LED技术在汽车灯具中的应用

傅剑华 李文强 周华 于红秀

(中国汽车技术研究中心，天津 300162)

1 引言

1885年，德国工程师卡尔·本茨 (Karl.Benz)研制出世界第一台汽油机为动力的三轮内燃机车，汽车由此诞生并迅速发展起来。但是，要在夜间或照明不足的区域行驶，就必须有照明灯具，由此在十九世纪80年代产生了第一盏汽车前照灯——老爷车悬挂式汽灯，并在1912年出现了第一款电气前照灯［1］。早期汽车前照灯用的是钨丝白炽灯，昏黄的灯光只适合速度较慢的汽车。在车辆日益增多、车速不断提高的形势下，汽车前照灯又发展为亮度更高的卤钨前照灯、高强度气体放电前照灯，并出现近光灯、远光灯、前雾灯等多个灯种。同时，照明仅是瞻前已经不够，还需左顾右盼和免除后顾之忧，由此诞生如制动灯、转向灯、后雾灯等一系列灯种，为避免夜晚行车的追尾或转弯时的相撞起了关键性作用。

作为汽车行驶必不可少的安全部件，汽车灯具在汽车主动安全方面的作用至关重要。据统计，夜晚或自然光线不足的情况下发生的交通事故占总事故的25%，并且50%的伤亡事故发生在夜间［2］。在100多个ECE法规中，与车灯有关的法规就有近40个。我国目前汽车产品的70多项强制性检验中，与车灯有关的项目就占了近25个。

因此，为提高行车安全，越来越多的新技术被逐渐应用到汽车灯具中，如侧转向灯的光纤传导技术、前照灯AFS技术等。当然，这其中也包括发光二极管技术 (Light Emitting Diode，简称LED)在汽车灯具尤其是在汽车前照灯上的应用。近几年的汽车设计中，LED车灯的使用越来越多，给汽车外观增加现代感的同时，也为更多人所熟悉，并引领当今汽车灯具发展的潮流和方向。

2 LED技术在汽车灯具中的应用

LED是一种场致发光光源，它是将电直接转化为光能的半导体器件。LED发光原理是在p-n结两端上加正向电压，则 p区中空穴会流向n区;n区的电子会流向p区。随着电子空穴对的复合放出能量，其中一部分能量转化为热，另一部分能量转化为光。这种新一代固态冷光源于20世纪60年代问世［3］，并在仪表、电信等信号指示上获得初步应用，形成了LED早期的应用市场，但由于其光强度、光衰减等性能指标问题还无法在汽车灯具中获得广泛应用。

80年代后期伴随高亮度发光二级管技术的出现，LED在车外照明信号的应用成为可能。典型标志性事件为:1988年Nissan在280Z汽车上首次使用STANLEY生产的72只AlGaAs红色高亮度LED作为汽车高位制动灯［4］。从此，LED正式进入汽车照明市场。

90年代，LED的材料开发不断演进，Toshiba和Hewlett-Packard在1991年共同开发出以磷化铝镓铟(InGaAlP)制成的四元素高亮度LED。在技术上和批量生产上，为汽车灯具光源的LED化铺平了道路。

进入二十一世纪，LED技术突飞猛进，并逐渐取代白炽灯、真空荧光等传统光源被广泛组合应用到汽车仪表背光照明、操作开关、顶灯、阅读灯、门锁灯等车内照明上。另外，LED可靠性强、使用寿命长、色纯度高、响应速度快、体积小便于设计等优点得以突显，在汽车外部照明方面也得到越来越普遍的应用［5-6］。特别是最近几年，LED车灯被广泛应用于转向信号灯、制动灯、位置灯、倒车灯、雾灯、牌照灯等灯具上，已经成为汽车潮流的新宠。目前，80%以上的欧系和日系汽车安装了LED高位制动灯。市场上几大汽车领导厂商也不断推出以LED为光源的新型汽车，像日系的 Toyota、Mitsubishi、Honda、Nissan 等 厂 商 推 出 的 Teana、Crown、Reiz，美系通用汽车旗下的Cadillac、Buick，以及德系车厂的 Mercedes-Benz、BMW、AUDI等都已采用LED尾灯，并逐渐形成了LED汽车灯具的产业化。

