863项目LED汽车灯技术总结报告.doc

课题编号：2006AA03A154 密级：公开级 大功率LED车灯研究及规模化应用技术报告2006.12.012008.12.31课题名称：大功率LED车灯研究及规模化应用半导体照明工程新材料技术领域郑福荣天津一汽夏利汽车股份有限公司所属专题/项目：所属技术领域：课题负责人：课题依托单位：课题参加单位： 课题起止期限： 2006年12月01日至2009年12月31日2009年12月20日编制目录一、研究现状2二、合同规定的考核指标、年度计划3三、项目完成情况41技术特征51.1总体性能51.2 LED光源51.3 光学结构72 模拟与分析结果183工艺标准与检测方法214研究成果介绍22 一、研究现状发光二极管（LED）具有节能、高效、环保等多项优点，近年来被越来越广泛的应用在普通照明中。随着汽车工业的高速发展和LED光效的不断提高，LED在汽车中的应用也越来越普遍，包括内部照明灯、制动灯、转向灯、尾灯等都已开始使用LED作光源。前照灯由于对亮度的要求较高，目前仍然主要采用HID气体放电灯，只有少数概念车推出了LED前照灯。然而作为一种高效节能的新型光源，LED代替其他光源作为新一代前照灯光源也将成为必然。由于LED是准光源，光发散角小，如果不采取有效措施改变光的传播方向、合理配光，将无法满足汽车前照灯的光型需求；同时，尽管大功率LED的发光效率在按指数规律提高，单颗LED的光源仍然无法满足汽车前照灯的亮度需求，因此需配置七颗LED，合理设计反光杯，满足了汽车前照灯的照明要求。散热是LED照明应用设计工作中至关重要的部分，散热是否良好决定了灯具的使用寿命是否能达到预定值。LED结温升高，会直接减少芯片出射的光子，使发光效率降低；结温升高还会使芯片的光谱发生红移，色温质量下降，尤其是对基于蓝光LED激发黄色荧光粉的白光LED器件更为严重，其中荧光粉的转换效率也随着温度的升高而降低。因此散热设计成为大功率LED应用中非常重要的一环。 目前全车内部采用LED的车厂家几乎全为欧洲的公司，在外部照明使用LED方面，欧洲和日本汽车将第三刹车灯改成LED的比率已超过80 %。相比国外，国内汽车应用LED要滞后几年，仍处于起步阶段，目前主要用于中高档轿车市场。但是，从LED车灯技术发展现状与趋势来讲，我国LED高位制动灯开始进一步普及，价格在稳步下降，LED后制动灯、转向灯和雾灯开始商品化，LED汽车灯具向个性化和艺术化方向发展，同时LED智能控制系统发展也很快。目前LED汽车灯具的重点研究方向是LED前照灯，以及LED车灯与AFS(自适应性车灯控制系统)结合，其中高效、大功率、高可靠性的LED元件研究、车灯与特殊的散热技术和光学设计是关键。二、合同规定的考核指标、年度计划本项目预期达到的目标是： 研制出23种LED轿车前照灯灯样。 近光灯光通量1000lm。 3000小时内光衰10%。 建立LED汽车前照灯规模化生产的检测技术。 开发LED汽车前照灯规模化生产的高效生产工艺技术。 形成年产3万套的生产能力。 LED汽车前大灯满足相关国家标准。 课题完成后预计实现年销售额3000万元。其主要考核指标如下：1技术指标设计前照灯近光灯时光通量达到1000 lm以上，3000小时内光衰10%。光度性能符合GB4599-94标准的要求；散热满足LED对工作温度及光衰的要求；抗震、高低温等可靠性能满足整车性能要求。建立LED汽车前照灯规模化生产的检测技术和高效生产工艺技术，并积极参与国家LED车灯的标准及标准测试方法建设。2经济指标初步实现在天津一汽经济型轿车上使用的LED汽车前照灯。课题完成后形成年产3万套的生产能力。预计实现年销售额3000万元。 3成果、知识产权和人才培养指标提交具有不同结构形式的LED布置成熟样品2-3种；在芯片制备、封装、光学设计、散热结构、抗振机械设计及电气控制等方面申请专利68项；发表论文56篇；培养博士研究生3名，硕士生10名。本项目的实施，将解决LED汽车前照大灯产品工业化生产的关键技术难题，研发出可用于经济型汽车整车及配套零部件生产的LED车用前照灯产品。并形成相关技术的自主知识产权，以此带动我国LED相关产业工业的发展。此外，通过本项目的实施，还可促进半导体照明行业及高校、科研单位相关基础研究，为今后我国相关产业项目的研发提供坚固的知识储备。