LED 光源在汽车前照灯中的应用

李海涛 张若尘 李 玮

1 中检西部检测有限公司（陕西 西安 710032）

2 中国质量认证中心西安分中心（陕西 西安 710068）

0 引言

汽车前照灯光源经历了乙炔灯、白炽灯、卤素灯、HID 灯、LED 灯的发展，其性能得到了很大提高。LED 是半导体照明冷光源，目前大功率白光LED 发光效率可达到150 lm/W 以上，小功率LED 光效在200 lm/W 以上，寿命可达几万小时。随着LED 光源的发展，其发光效率还有较大的提升空间[1-3]。如果光源散热且电源良好，LED 可实现在汽车寿命范围内不换灯，有广阔的发展前景。LED 的工作电压低、电流小、响应速度快，且具有光源体积小、抗震、绿色环保等优势，但同时也存在空间光色分布不均匀、空间显色性不均匀、散热困难等技术壁垒[4-5]。

1 LED 汽车前照灯的发展

2007 年，日本小系制作所和日亚化学工业为雷克萨斯LS600Ch 研制了世界上首个汽车前照灯。紧接着，丰田汽车公司为雷克萨斯RX450h、普锐斯和雷克萨斯HS250h 也成功设计了LED 前照灯。2008 年，Lumileds和OSRAM 为奥迪R8V10 成功研发了LED 前照灯，LED 光效为100 lm/W，LED 光源应用在汽车前照灯上的节能优势被充分体现。2012 年1 月1 日，《汽车用LED 前照灯》（GB 25991—2010）实施，该标准是国内首个LED 汽车前照灯的强制认证检测标准[6]。

LED 光源能够使汽车灯具的设计风格和造型布置具有灵活性，适于车型的个性化发展，同时LED 具有的节能、使用寿命长、响应速度快等优势将其推向应用市场。随着应用技术的成熟及成本的降低，中小型灯具企业也能够完成设计开发，中低端汽车也能够安装LED 汽车前照灯，其市场占有率得到了很大的提升。

2 LED 汽车前照灯的优势

LED 汽车前照灯光源寿命一般可达50 000 h 乃至100 000 h，光效高于150 lm/W。LED 是电能到光能的直接转换，光电转化效率高，亮灯响应速度快（纳秒级），有利于快速行驶的车辆使用。LED 占用体积小，适宜于灯具造型设计。LED 前照灯与传统前照灯光效、寿命及响应速度的对比如表1 所示。

表1 LED 前照灯与传统前照灯性能对比

3 LED 汽车前照灯的技术瓶颈

3.1 散热

LED 属于半导体光源，不耐高温。汽车前照灯使用的LED 是大功率器件，且使用在密闭空间，不利于热量发散。OSRAM 某只大功率LED 模块光通量和结温的关系如图1 所示。由图1 可以看出，随着结温升高，光通量几乎呈线性下降。通常，有两种方法可以提高LED 散热能力，一是提高LED 光源导热能力，二是提高灯具散热器的散热能力。由于目前很难从工业化的LED 光源材质及结构方面提高散热技术，因此往往采取将很多颗功率较小的光源分散排布的方式，以利于光源的散热，但这样光源体积小的优势便不再存在。从灯具的角度看，灯具辅助散热技术包括风扇、液冷、翅片及热管技术。其中，风扇散热效果比较好，但增加了能耗，降低了系统的可靠性；液冷的系统稳定性不高，为了加快热量循环必须用泵促进液体循环；翅片散热器的系统可靠性比较高；热管散热效果好，系统可靠性高，是目前最受欢迎的散热方式。

图1 光通量随结温的变化趋势图

3.2 空间光色分布不均匀

根据《汽车用LED 前照灯》（GB 25991—2010）做LED 前照灯光色检测时，近光测量50 V 点，远光测量HV 点，近光和远光的色坐标同时满足4个不等式，即：0.310 ≤x ≤0.500、0.382 ≤y ≤0.440、y ≤0.150+0.640x、y ≥0.050 ＋0.750x。在实验室环境条件下，某款远光灯在配光测试屏上的光色分布如图2 所示，卤素灯、气体放电灯及LED 光源的光谱分布如图3 ～图5 所示。

图2 投射式LED 前照灯远光

图3 LED 光谱分布

图4 气体放电灯光谱分布

图5 卤素灯光谱分布

LED 光源为发射光谱峰值470 nm 的半导体芯片激发荧光粉产生560 nm 左右的光谱，由激发光谱和受激发光谱混合产生白光，光谱成分单调，透镜配光容易产生色散现象，造成空间光色分布不均匀。驾驶员在颜色分布不均匀的灯光环境下驾驶车辆，容易产生视觉疲劳，尤其是蓝光成分偏高时，影响更为恶劣。蓝光是一种高能量可见短波，眼睛受到较为重度蓝光照射，会导致瞳孔变小、视力下降等。

3.3 空间显色性不均匀

《汽车用LED 前照灯》（GB 25991—2010）规定，LED前照灯或光源的红光成分应该满足下列不等式要求，标准规定近光在50 V 点测试，远光在HV 点测试。

式中：Ee(λ)为光谱发光能量；V(λ)为光谱发光效率。红光成分用光谱分析仪测试，LED 前照灯光谱在610 ～780 nm 范围内的光通量在可见光光通量中的占比不低于5%，在近光在50 V 点及远光在HV 点满足要求的前提下，表现出空间显色性严重不均匀的特征，进而影响车辆的安全行驶。

4 总结

LED 汽车前照灯有诸多优势，这是传统前照灯无法比拟的，但同时散热难、空间光色及空间显色性分布不均匀也是其特有的技术难题。目前，散热技术已得到显著提升，已能满足LED 光源在汽车前照灯中的应用；而空间光色及显色性不均匀对汽车安全行驶留下了隐患，且尚未引起车企重视，认证检测标准在这两个方面也未做规定。为了LED 前照灯健康发展，需要认证检测标准对光色及显色性的空间均匀性做出规定。