新型LED汽车车灯的设计研究

新型 LED汽车车灯的设计研究

臧鹏宇 王春瑞 陈晶晶

曼德电子电器有限公司保定光电分公司 河北保定 071000

摘 要：车灯不单单是汽车的装饰之一，也在汽车的运行过程中起到重要的安全保护作用，因此对于车灯的组建制造及安装都有非常严格的执行标准。欧盟国家的标准要求汽车照明和信号装置需要满足ECE-R48-O1等有关法令的相关规定；北美则要求的是按照FVMSS标准（美国联邦汽车安全标准）108号要求执行，其内容与欧盟国家法令程度一致。在我国，对于车灯的设计标准也制定出了相应的国家标准。在国家标准中对于车灯部件的用途、照明的距离、范围、颜色以及车灯安装的位置等都有明确的规定。
　　关键词：新型LED灯 汽车灯 设计
汽车车灯包括前照灯和后灯，在汽车的运行过程中，车灯的作用是不可替代的，也是非常重要的。

　1 汽车灯简介
　　1.1汽车灯的种类
　　汽车的安全性能最终目的是保护驾驶员及车内人员安全，随着科技的发展，汽车灯已不仅是车辆的照明基础设施了，日间行车灯等设施的诞生使车辆的安全性得到了进一步的提升。汽车灯主要种类包括组合前照灯、组合尾灯与牌照灯。组合前照灯在车辆前部，前照灯发出的光可照亮车体前方道路，组合前照灯按光源不同分为卤钨灯、疝气灯。
　　组合尾灯在车辆后部，其主要作用其发出行车信号，后车灯由后尾灯、倒车灯、制动灯、后转向灯灯组成。左右制动灯是后车灯的重要组成部分，制动灯是提示后车减速的灯，现在的制动灯一般为雾灯[1]。
　　高温制动灯安装在车尾上部，使后车易于发现车制动，其作用是警示后方车辆，避免发生追尾事故。倒车灯在驾驶者挂上倒档时自动开启，其作用是夜间照明。转向信号灯用以向行人及车辆表示车辆转向的灯具。转向灯分为前后转向与侧转向。
　　1.2LED汽车灯
　　LED灯在汽车方面的应用非常丰富，常见的是刹车灯及转向灯，装配LED照明灯具的汽车价格呈现降低趋势，如比亚迪、上汽通用凯悦等车型后组灯广泛地应用LED光源。LED汽车信号灯已逐渐进入市场中低端车型。
　　LED应用于汽车前照灯被汽车厂商所重视，因其光源具有节能与长寿命的优点。在节能环保的社会背景下，LED发展前景宽广。
　　目前汽车前照灯远近光灯主要使用卤素等单光源系统，随着LED技术发展，LED作为远近光灯光源成为可能。LED采用多光源组合形式，改变汽车前照灯形状，以往卤素灯光源无法实现的概念车造型用LED光源可得以实现。设计师可使用2颗LED组合成近光灯。

2车灯设计标准

在各种车灯中，由于外照明灯和外信号灯是行车安全的关键车灯，因此属于强制性检验的。外照明灯的主要作用是为驾驶员照亮路面，在一定的情况下还能够起到信号作用。而外信号灯的设置则是为了方便其他车辆驾驶员识别本车轮廓及判断本车动向，其中极为关键的是转向指示灯和制动灯，对于汽车的安全行驶具有非常重要的作用。近年来为了提高车辆的安全性，部分车款增加了副制动灯—高位制动指示灯，将其安置在后挡风窗的位置，这样就能够有效的引起随行车辆驾驶员的注意，降低车祸发生的几率。由于前照灯是汽车照明灯系统的重点，因此对于前照灯的设计和制造各汽车生产大国都对其进行了严格的规定。在配光方面就有美国式配光和欧洲式配光两种。美国式配光（SAE方式）远光灯是通过反射镜反射向路面的，而欧洲式配光则是在灯泡前设置配光屏以遮挡灯兹的下部，这样就可以使光束向上经反射镜折射再射向路面。目前大的汽车生产厂家在进行轿车设计的时候已经按照相应的行业标准及相关的法律规定执行，对于照度以及配光的要求都充分的考虑，并且在汽车出厂之前进行严格的调校，避免有不合格车灯的汽车出厂。由于当前汽车的车速不断提高，因此需要对前照灯的亮度以及色温等进行改善，氙气灯虽然功率只有35瓦，但是亮度却非常出色，是普通卤素灯的1.5倍，且氙气灯的色温可达到6000开，这与日光灯的光色接近，同时氙气灯的使用寿命较长，因此许多高级轿车已经选择使用氙气灯。汽车生产厂家在前照灯和外信号灯的技术性能上必须遵照有关法律和行业标准的规定。如，规定示宽灯是指示的事汽车轮廓的灯具，需要在汽车前部以及后部各装2只，安装于汽车前部的示宽灯的光色须为白色或者橙色，而安装于汽车后部则应当为红色的；对于转向指示灯，则规定为前部安装的指示灯的光色应当为橙色，而后部安装的则应当为红色或橙色；而制动灯和尾灯则必须是红色的，倒车灯则是白色的。由于前雾灯的作用是给驾驶员看路使用的，因此应当采用黄色等，因为黄色的波长较长，因此穿透雾气的能力也较强，但是后雾灯的作用是提示随行车辆的，因此必须采用红色等。除了灯光颜色的规定之外，对于灯光的功率也有相应的规定，如尾灯、牌照灯等一般是5-8W，而制动灯、转向灯以及后雾灯则一般是21W等。
　3LED汽车灯发光形式
　　LED是利用半导体PN结将电能转换为光能的器件，LED晶片是P型半导体元素与N型半导体元素组成的PN结。LED+RGB荧光粉的综合性能最好，但目前技术不成熟。PCLED中蓝光LED芯片获得白光LED结构简单，广泛应用于照明行业。

