑结构。另外, 用户还可在200 kHz~2 MHz 的范围内设置开关频率, 以使开关噪声远离关键频段(如AM 无线电波段)。

  5 车用LED 照明市场展望

  LED 在汽车照明系统中的应用虽然刚刚起步, 但随着半导体照明技术和汽车工业的飞速发展, 车用LED灯具的总体效率以及性价比将会得到很大的提高, 应用规模将会逐渐扩大, 并最终占据整个汽车车灯市场。

  据调查, 目前全球车内应用的LED 年销售额大约在5 亿到6 亿欧元, 在汽车内部, 如汽车仪表盘、车内收音机、开关等已经100%采用LED, 并且这一趋势正在加速从车内应用向车外应用。此外, 近期欧盟委员会宣布, 从2011 年起, 欧盟所有新生产轿车必须配置“ 白天驾驶自动照明系统” 。与此同时, 欧盟委员会已经批准奥迪和丰田将LED 作为照明车灯在汽车上使用。由此可见, 车用LED 灯具在全球范围内具有极大的市场潜力。

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( 发表人:小兰 )

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