LED在汽车照明系统中的应用
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1 引言
在20世纪80年代中期，LED开始被用于汽车中央高位刹车灯(CHMSL)。进入90年代，汽车仪表LCD面板背光照明普遍采用LED这种固态新光源。进入新世纪后，随LED功率和亮度的提升，除了汽车前照灯外，LED全面进入了汽车照明和信号系统中的应用。2005年，全球LED在手机中所占的市场份额达52％。自从2005年以后，由于手机市场趋于饱和，不再呈增长的态势，取而代之的则是汽车、交通信号灯、景观装饰照明和一般照明市场，其中车用LED市场具有较大的诱惑力。
2 传统汽车灯的发展历程及其分类
2.1 传统汽车的发展历程
1879年，爱迪生发明了以电能作能源的真空白炽灯泡。1886年汽车问世之初，老爷车在夜间行驶时悬挂的是摇晃不定的汽灯。由于那时车辆很少，车速很低(不到30km／h)，尽管道路狭窄而崎岖不平，既无伤人之虞，更无撞车之险。
在汽车车辆逐渐增加、车速也有所提高的情况下，路上行人也渐多，汽车不再允许仅靠一盏汽灯悠闲晃荡了。于是光源工程师依托新兴的白炽灯为汽车设计了一双铮亮的白炽灯眼睛。当时的汽车的电气工程师已给汽车配备了车载小型发电机，这为汽车电气照明的发展奠定了基础。
在车辆日益增多、车速不断提高的形势下，照明仅是瞻前已经不够，还需左顾右盼和免除后顾之忧，从此不仅车前灯，而且各种尾灯如行车灯、刹车灯、转向灯、后雾灯等一系列灯种相继问世，为避免夜晚行车的追尾或转弯时的相撞起了关键性作用。随后前照灯又发展成近光灯、远光灯、前雾灯等多种灯种。
为在不降低白炽灯寿命的前提下，提高灯丝温度和发光效率，上世纪50年代光源工程师发明了充气白炽灯泡，随后60年代又发明了在充气白炽灯中加入卤素的卤钨灯。20世纪70年代，光效达201m／W的卤钨灯大规模替代了自炽灯用于汽车照明，至今仍然是汽车前照灯中占统治地位的灯种。为满足高速车辆的照明要求，更先进的高强度放电(HID)灯应运而生，其中的代表性光源则是氙气金卤灯。一只35W氙气金卤灯辐射光通(3200lm)为55W卤钨灯(1101lm)的3倍，光效比金卤灯高4.5倍，寿命超过10倍。
2.2 汽车灯的分类
汽车灯按用途分照明灯和信号灯两大类。照明灯犹如汽车的“眼睛”，在黑暗中照亮汽车行驶方向上的道路，延伸和拓宽驾驶员的视野；信号灯如同汽车的“嘴巴”，车辆可通过灯光信号同其它车辆进行“语言”交流，向其它汽车司机明示本车的存在及其行驶的状态，以使汽车在道路上能够安全快捷行驶。
照明灯又分为车外照明灯和车内照明灯。车外照明灯包括前照灯、前雾灯和牌照灯等；车内照明灯主要是指仪表灯和阅读灯等。
信号灯也分车外信号灯和车内信号灯。车外信号灯是指转向指示灯、制动灯、尾灯、示宽灯、倒车灯等；车内信号灯泛指仪表板指示灯，主要有转向、机油压力、充电、关门提示及音响、空调等指示灯。在这些车灯中，属于控制性检验的有车外照明灯和车外信号灯，因为它们是行车安全的关键部件。
汽车车前灯具如图1所示。其中的前照灯像人的眼睛一样，起到画龙点睛的作用，为汽车增色不少，如图2所示。
2.3 汽车灯的重复作用
汽车车灯是汽车行驶必不可少的安全部件。据统计，车辆总行驶里程的25％是在夜晚或自然光线不足的情况下行驶的，而在此间发生的交通事故占到总事故的33％，并且50％的伤亡事故发生在夜间。在多个ECE法规中，与车灯有关的法规就有近40个。我国目前汽车产品的74项强制性检验中，与车灯有关的项目就占23项。
3 新一代固态光源LED成为汽车车灯的新宠
3.1 LED在汽车照明系统中应用的优势
新一代固态冷光源LED于上世纪60年代问世。直到80年代之前，由于那时LED的亮度不高，只是将其作为指示灯等使用，不会有人想到它会能作为汽车车灯。进入80年代后，LED亮度有了较大提高，1985年被用于一辆客车上。1986年Nissan公司在300ZX型汽车上使用了72只φ5mm的LED作为中央高位刹车灯，标志着LED开始进入了汽车领域中的应用。
与传统车灯光源比较，LED的优势如下：
