美國能源部研制低功耗、高亮度的LED重卡車(chē)燈

美國能源部有計劃將8級重卡（毛重15噸以上）能耗降低50%以上。為了配合這一計劃，Grote Industries公司的一個(gè)照明研究小組開(kāi)發(fā)了一套低能耗、高亮度的LED頭燈，可以直接安裝，并配合原裝白熾大燈所搭配的殼體和透鏡。

傳統白熾大燈、鹵素大燈和HID大燈的光源均為4π點(diǎn)光源，光向四周發(fā)射，即射向全球面，相比之下，LED屬于2π光源，光向一個(gè)面發(fā)射，即半個(gè)球面，所以需要特殊的光學(xué)布置。另外LED頭燈還需要額外的熱管理系統，以確保LED光源的使用壽命。

能源部的重卡計劃對照明用電量有嚴格限制，所以L(fǎng)ED大燈的能耗成為了開(kāi)發(fā)中最關(guān)鍵的指標。設計小組正好借此機會(huì )，嘗試許多領(lǐng)先的光學(xué)和熱學(xué)新技術(shù)。

該套LED大燈使用光反射的原理，LED位于反射鏡之前，出射光線(xiàn)方向向后。出于效率、壽命、色溫和可靠性的考慮，該套頭燈采用多盞白光LED。研究對比了許多不同種類(lèi)的大功率白光LED光源。近光燈采用一行四列布置的塑模LED。因為多個(gè)燈頭需要多個(gè)塑模，所以這幾個(gè)塑模干脆制成了一體，使得在日后安裝時(shí)不用再浪費時(shí)間調整幾個(gè)塑模之間的位置配合，可以直接在車(chē)輛前方獲得邊界清晰的光斑。

圖1：LED頭燈。其中可以看到LED支架，其作用是支承LED光源，使光線(xiàn)向后入射到反射鏡上

LED熱管理

LED從車(chē)輛索取的電能是普通白熾燈泡的三分之一，同時(shí)可以將20%的電能轉為光能，和白熾燈泡3%到4%的轉化率相比要高出不少，所以L(fǎng)ED的發(fā)熱量也僅相當于白熾燈泡的四分之一。

然而，LED的最大壽命要求LED二極管所處的環(huán)境溫度不能高于400到425K。即便處在室溫下，LED由于自身發(fā)熱，溫度很快就會(huì )升高到安全溫度的3到4倍，并燒毀LED。所以，光源熱管理系統的工作任務(wù)從針對白熾燈的材料抗高溫性能轉向了針對LED的材料高導熱性能。

圖2：LED頭燈成品，上方是行車(chē)燈，下面是霧燈

常規頭燈的照明裝置一般都被密封在了一個(gè)大尺寸的塑料殼體內部。對于白熾燈來(lái)說(shuō)，這種尺寸的卻比較合適，但對LED則不然。因為如果熱量沒(méi)有被及時(shí)排出，多余熱量將會(huì )積聚在殼體內部，引起升溫。

熱傳導對燈具布置的要求有兩條：一是反射鏡和LED燈具的位置必須保證出射光線(xiàn)指向合適的方向，二是LED元件具有向外的導熱路徑。開(kāi)發(fā)小組嘗試了不同的導熱手段。

首先，0號接地銅線(xiàn)被選為熱導管。銅線(xiàn)一端連著(zhù)LED尾部的銅棒，另一端連著(zhù)散熱片。散熱片可以放在殼體內部，也可以作為燈罩背面的蓋子，安置在燈罩背面的開(kāi)口處。這種布置有兩個(gè)缺點(diǎn)，一是銅線(xiàn)的導熱能力小于LED尾部的銅棒的產(chǎn)熱量，二是如果用減小銅線(xiàn)長(cháng)度的方法減小熱傳導阻力，那么銅線(xiàn)的柔韌性就不能滿(mǎn)足車(chē)燈的正常使用要求。

圖3：裝配LED大燈的卡車(chē)效果圖

另一種方法采用金屬球和球鉸。但燈具的幾何構造限制了這種方法的實(shí)現。但是因為頭燈只做上下運動(dòng)，兩個(gè)互相滑動(dòng)的金屬薄片卻可以滿(mǎn)足要求。兩個(gè)金屬片的位置和光源的轉動(dòng)軸垂直，互相滑動(dòng)，其中一個(gè)金屬片與反射鏡固定，另一個(gè)金屬片與殼體上的散熱片固定，導熱面積滿(mǎn)足使用要求。雖然該方案可行，但設計者擔心金屬薄片不能在LED整個(gè)壽命內都保持理想的接觸狀況，所以未被采用。

最后的方案采用兩片平行的金屬圓盤(pán)，中間用波形彈簧連接并起導熱作用。內金屬盤(pán)和LED的熱導管連接，能隨著(zhù)LED光源的方向調整而移動(dòng)。外金屬盤(pán)占據了燈罩后方、用于更換白熾燈泡的蓋子的位置。

