LED在汽車照明系統(tǒng)中的應(yīng)用
1 引言
在20世紀(jì)80年代中期，LED開始被用于汽車中央高位剎車燈(CHMSL)。進(jìn)入90年代，汽車儀表LCD面板背光照明普遍采用LED這種固態(tài)新光源。進(jìn)入新世紀(jì)后，隨LED功率和亮度的提升，除了汽車前照燈外，LED全面進(jìn)入了汽車照明和信號系統(tǒng)中的應(yīng)用。2005年，全球LED在手機(jī)中所占的市場份額達(dá)52％。自從2005年以后，由于手機(jī)市場趨于飽和，不再呈增長的態(tài)勢，取而代之的則是汽車、交通信號燈、景觀裝飾照明和一般照明市場，其中車用LED市場具有較大的誘惑力。
2 傳統(tǒng)汽車燈的發(fā)展歷程及其分類
2.1 傳統(tǒng)汽車的發(fā)展歷程
1879年，愛迪生發(fā)明了以電能作能源的真空白熾燈泡。1886年汽車問世之初，老爺車在夜間行駛時(shí)懸掛的是搖晃不定的汽燈。由于那時(shí)車輛很少，車速很低(不到30km／h)，盡管道路狹窄而崎嶇不平，既無傷人之虞，更無撞車之險(xiǎn)。
在汽車車輛逐漸增加、車速也有所提高的情況下，路上行人也漸多，汽車不再允許僅靠一盞汽燈悠閑晃蕩了。于是光源工程師依托新興的白熾燈為汽車設(shè)計(jì)了一雙錚亮的白熾燈眼睛。當(dāng)時(shí)的汽車的電氣工程師已給汽車配備了車載小型發(fā)電機(jī)，這為汽車電氣照明的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。
在車輛日益增多、車速不斷提高的形勢下，照明僅是瞻前已經(jīng)不夠，還需左顧右盼和免除后顧之憂，從此不僅車前燈，而且各種尾燈如行車燈、剎車燈、轉(zhuǎn)向燈、后霧燈等一系列燈種相繼問世，為避免夜晚行車的追尾或轉(zhuǎn)彎時(shí)的相撞起了關(guān)鍵性作用。隨后前照燈又發(fā)展成近光燈、遠(yuǎn)光燈、前霧燈等多種燈種。
為在不降低白熾燈壽命的前提下，提高燈絲溫度和發(fā)光效率，上世紀(jì)50年代光源工程師發(fā)明了充氣白熾燈泡，隨后60年代又發(fā)明了在充氣白熾燈中加入鹵素的鹵鎢燈。20世紀(jì)70年代，光效達(dá)201m／W的鹵鎢燈大規(guī)模替代了自熾燈用于汽車照明，至今仍然是汽車前照燈中占統(tǒng)治地位的燈種。為滿足高速車輛的照明要求，更先進(jìn)的高強(qiáng)度放電(HID)燈應(yīng)運(yùn)而生，其中的代表性光源則是氙氣金鹵燈。一只35W氙氣金鹵燈輻射光通(3200lm)為55W鹵鎢燈(1101lm)的3倍，光效比金鹵燈高4.5倍，壽命超過10倍。
2.2 汽車燈的分類
汽車燈按用途分照明燈和信號燈兩大類。照明燈猶如汽車的“眼睛”，在黑暗中照亮汽車行駛方向上的道路，延伸和拓寬駕駛員的視野；信號燈如同汽車的“嘴巴”，車輛可通過燈光信號同其它車輛進(jìn)行“語言”交流，向其它汽車司機(jī)明示本車的存在及其行駛的狀態(tài)，以使汽車在道路上能夠安全快捷行駛。
照明燈又分為車外照明燈和車內(nèi)照明燈。車外照明燈包括前照燈、前霧燈和牌照燈等；車內(nèi)照明燈主要是指儀表燈和閱讀燈等。
信號燈也分車外信號燈和車內(nèi)信號燈。車外信號燈是指轉(zhuǎn)向指示燈、制動燈、尾燈、示寬燈、倒車燈等；車內(nèi)信號燈泛指儀表板指示燈，主要有轉(zhuǎn)向、機(jī)油壓力、充電、關(guān)門提示及音響、空調(diào)等指示燈。在這些車燈中，屬于控制性檢驗(yàn)的有車外照明燈和車外信號燈，因?yàn)樗鼈兪切熊嚢踩年P(guān)鍵部件。
汽車車前燈具如圖1所示。其中的前照燈像人的眼睛一樣，起到畫龍點(diǎn)睛的作用，為汽車增色不少，如圖2所示。
2.3 汽車燈的重復(fù)作用
