A review on light-emitting diode based automotive headlamps

1. Introduction

The headlamp is a lamp attached to the front of an automobile to provide the driver the visual range while overcome the light glare of oncoming vehicle when driving at night or in obscured light conditions. The headlamp is typically considered as one of the most important safety devices on automobiles. It is reported that about 40% of fatal accidents is happened during night, and declared that the diminished visual performance is the major contributor [1,2]. Regularly, for a headlamp a thousand of lumen light output is required, which is converted from the electric energy of the battery charged by the automobile engine. Although the headlamp working time is only 25% of a day [3], the additional energy consumption or the operating cost of the headlamp cannot be omitted. For example, about 55 billion liters of gasoline and diesel or 66 billion USD costs are spent annually in operating the headlamp [4]. As reported by the U.S. Department of Energy [5], the electrical-to-optical power efficiency of LED luminaires is up to 30%, and it will surpass the 50%, meanwhile, the efficiency of the traditional ones is only 5% for halogen or 20% for xenon respectively. If the LED headlamps can replace all the traditional ones, the automobile will minimize the fuel consumption for the automotive lighting to 10%, and lead to a reduction of CO ₂ emission by about 1–3 g/km [6].

Since the high power white GaN-based light-emitting diode (LED) has been invented in the 1990s [7], its application in the concept headlamp dates back to 2002 by Lighting Research center, USA [8]. There have been numerous attempts due to its longer lifetime, lower power demand, faster response time, more visual flexibility and closer to daylight color than the conventional light resources such as halogen and xenon lamps [9–13]. The first LED headlamp prototype is demonstrated by Hella cooperation, France in the 2005 [14], and recently, the commercial LED headlamp can be seen in such as LS600h [15]. Adaptive light beams can be realized by the simple electrical control in the LED headlamp rather than the mechanical control with motors in traditional headlamps. Besides, the LED headlamp also has a function of the visual light communication (VLC) [16], where the data can be transferred by modulating the LED output light. Therefore the LED headlamp is a hot topic in the current automotive industry.

However, the LED headlamp is still not in volume production. The reasons lie in the existing challenges in design and verification of the LED headlamp [17–19]. On one hand, the LED headlamp has a higher power density than signaling lamp [20], on the other hand, the operating environments and the regulated requirements of the LED headlamp are tougher than the general LED lighting such as street lighting [21]. Fortunately, the achievements of the general LED lighting [4,5] provide a clue to deal with these challenges.

In recent years, the electrical–optical–thermal physical issues of LED headlamps have been highlighted, and the unique features of the LED headlamp have been continuously addressed by many proposed design methods involving the thermal dissipation, the optical process, the electrical driver and the material structure, as well as the efficiency, cost, lifetime and reliability. Some of them, especially the thermal issue [22], investigated in certain literatures, reach a better design performance, but most of these attempts focus on a single physical field or unit of the LED headlamp. To the authorsrsquo; knowledge, systematical and up-to-date review of the LED headlamprsquo;s progress is not found at present. To address the above point, this review tries to generalize the studies of the LED headlamp and summarize its technical achievements systematically; some important fundamentals of the LED headlamp are described firstly, then the status of the LED headlamprsquo;s design and verification are explored respectively, next, the development trends are illustrated, and a conclusion is drawn finally.

5. Trends of the LED headlamp

Due to the digital and all-color available characteristics of the LEDs, the LED headlamp might have the ability of communication as well as integration of human factors in the future. The development trend of the LED headlamp with the visual light communication (VLC) function has been increasingly speed up by researchers. The VLC function means that the LED headlamp can perform the function of car-to-anything technology [92] while main- taining the original forward lighting function by modulating the LED output light with a kHz or higher switch frequency to transfer data without sacrificing the quality of beam patterns. For example, LED-IT fusion technology research center from the Yeungnam university, republic of Korea [93], demonstrated a vehicular car-to-car VLC system based on prototype LED headlamp, where the inverse 4-PPM scheme with 75% dimming is used, and it has 10k bps data rate in about 20 m distance at day time [16]. With the wide implement of the intelligent transportation system (ITS) in road safety applications [94,95], the LED headlamp with the VLC function will open up new ways to improve the active safety. However, the VLC of LED headlamp just stay at a start-stage, and currently, the communication performance is difficult to be reliably used in practical environments [94]. There are still many technique and non-technique challenges including: how to improve the signal-to-noise ratio, transmission distance, as well as the data rate. It is also an issue worthy of study whether the fast-pulse-out light can improve the potential safety, which is similar to the low frequency considered in IEEE 1789. The other development trend of the LED headlamp is that the output light beam, including patterns and spectrum distributions, is integrate

