高亮度發(fā)光二極管(下稱HB LED)作為光電半導(dǎo)體器件，已經(jīng)廣泛應(yīng)用到指示、顯示、照明等領(lǐng)域。業(yè)內(nèi)人士普遍預(yù)期HB LED將在汽車照明領(lǐng)域得到普遍應(yīng)用。當(dāng)前，在汽車照明與信號(hào)燈具方面，如轉(zhuǎn)向燈、牌照燈、剎車燈等方面確實(shí)有較多車型已經(jīng)應(yīng)用了LED燈具，但在前照燈領(lǐng)域的應(yīng)用至今依然鮮有，僅奧迪A8L等極少數(shù)車型采用。此現(xiàn)狀與普遍預(yù)期的差距固然有材料成本因素，但是HB LED單模塊功率不足和大功率應(yīng)用熱管理要求高這兩個(gè)技術(shù)瓶頸仍是未能廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵。筆者通過(guò)深入了解現(xiàn)代汽車對(duì)前照燈的性能要求，就以上兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行一些探討。

　　前照燈應(yīng)用HB LED的優(yōu)勢(shì)

　　LED從上世紀(jì)50年代誕生到現(xiàn)在經(jīng)歷了過(guò)半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，適用于照明的高亮度白光LED于90年代中后期取得突破，十幾年來(lái)拓展HB LED的應(yīng)用一直都沒(méi)有停止過(guò)。HB LED應(yīng)用到汽車前照燈領(lǐng)域可獲得的以下特性：

　　超長(zhǎng)的使用壽命和優(yōu)越的可靠性

　　HB LED的預(yù)期使用壽命約50000小時(shí)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)現(xiàn)有鹵鎢燈、充氣燈甚至氙燈的使用壽命，此外無(wú)燈絲、無(wú)空腔、結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，不易受顛簸振動(dòng)而影響正常工作，可靠性高;

　　優(yōu)秀的電光轉(zhuǎn)換效率

　　此前(2011年底)HB LED光效記錄已經(jīng)達(dá)到了230Lm/W，是氙燈的近三倍，更是鹵鎢燈、普通充氣燈的十?dāng)?shù)倍以上。達(dá)到照度要求的情況下，降低功耗能有效降低發(fā)電機(jī)、蓄電池負(fù)荷及導(dǎo)線截面積，利于車輛向輕量化發(fā)展的需求;

　　極短的響應(yīng)時(shí)間

　　普通燈泡由于燈絲熱惰性，啟動(dòng)時(shí)間約250mS，氙燈需要建立啟輝高壓，啟動(dòng)時(shí)間則更長(zhǎng)一些。LED的啟動(dòng)時(shí)間只在nS級(jí)，這一優(yōu)勢(shì)在極端情況下能為前、后車提供更多的反應(yīng)車距;

　　汽車前照燈對(duì)光源的特別要求

　　前照燈的配光應(yīng)使近光具有足夠的照明和不產(chǎn)生眩目，遠(yuǎn)光具有良好的照明。

　　前照燈包括遠(yuǎn)、近光燈，不論兩燈制還是四燈制車輛，都要求光束有良好的匯聚和特定的分布，通過(guò)透鏡、反光鏡進(jìn)行匯聚要求光源集中，以利于配光鏡對(duì)車前照明進(jìn)行配光，照度和配光同等重要。

　　前照燈應(yīng)具有良好的散熱性，防止光源熱堆積，前照燈即使在低溫凝凍的環(huán)境下仍能正常工作。

　　汽車前照燈當(dāng)前形勢(shì)下仍然是汽車常規(guī)燈具中功率最大的，燈具高溫失控將是很危險(xiǎn)的火災(zāi)隱患。同時(shí)燈具高溫也給其自身也帶來(lái)工作穩(wěn)定性和使用壽命的影響。此外，燈具熱堆積將導(dǎo)致光源色溫改變，使雨霧環(huán)境下光線穿透性能和反射光強(qiáng)度等產(chǎn)生變化，將影響駕駛安全。

　　前照燈應(yīng)用HB LED必須解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題

　　根據(jù)前照燈對(duì)光源要求的以上分析，以及HBLED技術(shù)現(xiàn)狀，筆者認(rèn)為汽車前照燈應(yīng)用HB LED在技術(shù)上主要存在以下兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。

　　開(kāi)發(fā)小型大功率模塊的需求非常迫切

　　就率先應(yīng)用HB LED到前照燈的奧迪A8LW12車型而言，為達(dá)到照度要求，每側(cè)使用了76個(gè)LED光源。以近光燈為例，單側(cè)能耗達(dá)到了40W。且構(gòu)件之復(fù)雜、組合之精密遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出普通前照燈總成的結(jié)構(gòu)和技術(shù)水平。