(1)寿命长，免维护，在整个汽车使用期限之内有可能不用再更换灯具。
(2)非常节能，比同等亮度的白炽灯节能至少在一半以上。表1列示了汽车信号灯与白炽灯能耗的比较。
根据2003年美国能源署(DOE)车用LED节能审估报告，结果令人吃惊。仅对小轿车而言，若美国全国都使用LED车灯，每年可节省燃料14亿加仑(美制1加仑=3.785升)，而且载货卡车节省的燃料比小轿车多2倍。
(3)无须热启动时间，亮灯响应速度快。普通自炽灯灯泡的启动时间一般为100-300ms，而LED通常不足70ms。对于事关重要的制动灯来说，这样的时间差距意味着高速行驶时的制动距离相差4～7m，从而使汽车追尾事故发生率降低5％。
(4)结构简单，扰震动和耐冲击性能强。
(5)体积小，设计灵活性大，可以随意变换灯具模式，适用各种造型的汽车。
(6)LED的冷光特性，使灯具不会因长期受热而变形，从而提高了整套灯具的寿命。
(7)受电压变换的影响远远小于普通灯泡，而且易于控制。
表2给出了LED高位制动灯与自炽灯高位制动灯的比较。
LED以其卓越的安全性、可靠性、环保性和节能性，成为汽车照明系统的新宠，给汽车车灯的升级和革命带来了楔机。
3.2 LED在汽车照明系统中的应用
LED在汽车中的应用非常广泛，除车头前照灯外，其它一些车外和车内灯、照明与信号灯、高照度与低照度灯均可采用LED光源，如图4所示。
3.2.1 LED在汽车低照度照明中的应用
LED在汽车低照度照明系统中的应用主要是仪表板背光照明、操作开关、阅读灯、示宽灯、牌照灯等，这是汽车制造商最早将LED应用于汽车，同时也是目前LED在汽车中应用最多的部分。
汽车内部的显示，如仪表盘，过去主要采用白炽灯或真空荧光(VF)来提供背光，后来出现了用CCFL作为背光源的显示板。随着LED技术的不断进步，LED已经取代传统光源组合到背光照明中。从仪表盘到整个娱乐、导航、行程计算及信息中心控制显示等等，LED几乎无处不在。LED用于背光照明主要有以下三种方式：
(1)最简单的方式是把LED直接安装在LCD散射膜的后面，可使用许多封装的LED，也可采用未封装的管芯。
(2)另一种方式是将LED发出的光导入光纤束中，在光纤束的散射膜后面构成一个平坦的薄片，可以不同的方式将光从薄片中取出作为LCD的背光照明。
(3)还有一种方式是边缘光LCD背光照明，用一个透明或半透明的矩形塑料块作为导光体，将其直接安装在LCD散射膜后面，塑料块的后表面涂有白色反光材料，LED光从塑料块的一个侧边射入，其余侧边或白色反光材料。
当多个LED一同用于汽车仪表盘照明或娱乐系统控制时，颜色和亮度的一致性就显得特别重要，被照区域的亮度需要均匀一致，不应有任何阴影。
LED在汽车内部的照明主要包括一般照明用顶灯、阅读灯、美容化妆灯、门锁灯等等。其达到的目的是提供放松和友好的和谐气氛，以减轻驾驶员的疲劳，改善和提高舒适程度，帮助驾驶员能得到大量可读和清晰的信息。
3.2.2 LED在汽车高照度照明中的应用
(1)LED在汽车信号灯中的应用
汽车信号灯主要指刹车灯、方向灯和尾灯，对其照度和颜色都有明确的规定。在上个世纪80年代中期，LED开始进入到汽车产业。我国第一个LED车灯是桑塔纳2000型轿车的高位制动灯，它由上海汽车电子工程中心和上海小系车灯有限公司联合开发，并于2000年通过上海大众汽车公司认证而投产。迄今为止，LED在汽车上的应用除了仪表LCD面板背光照明外，最流行的当属中央高位刹车灯，目前已有80％以上的欧系和日系汽车安装了LED中央高位刹车灯。
在2004年北京车展上，法国富奥公司展示了用4个LED做成的高位刹车灯，还有用一个LED灯来实现所有尾部信号灯功能，包括停车灯、后小灯、转弯指示灯、雾灯和倒车指示灯等。到2010年，绝大部分汽车尾灯照明将采用LED，包括倒车灯和牌照灯在内。2000型凯迪拉克和S级奔驰车上，后灯(尾灯、刹车灯和转向灯)全部使用了LED。新奥迪A8轿车侧面转向灯、行车灯、刹车灯和转向灯等，也全部使用了LED。目前国际上新款式高档轿车，如凯迪拉克、宝马、丰田、奔驰和福特等，都装配了五彩缤纷LED灯具。