汽車車燈是汽車行駛必不可少的安全部件。據(jù)統(tǒng)計(jì)，車輛總行駛里程的25％是在夜晚或自然光線不足的情況下行駛的，而在此間發(fā)生的交通事故占到總事故的33％，并且50％的傷亡事故發(fā)生在夜間。在多個ECE法規(guī)中，與車燈有關(guān)的法規(guī)就有近40個。我國目前汽車產(chǎn)品的74項(xiàng)強(qiáng)制性檢驗(yàn)中，與車燈有關(guān)的項(xiàng)目就占23項(xiàng)。
3 新一代固態(tài)光源LED成為汽車車燈的新寵
3.1 LED在汽車照明系統(tǒng)中應(yīng)用的優(yōu)勢
新一代固態(tài)冷光源LED于上世紀(jì)60年代問世。直到80年代之前，由于那時(shí)LED的亮度不高，只是將其作為指示燈等使用，不會有人想到它會能作為汽車車燈。進(jìn)入80年代后，LED亮度有了較大提高，1985年被用于一輛客車上。1986年Nissan公司在300ZX型汽車上使用了72只φ5mm的LED作為中央高位剎車燈，標(biāo)志著LED開始進(jìn)入了汽車領(lǐng)域中的應(yīng)用。
與傳統(tǒng)車燈光源比較，LED的優(yōu)勢如下：
(1)壽命長，免維護(hù)，在整個汽車使用期限之內(nèi)有可能不用再更換燈具。
(2)非常節(jié)能，比同等亮度的白熾燈節(jié)能至少在一半以上。表1列示了汽車信號燈與白熾燈能耗的比較。
根據(jù)2003年美國能源署(DOE)車用LED節(jié)能審估報(bào)告，結(jié)果令人吃驚。僅對小轎車而言，若美國全國都使用LED車燈，每年可節(jié)省燃料14億加侖(美制1加侖=3.785升)，而且載貨卡車節(jié)省的燃料比小轎車多2倍。
(3)無須熱啟動時(shí)間，亮燈響應(yīng)速度快。普通自熾燈燈泡的啟動時(shí)間一般為100-300ms，而LED通常不足70ms。對于事關(guān)重要的制動燈來說，這樣的時(shí)間差距意味著高速行駛時(shí)的制動距離相差4～7m，從而使汽車追尾事故發(fā)生率降低5％。
(4)結(jié)構(gòu)簡單，擾震動和耐沖擊性能強(qiáng)。
(5)體積小，設(shè)計(jì)靈活性大，可以隨意變換燈具模式，適用各種造型的汽車。
(6)LED的冷光特性，使燈具不會因長期受熱而變形，從而提高了整套燈具的壽命。
(7)受電壓變換的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于普通燈泡，而且易于控制。
表2給出了LED高位制動燈與自熾燈高位制動燈的比較。
LED以其卓越的安全性、可靠性、環(huán)保性和節(jié)能性，成為汽車照明系統(tǒng)的新寵，給汽車車燈的升級和革命帶來了楔機(jī)。
3.2 LED在汽車照明系統(tǒng)中的應(yīng)用
LED在汽車中的應(yīng)用非常廣泛，除車頭前照燈外，其它一些車外和車內(nèi)燈、照明與信號燈、高照度與低照度燈均可采用LED光源，如圖4所示。
3.2.1 LED在汽車低照度照明中的應(yīng)用
LED在汽車低照度照明系統(tǒng)中的應(yīng)用主要是儀表板背光照明、操作開關(guān)、閱讀燈、示寬燈、牌照燈等，這是汽車制造商最早將LED應(yīng)用于汽車，同時(shí)也是目前LED在汽車中應(yīng)用最多的部分。
汽車內(nèi)部的顯示，如儀表盤，過去主要采用白熾燈或真空熒光(VF)來提供背光，后來出現(xiàn)了用CCFL作為背光源的顯示板。隨著LED技術(shù)的不斷進(jìn)步，LED已經(jīng)取代傳統(tǒng)光源組合到背光照明中。從儀表盤到整個娛樂、導(dǎo)航、行程計(jì)算及信息中心控制顯示等等，LED幾乎無處不在。LED用于背光照明主要有以下三種方式：
