淺談LED汽車(chē)前照燈行業(yè)發(fā)展課件

1、李海濤淺談LED汽車(chē)前照燈行業(yè)發(fā)展部件檢驗(yàn)部中國(guó)兵器裝備集團(tuán)摩托車(chē)檢測(cè)技術(shù)研究所Motorcycle Test Technology Institute of China South Industries Group Corporation國(guó)家摩托車(chē)質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心China National Motorcycle Testing Center 提 綱一緒論三二LED汽車(chē)前照燈行業(yè)研發(fā)現(xiàn)狀LED汽車(chē)前照燈發(fā)展預(yù)測(cè) 緒論 目錄1汽車(chē)前照燈發(fā)展史342光源性能對(duì)比國(guó)內(nèi)外LED汽車(chē)前照燈研究現(xiàn)狀LED汽車(chē)前照燈現(xiàn)狀總結(jié)一 緒論白熾燈鹵素?zé)鬑ID燈LED燈光效10 lm/w25 lm/w90 lm/w

2、150 lm/w壽命100 h300 h3000 h幾萬(wàn) hLED響應(yīng)速快(1ms內(nèi)、白熾燈200ms)、抗震、體積小2 光源性能比較一 緒論2 光源性能比較 緒論LED可見(jiàn)光波段，光效高，目前單顆功率不大，功率越小光效更高，啟動(dòng)方便，價(jià)格昂貴，光效提高空間大。放電光源光效較高，單顆功率大，小功率光效更低，高電壓?jiǎn)?dòng)，目前適合大范圍照明。熱光源，光效低，光譜成分與太陽(yáng)光類(lèi)似，視覺(jué)友好型光源，功率大小均可啟動(dòng)方便，便宜，適合大功率投影照明。由于光效太低應(yīng)該逐步退出普通照明從節(jié)能角度，應(yīng)該隨LED性能提高，千流明價(jià)格下降而逐步取代其它光能。2 光源性能比較一 緒論國(guó)外LED前照燈研究現(xiàn)狀2007年

3、5月日本小糸和日亞化工研發(fā)的LED近光燈安裝在雷克薩斯LS600Ch上2008年奧迪R8安裝了Lumileds和Osram研發(fā)的全LED前照燈。2009年雷克薩斯RX450h、普銳斯、HS250h三款車(chē)安裝了LED前照燈。2011年奧迪R8安裝上Philips的LED光源作為前照燈。2012年奧迪A6、奔馳CLS350、寶馬6系列開(kāi)始使用LED前照燈。一 緒論國(guó)內(nèi)LED前照燈研究現(xiàn)狀專(zhuān)利截止2013年1月份申請(qǐng)及受理LED汽車(chē)前照燈相關(guān)專(zhuān)利18個(gè)。其中： 配光器專(zhuān)利：3個(gè) 散熱器專(zhuān)利: 5個(gè) 整燈專(zhuān)利： 10個(gè) 國(guó)內(nèi)無(wú)LED光源的核心技術(shù)。國(guó)內(nèi)LED汽車(chē)前照燈尚未得到應(yīng)用。一 緒論國(guó)內(nèi)LED前

4、照燈研究現(xiàn)狀LED前照燈的配光穩(wěn)定性L(fǎng)ED前照燈照度和色度溫度穩(wěn)定性L(fǎng)ED前照燈塑料配光鏡和塑料光學(xué)組件LED前照燈耐溫度循環(huán)試驗(yàn)LED前照燈極性反接和過(guò)電壓GB25991-2010 汽車(chē)用LED前照燈 二 LED汽車(chē)前照燈行業(yè)研發(fā)現(xiàn)狀1LED光源光熱電性能342LED汽車(chē)前照燈光學(xué)設(shè)計(jì)分析LED汽車(chē)前照燈散熱設(shè)計(jì)分析總結(jié)二 LED汽車(chē)前照燈行業(yè)研發(fā)現(xiàn)狀光機(jī)熱要求機(jī)械系統(tǒng)精密穩(wěn)定影響燈具尺寸大小光源封裝類(lèi)型影響散熱效果收集效率底不利于散熱過(guò)熱影響LED光輸出過(guò)熱引起機(jī)械形變機(jī)械結(jié)構(gòu)和材料影響系統(tǒng)散熱光、熱、機(jī)一體化設(shè)計(jì)1 LED光源性質(zhì) 目前用于生長(zhǎng)外延片的襯底材料有很多種，市場(chǎng)上應(yīng)用最廣泛的

