浅谈LED汽车前照灯行业发展实用教案

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1、 提提 纲纲一一绪论绪论(xln)三三二二LED汽车前照灯行业研发现状汽车前照灯行业研发现状LED汽车前照灯汽车前照灯发展预测发展预测第1页/共50页第一页，共50页。 绪论绪论(xln) 目录目录1汽车汽车(qch)前照灯发前照灯发展史展史342光源性能对比光源性能对比国内外国内外LED汽车前照灯研究现状汽车前照灯研究现状LED汽车前照灯现状总结汽车前照灯现状总结第2页/共50页第二页，共50页。一一 绪论绪论(xln)煤油灯乙炔(y qu)灯1903冷光源冷光源白炽灯1925卤素灯1959HID 1995LED灯 20071 汽车(qch)前照灯发展史非电光源非电光源电光源电光源第3页/共

2、50页第三页，共50页。一一 绪论绪论(xln)白炽灯卤素灯HID灯LED灯灯光效10 lm/w25 lm/w90 lm/w150 lm/w寿命100 h300 h3000 h几万几万 hLED响应(xingyng)速快(1ms内、白炽灯200ms)、抗震、体积小2 光源性能(xngnng)比较第4页/共50页第四页，共50页。一一 绪论绪论(xln)2 光源(gungyun)性能比较第5页/共50页第五页，共50页。 绪论绪论(xln)LED可见光波段，光效高，目前单颗功率不大，功率越小光效更高，启动方便，价格昂贵，光效提高空间大。放电光源光效较高，单颗功率大，小功率光效更低，高电压启动，目

3、前适合大范围照明。热光源，光效低，光谱成分与太阳光类似，视觉友好型光源，功率大小均可启动方便，便宜(biny)，适合大功率投影照明。由于光效太低应该逐步退出普通照明从节能角度，应该随LED性能提高，千流明价格下降而逐步取代其它光能。2 光源性能(xngnng)比较第6页/共50页第六页，共50页。一一 绪论绪论(xln)国外国外LED前照灯研究现状前照灯研究现状2007年年5月日本月日本(r bn)小糸和小糸和日亚化工研发的日亚化工研发的LED近光灯安近光灯安装在雷克萨斯装在雷克萨斯LS600Ch上上2008年奥迪年奥迪R8安装了安装了Lumileds和和Osram研发的全研发的全LED前照灯

4、。前照灯。2009年雷克萨斯年雷克萨斯RX450h、普锐斯、普锐斯、HS250h三款车安装了三款车安装了LED前照灯。前照灯。2011年奥迪年奥迪R8安装上安装上Philips的的LED光源作为前照灯。光源作为前照灯。2012年奥迪年奥迪A6、奔驰、奔驰CLS350、宝、宝马马6系列开始系列开始(kish)使用使用LED前照前照灯。灯。第7页/共50页第七页，共50页。一一 绪论绪论(xln)(xln)国内国内LEDLED前照灯研究现状前照灯研究现状吉林东光瑞宝车灯有限责任公司(n s)基于奔腾B50车型研制的LED前照灯3个近光灯2个远光灯工作温度90寿命(shumng)10000h以上第8

5、页/共50页第八页，共50页。一一 绪论绪论国内国内LEDLED前照灯研究前照灯研究(ynji)(ynji)现状现状 专利(zhunl) 截止2013年1月份申请及受理LED汽车前照灯相关专利(zhunl)18个。 其中： 配光器专利(zhunl)：3个 散热器专利(zhunl): 5个 整灯专利(zhunl)： 10个 国内无LED光源的核心技术。 国内LED汽车前照灯尚未得到(d do)应用。第9页/共50页第九页，共50页。一一 绪论绪论国内国内LEDLED前照灯研究前照灯研究(ynji)(ynji)现状现状GB25991-2010 汽车(qch)用LED前照灯一般要求规定(gudng)

6、了抗振性、散热性、高低温、电磁兼容、光束调节装置。LED前照灯和电子光源控制器的一般要求配光性能光色光源（光通量限值）显色性(红光成分）第10页/共50页第十页，共50页。一一 绪论绪论国内国内LEDLED前照灯研究前照灯研究(ynji)(ynji)现状现状LED前照灯的配光稳定性LED前照灯照度和色度温度稳定性LED前照灯塑料配光镜和塑料光学组件LED前照灯耐温度循环试验(shyn)LED前照灯极性反接和过电压GB25991-2010 汽车(qch)用LED前照灯第11页/共50页第十一页，共50页。一一 绪论绪论(xln)(xln)1.LED汽车前照灯最先在近光灯上得到应用(yngyng)