伴随LED模块技术的发展，高亮度输出LED模块也成功面世，如 Lumileds研制的白色 Luxeon LED模块、OSRAM的“OSTAR”白色 LED模块，使得LED在汽车前照灯上的应用也成为可能，并引领了新一代前照灯技术的潮流。但由于高成本的限值，目前的LED前照灯主要应用在高级豪华车辆上。2004年，Audi A8 6.0L豪华车第一次使用Lumileds的6个白色Luxeon LED作为日间行车灯。2007年，日本丰田汽车推出了Lexus顶级混合动力车“LS600h”和“LS600hL”，成为全球首次配备使用全白光Nichia LED前照灯的量产车 (见图1)。

图1 Audi A8日间行车灯 (左)及丰田全白光Nichia LED前照灯 (右)

3 LED汽车灯具的优势

3.1 节能环保

发光效能上，随着近年LED材料结构学的进展，LED的发光效率也飞速提高。前照灯应用方面，2009年，白光 LED的发光效能也已达到70lm/W(见图 2)［7-8］。而且 LED灯具将绝大部分的能量转化为光能，作为热量损失掉的仅是一小部分［9］。据估计，用 LED取代卤素灯能提升整车的mpg指标 (每加仑燃油的行驶英里数)约0.25。到欧洲实施白天必须开灯行驶的法规之时，更可把mpg提升约0.5。可见，LED灯具对整车燃油经济性的改善将会有很大的贡献。

图2 LED发光效率发展趋势 (左)及与传统光源效率比较 (右)

3.2 前照灯光色辨别

目前路标几乎都采用被动辉光的反射方式，而现在已经研发出来光谱接近于日光的 LED(见图3)［10］，这使得它发出的光被物体 (如道路交通的指示标牌等)反射的有效性要高于其他光源，从而让司机能在较远的距离尽早发现，提高行车安全，也有助于司机在夜间像白天那样方便地发现并看清交通标志。

图3 白炽灯 (A)、HID(D2/D4)、白色LED及日光光谱 (D65)

3.3 前照灯防眩

白色LED光源色温在5500K～6000K，因此白色LED光源比氙气光源 (4000K)更接近自然光(4800K～6000K)。这样的光线使得驾驶者不会因光线而感到疲劳，而是感到十分舒适。

研究表明，高强度气体放电灯的短波阶段 (－450nm)，对人眼造成的眩目效应较为显著。在进行HID灯具的光学设计时，需要将光谱中最蓝的部份推移至其射点光斑的边缘，因为这些区域是本车司机眼睛通常不去注意的地方，从而减少该色光对人眼的不适干扰。但对于迎面驶来的会车司机，在车辆越过该边际区域时蓝光仍会引起对方眩目进而影响会车安全。有鉴于此，在防眩目方面，灯具设计上应尽量减少450nm以下波段的光，增加450nm～510nm波段的光，以减少不舒适感，并提高边缘区域的视觉［10-11］。因此，LED前照灯既能保护本车司机的舒适视觉，也不会引起邻车或会车司机的视障。

图4 LED与传统光源点亮相应时间对比

3.4 响应时间短

此外LED的响应时间短，比普通灯泡响应时间一般要快200～300ms(见图4)［12-13］。应用于高位制动灯或转向信号灯上，这点时间在高速公路上可以为司机赢得6.7m的制动距离 (按车速120km/h计算)，可以减少很多事故的发生。

3.5 其他优点

LED光源比起其他传统光源，使用寿命明显要长，维护少，抗震性能强，总发热量少，不含 Hg等元素，对环境污染小;另外，LED体积小，一个灯具可同时使用几个LED模块，使灯具的光学设计更为自由化，这种优势在概念车上的应用尤为突出。而且LED技术兼容数字化，可整合进数字网络，促进照明的电子控制。［6］

4 LED汽车灯具的技术难题

LED汽车灯具的应用技术，在信号灯方面已趋于成熟，目前的困难集中在前照灯技术瓶颈的突破，表现在以下几个方面:

4.1 散热

高亮LED的亮度维持，最难解决的一个难题是散热问题。因为LED晶粒只要遇到高温，发光效率就会衰减甚至损坏 (参见图 5)［14］。虽然低能耗LED器件的发热量比卤素灯具或 HID灯具要少得多，但后者大部分热量是产生于灯具装置之外，而LED产生的热量却是捂在微小的硅片里面来传导的。这样，将较小的热量集中到芯片大小的器件上传导和发散，因装置的热容量小也会引起LED温度的骤升。LED的工作温度必须保持在150℃以下的范围，一般建议 LED工作温度是在80℃以下。因此，如何通过高效率的散热技术，让LED车灯顺利工作，成为LED车灯设计面临的关键挑战。

