LED汽车头灯的设计要点

1、LED汽车头灯的设计要点摘要：LEED对于于消费者者而言并并不陌生生，已经经广泛的的应用于于车上，依依照不同同的效能能需求选选择适当当的LEED产品品，LEED相较较于传统统光源除除了外型型不同外外，效能能输出与与光型输输出亦大大不相同同，应用用于头灯灯时将面面临光学学设计与与散热设设计等不不同于传传统灯具具之设计计概念。然然而也因因其不同同于传统统光源之之特性，当当与车体体成功整整合克服服技术难难题后，将将为车型型开创崭崭新的设设计概念念。车上的LEEDLEED已经经广泛的的应用于于车内的的相关照照明或指指示用光光源，由由图1可可知，从从车内的的仪表板板灯、车车顶灯、化化妆灯、迎迎宾灯等等，

2、到车车外的尾尾灯、前前后转向向灯、倒倒车灯、第第三刹车车灯等都都可见到到LEDD的相关关应用。图1 车上上的LEED应用用资料来来源：TToyoota Gossei从从LEDD的应用用历史来来看，早早在19992年年时已经经有LEED应用用于第三三刹车灯灯上的先先例；而而在20000年年时则进进一步的的应用于于尾灯、转转向灯与与刹车灯灯；到了了20002年AAudii A88率先将将LEDD光源置置于前置置灯具内内作为日日行灯，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。在在之后的的许多国国际车展展上都可可以看到到LEDD作为前前照灯源源的概念念车，如如图2所所示。图2 LEED

3、头灯灯概念车车资料来来源：DDetrroitt Auuto ShoowLEED先天天上就具具有体积积小的优优势，应应用于前前置灯具具时更可可缩小整整组灯具具的体积积，进一一步让出出宝贵的的引擎空空间与其其它相关关设备，以以现有的的卤素灯灯泡或是是放电式式灯泡设设计的灯灯具总长长约3000mmm，而在在许多概概念车的的设计上上，LEED灯具具只有1125mmm长。而而藉由体体积小的的优势，更更可以配配合设计计多款不不同的造造型设计计，进而而为车体体造型创创造不同同的视觉觉观感，跳跳脱传统统灯具的的圆形设设计。不同需求的的LEDD封装应应用随着着应用层层面的不不同，车车厂也选选用不同同的LEED光

4、源源封装对对应不同同的环境境要求，依依需求亮亮度不同同可简单单分为指指示用、照照明用与与投射用用三种不不同需求求。指示示用光源源可见于于第三刹刹车灯、尾尾灯组(尾灯、刹刹车灯、转转向灯等等)、侧侧灯等，其其光源输输出流明明值低，所所需功率率低，约约在700mW2000mW，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

5、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，除除了树脂脂类材料料封装外外尚需利利用金属属块将热热导出以以维持出出光效率率，其热热阻维持持在155K/WW以下；而投射射用光源源则是光光源封装装亮度需需求最高高者，其其应用产产品以前前照系统统(远灯灯、近灯灯、雾灯灯等)为为主，其其单体封封装需在在4W以以上，而而在热阻阻上需小小于5KK/W，以以确保在在引擎室室的高温温下能维维持散热热能力，并并保持光光源输出出效率在在可用的的范围内内。 不同的应用用层

6、面，其其总亮度度需求也也随之不不同，以以内部照照明而言言大约需需要800流明的的亮度，一一般选用用表面黏黏着型(SMTT)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。以以第三刹刹车灯而而言大约约需要330lmm的亮度度，一般般选用炮炮弹型的的封装结结构(=5mmm)，单单体封装装亮度约约4流明明，效率率可达220440lmm/W。而尾灯组对于亮度需求约300500lm，一般选用1W的SMT封装结构，单体封装亮度约1020lm，效率可达1540lm/W。以上都是已经应用于车体的光源，而目前LED厂与车厂正积极合作，试着将LED导入前照系统(头灯、雾灯)中，其中车厂对

7、于头灯的亮度需求约2000流明的白光，LED厂目前则应用高瓦数的SMT LED封装架构，每单体封装可输出100200lm，效率预期提高至50100lm/W。目前使用于车上的灯源可区分为白炽灯泡、卤素灯泡、气体放电式灯泡与LED光源，其比较如图4所示。LED在头头灯的设设计开始始着手设设计头灯灯之前，应应先考虑虑法规上上的相关关规定，包包括光型型亮度，环环境测试试，亮度度衰减等等需求，进进一步考考虑相关关光学设设计，机机构设计计，耐热热设计与与电控设设计等细细节，对对于LEED而言言，光学学设计的的考虑除除了反射射罩设计计之外，尚尚需考虑虑LEDD本身的的出光光光型，不不同的封封装型态态将产生生