年度计划：20062007年 1、文献调研，确定总体设计方案；2、解决大功率白光LED芯片散热及封装关键技术问题，提高产品可靠性；3、解决LED封装中的光学分布问题20072008年1、解决新型LED汽车前照灯外型设计问题；2、LED汽车前照灯的光学、电路设计及测试方法研究；3、解决LED汽车前照灯散热结构、抗震结构设计及检测技术问题20082009年1、电气控制系统设计、可靠性评估及成本控制；2、产品定制及测试；3、进行整车应用、测试评估；组织鉴定和验收。三、项目完成情况我们在现有威乐汽车前照灯组合结构的基础上，制作了汽车前照灯的反光杯快速成型模型及LED汽车前照灯样灯。提出了热管散热器的导热、散热方式，仿真和测试结果表明能够起到较好的散热效果，并提出了今后散热方向的发展是智能散热。大功率LED驱动也关系大功率LED汽车前照灯具寿命和性能的关键部分，针对大功率LED的性能提出了合理的驱动，这个合理的驱动设计可以提高灯具的寿命和性能。图一为前照灯整灯照片。图一整灯照片1技术特征1.1总体性能所研制出的LED轿车前照灯灯样,近光灯光通量1000lm。3000小时内光衰 0.310趋黄极限: x 0.500趋绿极限: y 0.050 + 0.750 x趋红极限: y 0.382显色性：大于70/80热阻：Rth4K/W极限耐温值：145，保证可靠性ESD承受电压：2000V 图2 LED光源图3 LED光源光谱特性图4 LED光源 辐射分布1.3 光学结构远光灯：为了克服现有的汽车灯具不能直接将光源替换为LED光源的困难，将远光灯和位置灯组合在一起，既节省了空间，又能够满足远光灯对光通量的需要，且能实现较高效率。采用的技术方案是：在同一灯室中组合放置远光灯和位置灯，位置灯由8颗LED组成，每颗LED配有独立的反光碗，位置灯通过反射与直射光满足配光要求。位置灯下放为远光灯LED的散热体。远光灯的光源为多芯片封装大功率LED，采用侧面放光的方式，光源发光经自由曲面反射，光线全部反射汇聚以达到远光配光要求。这样，可以在有限的空间中同时放置远光灯和位置灯LED光源，同时又可满足LED对散热的要求，同时远光光源经自由曲面反射得到，在满足配光要求的同时有较高的光效。下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。图5是远光灯的机械结构图，图中1为框架，2为远光反射面，3为前位置灯反光面，4为位置灯LED，5为远光散热体，6为多芯片大功率LED。 具体实施方式框架（1）作为远光灯和位置灯共同的机械支撑并且起到密封作用。远光反射面（2）为自由曲面，表面为镜面，将多芯片大功率LED（6）发出的光反射汇集达到远光的配光要求。远光灯与位置灯之间由远光散热体（5）隔开，多芯片大功率LED（6）固定于散热体表面。位置灯LED（4）由8颗小功率LED组成，每个LED配有一个独立的位置灯反射面（4），位置灯LED（4）呈V字排列，左右对称。图5 远光灯的机械结构图1、 框架2、 远光反射面：自由曲面配光设计，可满足远光灯配光要求3、 前位置灯反光面：位置灯通过反射与直射光满足配光要求4、 位置灯LED5、 远光散热体6、 多芯片大功率LED：侧发光，光线全部反射汇聚达到准要求。近光灯：为了克服现有的汽车灯具不能直接将光源替换为LED光源的困难，采用多芯片大功率LED作为光源，采用多椭球反射面、挡板、透镜构成光学结构以已形成近光光型。技术方案：采用3个相同的光学单元叠加以实现足够的光通量。每个单元采用多椭球反射面将多芯片大功率LED光源发出的光进行汇聚，经挡板遮挡住部分光线以形成明暗截止线，光线再经透镜汇聚后得到近光灯所需光型。每一个单元配有散热底座，以保证LED对温度的要求。以LED光源实现了近光灯的配光要求，同时又可满足LED对散热的要求，提高了灯具寿命和效率。下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。图6是近光灯的机械结构图，图中1为衬框，2非球面透镜，3为挡圈，4为M4螺钉，5为挡板，6为M3螺钉,7为多椭球反光杯，8为M4螺钉，9为散热体，10为多芯片大功率LED，11为M2螺钉。图6 近光灯的机械结构图衬框（1）起到固定透镜（2）的作用，螺钉（4）配合挡圈（3）将透镜（2）固定于衬框之上。透镜为非球面透镜。挡板（5）一个边缘为Z字型，用以形成近光明暗截止线。挡板（5）通过螺钉（6）固定于多椭球反光杯（7）上。多椭球反光杯（7）与散热体（9）通过螺钉8进行固定。光源（10）固定在散热体（9）上，散热体（9）背面制作岐片，并留有通孔以便热管散热之用。多椭球反光杯（7）反光部分为多椭球反射面， 光源（10）位置处于多椭球反光杯（7）第一焦点附近。