(1)最簡單的方式是把LED直接安裝在LCD散射膜的后面，可使用許多封裝的LED，也可采用未封裝的管芯。
(2)另一種方式是將LED發(fā)出的光導(dǎo)入光纖束中，在光纖束的散射膜后面構(gòu)成一個平坦的薄片，可以不同的方式將光從薄片中取出作為LCD的背光照明。
(3)還有一種方式是邊緣光LCD背光照明，用一個透明或半透明的矩形塑料塊作為導(dǎo)光體，將其直接安裝在LCD散射膜后面，塑料塊的后表面涂有白色反光材料，LED光從塑料塊的一個側(cè)邊射入，其余側(cè)邊或白色反光材料。
當(dāng)多個LED一同用于汽車儀表盤照明或娛樂系統(tǒng)控制時(shí)，顏色和亮度的一致性就顯得特別重要，被照區(qū)域的亮度需要均勻一致，不應(yīng)有任何陰影。
LED在汽車內(nèi)部的照明主要包括一般照明用頂燈、閱讀燈、美容化妝燈、門鎖燈等等。其達(dá)到的目的是提供放松和友好的和諧氣氛，以減輕駕駛員的疲勞，改善和提高舒適程度，幫助駕駛員能得到大量可讀和清晰的信息。
3.2.2 LED在汽車高照度照明中的應(yīng)用
(1)LED在汽車信號燈中的應(yīng)用
汽車信號燈主要指剎車燈、方向燈和尾燈，對其照度和顏色都有明確的規(guī)定。在上個世紀(jì)80年代中期，LED開始進(jìn)入到汽車產(chǎn)業(yè)。我國第一個LED車燈是桑塔納2000型轎車的高位制動燈，它由上海汽車電子工程中心和上海小系車燈有限公司聯(lián)合開發(fā)，并于2000年通過上海大眾汽車公司認(rèn)證而投產(chǎn)。迄今為止，LED在汽車上的應(yīng)用除了儀表LCD面板背光照明外，最流行的當(dāng)屬中央高位剎車燈，目前已有80％以上的歐系和日系汽車安裝了LED中央高位剎車燈。
在2004年北京車展上，法國富奧公司展示了用4個LED做成的高位剎車燈，還有用一個LED燈來實(shí)現(xiàn)所有尾部信號燈功能，包括停車燈、后小燈、轉(zhuǎn)彎指示燈、霧燈和倒車指示燈等。到2010年，絕大部分汽車尾燈照明將采用LED，包括倒車燈和牌照燈在內(nèi)。2000型凱迪拉克和S級奔馳車上，后燈(尾燈、剎車燈和轉(zhuǎn)向燈)全部使用了LED。新奧迪A8轎車側(cè)面轉(zhuǎn)向燈、行車燈、剎車燈和轉(zhuǎn)向燈等，也全部使用了LED。目前國際上新款式高檔轎車，如凱迪拉克、寶馬、豐田、奔馳和福特等，都裝配了五彩繽紛LED燈具。
(2)LED在汽車前照燈中的應(yīng)用初見端倪
前照燈是汽車在夜問行駛時(shí)照明前方道路的燈具，是保障汽車安全運(yùn)行的重要部件之一。前照燈的照明距離越遠(yuǎn)，配光性越好，汽車行駛的安全性能也就越高。汽車前照燈發(fā)出遠(yuǎn)光和近光兩種光束，其中遠(yuǎn)光在無對方來車的道路上，汽車以較高速度行駛。遠(yuǎn)光應(yīng)保證在車前100m或更遠(yuǎn)的路面上得到明亮而均勻的照明。
在全部車LED燈具中，最難也是最后投入使用的則是車頭前照燈。目前LED前照燈都是用在一些車展上的概念車上，如圖5所示。
自2003年以來，有15多家汽車制造廠在相關(guān)車展上展出了采用LED頭燈的概念車。在北美一次國際車展上登場的福特概念車中，其中一輛則采用了LED頭燈。日本小系等公司也有樣燈展出。2007款林肯Aviator等車型同樣采用全新的照明系統(tǒng)，其中包括LED前照燈。Lexus公司在2007年推出一款2008LSGoohL混合動力豪華汽車量產(chǎn)車，其前照燈采用了LED設(shè)計(jì)。日本豐田于2007年在凌志600H車型上開始安裝LED車頭前照燈，德國大眾計(jì)劃于2008年在奧迪R8車型上安裝LED前照燈。從目前的情況來看，LED前照燈還處在研發(fā)階段，預(yù)計(jì)在10年之內(nèi)將會在普通轎車上比較普遍地被采用。
