LED 路灯技术发展与专利分析

吕天刚，胡 燕，王跃飞

(广州市鸿利光电股份有限公司，广东 广州 510890)



LED 路灯技术发展与专利分析

吕天刚，胡 燕，王跃飞

(广州市鸿利光电股份有限公司，广东 广州 510890)

重点研究LED路灯产业技术发展并从专利分析上对产业技术发展进行进一步验证。首先，现有LED路灯技术分析进行研究，主要涉及关键技术、技术发展趋势等。然后，通过检索现有LED路灯专利文献，并对现有中国、美国、日本以及韩国四个国家的专利进行基本情况分析、主要申请人和发明人分析、技术功效分析以及技术路线分析等。最后，结合产业技术分析以及专利分析，得出现有LED路灯发展趋势并对后续技术发展进行展望。

LED路灯；关键技术；专利检索；专利分析

引言

LED是一种固态冷光源，具有高效、环保、体积小等优点，目前已广泛应用在城市景观、交通信号、商业广告等。近年来随着制造工艺的不断发展，大功率高亮度LED性能不断提升，价格不断下降[1]。这些都使得其开始大量地应用于普通照明领域，而且发展前景广阔。

随着LED光源光效的不断提升，LED路灯的性能也在不断提高，使得大功率LED路灯应用于城市道路照明成为重要方向[2]。

1 LED路灯技术分析

1.1 定义

LED路灯定义为满足道路照明要求的组合式LED照明装置，除了发光二极管(LED)作光源发光外，还包括其他部件，例如光学、机械、电气和电子部件等，并将这些部件组合成一个整体。路灯[3]又分为道路照明灯具和街路照明灯具。

1.2 关键技术

目前LED路灯的技术指标已经超过高压钠灯，节能效果达60%以上，其亮度均匀度达0.5～0.7(高压钠灯为0.2～0.4)，显色性大于65(高压钠灯20～25)，色温可调。

从设计角度来看，LED路灯节能和长寿命的关键技术在于LED路灯的整体高能效，具体在于配光的高效合理，散热结构的高效率，控制装置(驱动电路)的高可靠性。这里就从LED路灯关键技术进行论述。

1)配光技术。配光技术[4]主要包括是路面布光设计、光输出效率和防眩光设计，这都要结合结构设计来统一考虑。路灯要求的是路面照明效果，因此，要利用LED点光源的特点控制光线的分布范围，使LED发出的光成为一个沿路面方向铺展长条形光带，而不要在无效方向上散射，使光得到最充分的利用。

作为道路照明灯具，LED路灯既要满足道路照明照度值大小、照度均匀度、环境比、眩光限制的要求，又要满足道路照明LPD的要求。所以必须进行配光设计，对光强分布进行控制，更要充分考虑到综合灯具安装高度和路面宽度等因素对配光设计的影响，以获得较为理想的配光。可以说，LED路灯的配光应用是满足道路照明功能要求和提高光通利用率的关键。在道路照明中LED路灯的配光设计最常见的有两种:一是弧形排列的LED路灯，单个LED模组采用轴对称的全反射透镜或反光环，LED透镜模组排列于一个弧面上以实现长方形配光;二是平面排列的LED路灯，采用非对称的自由曲面透镜，由单个LED光学元件完成矩形配光，整体灯则是将具有矩形配光的LED模组在平板上排列而成。

2)散热技术。LED路灯散热效果是提高 LED路灯能效、减少光衰、延长使用寿命的关键。因此，在大功率LED路灯设计中，合理的散热设计十分重要。具体来说，LED路灯的散热主要有两个层面:一是结合LED芯片封装，通过热沉将芯片产生的热量有效地导出并传导给散热器;二是在路灯设计制造时进行二次散热设计，而被动式散热是目前业界较为认可的散热方案。由于路灯防护等级的要求，灯具内热量最终还是要通过外壳散发到空气中，而路灯所处环境条件又较为恶劣，常受高温、粉尘、腐蚀性气体的侵扰，所以灯具外壳结构既要有利于散热，又要有利于长期保洁维护。如果灯具的散热设计不到位，LED芯片的结温就会过高，将导致芯片本身及封装树脂性能恶化，从而引起发光效率的降低和寿命的缩短。只有使LED结温维持在较低水平，才能保证LED光源稳定、可靠性工作，可见在城市道路照明中LED路灯的散热结构应用很重要。

热学设计[5]是要尽可能用比较经济的方案实现良好的灯体散热，使半导体灯能够长期稳定的工作，真正的体现出半导体灯寿命长的优势。这也要结合结构设计和材料学来统一考虑。