(2)LED在汽车前照灯中的应用初见端倪
前照灯是汽车在夜问行驶时照明前方道路的灯具，是保障汽车安全运行的重要部件之一。前照灯的照明距离越远，配光性越好，汽车行驶的安全性能也就越高。汽车前照灯发出远光和近光两种光束，其中远光在无对方来车的道路上，汽车以较高速度行驶。远光应保证在车前100m或更远的路面上得到明亮而均匀的照明。
在全部车LED灯具中，最难也是最后投入使用的则是车头前照灯。目前LED前照灯都是用在一些车展上的概念车上，如图5所示。
自2003年以来，有15多家汽车制造厂在相关车展上展出了采用LED头灯的概念车。在北美一次国际车展上登场的福特概念车中，其中一辆则采用了LED头灯。日本小系等公司也有样灯展出。2007款林肯Aviator等车型同样采用全新的照明系统，其中包括LED前照灯。Lexus公司在2007年推出一款2008LSGoohL混合动力豪华汽车量产车，其前照灯采用了LED设计。日本丰田于2007年在凌志600H车型上开始安装LED车头前照灯，德国大众计划于2008年在奥迪R8车型上安装LED前照灯。从目前的情况来看，LED前照灯还处在研发阶段，预计在10年之内将会在普通轿车上比较普遍地被采用。
LED这种新光源，对于汽车前照灯的形状和排列有着较大的灵活性。利用LED体积小这一优势，可以大幅缩小前照灯整组灯具的体积，让出一些宝贵的空间给其它相关装置。现有的卤钨灯或HID灯灯具总长约30cm，而许多概念车上的LED灯具只有12.5cm，而且可以在造型上突破传统灯具的圆形设计。由于LED采用模块化设计，从造型上看，前照灯设计给人们以全新的视觉冲击。使用LED作为前照灯，不仅颜色识别性比卤钨灯等老式灯高，而且由于老式灯只有一个光源，难以扩大照明区域，而LED灯具有多个光源，由此可使照明区域广度扩大。
(3)LED在汽车前照灯中应用面临许多挑战
在LED全面进军汽车应用市场中，一个最大的障碍就是前照灯。前照灯传统光源已经十分成熟，像代表性光源卤钨灯，虽然光效不是很高(约201m／W)，但价格低廉。高压氙灯虽然价格相对较高，但安全、高效、节能，而且体积小，灯具设计简单，因而倍受青睐。LED要在汽车头灯中取代传统光源，并非是一件容易的事情，需要解决以下几方面的问题。
一是亮度输出。前照灯的亮度要求是：近灯900lm，远灯1100lm，整体为2000lm，约是Lumileds公司的40个1W的LuxeonLED在25℃时的总光源输出。这类LED当环境温度升至50℃时，效率会降至80％以上。为提高亮度，需要更多数量的LED，这不仅会引起成本增加，而且会使LED的故障率增加。
二是散热问题。传统光源产生的热虽然远远高于LED，但不会囚高温而降低其光输出。然而，LED光输出却会因结温升高而下降。因此，散热问题在LED前照灯灯具设计工作中至关重要。为防止LED过热而烧毁，需要为其加装散热片。由于前照灯需用很多个LED，加设散热片后体积会过于庞大，难以纳入灯具之中。
三是光学设计，利用LED作为光源设计灯具，需要对传统的柱光源变为面光源。为得到需要的流明输出，LED需要较大的封装面积，致使光学设计难度增大。在目前一些概念车上，都以模块化设计取代现有的单一灯室设计，利用多组灯光源来达到传统灯具的照明水平，从而减小了光学设计难度，并增加了车体造型设计感。
3.3 LED在汽车中应用市场前景看好
在2006年之前，LED最大的应用亮点是手机，其在全球所占的份额达52％。2005年之后，手机趋于饱和，取而代之的是汽车、交通灯、景观照明和一般照明。
汽车产业在全球经济中仍然是一个支柱产业。目前我国的汽车年产能达800多辆，已超过德国，产量位居世界第三。规模如此之大的汽车产业，拉动了车用灯具的发展，同时为LED在汽车上的应用提供了广阔的市场空间。按目前LED的技术水平，一辆汽车需要300多个LED，其需求量非常之大。未来几年我国车灯将会有较大的发展，形成超过10亿元的年产值。
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