LED汽车头灯的设计要点

1、LED汽车头灯的设计要点摘要：LED对于消费者而言并不陌生，已经广泛的应用于车上，依照不同的效能需求选择适当的LED产品，LED相较于传统光源除了外型不同外，效能输出与光型输出亦大不相同，应用于头灯时将面临光学设计与散热设计等不同于传统灯具之设计概念。然而也因其不同于传统光源之特性，当与车体成功整合克服技术难题后，将为车型开创崭新的设计概念。车上的LLEDLLED已已经广泛泛的应用用于车内内的相关关照明或或指示用用光源，由图11可知，从车内内的仪表表板灯、车顶灯灯、化妆妆灯、迎迎宾灯等等，到车车外的尾尾灯、前前后转向向灯、倒倒车灯、第三刹刹车灯等等都可见见到LEED的相相关应用用。图1 车车上

2、的LLED应应用资料料来源：Toyyotaa Gooseii从LEED的应应用历史史来看，早在119922年时已已经有LLED应应用于第第三刹车车灯上的的先例；而在220000年时则则进一步步的应用用于尾灯灯、转向向灯与刹刹车灯；到了220022年Auudi A8率率先将LLED光光源置于于前置灯灯具内作作为日行行灯，开开启了设设计师与与工程师师们在前前置灯具具的想象象空间。在之后后的许多多国际车车展上都都可以看看到LEED作为为前照灯灯源的概概念车，如图22所示。图2 LLED头头灯概念念车资料料来源：Dettroiit AAutoo ShhowLLED先先天上就就具有体体积小的的优势，应用

3、于于前置灯灯具时更更可缩小小整组灯灯具的体体积，进进一步让让出宝贵贵的引擎擎空间与与其它相相关设备备，以现现有的卤卤素灯泡泡或是放放电式灯灯泡设计计的灯具具总长约约3000mm，而在许许多概念念车的设设计上，LEDD灯具只只有1225mmm长。而而藉由体体积小的的优势，更可以以配合设设计多款款不同的的造型设设计，进进而为车车体造型型创造不不同的视视觉观感感，跳脱脱传统灯灯具的圆圆形设计计。不同需求求的LEED封装装应用随随着应用用层面的的不同，车厂也也选用不不同的LLED光光源封装装对应不不同的环环境要求求，依需需求亮度度不同可可简单分分为指示示用、照照明用与与投射用用三种不不同需求求。指示示

4、用光源源可见于于第三刹刹车灯、尾灯组组(尾灯灯、刹车车灯、转转向灯等等)、侧侧灯等，其光源源输出流流明值低低，所需需功率低低，约在在70mmW2200mmW，产产生的热热量对于于封装体体影响较较小，因因此在封封装上会会忽略此此热量造造成的影影响，而而直接利利用树脂脂类材料料包覆整整体以进进行封装装，而因因为树脂脂的热传传导系数数低(WW/mKK)，所所以其相相关热阻阻会因散散热不易易而升高高至5002000K/W；而而照明用用光源其其封装功功率会相相对提高高，除了了可应用用于指示示用光源源类的产产品之外外，亦可可用于亮亮度要求求较高的的日行灯灯、雾灯灯、前方方向灯等等，但也也因为损损耗功率率增

5、加(功率约约在15W)，散热热部分不不能如指指示光源源般不考考虑散热热问题，除了树树脂类材材料封装装外尚需需利用金金属块将将热导出出以维持持出光效效率，其其热阻维维持在115K/W以下下；而投投射用光光源则是是光源封封装亮度度需求最最高者，其应用用产品以以前照系系统(远远灯、近近灯、雾雾灯等)为主，其单体体封装需需在4WW以上，而在热热阻上需需小于55K/WW，以确确保在引引擎室的的高温下下能维持持散热能能力，并并保持光光源输出出效率在在可用的的范围内内。 不同的应应用层面面，其总总亮度需需求也随随之不同同，以内内部照明明而言大大约需要要80流流明的亮亮度，一一般选用用表面黏黏着型(SMTT)