圖4：金屬圓盤(pán)和導熱用的波形彈簧

電子系統為帶有熱反饋功能的交換式電源。LED焊接在反射鏡前方的電路板上。電路板上還有一個(gè)負溫度系數電阻（NTC）。負溫度系數電阻（NTC）給交換式電源提供溫度信號作為反饋。交換式電源監控負溫度系數電阻（NTC）的阻值，調節輸送給LED的電流大小，確保在較高的環(huán)境溫度下，LED不至于產(chǎn)熱過(guò)多。完整的熱學(xué)特性試驗在文章發(fā)表之時(shí)還沒(méi)有全部完成。

為了加快設計過(guò)程，開(kāi)發(fā)人員特別改造了兩套交換式電源用于試制。電路板外包裹了鋁制外殼，放置于燈具殼體內部。

光學(xué)設計

光學(xué)設計的任務(wù)是為近光燈和遠光燈設計合適的反射鏡。原裝近光燈反射鏡尺寸為60毫米，設計人員在此基礎上嘗試使用稍復雜但尺寸更小的反射鏡。因為L(cháng)ED是面光源，所以反射鏡最好的形式為拋物線(xiàn)鏡面。假設鏡面延伸到拋物線(xiàn)的正焦弦，光源正對著(zhù)拋物線(xiàn)的頂點(diǎn)，那么所有的出射光線(xiàn)都將成為受反射鏡控制的有用光線(xiàn)。

當鏡面寬度為拋物線(xiàn)正焦弦時(shí)，焦距和通徑將具有固定的比例關(guān)系。如果反射鏡開(kāi)口大小給定，那么光源距反射鏡上一點(diǎn)的最大距離等于開(kāi)口大小的一半。如果光源尺寸給定，那么投射到空間中的最小的像（地面光斑）的尺寸由幾何投影關(guān)系決定。

圖5：燈罩蓋子里面與波形彈簧相接觸，外面與散熱片相連，將內部熱量向外傳導

仿真結果顯示，地面光斑尺寸過(guò)大，不符合法規要求，原因在于模糊不清的光斑邊界間接增加了光斑的尺寸。遠光燈的反射鏡寬度為120毫米。為了把LED光源固定于拋物線(xiàn)焦點(diǎn)位置，LED必須用用支架架起來(lái)，同時(shí)給電線(xiàn)和導熱銅線(xiàn)留出空間。支架經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化，只保留兩個(gè)垂直桿件，以減少同光線(xiàn)的干涉，并為盡可能粗的導熱銅線(xiàn)留出空間，增加導熱性能。

為了減小近光燈組的大小，地面投射的光斑尺寸也必須變小。它可通過(guò)兩種方法實(shí)現，一是使用某種遮光措施，擋住部分光源，二是增加光源到反射鏡的距離。采用遮擋，擋住了部分光線(xiàn)，卻降低了電能使用率。如果給光源附加軸向轉角或采用較小焦距的拋物線(xiàn)，將使得部分光線(xiàn)無(wú)序地射出，不會(huì )增加地面光斑的尺寸。旋轉時(shí)，角度控制在90度以?xún)?，以便使得光線(xiàn)中以90度出射的光線(xiàn)的入射點(diǎn)正好處在拋物線(xiàn)（反射鏡）的邊界。從而在反射鏡的兩側產(chǎn)生兩個(gè)光源的虛像，光線(xiàn)從兩個(gè)虛光源射出，成V字形。

亮度輸出測量值

圖6：使用12.8V電壓時(shí)，LED大燈的電流節省情況

近光燈的光束能量測量值為387流明，相比LED輸出值508流明，光學(xué)透鏡效率達到76%。滿(mǎn)足了75%的預計透鏡效率和3.4%的預計總效率。如果LED能按預計輸出550流明，那么總效率將達到5.3%。但LED光源輸出的光束能量低于預期值。

遠光燈的光束能量測量值為583流明，LED輸出885流明。光學(xué)透鏡效率為66%。光源的能量轉化效率為6.5%，總效率為4.3%。

基于油耗減少量計算油費節省的方法有幾種。它們使用的變量有運轉時(shí)間、發(fā)電機效率、發(fā)動(dòng)機效率等參數。根據不同的算法，安裝LED大燈帶來(lái)的油耗節省為每年3.8升到76升不等。

對于近光燈，LED效率比傳統大燈提高了1.0到3.4個(gè)百分點(diǎn)，遠光燈為2.0到4.2個(gè)百分點(diǎn)。雖然油費節省不足以挽回LED大燈較高的售價(jià)，但是LED的壽命更長(cháng)，有利于減少車(chē)輛長(cháng)期的使用成本?？偟乜磥?lái)，LED大燈帶來(lái)了更明亮的視野、更低的花費和更少的油耗。