　　過(guò)多的LED數(shù)量給燈具設(shè)計(jì)提出了非常高的難度，要解決點(diǎn)光源分散、光束匯聚、水平配光、防眩目等結(jié)合難題。一種方案是將LED布置在反光鏡拋物面內(nèi)，以浪費(fèi)各個(gè)器件部分光通量來(lái)確保匯聚后的整體光照度，再對(duì)光束進(jìn)行配光。此方案導(dǎo)致成本高而節(jié)能優(yōu)勢(shì)削弱，成本浪費(fèi)大。另一種方案是LED單體聚光，分組承擔(dān)車前各區(qū)域的配光，例如對(duì)側(cè)方人行道分配的光照由某幾個(gè)LED實(shí)現(xiàn)。此方案的缺陷是個(gè)別LED失效將導(dǎo)致某配光分區(qū)不合格，嚴(yán)格意義上是整個(gè)前照燈不合格。當(dāng)前奧迪A8LW12前照燈采用此方案(遠(yuǎn)、近光共用8個(gè)HBLED)，各LED在應(yīng)用時(shí)保留非常多的冗余量以策保險(xiǎn)。此時(shí)器件性能的浪費(fèi)也推高了制造成本。

　　因此，除了個(gè)別豪華車型撇除成本因素采用HBLED前照燈外，絕大多數(shù)廠家都在等待單顆功率更大的HBLED面世，以期應(yīng)用更少量的LED元件降低設(shè)計(jì)難度和制造成本。

　　大功率HB LED的熱管理難題

　　HBLED發(fā)光區(qū)別于燈絲發(fā)光和電弧發(fā)光，因?yàn)闆](méi)有熾熱部分將熱量通過(guò)輻射耗散，工作時(shí)自身熱能堆積，只能夠通過(guò)傳導(dǎo)的形式向外耗散，需要散熱裝置和預(yù)留散熱路徑。另外前照燈在寒冷氣候中還要面臨積雪和凝凍狀況，傳統(tǒng)燈具有燈泡的輻射熱存在，一定程度上對(duì)抗了工作中積雪和凝凍。采用HBLED光源后，前照燈就有必要配備化霜裝置，否則無(wú)法實(shí)現(xiàn)全天侯照明。同時(shí)，要解決光源自身的散熱，且必須不受前照燈化霜熱量的影響，因此，可靠控制LED的關(guān)鍵是熱管理措施。

　　首先，結(jié)溫波動(dòng)的控制。結(jié)溫波動(dòng)直接影響LED的光效，汽車前照燈照度大小關(guān)系到低能見(jiàn)度環(huán)境的行車安全，且車輛行駛時(shí)，環(huán)境溫度、濕度等因素變化頻繁，燈具所處散熱環(huán)境復(fù)雜，要穩(wěn)定結(jié)溫必須散熱速度可控，且感溫和控制模塊必須靈敏度高、響應(yīng)快;

　　其次，結(jié)溫高低的控制。結(jié)溫過(guò)高是影響LED工作壽命的最重要因素，就目前成本而言，HB LED前照燈總成是普通前照燈總成的好幾倍。高造價(jià)要求控制模塊有足夠的可靠性，驅(qū)動(dòng)電流必須結(jié)合散熱速度調(diào)節(jié);

　　再次，結(jié)溫高低的選定。結(jié)溫影響到LED的色溫和顯色指數(shù)，高色溫時(shí)，人眼的敏感度高，但對(duì)車外人員易造成眩目，不符合交通安全法規(guī)要求;高色溫還帶來(lái)顯色指數(shù)的下降，加速駕駛員的視覺(jué)疲勞。作為制造廠家必須確保不同批次的LED都工作在適當(dāng)?shù)纳珳睾洼^好的顯色性。所以要求控制模塊具有結(jié)溫參數(shù)設(shè)定的功能。

　　當(dāng)前奧迪A8LW12車型的LED前照燈通過(guò)在燈組尾端安裝冷卻風(fēng)扇來(lái)解決散熱問(wèn)題，結(jié)構(gòu)復(fù)雜和可靠性不足，且結(jié)溫高低和散熱工況波動(dòng)控制不夠理想。

　　控制芯片方面，當(dāng)前安森美半導(dǎo)體開(kāi)發(fā)了NCV78663，通過(guò)PWM控制平均電流，其高能效、高可靠性、集成控制、LED自檢及動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)參數(shù)等功能被業(yè)界普遍認(rèn)可，至于大功率HBLED應(yīng)用于汽車前照燈要求對(duì)工作結(jié)溫和散熱參數(shù)的精確控制卻并沒(méi)有被納入，也就是說(shuō)仍處于開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)，一旦出現(xiàn)嚴(yán)苛的工作環(huán)境，熱失控的現(xiàn)象將馬上顯現(xiàn)。

　　總結(jié)

　　基于汽車前照燈的特別工況和特殊的性能要求，HBLED并沒(méi)有如大眾所想象的順利應(yīng)用到汽車前照燈技術(shù)中。但是HB LED的優(yōu)點(diǎn)是顯著的，未來(lái)汽車前照燈使用HB LED光源將是必然的趨勢(shì)。更高功率的單顆HBLED將簡(jiǎn)化前照燈結(jié)構(gòu)，閉環(huán)熱管理的控制系統(tǒng)將充分發(fā)揮其高光效、長(zhǎng)壽命的優(yōu)點(diǎn)，使系統(tǒng)更加可靠。彼時(shí)，才是全面普及LED前照燈的時(shí)代。