6、的封封装，单单体封装装约2流流明输出出，效率率可达115220lmm/W。以第三三刹车灯灯而言大大约需要要30llm的亮亮度，一一般选用用炮弹型型的封装装结构(=55mm)，单体体封装亮亮度约44流明，效率可可达200400lm/W。而而尾灯组组对于亮亮度需求求约30005500llm，一一般选用用1W的的SMTT封装结结构，单单体封装装亮度约约1020llm，效效率可达达1540llm/WW。以上上都是已已经应用用于车体体的光源源，而目目前LEED厂与与车厂正正积极合合作，试试着将LLED导导入前照照系统(头灯、雾灯)中，其其中车厂厂对于头头灯的亮亮度需求求约20000流流明的白白光，LLE

7、D厂厂目前则则应用高高瓦数的的SMTT LEED封装装架构，每单体体封装可可输出11002000lm，效率预预期提高高至5001000lmm/W。目前使使用于车车上的灯灯源可区区分为白白炽灯泡泡、卤素素灯泡、气体放放电式灯灯泡与LLED光光源，其其比较如如图4所所示。LED在在头灯的的设计开开始着手手设计头头灯之前前，应先先考虑法法规上的的相关规规定，包包括光型型亮度，环境测测试，亮亮度衰减减等需求求，进一一步考虑虑相关光光学设计计，机构构设计，耐热设设计与电电控设计计等细节节，对于于LEDD而言，光学设设计的考考虑除了了反射罩罩设计之之外，尚尚需考虑虑LEDD本身的的出光光光型，不不同的封封

8、装型态态将产生生不同的的光型输输出，进进一步将将影响反反射罩或或成像透透竞的要要求，与与传统头头灯设计计需考虑虑不同灯灯泡(HH1、HH4、HH7、HH11等等)类似似。在传传统的头头灯设计计上，灯灯泡本身身的光子子释放来来自加热热钨灯丝丝，不会会因自身身发出的的热或来来自引擎擎室的高高温而影影响亮度度输出，散热重重点落在在整个头头灯腔体体的均温温设计而而非灯泡泡的散热热，但在在头灯材材料的选选择上则则需考虑虑是否可可承受来来自灯泡泡的高温温(头灯灯腔体约约承受1100的温度度，雾灯灯腔内温温度可高高至3000)，所以以在此选选用的材材料一般般都以耐耐热材为为主；然然而对于于LEDD而言，其光

9、子子释放来来自于PPN接口口的能阶阶跳动，与温度度呈现负负相关，温度越越高则光光源输出出越弱，因此散散热成为为LEDD作为光光源设计计的重要要课题。图5 欧欧盟法规规中的近近光灯光光型光学学设计时时先考虑虑法规需需求，讨讨论视角角与强度度关系，以近灯灯为例须须针对其其特殊的的15度度扬角设设计，如如图5所所示。在在传统的的灯具设设计上由由先期的的利用反反射罩配配合透镜镜刻纹作作角度与与强度的的控制，演变成成为利用用反射罩罩直接控控制强度度角度，也发展展出利用用成像方方式的鱼鱼眼透镜镜设计法法。不论论何种的的设计方方式都须须先考虑虑选用光光源的特特性，特特别是角角度与强强度的光光型输出出(Bee

10、am pattterrn)，对传统统的光源源而言，大多为为柱状光光源，可可产生类类似蝴蝶蝶外型的的光型输输出，进进而发展展出来与与之搭配配的透镜镜、反射射罩、挡挡板、透透镜等光光学组件件。而利利用LEED作为为光源设设计灯具具时，需需重新考考虑其光光学特性性由传统统的柱状状光源变变为平面面光源(不同的的封装设设计有不不同的光光型输出出)，进进而搭配配外部的的光学组组件而产产生不同同组合以以应用于于不同产产品，依依照德国国车灯大大厂HEELLAA的设计计分类，可将光光源分为为八大类类，如图图6 所所示。LLED目目前的单单位面积积发光量量尚不及及卤素灯灯泡与放放电式灯灯泡，想想得到相相同的流流明