3)驱动技术。由于驱动电路的效率会影响到LED路灯的总效率，为此，不可忽视驱动电路设计的重要性，应最大限度地争取提高驱动电路的效率。要有效提高LED路灯驱动电路可靠性，就必须从提高路灯在恶劣工作环境下的电子元器件的可靠性、完善驱动电路的保护功能、提高电磁兼容性等方面着手。

电气设计[6]主要是使灯的电源变换器电气性能指标和可靠性尽可能的高，以满足灯的节能、长寿命和有利于电网安全运行的要求。电气特性对半导体灯的整体性能的影响主要体现在几个方面：工作的可靠性、节电效果、对电网的干扰和安全运行的影响情况。

另外，路灯是大功率灯具，并且一般都是集中使用，因此，LED电源除了能提供稳定的工作电流之外，还要有尽可能高的变换效率，这样才能使灯具省电，达到节能的效果。制作路灯可以用一个驱动器驱动所有LED器件，也可以用多个驱动器驱动LED器件，使用一个驱动器接线最为简单，成本也最低。但是，使用一个驱动器一旦驱动器出现故障就会完全灭灯。但如果用的驱动器数量太多，接线复杂，成本高。综合考虑，选用3个驱动器比较合理。

4)智能控制技术。随着我国经济的高速发展，城市建设的逐步加快，道路照明和景观照明的要求和数量不断增加，导致城市路灯管理难度越来越大，现有的路灯管理模式已经不能满足实际的需求。因此，路灯管理部门迫切的需要新型的路灯管理系统，实现智能化管理和维护路灯。

智能控制系统[7]可以实现自动断电报警、具有意外开灯、意外关灯报警功能、缺相报警功能、亮灯率计算、具有经纬度控制、光控、定时控制等回路控制功能。能够提供及时有效的数据给客户分析，在节省电量的同时也提供了多种设备维护的信息给客户。

智能控制的主要优点是大幅降低了耗电，节约耗电达40%以上，避免了隔盏关灯的隐患。对于推广高效、节能智能照明器具，配合照明实际情况有效进行光能利用，节约照明用电具有极其深远的意义。

1.3 发展趋势

1)标准化。随着大功率白光LED技术的发展，功能性照明等需要使用的功率在千瓦级别，与普通照明灯具在光学和机械结构等性能指标上有着明显的区别，因此对大功率LED的光电特性、色度特性，安全性、产品可靠度等一致性的要求也更加严格。但是LED的光电和热学特性与传统光源差异极大，使现有针对LED的测量方法无法完全套用传统照明光源的测量方法，因此各项性能指标和热学指标标准规范的建立就显得尤为重要。美国也推出多项LED照明的光度、电气及色度测试规范，并在能效领域推出了固态照明灯具的能源之星计划。日本也率先发布了白光LED的测试方法。中国也陆续开展LED加速寿命试验方法、LED模块与组件测试方法的研究工作。

2)模块化。目前半导体照明灯具的现状是光源、灯具、电子部件等一体化，这就给大规模生产带来了困难，会使产品的成本居高不下，且不同厂家之间的产品无法互换，使用过程中发生失效也很难维修。从而引入光引擎模块的研发和制造，光引擎模块即由LED、驱动器和光学部件等构成的模块，同时制定好各种接口之间的标准，就可以很好地解决市场的个性化需求和大规模生产之间的矛盾，且为产品的维修带来便利。

光引擎模块化产品具有诸多优势，可以规避大功率光源运行不稳定的风险；满足不同灯杆的运用，也可以直接用于传统灯具中，避免资源的浪费；模块化光引擎在使用中更加方便，而且适用所有高功率照明的需要；自带散热器，无需辅助散热器，在25℃～55℃是不需要热沉；模块化引擎还可以有效降低成本。不过目前采用模块化光引擎产品的初期成本较高，而且模块化只是企业行为，并未在行业之间形成模块之间的通用性和互换性，这些问题都需要进一步解决，不过模块化还是作为很重要的发展方向。

3)多用途。LED路灯节能、环保，又易与数字电路结合的特点，决定了其技术发展趋势，必然更好地与现有节能技术、数字技术结合，衍生出更多更好的产品，造福人类。例如：太阳能、风能LED路灯，节能汽车充电桩结合的LED路灯，带气候探测、公共安全检测功能的路灯等。