5、是藍(lán)寶石( )，藍(lán)寶石襯底的芯片按結(jié)構(gòu)可分為倒裝芯片和正裝芯片，倒裝芯片在光學(xué)性能、熱學(xué)性能以及導(dǎo)電性能方面的優(yōu)勢(shì)使其在大功率照明中得到了應(yīng)用。圖1 a.正裝芯片示意圖圖a為GaN基地的LED芯片，芯片直接用導(dǎo)熱硅膠結(jié)合在小尺寸反光碗或載片臺(tái)上，光效受兩個(gè)因素制約： 1.PGaN導(dǎo)電效率低，在P電極和PGaN之間加NiAu合金電流擴(kuò)散層，太薄會(huì)影響電流均勻度，但厚度增加吸收的光也會(huì)增加。 2.藍(lán)寶石導(dǎo)熱能力差1 LED光源性質(zhì)正裝芯片 圖b也為GaN基地的LED片，芯片直接貼裝到硅載體或PCB基板上，優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在： 1.用高反射率的金屬作接觸層提高了光的取出效率，采用0.12 um厚的Ag和Al

6、對(duì)470520nm光的反射效率分別達(dá)96%和84%。 2.P-N結(jié)到硅底板的熱阻小。 圖1 b.倒裝芯片示意圖1 LED光源性質(zhì)倒裝芯片溫度：25光源模塊：1 LED 光源性質(zhì)結(jié)論：LED器件之間無(wú)光子吸收現(xiàn)象LED模塊特性2 LED汽車(chē)前照燈光學(xué)設(shè)計(jì)分析前照燈反射式透鏡成像式投影式配光系統(tǒng)分類(lèi)將光源的光強(qiáng)角分布在橢球反射器的焦平面內(nèi)轉(zhuǎn)換為空間分布，然后再將橢球反射器的焦平面上光強(qiáng)空間分布轉(zhuǎn)換為所需光型。透射式光學(xué)系統(tǒng)2 LED汽車(chē)前照燈光學(xué)設(shè)計(jì)分析以非球面透鏡或其他形式透鏡，將光源放在透鏡焦點(diǎn)，使準(zhǔn)平行光束被轉(zhuǎn)換成光型。透鏡成像式光學(xué)系統(tǒng)2 LED汽車(chē)前照燈光學(xué)設(shè)計(jì)分析2 LED汽車(chē)前照燈光

7、學(xué)設(shè)計(jì)分析LED前照燈光學(xué)設(shè)計(jì)屬于非成像設(shè)計(jì)，關(guān)注的是輻射能量的傳遞效率及照度、光強(qiáng)、亮度的分布。光學(xué)設(shè)計(jì)軟件有美國(guó)焦點(diǎn)軟件的ZEMAX，美國(guó)Lambda Research公司的TracePro， Optical Research Associates公司的LightTools，美國(guó)Breault Research Organization. Inc (BRO)公司的Advanced System Analysis Program（ASAP）等。LightTools和TracePro偏重于非成像設(shè)計(jì)，Advanced System Analysis Program（ASAP）既可以做成像設(shè)計(jì)，

