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LED用于车前照灯发展前景分析

导读: 中国汽车工业信息网

 LED车前照灯在历经近年来的技术验证、概念车展示等开发阶段之后,终于迎来了有望应用于量产车的入市前景,其标志性事件是:凯迪拉克EscaladePlatinum新款,成为率先在业界装用以LED作为前照灯的近/远光束之全部光源的首个量产车型。

 

    丰田的凌志LS600h是世界上首个采用LED前照光源的量产车,不过它只在近程光上应用了LED,远程光源仍为卤素灯。该含两种光源的前照车灯总成由小糸车灯供货。

 

    奥迪也宣布将要在R8运动款式跑车上装用以LED为单一光源的照明系统。这必将推动LED进入汽车照明领域技术殿堂的势头。

 

    阻碍LED光源迅速开拓车用市场的不利因素

 

    上述里程碑式的事件是否意味着LED前照灯将立马成为主宰车用光源领域的创新技术?据行家们预测:也许不会。因为就算是LED的成本能够按照摩尔定律的预见速率持续下降,它要低到能与HID(高强度放电)氙灯匹敌的同等价位也尚需再经多年;而LED家族的成本若要降到能与卤素灯不相上下,则需经过一段更加漫长的时间历程。

 

    据Hella(海拉)公司总裁Fischer称,车用LED的规模目前仅占其光源市场百分之几的小份额,故对向大批量的型号(诸如GM/雪佛兰部的Malibu款之类车型)的配套供货极感兴趣。但LED欲达到向Malibu车型那样大批量的供货水平,尚需克服一系列的技术和成本难题,至少还有十年的历程要走。

 

    伟世通指出,LED入市的步伐的确比原先预料的要慢一些,我们在2004年曾预测:LED车灯会很快井喷入市,而把HID淘汰出局。显然,目前的态势并非如此,虽然一直期望LED技术能演进得比现实要快一点。看来成本高并非是阻碍LED面市的唯一因素,仍然有技术性能方面的挑战性难题需要攻克。比如,就单个光源而言,LED的光照强度仍显不足。而单点不够亮就难以达成下述如意盘算:削减构成组合灯具的LED光源数目将有助于缩小汽车灯具的占用空间且易于灵活布置,并可简化照明系统的布线和安装以及降低生产成本。

 

    目前LED供应链的主流状况是:海拉供给通用凯迪拉克Escalade车型的LED光源元件是向欧司朗(Osram)采购的;而小糸车灯(Koito)的LED则使用Nichia公司的光源产品,再配套于丰田的LS600h车型;菲利浦Lumileds把LED光源供应给AL(汽车照明)公司,再由后者为奥迪R8配置车灯系统。据Koito的欧美经营部经理称,我们不会划地为牢而自我限定光源的种类及其采购厂商,无论产自于谁(菲利浦、欧司朗、或丰田Gosei)都可以买。显然,照明系统部件的一级供货商们试图保持自身采购光源元器件的灵活性,想借机观察一下:哪家光源器件厂商的产品技术能进步得最快、性价比最高。

 

    当今LED批供货品的光电转换(光能密度)指标达到每瓦40流明(40lm/W)以上,而HID灯为90lm/W,卤素灯则是201m/W。另据海拉通报:最新的LED研发原型的该项指标已高达130lm/W。海拉亦预测:在今后的3-5年间,发自同样功耗硅片的LED光强度将会提升50%。此事不仅意味着LED灯具将更加明亮,而且体现了其能耗的削减,从而改善整车的燃油经济性。

 

    据估计,用LED取代卤素灯具能提升整车的mpg(每加仑燃油的行驶英里数)指标约0.25。而到欧洲实施白天开灯行驶法规之时,更可把该mpg提升值扩大至0.5。凌志的车型经理指出,应用LED灯具对整车燃油经济性的改善将会有很大的贡献。

 

    然而,光强密度更高的LED也要散发出更多的热量,而灯具的紧凑布置又使得可供散热的面积趋小。诚然属半导体类别的低能耗LED器件之发热比卤素灯或HID灯具要少得多,但后者的热量之大部则是生成于灯具装置之外的,而LED虽功耗低生热少却是要把热量捂在微小的硅片里面来传导的。

