小尺寸、低功耗、快速导通时间、使用寿命长、外表美观,使高亮度发光二极管HB-LED在汽车照明中的应用日益增多。它可以提升汽车的安全性,优化汽车设计,提高汽车档次。现在很多汽车已部分采用LED灯,推出汽车所有外部灯都采用LED灯的概念车;各种新颖智能化的LED车灯五彩缤纷,正逐步取代白炽灯,成为汽车的标准照明。LED车灯成为耀眼的汽车电子产品。
汽车照明LED特性
对汽车而言,LED的低功耗和高可靠长寿命颇具吸引力。例如,典型的LED平均无故障工作时间MTBF为10万小时,大大超过白炽灯寿命要满足3000小时的规定,甚至超过汽车寿命,可长久地将LED嵌入到汽车照明光源的灯具中;低功耗可减少汽车燃料的消耗;白光LED显色指数达到85%的光学指标,管芯尺寸小,为照明模块的设计款式提供更大的灵活性。汽车照明灯具对LED的性能要求较高,主要有四点:一是高效、大功率、高可靠(-40℃~125℃);二是电学、光学参数的稳定性、一致性要好,同一批产品的阀值电压不一致性小于0.1V,单色性好,色差小于5nm;三是LED在136V经2000小时(直流下工作)点亮实验后,其发光强度衰减要小于20%;四是提高性价比,其单位流明成本如表1所示。
白光和高亮度蓝光LED灯的售价昂贵,阻碍了其市场大幅推广。更重要的是芯片发光效率不高、光衰与封装的取光效率、热阻等仍然是LED进入汽车照明成本过高和照明效果欠佳的技术问题,这需要对其关键技术及材料进行连续性突破方能真正解决。尤其是白光LED更需要有10倍的改善,产生足够的每瓦流明数lm/w,成本性能比降低到10美元/千流明以下。
尽管汽车厂商在车内采用常规的氮化物LED,但行驶灯、前照灯、转向灯、侧灯、车头灯等照明则要求更高的超高亮度UHB-LED。为满足汽车应用的最佳性能,LED灯个性化、艺术化、智能化系统控制发展也非常迅速,驱动电路必须适应汽车电源总线,具体值要根据LED颜色和亮度应用的要求确定。表3示出大电流白光LED的典型正向电压和驱动电流。而刹车灯等应用则需要多达8个串联的LED串,其工作电压为21V至39V,并提供恒定电流以保持一致亮度(或1000:1总可调光)、高转换效率的LED驱动器。目前,LED汽车灯具的研发重点和研发方向是LED前照大灯以及LED车灯与自适应性车灯控制系统AFSC相结合,高效、大功率、高可靠的LED研发、车灯与特殊散热技术和光学、电学的设计是关键。
中央高位刹车灯
红光HB-LED在汽车后灯方面的应用越来越多,最流行的一直是中央高位刹车灯CHMSL,至少50%的汽车装有基于LED的CHMSL。据报道亚洲车型为80%左右,欧洲车型为60%,在刹车灯上的作用举足轻重,包括更快达到设定亮度、更高的效率、更长的使用寿命,以及很细小的红光LED阵列更易于设计和安装。LED在低于1ms的时间内即可达到设定亮度,相比之下,白炽灯要花费200ms时间才能达到设定亮度,LED的CHMSL启动快,可避免一些交通追尾事故的发生,一辆以100Km/h行驶的汽车若安装LED的CHMSL,它的刹车距离可以减少7m。与白炽灯相比,LED灯的功耗可降低80%,从而降低汽车的燃料消耗。LED灯的使用寿命超过汽车,因此无须更换维修。除CHMSL外,一些汽车(如奥迪A6、别克)以及一些摩托车开始采用LED灯取代白炽灯,作为主刹车灯或转向指示信号灯。
车尾组合灯
LED灯在汽车上的应用已突破CHMSL范围,在灵巧的车尾灯方面有很大发展,推出用于综合标明车尾、转向、停车指示、应急、倒车功能的LED车尾组合灯LED-RCL。估计今后5年内,安装有显示刹车状态的LED-RCL的汽车将普及。这种显示系统能根据地面状况和汽车行驶状况做出一些反映,例如,自动启动警示灯,扩大刹车灯的照亮面积,驱动非对称LED串的闪亮CHMSL。预测近期内,装有LED车尾组合灯将对汽车照明市场掀起某些热潮。
照明LED模块
