美国能源部研制低功耗高亮度的LED重卡车灯

美国能源部有计划将8级重卡（毛重15吨以上）能耗降低50%以上。为了配合这一计划，Grote Industries公司的一个照明研究小组开发了一套低能耗、高亮度的LED头灯，可以直接安装，并配合原装白炽大灯所搭配的壳体和透镜。

本文引用地址：传统白炽大灯、卤素大灯和HID大灯的光源均为4π点光源，光向四周发射，即射向全球面，相比之下，LED属于2π光源，光向一个面发射，即半个球面，所以需要特殊的光学布置。另外LED头灯还需要额外的热管理系统，以确保LED光源的使用寿命。

能源部的重卡计划对照明用电量有严格限制，所以LED大灯的能耗成为了开发中最关键的指标。设计小组正好借此机会，尝试许多领先的光学和热学新技术。

该套LED大灯使用光反射的原理，LED位于反射镜之前，出射光线方向向后。出于效率、寿命、色温和可靠性的考虑，该套头灯采用多盏白光LED。研究对比了许多不同种类的大功率白光LED光源。近光灯采用一行四列布置的塑模LED。因为多个灯头需要多个塑模，所以这几个塑模干脆制成了一体，使得在日后安装时不用再浪费时间调整几个塑模之间的位置配合，可以直接在车辆前方获得边界清晰的光斑。

图1：LED头灯。其中可以看到LED支架，其作用是支承LED光源，使光线向后入射到反射镜上

LED热管理

LED从车辆索取的电能是普通白炽灯泡的三分之一，同时可以将20%的电能转为光能，和白炽灯泡3%到4%的转化率相比要高出不少，所以LED的发热量也仅相当于白炽灯泡的四分之一。

然而，LED的最大寿命要求LED二极管所处的环境温度不能高于400到425K。即便处在室温下，LED由于自身发热，温度很快就会升高到安全温度的3到4倍，并烧毁LED。所以，光源热管理系统的工作任务从针对白炽灯的材料抗高温性能转向了针对LED的材料高导热性能。

图2：LED头灯成品，上方是行车灯，下面是雾灯

常规头灯的照明装置一般都被密封在了一个大尺寸的塑料壳体内部。对于白炽灯来说，这种尺寸的却比较合适，但对LED则不然。因为如果热量没有被及时排出，多余热量将会积聚在壳体内部，引起升温。

热传导对灯具布置的要求有两条：一是反射镜和LED灯具的位置必须保证出射光线指向合适的方向，二是LED元件具有向外的导热路径。开发小组尝试了不同的导热手段。

首先，0号接地铜线被选为热导管。铜线一端连着LED尾部的铜棒，另一端连着散热片。散热片可以放在壳体内部，也可以作为灯罩背面的盖子，安置在灯罩背面的开口处。这种布置有两个缺点，一是铜线的导热能力小于LED尾部的铜棒的产热量，二是如果用减小铜线长度的方法减小热传导阻力，那么铜线的柔韧性就不能满足车灯的正常使用要求。

图3：装配LED大灯的卡车效果图

另一种方法采用金属球和球铰。但灯具的几何构造限制了这种方法的实现。但是因为头灯只做上下运动，两个互相滑动的金属薄片却可以满足要求。两个金属片的位置和光源的转动轴垂直，互相滑动，其中一个金属片与反射镜固定，另一个金属片与壳体上的散热片固定，导热面积满足使用要求。虽然该方案可行，但设计者担心金属薄片不能在LED整个寿命内都保持理想的接触状况，所以未被采用。

最后的方案采用两片平行的金属圆盘，中间用波形弹簧连接并起导热作用。内金属盘和LED的热导管连接，能随着LED光源的方向调整而移动。外金属盘占据了灯罩后方、用于更换白炽灯泡的盖子的位置。

图4：金属圆盘和导热用的波形弹簧

电子系统为带有热反馈功能的交换式电源。LED焊接在反射镜前方的电路板上。电路板上还有一个负温度系数电阻（NTC）。负温度系数电阻（NTC）给交换式电源提供温度信号作为反馈。交换式电源监控负温度系数电阻（NTC）的阻值，调节输送给LED的电流大小，确保在较高的环境温度下，LED不至于产热过多。完整的热学特性试验在文章发表之时还没有全部完成。

为了加快设计过程，开发人员特别改造了两套交换式电源用于试制。电路板外包裹了铝制外壳，放置于灯具壳体内部。

光学设计

光学设计的任务是为近光灯和远光灯设计合适的反射镜。原装近光灯反射镜尺寸为60毫米，设计人员在此基础上尝试使用稍复杂但尺寸更小的反射镜。因为LED是面光源，所以反射镜最好的形式为抛物线镜面。假设镜面延伸到抛物线的正焦弦，光源正对着抛物线的顶点，那么所有的出射光线都将成为受反射镜控制的有用光线。

当镜面宽度为抛物线正焦弦时，焦距和通径将具有固定的比例关系。如果反射镜开口大小给定，那么光源距反射镜上一点的最大距离等于开口大小的一半。如果光源尺寸给定，那么投射到空间中的最小的像（地面光斑）的尺寸由几何投影关系决定。

图5：灯罩盖子里面与波形弹簧相接触，外面与散热片相连，将内部热量向外传导

仿真结果显示，地面光斑尺寸过大，不符合法规要求，原因在于模糊不清的光斑边界间接增加了光斑的尺寸。远光灯的反射镜宽度为120毫米。为了把LED光源固定于抛物线焦点位置，LED必须用用支架架起来，同时给电线和导热铜线留出空间。支架经过简化，只保留两个垂直杆件，以减少同光线的干涉，并为尽可能粗的导热铜线留出空间，增加导热性能。

为了减小近光灯组的大小，地面投射的光斑尺寸也必须变小。它可通过两种方法实现，一是使用某种遮光措施，挡住部分光源，二是增加光源到反射镜的距离。采用遮挡，挡住了部分光线，却降低了电能使用率。如果给光源附加轴向转角或采用较小焦距的抛物线，将使得部分光线无序地射出，不会增加地面光斑的尺寸。旋转时，角度控制在90度以内，以便使得光线中以90度出射的光线的入射点正好处在抛物线（反射镜）的边界。从而在反射镜的两侧产生两个光源的虚像，光线从两个虚光源射出，成V字形。

亮度输出测量值

图6：使用12.8V电压时，LED大灯的电流节省情况

近光灯的光束能量测量值为387流明，相比LED输出值508流明，光学透镜效率达到76%。满足了75%的预计透镜效率和3.4%的预计总效率。如果LED能按预计输出550流明，那么总效率将达到5.3%。但LED光源输出的光束能量低于预期值。

远光灯的光束能量测量值为583流明，LED输出885流明。光学透镜效率为66%。光源的能量转化效率为6.5%，总效率为4.3%。

基于油耗减少量计算油费节省的方法有几种。它们使用的变量有运转时间、发电机效率、发动机效率等参数。根据不同的算法，安装LED大灯带来的油耗节省为每年3.8升到76升不等。

对于近光灯，LED效率比传统大灯提高了1.0到3.4个百分点，远光灯为2.0到4.2个百分点。虽然油费节省不足以挽回LED大灯较高的售价，但是LED的寿命更长，有利于减少车辆长期的使用成本。总地看来，LED大灯带来了更明亮的视野、更低的花费和更少的油耗。

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