新型LED汽车车灯的设计研究
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摘 要：随着汽车电子技术的不断发展，汽车车灯种类不断增多。汽车车灯设计不仅要求具有照明功能，还要有装饰功能。汽车大灯的基本功能还是照明，照明效果与配套装饰效果日益突出，不同类型的车辆配备不同的车灯照明。LED是一种新型的半导体光源，其具有节能环保、响应时间短、颜色饱和度高等诸多优势，LED汽车前照灯在高端车型上应用具有很好的前景。LED前照灯涉及多个学科领域，该文围绕LED汽车前照灯光源封装等关键技术进行了研究，探讨了LED汽车灯的设计。
关键词：新型LED灯 汽车灯 设计
中图分类号：U463 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）02（c）-0074-02
LED灯具是利用LED作为光源制造的照明器具，被誉为第四代照明灯具，LED照明灯具在汽车照明、商业照明等领域有了广泛的应用。LED在车内照明、应急灯等方面的应用取得了显著成效，随着LED照明技术的快速发展，LED前照明技术的应用具有良好的普及前景。对LED汽车灯的设计研究具有重要的意义。
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。
1.2 LED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 LED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[2]。
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。
3 LED汽车灯的设计关键
3.1 LED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。
LED驱动器种类繁多，室内使用LED灯具功率在5～20W左右，可用10颗1W的大功率LED全部串联，驱动器需将交流电转化为直流电，应满足室内灯具使用的其他方面要求，必须具有无触电风险、成本低等特点。驱动器有严格的汽车设计要求，LED驱动器必须具备更高的可靠性。
3.2 LED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。
通常中小功率电子产品设计为产用被动散热，被动散热技术可满足大多的LED照明应用，器件功率较大体积小时，局部温度过高会导致器件损坏。主动散热主要有风冷、热管散热等方式，散热效果好，热管散热使用高导热率的元件传热，因汽車灯空间有限，液冷不适合车灯散热使用，风冷散热具有成本较低等优点，加装风扇对流，对达到降低散热器高温的目的非常有效。
4 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.
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