LED车灯

定义

LED车灯指以发光二极管为光源的汽车灯具,既可以指整灯全部采用 LED 的前大灯,也可以指仅某一部分功能使用 LED 的车灯。按装车位置划分,它覆盖前照灯、雾灯、示位灯、转向灯、制动灯、日间行车灯以及顶灯、阅读灯、仪表照明灯等内外照明装置^[2]。当一辆车的前大灯所有光源均为 LED 时,业界称之为全 LED 大灯。

LED 是固态光源而非热辐射光源,其光色由半导体材料的能带结构决定。车用 LED 主要分为两类:四元系材料器件以红、黄光为主,多用于尾灯与制动灯;氮化镓(GaN)材料器件可发出白光或接近日光的光,用于车内照明、仪表背光乃至前照灯^[1]。

原理

LED 的核心是 p 型半导体与 n 型半导体结合形成的晶片,两者交界处构成 pn 结。正向偏压下,载流子被注入结区并发生复合辐射,光子能量决定发射光的颜色,光能再经封装结构向外传输。单颗器件功率有限,车灯通常由多颗 LED 按阵列或串并联方式组合,配合反射镜或透镜把各方向的光线整形为符合法规要求的光型。

整灯一般由灯罩、装饰件、LED 发光元件、控制模块、散热结构、调光结构与通气孔等部分组成,灯罩内外表面分别喷涂硬质与防雾涂层,灯内还放置防潮剂以平衡气压和湿度。灯具必须配用驱动电路,对车载电压做升降压与稳压处理,以恒定电流驱动 LED,驱动芯片通常内置过压、欠压与过温保护^[2]。

热量是设计中的关键约束。大功率 LED 工作时有相当比例的电能转为热能,主要散热路径为芯片管芯到基板、散热器再到周围空气,常用金属散热片、导热管与鳍片、风扇强制对流乃至液冷等方式强化散热。结温升高会使发光效率下降、色温漂移并缩短寿命,因此 LED 工作温度一般建议控制在 80 摄氏度以下^[3]。

发展历程

20 世纪 80 年代中期,LED 开始进入汽车,最初用于中央高位制动灯。1986 年,日产在 300ZX 车型上以 72 只直径 5 毫米的 LED 组成中央高位制动灯,被视为 LED 进入汽车领域的标志。90 年代,汽车仪表 LCD 面板的背光照明普遍改用这种固态光源。

进入 21 世纪,随着功率与亮度提升,LED 从信号灯扩展到前照灯。中国第一款 LED 车灯是上海汽车电子工程中心与上海小系车灯有限公司联合开发的桑塔纳 2000 型轿车高位制动灯,2000 年通过上海大众认证投产。有研究指出,2002 年美国照明研究中心已在概念车灯中试用高功率白光 LED,2005 年法国海拉展出了首个 LED 前照灯样灯^[4]。

2007 年前后,雷克萨斯 LS600h 等量产车型开始配备 LED 前照灯;2008 年奥迪在 R8 上实现全 LED 大灯量产,此后 LED 从豪华车逐步下探至中低端车型,渗透率快速提升。到 2024 年,中国市场乘用车前装标配 LED 前大灯的搭载率达到 81.3%。

应用

在信号灯与照明灯方面,LED 因响应快而被广泛用于制动灯。LED 从通电到达到设定亮度的时间约为 1 毫秒,白炽灯则需约 200 毫秒;以 100 公里时速行驶的车辆计算,这一差值可折算为约 7 米的制动距离差,有利于减少追尾^[1]。日间行车灯、转向灯、示廓灯、牌照灯以及车内顶灯、阅读灯等也普遍采用 LED^[2]。

在前照灯领域,矩阵式 LED 大灯把灯珠划分为多个可独立控制的像素,与只区分近光、远光的普通 LED 大灯不同,可借助摄像头识别前方车辆与行人,实时关闭对应区域而保持其他区域远光照明,从而实现无眩光远光与弯道照明。在此基础上,集成数万颗可独立控制微型像素的像素化光源可把车灯变成可编程终端,除自适应远光外还能向路面投影车道线、导航指示与行人警示等信息。由于光束可由电信号直接控制,自适应前照灯等功能无需再依赖电机驱动的机械结构^[4]。

局限

散热是 LED 车灯最主要的工程约束。LED 的发热集中在很小的芯片面积内,若热量不能及时导出,发光效率会明显衰减甚至损坏器件,因此设计上要限制结温,并需为灯具配置专门的散热结构^[3]。有研究以结温不超过 90 摄氏度作为前照灯设计目标,并指出维持结温在合理区间是整灯设计的首要难题。

单颗 LED 的光通量相对有限,要达到前照灯所需的上千流明输出,需使用多颗光源并配套定制光学系统,这使早期 LED 前照灯成本明显高于卤素灯与氙气灯^[3]。此外,LED 芯片制造技术门槛高,养晶过程对温度、湿度、供电与除尘要求严格,初期建厂投入大,是成本居高不下的原因之一^[3]。

散热与光学之外,驱动电路也是可靠性短板。LED 本身寿命可达数万小时,而驱动电路寿命通常远短于光源,因此驱动电路的可靠性往往决定整个灯具的使用寿命,设计时还要求输出电流纹波控制在平均电流的正负 10% 以内^[2]。LED 光输出会随温度和驱动条件变化,光衰与色温漂移需要在热设计中一并控制。

参见

• 发光二极管 —— LED 车灯所使用的发光器件,其 pn 结复合发光是整灯工作的基础。

• 卤素灯 —— 汽车灯具中曾被 LED 取代的传统热辐射光源。

• 氙气灯 —— 另一种气体放电式车灯光源,常与 LED 前照灯作对比。

• 自适应远光灯 —— 依托多颗可独立控制的 LED 像素实现无眩光远光的功能。

• 汽车前照灯 —— LED 车灯最主要的应用部件,对配光与亮度要求最严格。

• 散热器 —— 用于把 LED 芯片产生的热量导出,是 LED 车灯的关键结构件。