LED這種新光源，對于汽車前照燈的形狀和排列有著較大的靈活性。利用LED體積小這一優(yōu)勢，可以大幅縮小前照燈整組燈具的體積，讓出一些寶貴的空間給其它相關(guān)裝置?，F(xiàn)有的鹵鎢燈或HID燈燈具總長約30cm，而許多概念車上的LED燈具只有12.5cm，而且可以在造型上突破傳統(tǒng)燈具的圓形設(shè)計(jì)。由于LED采用模塊化設(shè)計(jì)，從造型上看，前照燈設(shè)計(jì)給人們以全新的視覺沖擊。使用LED作為前照燈，不僅顏色識別性比鹵鎢燈等老式燈高，而且由于老式燈只有一個光源，難以擴(kuò)大照明區(qū)域，而LED燈具有多個光源，由此可使照明區(qū)域廣度擴(kuò)大。
(3)LED在汽車前照燈中應(yīng)用面臨許多挑戰(zhàn)
在LED全面進(jìn)軍汽車應(yīng)用市場中，一個最大的障礙就是前照燈。前照燈傳統(tǒng)光源已經(jīng)十分成熟，像代表性光源鹵鎢燈，雖然光效不是很高(約201m／W)，但價(jià)格低廉。高壓氙燈雖然價(jià)格相對較高，但安全、高效、節(jié)能，而且體積小，燈具設(shè)計(jì)簡單，因而倍受青睞。LED要在汽車頭燈中取代傳統(tǒng)光源，并非是一件容易的事情，需要解決以下幾方面的問題。
一是亮度輸出。前照燈的亮度要求是：近燈900lm，遠(yuǎn)燈1100lm，整體為2000lm，約是Lumileds公司的40個1W的LuxeonLED在25℃時(shí)的總光源輸出。這類LED當(dāng)環(huán)境溫度升至50℃時(shí)，效率會降至80％以上。為提高亮度，需要更多數(shù)量的LED，這不僅會引起成本增加，而且會使LED的故障率增加。
二是散熱問題。傳統(tǒng)光源產(chǎn)生的熱雖然遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于LED，但不會囚高溫而降低其光輸出。然而，LED光輸出卻會因結(jié)溫升高而下降。因此，散熱問題在LED前照燈燈具設(shè)計(jì)工作中至關(guān)重要。為防止LED過熱而燒毀，需要為其加裝散熱片。由于前照燈需用很多個LED，加設(shè)散熱片后體積會過于龐大，難以納入燈具之中。
三是光學(xué)設(shè)計(jì)，利用LED作為光源設(shè)計(jì)燈具，需要對傳統(tǒng)的柱光源變?yōu)槊婀庠础榈玫叫枰牧髅鬏敵?，LED需要較大的封裝面積，致使光學(xué)設(shè)計(jì)難度增大。在目前一些概念車上，都以模塊化設(shè)計(jì)取代現(xiàn)有的單一燈室設(shè)計(jì)，利用多組燈光源來達(dá)到傳統(tǒng)燈具的照明水平，從而減小了光學(xué)設(shè)計(jì)難度，并增加了車體造型設(shè)計(jì)感。
3.3 LED在汽車中應(yīng)用市場前景看好
在2006年之前，LED最大的應(yīng)用亮點(diǎn)是手機(jī)，其在全球所占的份額達(dá)52％。2005年之后，手機(jī)趨于飽和，取而代之的是汽車、交通燈、景觀照明和一般照明。
汽車產(chǎn)業(yè)在全球經(jīng)濟(jì)中仍然是一個支柱產(chǎn)業(yè)。目前我國的汽車年產(chǎn)能達(dá)800多輛，已超過德國，產(chǎn)量位居世界第三。規(guī)模如此之大的汽車產(chǎn)業(yè)，拉動了車用燈具的發(fā)展，同時(shí)為LED在汽車上的應(yīng)用提供了廣闊的市場空間。按目前LED的技術(shù)水平，一輛汽車需要300多個LED，其需求量非常之大。未來幾年我國車燈將會有較大的發(fā)展，形成超過10億元的年產(chǎn)值。
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