基于发光二极管的汽车前大灯的研究

1.介绍

前照灯是连接到汽车前部的灯，为驾驶员提供视觉范围，同时在夜间驾驶或在光线昏暗的条件下克服迎面而来的车辆的眩光。前照灯通常被认为是汽车上最重要的安全装置之一。据报道，约40%的致命事故发生在夜间，并宣称视觉性能下降是发生事故的主要原因。通常，一盏前照灯需要一千流明的光输出，这是由汽车发动机充电的电池的电能转化而来的。虽然前照灯的工作时间只有一天的25%，但其额外的能源消耗和运行成本是不能忽略的。例如，大约550亿升的汽油和柴油或660亿美元的成本每年花在经营前大灯。据美国能源部报告，LED灯具的光电效率高达30%，将超过50%，而传统的卤素灯的光电效率仅为5%，氙气灯的光电效率为20%。如果LED大灯可以替代所有传统的大灯，那么汽车照明的燃油消耗将会降到10%，从而降低CO ²排放约1-3 g/km。

自20世纪90年代发明大功率白色GaN基发光极管(LED)以来，美国照明研究中心早在2002年就将LED应用于前照灯的概念中。由于其使用寿命长、功耗低、响应时间快、视觉灵活性强，比传统的卤素灯、氙气灯等光源更接近日光色，因此进行了多次尝试。Hella与法国在2005年合作展示了第一款LED前照灯原型，最近，商用LED前照灯可以在LS600h中看到。自适应光束可以通过LED前照灯简单的电气控制来实现，而不是传统前照灯采用电机机械控制。此外，LED前照灯还具有视觉光通信(VLC)功能，通过调节LED输出光来传输数据。因此，LED前照灯是当前汽车行业的一个热门话题。

然而，LED前照灯仍然没有批量生产，原因在于LED前照灯的设计和验证存在的挑战。 一方面，LED前照灯具有比信号灯更高的功率密度，另一方面，LED前照灯的操作环境和规定要求比一般LED照明（如街道照明）更难。幸运的是，普通LED照明的成就为应对这些挑战提供了线索。

近年来，LED前照灯的电光热物理问题已经凸显出来，并且许多提出的设计方法已经不断解决LED前照灯的独特特征，包括散热，光学过程，电驱动器和材料结构，以及效率，成本，寿命和可靠性。其中一些，特别是热问题[22]，在某些文献中进行了研究，达到了更好的设计性能，但这些尝试中的大多数都集中在LED前照灯的单个物理场或单元上。据作者所知，目前还没有找到关于LED前照灯进展的系统的最新评论。

为解决上述问题，本文综述了LED前照灯的研究，并系统地总结了其技术成果;首先介绍了LED前照灯的一些重要基础知识，然后分别探讨了LED前照灯的设计和验证状况，然后阐述了发展趋势，最后得出结论。

5. LED前照灯的发展趋势

由于LED具有数字化和全彩色的可用特性，未来的LED前照灯可能具有通信能力和人的因素集成。具有视觉光通信(VLC)功能的LED前照灯的发展趋势越来越受到研究者的重视。VLC功能是指LED前照灯在保持原有的正向照明功能的同时，通过调制kHz或更高开关频率的LED输出光来传输数据，而不牺牲光束图案的质量，从而实现了车对车的功能。例如，来自韩国Yeungnam大学的LED-IT融合技术研究中心展示了一种基于原型LED前照灯的车载车对VLC系统，其中具有75％调光的反向4-PPM方案是使用时，它在白天的距离约为20米时具有10k bps的数据速率。随着智能交通系统(TS)在道路安全应用中的广泛应用,具有VLC功能的LED前照灯将为提高主动安全性开辟新的途径。然而，LED前照灯的VLC还处于起步阶段，目前通信性能难以在实际环境中可靠使用。如何提高信噪比、传输距离和数据速率等方面的技术和非技术挑战依然存在。快速脉冲光是否能提高潜在的安全性也是一个值得研究的问题，这与IEEE1789中考虑的低频相似。LED前照灯的另一个发展趋势是输出光束，包括图案和光谱分布与年龄等人为因素相结合。AFS系统是一种典型的利用人为因素的应用，它根据车速、车辆与其他车辆之间的距离、天气状况和道路类型来控制前照灯的亮度。另一个例子是相关色温(CCT)为5000 K的LED前照灯被认为对驾驶员更舒适，因为CCT接近日光。研究表明，基于人为因素工程的前照灯设计通过提高驾驶员的可视性，降低夜间碰撞的频率,从而提高驾驶安全性。通过充分利用LED独特的可配置光谱分布特性,可以解决更多的人为因素，特别是眼睛的光位、暗位和中位视觉。[32展示了一种基于专用COB封装模块的组合前照灯设计，该模块采用全彩色超高亮度LED (ACULED)。正如2013年9月16日至18日在密歇根州迪尔伯恩市底特律眼科研究所主办的“眼睛、大脑和汽车大会”上所展示的，自适应高光前照灯系统比低光前照灯更安全。然而，LED前照灯的光谱分布，例如峰值波长，红光百分比以及暗视和明视（S/P）比率，与传统灯具的光谱分布不同，因而导致一些负面影响，如道路标志的色差。此外，即使所考虑的装置是“经典”灯，也很难评估车辆照明的安全效果。这证明了对LED前照灯的同类研究将是一项更复杂的任务。更多关于能见度分析的研究，如相对视觉性能（RVP）模型，由伦斯勒理工学院Mark Rea的照明研究中心（LRC）开发。 Bullough和Rea预计将增加周边视觉表现，减少眩光，并提高客户偏好。