光线经光源发出，一部分光经反射面反射后与直射光经挡板形成明暗截止线，再经透镜后射出。透镜(2)位于多椭球反射面第二焦点附近。241.4散热结构：采用以热管为导热装置的散热结构，热管由管壳、吸液芯和端盖三个部分组成。将管内抽至较高的真空度后充以适量的工作流体，使得紧贴管内壁的吸液芯毛细多孔材料中充满液体后加以密封。主要是利用工作流体的蒸发与冷凝来传递热量（热管工作流体涵盖从低温应用的氦、氮，到高温应用的钠、钾等液态金属；较为常见的热管工作流体则有氨、水、丙酬及甲醇等），构造如图7所示。图7 热管构造图如图8所示，热管实现热量转移包含了以下六个相互关联的主要过程： (1)热量从热源通过热管管壁和充满工作液体的吸液芯传递到（液汽）分界面； (2)液体在蒸发段内的（液汽）分界面上蒸发； (3)蒸汽腔内的蒸汽从蒸发段流到冷凝段； (4)蒸汽在冷凝段内的汽液分界面上凝结；(5)热量从（汽液）分界面通过吸液芯、液体和管壁传给冷源；(6)在吸液芯内由于毛细作用使冷凝后的工作液体回流到蒸发段。 图8 热管热量转移图（1）近光灯散热结构采用热管散热器作为多芯片大功率LED光源的散热装置，将灯室内LED光源产生热量有效导出至灯室之外，并具有调节功能，能够进行近光灯光型的调节。图9所示为近光灯散热结构。图 9 近光灯散热结构1、 图中散热翅片2、 热管3、 热管固定体4、 调整齿轮组一5、 调整支座固定架一6、 散热基体7、 固定支座组8、 固定支座组固定架9、 条形封装LED10、 调整支座固定架二11、 调整齿轮组二具体实施方式调整齿轮组一、二，固定支座组把散热体与灯壳有效的连接，并可通过调整齿轮组把上下，左右调整近光光形。1，2，3为散热翅片组，翅片焊装在热管上，热管焊装在热管固定体上。4、5、.6、7、.8、9为散热基体组件。安装时先把散热基体组件装入灯壳内，然后把散热翅片组件从灯壳后部装入，通过螺钉固定。（2）远光灯散热结构如图10所示为远光灯散热机构图10 远光灯散热机构1、散热翅片2、热管3、热管固定体4、调整齿轮组一5、散热基体6、条形封装LED7、固定支架8、固定支座组9、调整齿轮组二具体实施方式调整齿轮组一、二，固定支座组把散热体与灯壳有效的连接，并可通过调整齿轮组把上下，左右调整近光光形。1，2，3为散热翅片组，翅片焊装在热管上，热管焊装在热管固定体上。4、5.6.7.8.9为散热基体组件。先把散热基体组件装入灯壳内，然后把散热翅片组件从灯壳后部装入，通过螺钉固定。图11 远光灯散热机构5、电源与控制1）、整体方案：选择MAXIM 16831作为驱动控制芯片，加外围电路组成驱动电源。 近光灯： 输入电压12V，低于8V自动关断；输出60V、700mA，高于70V自动关断；远光灯：输入电压12V，低于8V自动关断；输出45V、700mA，高于55V自动关断；注：根据之前做的LED驱动电路经验，不存在1颗管子失效而对其它管子的过压冲击问题。 优点：输入电压：6V76V，可满足近光灯电源工作电压要求及其保护要求； 可实现升压拓扑结构，符合汽车近光灯电源需求（输入电压12V，负载电压55.5V）； 具有模拟调光和PWM调光功能，方便实现控制功能； 就有输出过压、输入欠压、过热保护； 芯片工作温度范围-40125，能满足工作环境的需求。图12 驱动电路2）控制部分电流随温度实时控制：选用Epcos 10K、NTC、8052型、0603封装热敏电阻作为温度采集器件，用新华龙C8051F330型单片机作为控制芯片，实现温度的实时采集、显示，并根据采集的温度输出占空比可调的PWN信号，接驱动芯片的Dim脚，调节LED亮度。新华龙C8051F330型单片机自带10路A/D转换，可输出占空比可调的PWM信号，电路结构简单，工作温度-4085，适合汽车近光灯的温度采集、反馈控制。LED明、暗两档控制：用驱动芯片MAX16831的模拟调光功能实现图13 控制部分框图2 模拟与分析结果 对设计采用光学设计软件ASAP进行了了光学建模和仿真，测试屏幕在车灯前方25米处，仿真结果如下：2.1、远光灯配光曲线图14 远光灯配光曲线22、近光灯配光曲线图15 近光灯配光曲线2.3、转向灯配光曲线图16 转向灯配光曲线对于散热，采用ICEPACK散热分析软件进行了模拟，结果如下：图17 远光灯散热分析 图18 近光散热分析3工艺标准与检测方法目前，对LED车灯还没有正式的国际和国家标准。项目组同全国汽车标准号委员会合作，在对国内外相关车灯的标准法规的广泛研究的基础上，归纳总结了国内外标准对LED前照灯的技术要求，在此基础上，针对LED光源及车灯的技术特点，对L