LED灯在汽车照明系统中的应用研究

LED灯在汽车照明系统中的应用研究

摘 要：作为汽车行驶必不可少的安全部件，汽车照明系统在汽车主动安全方面至管重要，80 年代后期伴随高亮度发光二级管技术的出现，led灯在汽车照明系统中的全面应用成为可能。led灯以其响应时间快、发光效率高、色温好、耗电量低、寿命长等优势在逐渐取代其它汽车光源。led灯与汽车afs 技术的联合应用，使汽车照明系统更加完善。

关键词：led灯 汽车照明系统 应用 afs 技术

汽车照明系统从无到有，大致分四个阶段：钨丝白炽灯、卤钨灯、高强度气体放电灯、led灯，led灯从20世纪80年代进入汽车照明系统以来，已其众多优势，在迅速推广，本文重点讲了其工作原理，以及目前在国际汽车市场上的推广应用情况，并介绍了其与afs系统结合，可大大提高汽车主动安全性能。

一、汽车照明系统的发展过程

1885 年，德国工程师卡尔·本茨研制出世界上第一台汽车，并迅速发展。但是，在夜间或照明不足的区域行驶时，因没有照明装置，遇到了很大困难，由此在十九世纪80 年代研制了第一盏汽车前照灯——悬挂式汽灯，1912 年研制了第一款电气前照灯。

早期汽车前照灯用的是钨丝白炽灯，在车辆日益增多、车速不断提高的情形下，钨丝白炽灯亮度已远远不够，接着又研制出了亮度更高的卤钨前照灯、高强度气体放电前照灯，并出现近光灯、远光灯、前雾灯等多个灯种。 随着汽车工业的发展，道路上车辆越来越多，光有前照灯已不行，还要转向、停车，由此诞生了制动灯、转向灯、后雾灯等一系列灯种，大大降低了夜晚行车追尾和车辆转弯时相撞的可能性。

据统计，50% 的伤亡事故发生在夜间，夜晚或自然光线不足的情况下发生的交通事故占总事故的25%。

因此，为提高汽车主动安全性能，越来越多的新技术被逐渐应用到汽车灯具中，主要有led技术和前照灯afs 技术。

二、led灯的特点

1.led灯的工作原理

led 是一种场致发光光源，它是将电能直接转化为光能的半导体器件。led 发光原理是在p-n 结两端上加正向电压，则p 区中空穴会流向n 区； n 区的电子会流向p 区。随着电子空穴对的复合放出能量，其中一部分能量转化为热，另一部分能量转化为光。

2.2发光效率高，节能环保

白炽灯的发光效率为15 lm /w，节能灯泡为60-70 lm /w ，卤钨灯为70-80lm /w，氙气灯为80-90 lm /w，led灯为100-120lm /w、目前实验室已达到了180lm /w，而且led 灯将绝大部分的能量转化为光能，热量损失掉的仅仅是一小部分。据估计， 用led 取代卤素灯能提升整车的mpg 指标（ 每加仑燃油的行驶英里数） 约0.25。目前欧洲已实施车辆在白天行驶必须开灯的法规， 更可把mpg 提升约0.5。可见led 灯提高了整车燃油经济性，节能环保。

2.3比较好的耐用性 led灯元件结构简单，抗冲击性、抗震性较好，不易损坏，能够很好地适应各种环境。

2.4色温好、具有防炫目功能

白色led灯光源色温在5500k～6000k，比氙气光源（ 4000k） 更接近自然光（4800k～6000k）。这样的光线使得驾驶者不会因光线而感到炫目和疲劳。

2.5光束集中，更易于控制，且不需要用反射器聚光，有利于减小灯具的深度（见图2）。

2.6低耗电量

led灯达到传统灯泡同等的发光亮度时，耗电量仅为传统灯泡的6%，省电节油。

2.7寿命长

目前用在汽车上的led灯，基本上都能达到50000小时的水平，而好的led灯寿命能达到100000小时，换算一下，相当于11年。考虑到灯的使用频率，基本上在整车的设计寿命里，led灯都不需要更换。相比之下，氙气灯的寿命仅为3000小时左右。

2.8体积小、紧凑，便于布置和造型设计

这是led灯的一个巨大优势，这一优势可以打破过去照明装置系统对造型创新的束缚，让我们拥有更具创意、更活灵活现的汽车照明装置系统。

三、led灯在汽车照明系统中的应用

20 世纪60 年代led灯问世，80 年代后期伴随高亮度发光二级管技术的出现，led灯在车外照明系统的应用成为可能。90年代，led 的材料开发不断演进，1991 年开发出了以磷化铝镓铟（ingaalp）为原料的四元素高亮度led灯，在技术上，为汽车照明系统的led 化铺平了道路。

目前，国际上的许多高档轿车，如奥迪、奔驰、宝马等等，都纷纷推出装配有各式靓丽 led 照明系统的新款式轿车来吸引顾客，普通车也紧跟其后在配装led 照明系统。led 灯在汽车上作为雾灯、牌照灯、倒车灯、制动灯、转向灯、示位灯、示廓灯等的应用也日臻成熟，本文不再详述，下面详述其在大灯上的具体应用：

1.奥迪： led大灯的首先普及者

对于奥迪而言，led前大灯已经成了他们设计理念的一部分，上至r8和a8，下至a3，奥迪车系使用led大灯的车型阵营是目前最庞大的。奥迪车基本上已成为led大灯的代言人。