8、也可以做非成像設(shè)計(jì)， ZEMAX偏重于成像設(shè)計(jì)。3 LED汽車(chē)前照燈散熱設(shè)計(jì)分析熱量傳遞方式熱傳導(dǎo)熱輻射對(duì)流散熱基本理論3 LED汽車(chē)前照燈散熱設(shè)計(jì)分析熱傳導(dǎo)由于物體內(nèi)部或物體之間溫度差的存在，內(nèi)部原子或者分子的熱運(yùn)動(dòng)造成能量由物體溫度高的區(qū)域向溫度底的區(qū)域傳遞，或者由高溫物體向低溫物體傳遞。各項(xiàng)同性的連續(xù)介質(zhì)導(dǎo)熱方程3 LED汽車(chē)前照燈散熱設(shè)計(jì)分析熱輻射高溫物體以電磁波方式向外輻射能量的現(xiàn)象稱(chēng)作熱輻射，熱輻射引起能量傳遞的過(guò)程中，不需要發(fā)生能量傳遞的物體相互接觸，真空中傳遞熱量的速度最快。輻射散熱的主要影響因素（1）物體本身的溫度、表面輻射特性；（2）物體的尺寸、幾何形狀及相對(duì)位置。3 LE

9、D汽車(chē)前照燈散熱設(shè)計(jì)分析1 自然散熱 不同材料的散熱片 不同結(jié)構(gòu)的散熱片2 主動(dòng)散熱 風(fēng)冷 水冷 半導(dǎo)體制冷3 熱管散熱3 LED汽車(chē)前照燈散熱設(shè)計(jì)分析自然散熱散熱能力與散熱器形狀和散熱材料有關(guān)系統(tǒng)穩(wěn)定 無(wú)額外功率損耗3 LED汽車(chē)前照燈散熱設(shè)計(jì)分析風(fēng)冷風(fēng)冷散熱就是在燈具設(shè)計(jì)的時(shí)候加上風(fēng)扇把熱量從散熱器上帶走，散熱器表面的氣流速度越大表面對(duì)流換熱系數(shù)越大，當(dāng)氣流速度到達(dá)一個(gè)數(shù)值后再增大空氣流速散熱效果就不會(huì)有顯著提高，這個(gè)值由燈具和環(huán)境條件決定。雖然風(fēng)扇成本不高，但風(fēng)扇的體積、功耗、壽命以及工作時(shí)產(chǎn)生的噪音必須考慮3 LED汽車(chē)前照燈散熱設(shè)計(jì)分析液冷液冷散熱主要由散熱板、熱交換器、貯液池和泵用

10、連接管構(gòu)成回路，冷卻板和LED芯片封裝模塊的背光面相連，泵用來(lái)驅(qū)動(dòng)工作液體，工作液體把冷卻板上的熱量帶到熱交換器上，再通過(guò)熱交換器散失到周?chē)h(huán)境中。其形狀根據(jù)燈具結(jié)構(gòu)決定，工作液體要求粘度小、密度小，這種液冷散熱結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、有額外功耗。有的燈具可以把貯液池安裝在比芯片位置低的地方，就不需要泵。3 LED汽車(chē)前照燈散熱設(shè)計(jì)分析半導(dǎo)體散熱半導(dǎo)體散熱器是根據(jù)特殊半導(dǎo)體熱電效應(yīng)制作的散熱器件，散熱器可以做成片狀。直流電經(jīng)過(guò)P型半導(dǎo)體時(shí)吸收熱量形成冷端，在N型半導(dǎo)體上釋放能量形成熱端，冷端可以安裝LED光源。半導(dǎo)體散熱器可靠性高，體積小。3 LED汽車(chē)前照燈散熱設(shè)計(jì)分析熱管散熱熱管散熱無(wú)需額外功率

11、損耗，是目前LED光源散熱研究的熱點(diǎn)。國(guó)內(nèi)在LED汽車(chē)前照燈熱管散熱方面申請(qǐng)的專(zhuān)利比較多，大多是汽車(chē)燈具公司的專(zhuān)利，實(shí)用性強(qiáng)。申請(qǐng)專(zhuān)利的公司有天津市汽車(chē)燈廠、常州星宇車(chē)燈股份有限公司、江蘇洪昌科技股份有限公司等， Lan Kim等人研究熱管散熱效果，在25環(huán)境中，能把18.1W的白光LED光源結(jié)溫降低到59.75。4 總結(jié)1 前照燈為多光源及多配光元件組成的燈具系統(tǒng)。2 配光功能與散熱功能分離，每個(gè)光源模塊配有單獨(dú)散熱器。3 燈具系統(tǒng)體積龐大，沒(méi)能充分發(fā)揮LED光源優(yōu)勢(shì)。 LED光源有自身優(yōu)勢(shì)，也有其不足，LED前照燈必須克服其不足，充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，在科技上更上一個(gè)臺(tái)階。三 LED汽車(chē)前照燈發(fā)