7、。2.LED汽车前照灯只在屈指可数的几款车上得到应用(yngyng)。 4 4 国内外国内外LEDLED前照灯现状前照灯现状(xinzhung)(xinzhung)总结总结第12页/共50页第十二页，共50页。 二二 LED汽车汽车(qch)前照灯行业研发现状前照灯行业研发现状1LED光源光源(gungyun)光光热电性能热电性能342LED汽车前照灯光学设计分析汽车前照灯光学设计分析LED汽车前照灯散热设计分析汽车前照灯散热设计分析总结总结(zngji)第13页/共50页第十三页，共50页。二二 LED汽车前照灯行业研发汽车前照灯行业研发(yn f)现状现状光机热要求机械系统精密(jngm)

8、稳定影响(yngxing)灯具尺寸大小光源封装类型影响散热效果收集效率底不利于散热过热影响LED光输出过热引起机械形变机械结构和材料影响系统散热光、热、机一体化设计光、热、机一体化设计第14页/共50页第十四页，共50页。1 LED光源光源(gungyun)性质性质 目前用于生长外延(wiyn)片的衬底材料有很多种，市场上应用最广泛的是蓝宝石( )，蓝宝石衬底的芯片按结构可分为倒装芯片和正装芯片，倒装芯片在光学性能、热学性能以及导电性能方面的优势使其在大功率照明中得到了应用。23Al O第15页/共50页第十五页，共50页。图1 a.正装芯片(xn pin)示意图图a为GaN基地的LED芯片，

9、芯片直接用导热硅胶结合在小尺寸反光碗或载片台上，光效受两个因素制约(zhyu)： 1.PGaN导电效率低，在P电极和PGaN之间加NiAu合金电流扩散层，太薄会影响电流均匀度，但厚度增加吸收的光也会增加。 2.蓝宝石导热能力差40 /w m K1 LED光源(gungyun)性质正装芯片第16页/共50页第十六页，共50页。 图b也为GaN基地的LED片，芯片直接(zhji)贴装到硅载体或PCB基板上，优点体现在： 1.用高反射率的金属作接触层提高了光的取出效率，采用0.12 um厚的Ag和Al对470520nm光的反射效率分别达96%和84%。 2.P-N结到硅底板的热阻小。 图1 b.倒装

10、(do zhun)芯片示意图1 LED光源(gungyun)性质倒装芯片第17页/共50页第十七页，共50页。热阻定义(dngy)：LED光源热阻： 001)1Ji pcbJi pcbPRPRnRPRRn（TRPLED热学(rxu)特性 1 LED 光源光源(gungyun)性质性质v 光通量与结温v 辐射波长与结温v 正向电压与结温v 正数常量 ，v 负数常量21()21)=)ejjKTTVjVjF TF T（21()()djdjTTtK21()()FjFjdVTVTtK KKdK第18页/共50页第十八页，共50页。温度(wnd)：25光源模块：1 LED 光源光源(gungyun)性质性

11、质结论：LED器件(qjin)之间无光子吸收现象LED模块特性第19页/共50页第十九页，共50页。2 LED汽车前照灯光汽车前照灯光(dnggung)学设计分析学设计分析前照灯反射式透镜成像式投影(tuyng)式配光系统分类第20页/共50页第二十页，共50页。直接通过反射器将光源直接通过反射器将光源(gungyun)的光强分布转化为的光强分布转化为所需光型，多重反射镜面属于反射式光学系统。所需光型，多重反射镜面属于反射式光学系统。反射式光学系统2 LED汽车(qch)前照灯光学设计分析第21页/共50页第二十一页，共50页。将光源的光强角分布在椭球反射器的焦平面将光源的光强角分布在椭球反射

12、器的焦平面(pngmin)内转换为空间分布，然后再将椭球反内转换为空间分布，然后再将椭球反射器的焦平面射器的焦平面(pngmin)上光强空间分布转换为上光强空间分布转换为所需光型。所需光型。透射(tu sh)式光学系统2 LED汽车(qch)前照灯光学设计分析第22页/共50页第二十二页，共50页。以非球面透镜或其他形式以非球面透镜或其他形式(xngsh)透镜，将光源放透镜，将光源放在透镜焦点，使准平行光束被转换成光型。在透镜焦点，使准平行光束被转换成光型。透镜(tujng)成像式光学系统2 LED汽车前照灯光(dnggung)学设计分析第23页/共50页第二十三页，共50页。2 LED汽车前

13、照灯光汽车前照灯光(dnggung)学设计分析学设计分析光学系统及光源选择计算光学元件参数软件仿真设计达到预期光度分布未达到预期光度分布加工样品并测试实验和仿真吻合实验和仿真存在较大差异设计成功分析原因分析原因第24页/共50页第二十四页，共50页。2 LED汽车前照灯光汽车前照灯光(dnggung)学设计分析学设计分析 LED前照灯光学设计属于非成像设计，关注的是辐射能量的传递效率及照度、光强、亮度的分布。 光学设计软件有美国(mi u)焦点软件的ZEMAX，美国(mi u)Lambda Research公司的TracePro， Optical R e s e a r c h A s s o