一种解决方案是:在一个灯具中使用数目较多的LED发光元件，让单件的发热量较小，再把它们布置在较大的空间内使其易于散热。这就是小糸车灯为丰田的凌志LS600h配套前照灯时所采用的手法。而法雷奥则采用热管理策略:为LED灯具设定了一种工作模式，当灯具的温度升到预定警戒值时，自动切换到削减灯具供电功率20%的安保模式。这种程度的供电功率降低对灯光的亮度影响甚微，但却能显著地压制住发热水平。另外，在散热方式研究领域，甚至出现气流制冷和液体制冷等方式［15］。

图5 LED发光性能与结温、环境温度的关系

4.2 亮度输出

研究指出，要达到较好的前照灯照明条件，最好的情况是近光光通量为1100lm左右 (发光面为3500 cm2、出射扩散角为 45°)，亮度为 90cd/m2［7］。可以使用多个LED组合以满足1100lm的光通量要求，但在亮度方面，单个普通LED光源的仍显不足(见图6)。单点不够亮就难以达成下述目标:削减构成组合灯具的LED光源数目，有助于缩小汽车灯具占用的空间且易于灵活布置，并可简化照明系统的布线和安装，降低生产成本。

4.3 价格

LED灯具在中国市场发展的主要阻力是成本问题。LED芯片生产技术难度大、门槛高，养晶过程的温度、湿度、供电及除尘要求十分严格，初期需要投入巨资建厂。目前 LED芯片的主要产地为中国台湾，占有LED市场的47%。中国大陆的LED厂多为树脂封装加工，芯片需要大量进口，是成本高的原因。

图6 LED与传统光源亮度输出对比

5 LED汽车灯具的发展前景

5.1 亮度输出

近年来，高亮度LED技术发展迅猛。截至2008年，欧司朗光电半导体公司推出新款 OSTAR Headlamp LED，OSTAR Headlamp LED产生的光通量，依照串联的芯片数量而定，介于700mA时的125 lm(单芯片)与1A时的1000 lm(五芯片)之间，可达到前照灯需要的亮度要求。高精度的工程设计、内置光闸功能、最佳的芯片安装和封装设计，让OSTAR Headlamp LED具有全新的亮度数据和精确的灯光明暗截止线，适用于所有前照灯设计 (见图7)。

奥迪R8采用的即是由Lumileds和Osram公司提供OSTAR Headlamp LED。其LED头灯具有全面的功能性，包括近光、远光、日间行驶灯、前转向信号灯及前位灯均为LED(见图8)。每个头灯组使用54个LED光源，能耗低是其一大特色:近光照明仅耗50瓦，日间行驶照明仅耗6瓦。

图7 OSTAR Headlamp LED，拥有全新的亮度数据和精确的灯光明暗截止线

图8 AUDI R8全LED前大灯

这种LED新光源使得汽车灯具的风格设计和造型布置具有空前的灵活性，且LED光输出功率密度在技术上已能够与HID灯具匹敌。因此一旦能降低成本并在技术上实现量产，它极有希望把现存的其他照明技术淘汰出局而独霸车灯市场。

5.2 法规支持

LED在前照灯中的信号灯功能使用已经在ECE或SAE法规国获得批准。不仅如此，针对汽车灯具照明，欧洲、美国和日本等发达国家希望从立法上规定，照明角度设计的调整，能改善汽车转弯时所造成的照明死角或路面反射不足的问题，以达到最佳照明效益，并降低交通事故发生率。这就是AFS系统 (主动式前照灯照明系统)。2009年7月，我国也开始提出AFS照明系统的标准制定征求意见稿，估计近两年内即可出台。

5.3 LED与AFS系统

LED前照灯与AFS系统的结合，具有传统光源无法比拟的一些优点。LED前照灯能利用光点阵列来组合出前照灯的主动式照明功能，实现光照射方向随转向角度而变化的主动安保功能，而无需采用任何运动部件。这种主动式前照灯照明系统，有可能需要采用比以往所用过的数量更多的光管来构成点阵。照明系统的这种变化也符合并体现了当代汽车的机械装置功能逐渐被全电装系统所取代的大趋势。

同一组LED阵列既可以作为前照灯的光源，也可同时用于转向灯，只是在发挥不同照明功能时采用各自的光学镜罩。作为一般的转向灯，只须在车身两侧布置LED阵列，再加上简单的开关功能即可。而要发挥智能前照灯的主动安保作用，让前照光束随车辆的转向轨迹总是同步地照亮车前的道路，则需要布置较多的光源点阵并采取更复杂的光点电控，按照转向输入来控制光点阵列的明暗组合及其反光镜，从而同步地改变前照灯光束的射向，实现车辆转弯过程中的盲点照明 (见图9)［16］。