　　利用光源设计汽车前照灯分为反射型与投射型，因各类型前照灯有不同光学结构，光学系统的性能不同。反射型前照灯可分为抛物面反射，自由曲面反射与多重曲面反射。抛物面反射前照灯反射器由抛物面构成，光线经反射后沿光轴方向平行发射。
　　投射性前照灯光学系统由椭球反射镜，配光头射镜与挡板组成，LED光源朝上放置，可得到清晰的明暗截止线。因光挡板的存在，能量损耗较大，发光立体角为传统光源的一半，光学设计需进行优化。
　　自由曲面前照灯是目前广为流行的车灯，各种计算程序开发使得自由曲面的设计成本逐步降低，目前我国自由曲面前照灯设计水平与国外较大的差距。自由曲面前照灯以传统抛物面反射镜为基础，每个区域由不规则的自由曲面组成，将光线反射到指定区域，通过光线叠加组合得到所需光型分布。
　　自由曲面前照灯反射镜利用率更高，与投射型相比提高了光能利用率。自由曲面千兆的能够随意调节自由曲面，但自由曲面设计时必须采用计算机进行复杂的计算，将设计数据转换为加工指令进行加工。
　　4 LED汽车灯的设计关键
　4.1LED车灯驱动器设计
　　LED性能已得到市场的认可，阅读灯等车内照明灯具已开始应用LED灯，LED车灯已成为目前国内外汽车厂商争先展示的一大亮点，全LED车灯已成为现实，未来5年内，LED车灯市场将呈现爆发式增长。
　　LED车灯需多颗LED组成发光模组满足发光要求。单个LED电压较低，多个LED组合的模组需根据串并联模式设计合适的驱动电源。从LED路灯、室内照明等LED照明灯具使用分析，LED灯具失效约30%因驱动电源失效引起。
　　电源是LED照明器件中的重要部分，驱动器为LED提供合适的工作电压，LED光源电气参数差别大，使用LED功率不同，所需驱动电流不同。LED驱动器性能要求不同，电源设计是LED照明中的重要工作。
　4.2LED车灯散热系统
　　LED能与工作温度密切相关，结温升高，LED光衰加剧，寿命变短。LED灯具的工作状况与温度密切相关，如环境温度升高，LED发光强度下降，发光波动增长。散热系统性能直接关系到LED使用的最大正向电流，对LED照明系统进行热学设计非常重要。
　　LED汽车前照灯散热设计时，应将产生热量传递到车顶外部，汽车大灯用LED焊接在较大的铜基板上，用散热膏贴在铝散热器，铝基板利用翅片扩大散热表面积，导出LED芯片的热量。
　5结语
　　半导体照明技术的进步推动了LED车用照明市场的发展，LED汽车灯将引领车用照明向更加绿色的方向发展。该文对LED汽车前照灯进行了分析，介绍了LED知识与汽车前照灯设计理论。LED前照灯光学设计要充分考虑各元件的可制造型，光学设计以国家标准为指导，光源尺寸越小，光学元件几何尺寸精度要求越高。LED汽车前照灯驱动器需经严格测试，充分考虑到驱动器的尺寸，体现LED节能等特点。
　　参考文献
　　[1]邓建国，玉进，郝革红.一种新型LED汽车车灯设计分析[J].轻工科技，2013，29（7）：88-89.
　　[2]黄杨程，苏志林，朱晓东.新型LED汽车倒车灯的仿真设计[J].照明工程学报，2007（3）：50-53.