14、 c i a t e s 公 司 的 L i g h t To o l s ， 美 国 ( m i u)Breault Research Organization. Inc (BRO)公司的Advanced System Analysis Program（ASAP）等。 LightTools和TracePro偏重于非成像设计，Advanced System Analysis Program（ASAP）既可以做成像设计，也可以做非成像设计， ZEMAX偏重于成像设计。第25页/共50页第二十五页，共50页。3 LED汽车汽车(qch)前照灯散热设计分析前照灯散热设计分析热量传递方式热传导热辐射对

15、流(duli)散热基本(jbn)理论第26页/共50页第二十六页，共50页。3 LED汽车前照灯散热设计汽车前照灯散热设计(shj)分析分析热传导由于物体内部或物体之间温度差的存在，内部原子或者分子的热运动造成能量(nngling)由物体温度高的区域向温度底的区域传递，或者由高温物体向低温物体传递。各项同性的连续介质导热方程kzTjyTixTq)()()(zTzyTyxTxTc第27页/共50页第二十七页，共50页。3 LED汽车汽车(qch)前照灯散热设计分析前照灯散热设计分析热对流流体之间相互运动，低温流体与高温流体掺渗引起热量的传输。流体相对固体(gt)运动，温度差引起的能量交换称之为对

16、流换热。)(fwTThq导热与热对流同时存在流体与固体必须有直接接触和宏观运动(yndng)由于流体的粘性和受壁面摩擦阻力的影响，紧贴壁面处会形成速度梯度很大的边界层第28页/共50页第二十八页，共50页。3 LED汽车汽车(qch)前照灯散热设计分析前照灯散热设计分析热辐射高温物体以电磁波方式向外辐射能量的现象称作热辐射，热辐射引起能量传递的过程中，不需要发生能量传递的物体相互接触，真空中传递热量的速度最快。辐射散热的主要影响因素（1）物体本身的温度、表面辐射特性；（2）物体的尺寸、几何形状及相对(xingdu)位置。()wfqh TT()wfqh TT()wfqh TT第29页/共50页第

17、二十九页，共50页。3 LED汽车汽车(qch)前照灯散热设计分析前照灯散热设计分析1 自然散热 不同材料(cilio)的散热片 不同结构的散热片2 主动散热 风冷 水冷 半导体制冷3 热管散热第30页/共50页第三十页，共50页。3 LED汽车汽车(qch)前照灯散热设计分析前照灯散热设计分析自然(zrn)散热散热能力与散热器形状和散热材料有关系统稳定(wndng) 无额外功率损耗第31页/共50页第三十一页，共50页。3 LED汽车汽车(qch)前照灯散热设计分析前照灯散热设计分析风冷风冷散热就是在灯具设计的时候加上风扇把热量从散热器上带走，散热器表面的气流速度越大表面对流(duli)换热

18、系数越大，当气流速度到达一个数值后再增大空气流速散热效果就不会有显著提高，这个值由灯具和环境条件决定。虽然风扇成本不高，但风扇的体积、功耗、寿命以及工作时产生的噪音必须考虑第32页/共50页第三十二页，共50页。3 LED汽车汽车(qch)前照灯散热设计分析前照灯散热设计分析液冷液冷散热主要由散热板、热交换器、贮液池和泵用连接管构成回路，冷却板和LED芯片封装模块的背光面相连，泵用来驱动工作液体，工作液体把冷却板上的热量带到热交换器上，再通过热交换器散失到周围环境中。其形状根据灯具结构决定(judng)，工作液体要求粘度小、密度小，这种液冷散热结构复杂、体积大、有额外功耗。有的灯具可以把贮液池

19、安装在比芯片位置低的地方，就不需要泵。第33页/共50页第三十三页，共50页。3 LED汽车汽车(qch)前照灯散热设计分析前照灯散热设计分析半导体散热半导体散热器是根据特殊半导体热电效应制作的散热器件，散热器可以做成片状。直流电经过(jnggu)P型半导体时吸收热量形成冷端，在N型半导体上释放能量形成热端，冷端可以安装LED光源。半导体散热器可靠性高，体积小。第34页/共50页第三十四页，共50页。3 LED汽车汽车(qch)前照灯散热设计分析前照灯散热设计分析热管散热热管散热无需额外功率损耗，是目前LED光源散热研究的热点。国内在LED汽车前照灯热管散热方面申请的专利比较多，大多是汽车灯具