奥迪的a8、a6车型上的几款全led大灯多采用的是多透镜结构，

led元件也动辄以数十颗计算。不过，他们的远光灯都使用了反射式结构。

最让人感到高兴的是，奥迪已经把全led照明系统普及到了a3这一级别的车型上，虽然大灯看起来远没有它的兄长们那般复杂，但是在实用性和功能方面都毫不逊色。

2.宝马：无新鲜感的统一led大灯

宝马的led大灯比起奥迪来，显得更加朴实，x6m、6系以及改款7系等车型上配备的全是led大灯，他们的led元件被布置在大灯反光碗的顶部，从正常的角度很难看到光源，只有你处于一个仰视大灯的角度时，才能看到灯碗内“天花板”上的led元件。

3.奔驰：亮相惊艳

奔驰在照明系统方面似乎不如奥迪那般充满活力，但是实力很强，cls的前大灯就是奔驰对led大灯的一次成功试探。

automotive lighting公司为奔驰cls开发的led大灯应该算是透镜型大灯的一个标杆，它的近光灯采用了一个能够左右或上下转动的透镜灯头，使led大灯也能够和目前的自适应氙气大灯一样，轻松实现弯道照明、高度自动调节等等功能。

奔驰曾经用概念车csc证明自己在大灯设计方面实力雄厚，并曾惊艳登场。但是量产的奔驰a级车却没在大灯设计上留下多少精髓。

在cla级之后亮相的新e级车的大灯设计也颇具争议，经典的“四眼”设计只剩led行车灯勾勒出的轮廓。但是从视觉效果上来看，全led大灯的设计还是很成功的。接下来奔驰的新s级、新c级等众多新车都将陆续亮相，e级大灯的设计使人们对新车型有了更多期望。

4.其他品牌也在跟进

越来越多的汽车品牌开始安装全led大灯，即将上市的新一代蒙迪欧便是众多新加盟车型中的一员，它将使用法雷奥valeo提供的led大灯，不仅造型精练，能耗也只有26瓦，其水平仅相当于普通大灯的50%。

在设计方面一直走精进路线的起亚也已经紧跟其后：其在全新的k9上，已经配上了一双硕大的led大灯，相信现代也会很快在量产车上跟进。

led大灯的时代已经开始，之前仅属于高端车型的配置已经开始出现在价格更低的车型上，比如即将上市的蒙迪欧、新奥迪a3、高尔夫7等等。相信随着led照明系统成本的进一步下降，主流的紧凑车型甚至小型车都将配备led大灯照明系统。

四、led灯 与afs 系统的联合应用

afs系统是提高驾驶安全性的前照灯系统，能使驾驶员更好地适应各种速度、道路类型和天气条件的变化。其工作原理为：当汽车进入特殊的道路状况（如弯道）时，由于方向盘和速度发生变化，角度传感器和速度传感器传输到电控单元ecu的信号就相应发生变化。ecu捕捉到这些信号变化，同时判断车辆进入了哪种道路情况，并发出相应的指令给前照灯的控制单元，控制单元根据收到的指令操控装在afs灯体内部的微电机带动发光三要素绕相应的旋转轴旋转，从而在非常规路面及天气下行驶时，改变照明方式，提供更好的安全保障。

传统汽车前照灯输出近光和远光两种功能的光束，且每种光束分布模式均呈静态分布，具体的光照分布也都符合国家标准。但在实际应用中，此系统射出的光束范围是有限的，在一些较为复杂的路况下（如转弯）极易产生视觉盲区。另外，传统汽车前照明系统不具备自动调整光束分布的功能，近光光束和远光光束之间的变换需驾驶员手动操作实现，这样在来往车辆频繁的行车环境下，车辆之间容易产生眩目光。

随着白光led技术的发展和汽车造型的需求，汽车前部位置越来越低且呈流线型，为前照灯预留的空间越来越小。为了满足汽车照明系统智能化和人性化的需求，afs系统与led灯的结合已经成为现代汽车前照灯设计的发展趋势。

led 前照灯与afs 系统的结合，具有传统光源无法比拟的一些优点。led 前照灯能利用光点阵列来组合出前照灯的主动式照明功能，实现光照射方向随转向角度而变化的主动安保功能，而无需采用任何运动部件。这种变化也符合并体现了当代汽车的设计理念——机械装置逐渐被全电装系统所取代。

同一组led 阵列既可以作为前照灯的光源，也可同时用于转向灯，只是在发挥不同照明功能时采用各自的光学镜罩。作为一般的转向灯，只须在车身两侧布置led 阵列，再加上简单的开关功能即可。而要发挥智能前照灯的主动安保作用，让前照光束随车辆的转向轨迹总是同步地照亮车前的道路，则需要布置较多的光源点阵并采取更复杂的光点电控，按照转向输入来控制光点阵列的明暗组合，从而同步改变前照灯光束的射向，实现车辆在各种非常规下的盲点照明。

这种与afs 系统的结合优势，将使led 照明系统在车辆照明领域取代其他传统光源，成为历史的必然选择。

五、结语

自上世纪80 年代起，led 凭借可靠性强、使用寿命长、响应速度快、体积小便于设计等优点，在汽车外部照明领域得到越来越广泛的应用。进入二十一世纪后，led 技术发展迅猛，尤其是近几年在光输出及散热方面的一些突破，使led得以应用于前照灯，并与afs 系统结合，成为汽车照明技术发展的新宠。这种发展，在汽车时尚设计、提高主动安全方面都具有非常重要的现实意义。

参考文献

[1] 周建平.汽车电气设备构造与维修[m].北京：人民交通出版社，2010.5，83-86.

[2] 傅剑华.李文强.周华 [j]，照明与工程学报，2010.6月，第三期：64-69页.

[3] 照明技术与设计.前景广阔 任重道远——第四代光源：led灯.2009.11总第32期.

[4] 汽车之家：http//：

作者简介：李向东，男，清华大学工程硕士，高级工程师，长期从事汽车维修与教学工作。