 

    LED的热管理是个大难题

 

    即使较小的热量要集中到芯片大小的器件上去传导和发散,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。对该散热问题的一种解决方案是: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。这就是小糸车灯在为丰田的凌志LS600h配套前照灯时所采用的手法。

 

    凯迪拉克EscaladePlatinum每个前照灯由7枚LED光管构成,其中5枚用于近程光束,另2枚则作为远程光源。它们都带有各自的主动式散热装置——冷却风扇(与台式电脑中的内置小风扇类似)。

 

    据海拉称,热管理是让他们特别费心劳神的设计领域,海拉在方案选择上侧重依靠虚拟仿真手段来评估优化,而在模拟工具(仿真软件包)的选用上则必须通过足够实验数据的考证。他指出,对热管理问题的挑战不仅来自于热传导,可借助于“热池”装置把LED元件所生成的热量取出来,而且还要解决通风问题,让热量从灯具装置里散发出去。若仅靠自然通风显然是不够的,所以海拉决定给灯具加上内置风扇。

 

   法雷奥的热管理策略堪称一绝。它为LED灯具设定了一种确保安全的工作模式,即当灯具的温度升到预定的警戒值时,自动切换到削减灯具供电功率20%的该安保模式。据称,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。

 

    LED光源的车用优势

 

    既然遭遇到上述的种种成本障碍和层层技术难关,为什么整车厂商及其照明系统供应厂商仍然要咬定青山不放松地全力推进LED上马入市呢?

 

    其原因出于:这种新光源能够使得汽车灯具的风格设计和造型布置具有空前的灵活性而适于车型的个性化,况且LED的光输出功率密度已能够与HID灯具匹敌,因此它极有希望把现存的其它照明技术统统淘汰出局而独霸车灯市场。

 

    据凯迪拉克EscaladePlatinum的车型产品经理称,LED之发光色谱接近于日光,这使得它发出的光被物体(诸如道路交通的指示标牌/线)反射的有效性要高于其它光源,从而能在较远的距离让司机尽早发现而提高行车安全。他指出,路标几乎都采用被动辉光的反射方式,因为LED的光色近于日光,故可以让司机在夜间也像白天那样方便地发现并看清交通标志。

 

    LED车灯的工作温度(绝对色温)为K氏5500-6000度(1k=1℃,它比其它光源之颜色更白,因为HID灯的淡蓝光色温是4000K,卤素灯光为黄色3000K。

 

    故在进行HID灯具的光学设计时,需把光谱中最蓝的部份推移至其射点光斑的边缘,因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而言,仍在车辆越过该边际区域时蓝光会引起对方眩目而影响会车安全。在防眩目干扰方面,LED大灯拥有潜在的优势:既能保护本车司机的舒适视觉,也不会引起邻车/会车司机的视障。因丰田凌志车的前照灯之近/远程光采用了不同的光源(LED/卤素灯),故LS600h的车主可能会被不同光源的显著色差所困扰。

 

    对于LED前照灯之车用的另一大利好是,欧盟已通过并将于2012年生效的DRL(白昼开灯行车)法规,它与加拿大的推荐式规定(允许白天用近光灯作为DRLs)不同,欧盟法规是强制在白天必须使用前照灯的:只要车辆处在行驶之中,就必须开前照灯,使得LED光源的低能耗、长寿命之长处更显优势。

 

    据法雷奥的CEO称,另一种目前尚未兑现的潜能是:LED大灯能利用光点阵列来组合出前照灯光的主动式功能而毋需采用任何(目前此类装置所必备的)运动部件。这样的主动式照明系统(比如,随转向角度而变化光照射向的主动安保功能),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。法雷奥正按此思路着手研发更可靠的新型自适应前照灯系统。海拉Fischer指出,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(电子+电控+电动的)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大灯的光源,也同时可用于转向灯,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。若要发挥智能前照的主动安保作用,让前照光束能随车辆的转向轨迹而同步地总是照亮车前的道路,则需要布置较多的光源点阵并采取更复杂的光点电控,按照转向输入来控变光点阵列的明暗组合及其反光镜,从而同步地改变前照光束的射向。

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