研发出数种在汽车内部采用各种类型LED的“标准内置”照明模块,有些是单个的大电流LED,这些应用包括顶灯、地图灯、后备箱照明灯、门槛灯、水坑灯,导航及仪表背光照明等;另一些应用则需要LED阵列,中功率的LED新产品系列主要用于汽车的车外照明,表面贴装中功率PLCC-LED的发光功率可达1W或1W以上,用于车内照明、通用照明以及信号灯,也可用于车外照明的CHMSL,前后转向灯。新型6引脚、有效期长的汽车照明LED模块上市,在单一封装中内置红、绿、蓝多个LED管芯,热阻低,这款照明模块集内部与外部照明特性于一体,有助于增强汽车的色彩和设计总体效果。
白昼行驶灯
采用欧斯朗大功率白光Golden DRAGON系列LED,设计出直线形白昼行驶照明灯DRL,尺寸较小,可安装于汽车头灯模块中。该白光系列LED工作电流为350mA,发光亮度在20~40mcd之间,正常工作环境下的寿命为5万小时,新奥迪A8的前灯安装了5只Luxeon的LED,可产生350Lm的光通,满足昼行灯的照明要求,但仍不能符合近光灯和远光灯的照明要求。Lumileds公司宣布对其Luxeon大功率LED进行重新设计,新产品更适合于照明灯具的组装,最高结温185℃,防潮性能改善,寿命更长。汽车产业界表示车头灯将需要15只至50只LED才能满足必要的功能需要,且车灯必须符合有关规定,即只根据光密度区分的近光灯和远光灯必须产生350到1000Lm的光通。
UHB技术达到的亮度是HB-LED的100倍,与现有的白炽灯相比,一个由9只UHB-LED灯构成的汽车头灯耗能更少,利用9个分立的光源且允许进行射束调制,可独立地控制亮度的强弱,或使光束集中,并使亮度成倍增加,这是白炽灯目前所不可能实现的,UHB-LED最终会在汽车头灯到室内和室外照明的所有领域与白炽灯、荧光灯竞争。
目前,仅有美国允许在汽车前灯中使用LED,福特Shelby GR-I车的头灯上采用欧斯朗UHB-LED(据称能产生50Lm/W的效率,提供光源。另一种SUV车的所有外部灯都采用LED,
即前灯、尾灯、雾灯、刹车灯、前后转向灯、倒车灯和CHMSL均使用LED,并有一个安装在驾驶者顶部的巨大的前LED探照灯,令人刮目相看。欧洲和日本也将跟随这一趋势,预计到2007年欧洲会允许在近光灯上使用LED,LED车灯将在普通车中得到应用。
汽车照明LED市场
LED在车内照明市场取得相当大的成就,许多汽车制造商将LED融入最新车型设计和制造中,LED灯十分抢眼,2002年汽车用HB-LED市场为3.32亿美元,市场份额占18%,预计到2007年照明市场的年增长率高达44%。大功率及UHB-LED在汽车外部照明方面得到很好的认可,从汽车电子巨大市场需求中获得发展机会,这些市场包括汽车的前灯和后灯系统。在今后的新车型中将涌现大量LED照明,同时也给LED行业带来很多挑战。
外部的车灯用UHB-LED及大功率LED,市场已起步,预测在今后4年内将以72%的年度组合增长率CAGR增长,到2009年白光HB-LED市场将达9000万美元。LED业界前五大巨头:美国Cree、Lumileds、德国欧斯朗、日本日亚、丰田合成等少数公司拥有UHB-LED专门技术,制定出大功率发展路线图,主要市场应用包括平板显示背光、汽车前灯、通用照明、移动通信,各个应用场合有不同的产品系列。根据iSuppli的报告,2004年HB-LED的总销售额达到27亿美元。
2004年6月,国内启动发展半导体照明器件的国家项目,突出强调的首先是要从应用市场启动,尤其是从特种应用市场启动,否则将失去一定的市场依托,由此促进汽车LED灯的发展。推出除前照大灯外的全套LED车灯的别克君威,2004年启动25项LED车灯的研发,2005年的研发预计超过30项,其中特别重要的是丰田、通用、奇瑞等整车生产厂商提出4个车型7种LED信号灯的需求,LED在汽车上的应用也突破CHMSL范围,进入一个发展新阶段,近年内形成10亿元产值,今后5年内将达到30亿元/年的市场规模。在大功率LED芯片方面,国内厂家与国际水平尚存较大差距,美国Lumileds、德国欧斯朗以高品质多品种占大部份市场,国欧斯朗积极在南昌开拓LED市场。国内有关厂家应对LED芯片外形、表面粗糙化、衬底剥离、封装等极为重要的技术抓紧研发,大力创新推进才是上策。
LED进入照明领域,并大量普及应用是个总的目标,被认为会滋润汽车照明市场,而这些市场和技术的成熟度可能尚需花费数年时间。有市场就有魅力。