12、展預(yù)測(cè) 光 學(xué) 熱 學(xué)緊湊型LED前照燈三 LED汽車(chē)前照燈發(fā)展預(yù)測(cè)緊湊型LED汽車(chē)前照燈1.多芯片集成的大功率LED光源模塊。2.LED光源模塊的芯片采用倒裝封裝方式。3.光學(xué)透鏡作為散熱器的一部分，同時(shí)要有高的光能利用效率。4.散熱器性能穩(wěn)定，散熱能力強(qiáng)，占用空面體積小。三 LED汽車(chē)前照燈發(fā)展預(yù)測(cè)液體熱傳導(dǎo)系數(shù)高、粘度小、凝固點(diǎn)低、光吸收率小、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定液體封裝LED遠(yuǎn)光燈設(shè)計(jì)方案三 LED汽車(chē)前照燈發(fā)展預(yù)測(cè)液體封裝LED遠(yuǎn)光燈設(shè)計(jì)方案1300lm的白光LED光源光強(qiáng)分布光譜分布三 LED汽車(chē)前照燈發(fā)展預(yù)測(cè)液體封裝LED遠(yuǎn)光燈照度分布入射光通量： 1130.28lm光能利用效率：86.

13、94%三 LED汽車(chē)前照燈發(fā)展預(yù)測(cè)EmaxHV點(diǎn)HV點(diǎn)至1125R或LHV點(diǎn)至2250R或L國(guó)標(biāo)要求480.8Emax246仿真結(jié)果56.1456.1449.9723.50液體封裝LED遠(yuǎn)光燈仿真結(jié)果（單位lx）三 LED汽車(chē)前照燈發(fā)展預(yù)測(cè)遠(yuǎn)光燈樣品光源液體封裝LED遠(yuǎn)光燈設(shè)計(jì)三 LED汽車(chē)前照燈發(fā)展預(yù)測(cè)EmaxHV點(diǎn)HV點(diǎn)至1125R或LHV點(diǎn)至2250R或L國(guó)標(biāo)要求480.8Emax246仿真結(jié)果56.1456.1449.9723.50樣品測(cè)試54.171.0854.171.0846.940.9725.600.60液體封裝LED遠(yuǎn)光燈照度分布（單位lx）三 LED汽車(chē)前照燈發(fā)展預(yù)測(cè)熱阻定義

14、：LED光源熱阻： LED光源熱阻：12/W光源熱阻三 LED汽車(chē)前照燈發(fā)展預(yù)測(cè)1 仿真結(jié)果和樣品測(cè)試結(jié)果均達(dá)到汽車(chē)用LED前 照燈GB2599-2010要求2 仿真結(jié)果和樣品測(cè)試結(jié)果基本吻合造成仿真結(jié)果和樣品測(cè)試結(jié)果存在差異的原因：（1）仿真設(shè)計(jì)忽略遠(yuǎn)光燈玻璃殼厚度（2）遠(yuǎn)光燈樣品的玻璃外殼頂部過(guò)于平坦（3）樣品光源的位置與仿真光源位置存在差異三 LED汽車(chē)前照燈發(fā)展預(yù)測(cè)光學(xué)散熱光源發(fā)光效率透鏡散熱能力透鏡光能傳遞效率光源耐熱性能散熱材料散熱結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)精密穩(wěn)定展望機(jī)械3 LED汽車(chē)前照燈發(fā)展預(yù)測(cè) 從2001年起我國(guó)汽車(chē)年銷(xiāo)量保持20%的增長(zhǎng)速度， 2011年銷(xiāo)售量達(dá)到1853.34萬(wàn)輛，成為世