4)智能化。随着人类社会的不断发展，未来城市将承载越来越多的人口。为解决城市发展难题，实现城市可持续发展，建设智慧城市已成为当今世界城市发展不可逆转的历史潮流。

LED路灯是城市中具有重要地位公共设施，作为目前的新兴产业LED照明产品，天然具备与数字化信息化技术很好兼容的优势，必将在智慧城市建设进程中扮演重要角色。

智能化LED路灯[9-10]的优势特点：节能效率提升、有效延长路灯寿命、维护方便高效，成本大幅降低、照度按需调整、色温按需调整、其他附加功能如防止路政设施破坏丢失，或追踪不法的渣土随意倾倒等。

2 LED路灯专利分析

2.1 检索

采用总-分-总方式，分别查LED技术分支和路灯技术分支的全部专利，查得LED和路灯两个独立的技术专利集，将两个专利集合相与，再对结果进行补全、去噪、查全、查准等操作，得目标专利文献。

2.2 专利分析

1)基本专利情况。LED路灯共申请专利8328件，其中排名前四位的国家—韩国、日本、美国和中国的专利总数量为913件。排名前四位国家在LED路灯上专利布局特点如下：

韩国和中国专利申请数量比较多，其中韩国专利申请总数445件，占专利申请总数的49%；中国专利申请总数为291件，占专利申请总数的32%；而日本专利申请数量次之，日本专利申请数量为118件，占专利申请总数的13%，接近只有韩国专利申请总数的四分之一；美国专利申请总数只有59件，占专利申请总数的6%，只有韩国专利申请总数的七分之一左右。出现这种情况的原因之一是韩国2006年制定了普及LED照明的“15/30(2015年之前达到30%的普及率)”目标，并开始全面导入LED照明。率先将交通信号灯、户外显示器及广告牌等更换成了LED产品，于是很多企业将其视为扩大业务的良机，纷纷涉足了LED照明市场。而中国自2003年国家启动“半导体照明产业工程”以来，LED户外照明产业受到了国家和各级地方政府的高度重视，制定了一系列优惠扶持政策，如从2009年初制定“十城万盏”LED路灯照明示范应用工程开始，国家对LED路灯的推广应用补贴力度越来越大，对LED路灯产业的扶持政策也越来越明晰。排名前四名国家在LED路灯上专利布局情况，见图1。

图1 专利布局图Fig.1 Patent layout

2)申请趋势分析。排名前四名在LED路灯方面的专利申请趋势见图2。

图2 专利申请趋势图Fig.2 Trend of patent

由图2可见，排名前四在LED路灯领域的申请趋势整体呈波动状态，第一件专利申请出现在1997年， 2005年到2006年又开始小幅度上涨，从2007开始直到2009年呈现快速增长趋势，在2009年到达顶峰，造成这种情况发生的原因可能是2006年韩国开始重视LED路灯发展以及2009年中国的多种扶持政策导致。

到2010年申请量有所下降，导致这种情况产生的原因可能是韩国在发出重视LED路灯发展后，虽然初期有很多企业大力开始投入LED路灯的发展，但是因涉足企业较多，加上单价持续快速下滑，导致韩国LED业界现在进入了艰难时期，为其雪上加霜的是韩国LED照明的普及步伐停滞不前，从而导致申请量的下降，到2011年以后直到2014年申请量一直处于下降趋势，这可能是跟专利公开的延时性有关。

3)法律状态。排名前四位国家在LED路灯的专利主要处于有效状态，占62%，而在审中的数量占35%，失效的占3%(见图3)，由于中国专利数量在四个国家中排名为第二，而中国专利中实用新型占大多数，而实用新型专利无需经过实质审查，从而实质审核中专利数量较少，另外中国专利中最近几年失效专利都是由于未缴纳年费而过期的，这也可以看出技术的更新换代速度以及企业在旧技术的舍弃，但是从有效专利占用整个专利数量的一半以上也可以看出，排名前四位国家对LED路灯领域专利的重视。

图3 法律状态分析Fig.3 Analysis of legal status

4)主要申请人。从 LED 路灯专利申请人进行分析，得到申请量前五位的申请人统计图如图4所示。

图4 申请人统计图Fig.4 Statistical chart of applicant

5)主要发明人。专利的发明人一般代表该专利的研发团队，通过研究主要发明人，我们可以了解到排名前四名国家在LED路灯领域的主要研发团体，图5是对排名前五位的发明人统计图。

图5 发明人统计图Fig.5 Statistical chart of inventor

6)技术功效。通过技术功效分析可以找到排名前四位国家在LED路灯技术领域的布局情况，寻找技术密集点及技术空白点，技术密集点我们可以考虑是否参考，而针对技术空白点我们也可以考虑是否可以涉足布局。