虽然上述趋势显示了LED前照灯的良好前景，但这些新颖的设计可能会给电子驱动器，实验验证和演进标准带来新的挑战。

照明设备

功能

自从汽车发明以来，它一直伴随着汽车照明。最初使用蜡烛, 然后使用石油和碳化物灯提供照明;今天，这些灯将被归类为位置灯或标志灯。只有在阿德勒汽车(1913年)中以博世交流发电机的形式引入汽车电气之后，制造商才能够引入能够产生良好续航里程的系统，并名副其实地称为“前照灯”。

更重要的里程碑已经出现

-引入非对。

近光模式，其特征(RHD交通)沿着道路右侧有一个较宽的视野范围(1957)。

-引入具有复杂几何结构的新型前照灯系统（PES，Poly-Ellipsoid系统，自由曲面，刻面反射器），效率提升高达50％（1985）。

-“Litronic”前照灯系统

气体放电灯（带有发光电弧的氙灯），它提供的光能是可比卤素灯产生的两倍以上（1990年），

-自适应前照灯系统（AFS），带有移动的动态PES模块（Poly Ellipsoid系统）或用于车削的静态激活反射器（2003）。

车辆前端照明

汽车前端前照灯的主要功能是照亮路面，使驾驶员能够及时发现交通状况，识别任何障碍物和危险。它们还可以用来识别和标记车辆， 对于迎面而来的交通，交警信号灯可以用来显示司机改变方向的意图，或指示危险情况。
照明设备

前端的前照灯和灯包括以下内容：

- 低光束前照灯

- 高光束前照灯

- 雾灯

- 辅助驾驶灯

- 转向灯（方向指示灯）

- 停车灯

- 位置/间隙灯（适用于宽车）

- 日间行车灯（如果个别国家的法律要求）。

美国的主要照明功能

前照灯技术

反射镜焦距

用于前照灯和其他汽车灯的传统反射器通常呈抛物线形状。焦距f（抛物线顶点与焦点之间的距离）为15至40 mm。

自由形式的反射器

使用生成自由形状反射器的几何配置

复杂的数学计算（HNS，均匀数值计算表面）。这里，低平均焦距f相对于反射器顶点和灯丝中心之间的距离来定义。典型值范围为15至25毫米。

在使用步骤或小平面划分的反射器的情况下，可以使用其自己的平均焦距f来创建每个分区。

反射器照明区域

这是整个反射器开口在横向平面上的平行投影。标准参考平面垂直于车辆的行进方向。

有效光通量，效率高的前照灯

第一个是光源光通量的一部分，它能够通过其反射或折射组件(例如，通过车前照灯反射器投射到路面上)提供有效照明。一种短焦距的反射器可以有效地利用灯丝灯泡，并且由于反射器向外延伸以包围灯泡，使其能够将很大比例的光通量转换成有用的光束，因此具有很高的效率。

几何可见度的角度

这些是相对于照明装置的轴线限定的角度，照明区域必须在该角度处可见。

前照灯的技术设计变化

氙气大灯

带有氙气的前照灯系统。放电灯作为其核心部件产生了高照度强度水平与最小的正面面积要求，使其理想的空气动力学造型与特殊的Cw值的车辆。与传统的灯丝灯泡相比，光是由樱桃核大小的燃烧器内的等离子体放电产生的(图13)。

35w气体放电灯的电弧产生的光通量是卤素h1灯泡的两倍,而且在较高的色温(4200k)下，这意味着-与阳光相似，它含有更大比例的绿色和蓝色。最大发光效率，对应约90 Im/W,当石英元件达到900℃以上工作温度时即可使用。在电流高达2.6 A(连续操作:约0.4A)的情况下进行简短的大功率操作，可获得'瞬时光”。2000小时的使用寿命足以满足客车的平均总运行时间要求。由于没有像灯丝那样的突然失效，及时诊断和更换是可能的。

目前使用D1和D2型号的气体放电灯，从2012年起只使用D3和D4型号。在D3和D4家族中，重金属汞的剂量(约为0.1毫克)可以免除。这些灯的特点是有较低的灯电压，不同的等离子体组成，和不同的弧几何形状。单个灯型的电子控制单元通常是针对特定的设计类型开发的，并不是普遍可互换的。