20、公司(n s)的专利，实用性强。申请专利的公司(n s)有天津市汽车灯厂、常州星宇车灯股份有限公司(n s)、江苏洪昌科技股份有限公司(n s)等， Lan Kim等人研究热管散热效果，在25环境中，能把18.1W的白光LED光源结温降低到59.75。第35页/共50页第三十五页，共50页。4 总结总结(zngji)1 前照灯为多光源及多配光元件组成的灯具系统。2 配光功能与散热功能分离，每个光源模块配有单独散热器。3 灯具系统体积庞大，没能充分发挥LED光源优势。 LED光源有自身优势，也有其不足(bz)，LED前照灯必须克服其不足(bz)，充分发挥其优势，在科技上更上一个台阶。第36页/共

21、50页第三十六页，共50页。三三 LED汽车汽车(qch)前照灯发展预测前照灯发展预测 光 学 热 学紧凑型LED前照灯第37页/共50页第三十七页，共50页。三三 LED汽车前照灯发展汽车前照灯发展(fzhn)预测预测紧凑型LED汽车(qch)前照灯1.多芯片集成的大功率LED光源模块(m kui)。2.LED光源模块(m kui)的芯片采用倒装封装方式。3.光学透镜作为散热器的一部分，同时要有高的光能利用效率。4.散热器性能稳定，散热能力强，占用空面体积小。第38页/共50页第三十八页，共50页。三三 LED汽车前照灯发展汽车前照灯发展(fzhn)预预测测液体(yt)热传导系数高、粘度小、

22、凝固点低、光吸收率小、化学性质稳定液体(yt)封装LED远光灯设计方案第39页/共50页第三十九页，共50页。三三 LED汽车汽车(qch)前照灯发展预测前照灯发展预测液体(yt)封装LED远光灯设计方案1300lm的白光LED光源光强分布(fnb)光谱分布第40页/共50页第四十页，共50页。三三 LED汽车汽车(qch)前照灯发展预测前照灯发展预测液体(yt)封装LED远光灯照度分布入射光通量： 1130.28lm光能利用效率：86.94%第41页/共50页第四十一页，共50页。三三 LED汽车汽车(qch)前照灯发展预测前照灯发展预测EmaxHV点HV点至1125R或LHV点至2250R

23、或L国标要求480.8Emax246仿真结果56.1456.1449.9723.50液体(yt)封装LED远光灯仿真结果（单位lx）第42页/共50页第四十二页，共50页。三三 LED汽车汽车(qch)前照灯发展预测前照灯发展预测远光灯样品(yngpn)光源(gungyun)液体封装LED远光灯设计第43页/共50页第四十三页，共50页。三三 LED汽车汽车(qch)前照灯发展预测前照灯发展预测EmaxHV点HV点至1125R或LHV点至2250R或L国标要求480.8Emax246仿真结果56.1456.1449.9723.50样品测试54.171.0854.171.0846.940.972

24、5.600.60液体封装LED远光灯照度(zho d)分布（单位lx）第44页/共50页第四十四页，共50页。三三 LED汽车汽车(qch)前照灯发展预测前照灯发展预测热阻定义(dngy)：LED光源热阻： LED光源热阻：12/W001)1Ji pcbJi pcbPRPRnRPRRn（TRP光源(gungyun)热阻第45页/共50页第四十五页，共50页。三 LED汽车(qch)前照灯发展预测1 仿真结果和样品测试(csh)结果均达到汽车用LED前 照灯GB2599-2010要求2 仿真结果和样品测试(csh)结果基本吻合造成仿真(fn zhn)结果和样品测试结果存在差异的原因：（1）仿真(

25、fn zhn)设计忽略远光灯玻璃壳厚度（2）远光灯样品的玻璃外壳顶部过于平坦（3）样品光源的位置与仿真(fn zhn)光源位置存在差异第46页/共50页第四十六页，共50页。三 LED汽车(qch)前照灯发展预测光学光学(gungxu)(gungxu)散热散热光源发光效率透镜散热能力(nngl)透镜光能传递效率光源耐热性能散热材料散热结构结构精密稳定展展望望机械机械第47页/共50页第四十七页，共50页。3 LED汽车(qch)前照灯发展预测 从2001年起我国汽车年销量保持20%的增长速度， 2011年销售量达到1853.34万辆，成为世界上最大的汽车市场，国内自主品牌的汽车大多是低端产品，要考虑长远的发展必须(bx)开发高端产品，发展自己的品牌，前照灯是汽车很重要的零部件。 节能与环保型汽车是将来的发展方向，2012年7月国务院颁发了2012-2020节能与新能源汽车产业发展规划，节能是其中的一个要点，LED是第四代照明冷光源，在很多方面都优于传统的光源，是节能型汽车的首选光源。 LED前照灯得到广泛应用前提是充分发挥LED光源优势，突起自身特色，走紧凑型前照灯路线。第48页/共50页第四十八页，共50页。谢谢 谢谢 ！第49页/共50页第四十九页，共50页。Company Logo感谢您的观看(gunkn)！第50页/共50页第五十页，共50页。