图9 传统前照灯 (左)与AFS前照灯 (右)弯道盲点照明效果

这种与AFS技术的结合优势，将使LED在车辆照明领域取代其他传统光源，成为历史的必然选择。

5.4 市场总值

随着LED技术持续进步，车厂愿意导入的意愿也逐渐提升，根据美国研究机构SU资料显示，2007年全球车用LED产值约7亿美元，未来随着车厂导入LED车灯的比例提升，预估至2010年产值将突破10亿美元规模。而在汽车前照灯应用领域，预计到2012年，LED前照灯市场将达到8000万美元。

6 结语

自上世纪80年代起，LED凭借可靠性强、使用寿命长、色纯度高、响应速度快、体积小便于设计等优点，在汽车外部照明领域得到越来越广泛的应用。进入二十一世纪后，LED技术发展迅猛，尤其是近几年在光输出及散热方面的一些突破，使LED得以应用于前照灯，并与AFS系统结合，成为汽车潮流发展的新宠。这种发展，在汽车时尚设计、提高主动安全方面都具有非常重要的现实意义。

［1］David W.Moore.Headlamp History and Harmonization.REPPORT NO.UMTRI-98-21，Ann Arbor:The University of Michigan Transportation Research Institute，1998，pp.1～3

［2］Kenneth S.Opiela，Carl K.Andersen and Greg Schertz.Driving AfterDark. Public Roads，January/February 2003， Vol. 66， No.4. Http://www. tfhrc.gov/pubrds/03jan/05.htm

［3］Holonyak，N.＆ Bevacqua.S.F.Coherent(visible)Light Emission from Ga(As1-xPx)Junctions.Appl.Phys.Lett.Dec.1962，vol.1，pp.82～83

［4］Travis de Fluiter.Design of Lightweight Electric Vehicle.Hamilton， New Zealand:TheUniversityofWaikato，March 2008，pp.103

［5］Bo Stout.Development Implementation of Side-Emitting LEDS in Exterior Automotive Signal.Lighting Applications.SAE Tech.Paper，No.2004-01-0221

［6］Susan Walsh Sanderson，Kenneth L.Simons，Judith L.Walls and Yin-Yi Lai.Lighting Industry:Sturcture and Technology in the Transition to Solid State.Boston，MA:Industry Studies，2008，pp.16～17

［7］Michael Hamm.LED Revolution in Headlamp Optics，Mechanics，Thermomanagement and Styling.Darmstadt University of Technology:ISAL 2005 Symposium，2005，pp128～145

［8 ］Schanda János.Physical and visual requirements for LEDs to be used for future lightings system. Proc. CIE Symposium，June 2004

［9］Herkelrath，M.，A.Laksberg，and L.Woods.A Brighter Future:Advancesin LED，EnergyEfficientLighting Technology.Manuscript，University of Washington，2005

［10］J Fekete，C Sik-Lanyi and J Shanda.Night-time drivingnew light sources in car headlamps—visibility and glare.Lux Junior，2005，.Dornfeld September 23 ～25

［11］DoHigh-Intensity Discharge HeadlampsCause Glare.Lighting Research Center，Rensselaer Polytechnic Institute，Troy，NY 12180 ～ 3590.Http://www.lrc.rpi.edu

［12］LED Stop Lamps Help Reduce the Number and Severity of Automobile Accidents.HEWLETT PACKARD:Application Note 1155～3.Http://www.lumileds.com/auto_lighting/pdf/3733.an11553.pdf

［13］Steffen Strauss，Alexander Wernicke.LED-Advantages and Disadvantages of the New Fast Light Source.Darmstadt University of Technology:ISAL 2005 Symposium，2005，pp.646～652

［14］Patrick Prendergast. Thermaldesign considerationsfor high-power LED systems.EE Times-India，February 2007

［15］Yan Lai，Nicolás Cordero，Frank Barthel，Frank Tebbe，Jörg Kuhn，Robert Apfelbeck，and Dagmar Würtenberger.Liquid Cooling of Bright LEDs for Automotive Applications.APPL THERM ENG，2009，volume 29，No.5～6，pp.1239～1244

［16］Dr.Ir.Marten Sikkens.Trends in Automotive Headlamp Technology.Koninklijke Philips Electronics N.V.2008.Http://www.fotonica-evenement.nl/fileadmin/user_upload/downloads/presentaties/27-Sikkens.pdf