D2和D4系列汽车气体放电灯采用高压底座和紫外线玻璃屏蔽元件。在D1和D3系列模型上,灯座还运行了运行所需的高压电子器件。所有系统都有两个子类:射影系统大灯用的s灯和反射大灯用的r灯。反射大灯有一个集成的光罩，用于产生与卤素H4低光束用的灯泡盖类似的明暗边界。目前使用最广泛的是D1S和D3S灯。

Litronic headlamp(光和电子的收缩)的一个组成部分是负责激活和监视灯的电子镇流器单元。它的功能包括点火气体放电(电压10 ~ 20kv), 控制电源在预热阶段，当灯是冷的，和需求导向的供应在车站运行。

该系统通过补偿车辆系统电压年龄的波动，在很大程度上提供了一致的照明水平(即消除光通量变化)。如果灯灭了(例如，由于汽车电气系统的瞬间电压下降)，重新点火是自动自发的。电子镇流器单元响应缺陷(如损坏的灯)，中断电源，以帮助避免在接触时受伤。

Litronic大灯发出的氙气光在车前形成了一个宽阔的光毯，并结合了一个较长的距离。这使得实现更宽的道路照明模式成为可能，这种照明模式可以有效地照亮弯道和宽阔道路的边缘，就像卤素灯可以照亮笔直的道路一-样。驾驶员在困难的驾驶条件和恶劣的天气条件下，能见度和方向都有了显著的改善。

根据ECE法规48，Litronic大灯与自动大灯调平控制和大灯清洗系统相结合。这一组合确保在任何时候最好地利用长前照灯范围和光学无损的光发射。

AFS功能

高速公路梁

针对特殊的驾驶情况，开发了改变的灯光模式(AFS，自适应前照灯系统)，使司机在每个驾驶状态下都能有更好的视野。在高速公路梁的发展过程中,特别注重在不过分刺眼迎面而来的车流的情况下，为驾驶员提供更好的行驶范围。将检测距离增加到150米，可以将行驶时间延长到被检测对象的约0.2秒/150米。(与卤素前大灯100公里/小时相比)。 这使驾驶员能够更好地评估危急情况，并能更早地启动制动。

恶劣天气下的光

在恶劣天气条件下，提高道路光制导性能是重点。特别是道路两旁的区域照明更好。

大多数恶劣天气变型的灯的特点是左角前照灯模块向一侧移动，同时轻微降低或激活静态转弯灯。这有利于提供非常广泛的照明的道路和道路的边缘。在未来，例如负责扩大侧面照度的元件，将按顺序被活化。控制参数包括转向角信息和方向指示器驱动。然后各个节段被“准动态”激活。

轻型功能和驾驶员辅助系统

在汽车工程中引入视频技术,使得实现基于f摄像头的前照灯功能成为可能。当摄像机确定迎面而来车辆的位置时，前照灯或AFS系统可以调整行驶灯的范围，使其在较大距离时增加，在较小距离时减少(动态范围函数)。这确保了最佳的照明，而不是耀眼的迎面而来的交通。

LED前大灯

降低能源消耗的潜力

Led越来越多地被用作节约二氧化碳排放和燃料消耗的替代品。低能耗的功能将在未来低能耗汽车中发挥重要作用。氙气和LED替代品提供了欧盟要求的优化消费水平和改善道路安全。

今天的LED系统已经根据性能(光通量、距离、侧面照明)消耗了比卤素灯泡少得多的能源。目前每个前照灯的功耗在28瓦到50瓦之间波动。与灯泡功率输出比较，约为0.65 W(13.2v),这意味着潜在的节省30至70 W每辆车。

低光束光斑采用一个投影系统和两个反射单元。三个多晶片发光二极体(每个都有两个发光二极体)的光由三个主要光学元件聚光，并由投影透镜成像。该光学系统包括一个屏幕，以保证光暗边界的质量。反射器位于透镜的上方和下方。

Led低光束前照灯的光学效率约为45%。与此相比，双氙系统的效率约为33%。这可以用led的特性来解释，它只向半空间发光，而不像传统光源那样照亮整个空间。由于LED系统的效率更高，所以LED sl0需要更少的光通量，用一个LED低光束前照灯将相同的光通量传输到道路上。

未来的发光二极管性能越好，控制单元输出的功率就越小，发光性能始终保持在较高的水平。

市场上第一个LED大灯也显示出设计元素在大灯中的作用越来越大。例如，2008年，一款前照灯首次获得国际知名设计奖。

全球总里程的75%左右是在白天完成的。因此也十分重 视白天行车灯的能耗功能。典型的LED日间行车灯每辆车的能耗为14 W (0.36 g CO₂/km)。白天使用车灯消耗高达

资料编号：[4900]