11、输出出，LEED需要要较大的的封装面面积。随随着光源源输出面面积的增增加，光光学设计计的难度度也随之之提升，所以在在现有的的概念车车上，都都以模块块化光学学设计取取代既有有的单一一灯室设设计，利利用多组组灯源达达到传统统灯具的的照明水水平，除除了降低低光学设设计的难难度，也也增加车车体造型型的设计计感。图6 头头灯设计计相关技技术资料料来源：Hellla图7 LLED光光源设计计资料来来源：HHellla散热热设计是是LEDD光源区区别于传传统光源源的课题题之一。传统灯灯具产生生的热远远高于LLED，但传统统灯具不不会因为为高温而而降低其其光源输输出能力力，但LLED的的光输出出却会随随着本身

12、身接口(Junnctiion, PNN接口)温度的的升高而而下降，如图88所示。而其产产生的热热如何散散除到外外界环境境与其封封装结构构材料息息息相关关，牵涉涉到使用用的散热热材料与与相关外外型，关关系如图图9所示示，其中中热阻的的概念，代表输输入W功功率时，需要提提高多少少K温度度才足以以散热。以现有有的封装装技术最最高可允允许LEED操作作在1885(Lummileed KK2)，但一般般因为封封装胶材材的关系系，可允允许的操操作温度度约在1125，除了了考虑光光源输出出效率之之外，亦亦考虑封封装胶材材的变质质(树脂脂类材料料在高温温有老化化现象)。图8 接接口温度度对光源源输出的的影响资

13、资料来源源：Luumilled引引擎室的的温度在在灯具附附近最高高可到885，配合合Lummileed KK2可有有1000的散热热空间，但若配配合一般般的LEED则只只有400的散热热空间，观察相相关热阻阻，R_Junnctiion-Sluug、RR_Sllug-Boaard都都决定于于封装体体，对设设计者而而言只能能针对RR_Booardd-Ammbieent努努力，其其中包括括如何将将封装体体固定于于散热基基板上(接着质质量)、散热结结构外型型设计、主被动动散热考考虑与外外部环境境等条件件。因此此在此处处应该与与机构进进行相关关模拟设设计，取取得灯具具在引擎擎室内的的流场与与温度条条件后

14、再再考虑所所需的散散热模式式，若选选用被散散动热得得需要较较大的散散热空间间，对引引擎是而而言是不不小的负负担，若若选用主主动式散散热，虽虽然所需需散热环环境较小小，但因因为增加加了风扇扇等可动动件，反反而需考考虑此可可动件可可否通过过车灯上上的相关关法规，包括震震动、粉粉尘、腐腐蚀与湿湿气等严严苛环境境。 图9 封封装与散散热热阻阻关系资资料来源源：LuumilledLED在在头灯应应用上遭遭遇的难难题LEED应用用于头灯灯上在许许多的车车展上各各家车厂厂都有展展示相关关的概念念车，但但在头灯灯部分尚尚未看见见有成品品出现，仍有需需多问题题尚待解解决。其其中主要要问题应应在于亮亮度输出出、散

15、热热问题与与误差设设计。头头灯的亮亮度需求求近灯9900流流明，远远灯11100流流明，整整体需求求20000流明明，约是是Lummileed生产产40颗颗1W封封装体LLuxeeon emiitteer在225的的总光源源输出，但当其其外界温温度升高高至500时，其效率率将降至至80%以下，且其光光源输出出面积约约90_2(气气体放电电式灯泡泡约133_2)，设计计难度亦亦随之提提升。在在LEDD产业中中，应对对磊晶造造成芯片片的不均均匀而发发展出所所谓的分分类销售售的过程程，特别别是高瓦瓦数的芯芯片在LLED产产业上是是全检出出货，依依照波长长亮度进进行分类类，也因因此封装装后的个个体存在在着细微微的差距距，此差差距可能能存在于于亮度、色温或或是可靠靠度上。然而应应用LEED于头头灯时