8、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，散散热重点点落在整整个头灯灯腔体的的均温设设计而非非灯泡的的散热，但但在头灯灯材料的的选择上上则需考考虑是否否可承受受来自灯灯泡的高高温(头头灯腔体体约承受受1000的温温度，雾雾灯腔内内温度可可高至3300)，所所以在此此选用的的材料一一般都以以耐热材材为主；然而对对于LEED而言言，其光光子释放放来自

9、于于PN接接口的能能阶跳动动，与温温度呈现现负相关关，温度度越高则则光源输输出越弱弱，因此此散热成成为LEED作为为光源设设计的重重要课题题。图5 欧盟盟法规中中的近光光灯光型型光学设设计时先先考虑法法规需求求，讨论论视角与与强度关关系，以以近灯为为例须针针对其特特殊的115度扬扬角设计计，如图图5所示示。在传传统的灯灯具设计计上由先先期的利利用反射射罩配合合透镜刻刻纹作角角度与强强度的控控制，演演变成为为利用反反射罩直直接控制制强度角角度，也也发展出出利用成成像方式式的鱼眼眼透镜设设计法。不不论何种种的设计计方式都都须先考考虑选用用光源的的特性，特特别是角角度与强强度的光光型输出出(Beea

10、m pattterrn)，对对传统的的光源而而言，大大多为柱柱状光源源，可产产生类似似蝴蝶外外型的光光型输出出，进而而发展出出来与之之搭配的的透镜、反反射罩、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，可可将光源源分为八八大类，如如图6 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输

11、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，所所以在现现有的概概念车上上，都以以模块化化光学设设计取代代既有的的单一灯灯室设计计，利用用多组灯灯源达到到传统灯灯具的照照明水平平，除了了降低光光学设计计的难度度，也增增加车体体造型的的设计感感。图6 头灯灯设计相相关技术术资料来来源：HHellla图7 LEED光源源设计资资料来源源：Heellaa散热设设计是LLED光光源区别别于传统统光源的的课题之之一。传传统灯具具产生的的热远高高于LEED，但但传统灯灯具不会会因为高高温而降降低其光光源输出出能力，但但LEDD的光输输出却会会随着

12、本本身接口口(Juuncttionn, PPN接口口)温度度的升高高而下降降，如图图8所示示。而其其产生的的热如何何散除到到外界环环境与其其封装结结构材料料息息相相关，牵牵涉到使使用的散散热材料料与相关关外型，关关系如图图9所示示，其中中热阻的的概念，代代表输入入W功率率时，需需要提高高多少KK温度才才足以散散热。以以现有的的封装技技术最高高可允许许LEDD操作在在1855(LLumiiledd K22)，但但一般因因为封装装胶材的的关系，可可允许的的操作温温度约在在1255，除除了考虑虑光源输输出效率率之外，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 接口口温度

13、对对光源输输出的影影响资料料来源：Lummileed引擎擎室的温温度在灯灯具附近近最高可可到855，配合合Lummileed KK2可有有1000的散热热空间，但但若配合合一般的的LEDD则只有有40的散热热空间，观观察相关关热阻，RR_Juuncttionn-Sllug、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)、散散热结构构外型设设计、主主被动散散热考虑虑与外部部环境等等条件。因因此在此此处应该该与机构构进行相相关模拟拟设计，取取得灯具具在引擎擎

14、室内的的流场与与温度条条件后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，包包括震动动、粉尘尘、腐蚀蚀与湿气气等严苛苛环境。 图9 封装装与散热热热阻关关系资料料来源：LummileedLED在头头灯应用用上遭遇遇的难题题LEDD应用于于头灯上上在许多多的车展展上各家家车厂都都有展示示相关的的概念车车，但在在头灯部部分尚未未看见有有成品出出现，仍仍有需多多问题尚尚待解决决。其中中主要问问题应在在于亮度度输出、散散热问题题与误差差设计。头灯的亮度需求近灯900流明，远灯1100流明，整体需求2000流明，约是Lumiled生产40颗1W封装体Luxeon emitter在25的总光源输出，但当其外界温度升高至50时，其效率将降至80%以下，且其光源输出面积约90_2(气体放电式灯泡约13_2)，设计难度亦随之提升。在LED产业中，应对磊晶造成芯片的不均匀而发展出所谓的分类销售的过程，特别是高瓦数的芯片在LED产业上是全检出货，依照波长亮度进行分类，也因此封装后的个体存在着细微的差距，此差距可能存在于亮度、色温或是可靠度上