图6 技术功效图Fig.6 Technology effort analysis

由图6可以看出，排名前四名国家在LED路灯技术领域中起步于“提高光效”技术，该技术发展到中期有所放缓，但是后期又开始发展涨大。而同

时进行“节能”的技术在研发初期也有一个量的积累，而“提高散热效率”从起步开始一直处于增长趋势，到后期基本与“提高光效”达到一致，“减重”和“提高稳定性”以及“增强安全性”都只是在后期才发展起来的，且数量也不多，另外“增加使用功能”和“便于测试”也是在后期才会离散地分布一些，“节省成本”和“便于安装、拆卸”从中期起步到后期一直处于增长趋势，“便于生产/使用”起步在早期，在中期停留了一段时间，后期又开始有所增长，“提高稳定性”中期才起步，到后期也开始所有增长。

排名前四名国家在12个方面技术上从前期到后期都有增长的趋势，而后期新引进的技术主要集中在使用功能上的增加、成本的减少以及增强安全性，但是早期的“提高光效”以及“提高散热效率”还是处于主流位置，企业可以从两种技术方面的结合上进行适当布局；另外由于在“增加使用功能”以及“便于测试”上数量较少，企业可以在此方面进行适当的布局。

7)技术路线。通过技术路线图分析，可以帮助我们摸清排在前四名的国家在LED路灯技术领域的技术发展情况，帮助我们理清技术的发展趋势，预测未来技术的走向。

图7 技术路线图Fig.7 Technology route analysis

从图7可知，排在前四名的国家首先在光学技术领域进行布设专利，其次在2000年在电学技术领域进行布设专利，然后在2001年在结构技术领域进行布设专利，而散热技术领域上布设专利直到2004年才有，但是在之后的几年里都呈现明显而快速地增长，其他附件技术领域的专利布局直到2010年才有，且数量偏少，且之后几年里面也没有相关专利的布局，而电学技术领域和光学技术领域的布局数量一直呈现增长趋势，导致这种情况发生的原因可能是近年来互联网的快速发展，通过无线网络进行远程控制LED路灯的开关以及根据路况或环境情况控制LED路灯的开关从而提供便利性已经成为使用LED路灯的一种迫切需求，从而导致电学技术领域的控制方法上改进的专利越来越多，而光学技术领域上通过调光或配光实现提高光效一直是LED路灯专利所关注的对象。企业在进行专利布局时可以考虑适量地在其他附件上进行布设专利，同时可以考虑将其其他附件与电学技术、光学技术以及散热技术进行有效地结合，从而通过其他附件在电学技术上的改进为使用LED路灯提供便利性，同时可以通过其他附件实现光学技术上的调光与配光实现提高光学性能，或也可以从其他附件上着手提高LED路灯的散热效果。

8)高价值专利筛选。评价专利价值的参考因素较多，通过技术的先进性、技术的稳定性和保护范围、技术团队情况四个方面可筛选出价值度较高的专利，具体的专利基本情况以及选取的原因如表1所示。

表1 高价值专利列表Table 1 Patent list with high value

续表1

3 总结

本文研究了LED路灯技术发展以及专利分析，通过理论分析以及专利数据验证，现有LED路灯早从2004年就开始起步，近年来随着国家政策和LED照明的优势，LED路灯的市场需求快速以及专利数量快速增长，从专利数据分析上来说，建议企业可以从多技术领域的结合进行布设专利，如散热技术、光学技术以及其他附件进行有效结合，从而通过其他附件在电学技术上的改进为使用LED路灯提供便利性，同时可以通过其他附件实现光学技术上的调光与配光实现提高光学，或也可以从其他附件上着手提高LED路灯的散热效果。

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LED Streetlight Technology Development and Patent Analysis

LÜ Tiangang， HU Yan， WANG Yuefei

(Guangzhouhongliopto-electronicCO.,LTD.,Guangzhou510890,China)

This paper mainly studies LED streetlight industry technology development, and verifies the industry technology development from the patent analysis perspective. This paper conducts studies about current LED streetlight technology, including its key technology, technology development trend and etc. It analyzes existing patents in China, US, Japan and Korea, about the basic situation, main applicant and inventor, technology efforts, technology route and etc. Finally, it combines the analysis of industry chain technology and patent, to draw the conclusion on existing streetlight development trend, and the prospects about the later technology development.

LED streetlight; key technology; patent search; patent analysis

国家高技术研究发展计划(863计划)课题任务《城市快速路智能化半导体照明关键技术研发及示范》(课题编号：2013AA03A106)

TM923

A

10.3969j.issn.1004-440X.2016.04.026