精密配光，高效使用白色LED光线
日产汽车2010年12月上市了电动汽车（EV）“LEAF”（中国名：聆风。图1）。该车以最初年产5万辆，2012年年产20万辆这一在EV中前所未有的规模实施量产。该款车型有很多值得关注的地方，比如通过与具有通信功能的导航仪联动来指引充电设施所在位置，为延长续航距离对锂离子充电电池进行彻底的电源管理等等。其中，标配的LED前照灯也颇受关注。
图1：日产LEAF
负责为LEAF开发LED前照灯的是日本市光工业。为了以低成本实现“世界最高的节电性能”，市光工业在既可抑制白色LED的发光损失又可获得所期望的配光特性方面下了一番工夫，同时还采取了对白色LED进行高效散热，确保高发光效率的对策。
LEAF的LED前照灯在近光灯光源上采用白色LED，近光灯点亮时的耗电量为整个前照灯23W。这一数值仅为55～60W级卤灯的40％左右、43～45W级HID灯的50％左右。即使与丰田混合动力车“普锐斯（Prius）”的现有车型所配备的LED前照灯（近光灯点亮时约35W，新车发布时的数值）相比耗电量还要小。
只用2个白色LED作为光源
在市光工业统管LED前照灯开发的村桥克广（市光工业开发本部研究开发部P2P3第1项目组负责人）强调的一点就是，LEAF的每个前照灯只使用2个白色LED（图2）。LEAF售价为376万4250日元（含税），利用政府补贴时为298万4250日元（含税），作为EV将价位控制在了较低水平。但该车却在这一普及价位下标配了LED前照灯。因此，与作为选配或者在高档车型上配备时相比，势必要将LED前照灯的部件成本控制在低水平上。为此就必须“在其他厂家使用3个白色LED的地方只用2个”（市光工业）。
图2：LED前照灯。每个LED前照灯使用2个白色LED。
不过，如果简单地将3个LED减为2个的话，前照灯的亮度就会不足。虽然随着白色LED特性不断改善，迟早能够用2个实现与3个同等的亮度，但现有白色LED的“亮度还未达到足够明亮的程度”（村桥）。一般来说，提高对白色LED的输入功率即可获得足够的亮度，但这时发热量往往会增大，导致白色LED的温度上升，进一步导致LED的发光效率下降。而且耗电量变大的话，会减弱LED前照灯的“低耗电”这个优点所拥有的魅力。因此，市光工业为了能够低损耗地使用白色LED的光线采用了精密的配光控制技术，并进行了可使白色LED保持高发光效率的散热设计。
以3个反射面实现所期望的配光
市光工业此次在配光控制的光学系统中采用了被称为反射镜型（反射型）方式。该方式通过用反射镜反射光源（白色LED）发出的光线来实现需要的配光。此次的LED前照灯使用一次反射镜（椭圆反射镜）、灯罩、二次反射镜（抛物面反射镜）这三个反射面进行配光（图3）。
图3：LED光学系统
一次反射镜配备在白色LED的垂直方向附近，将白色LED发出的光线光路改向投射至二次反射镜面。灯罩具有对前照灯发出的光束形状进行调整的功能（遮挡功能）。虽然这部分采用灯罩这一名称，但为了不使调整光束形状时挡住的光线被浪费掉，在灯罩上增加了反射功能。这样，那些未沿着所期望的方向行进的光线便转向二次反射镜进行反射。二次反射镜会反射一次反射镜及灯罩反射过来的光线以及部分直接来自白色LED的光线，最后作为前照灯的光线放射出去。这时，白色LED的光线是由这些反射面进行1～3次反射后，向前照灯外部射出的。在反射面中，二次反射镜的形状最为复杂。由多个反射面构成，不是单纯地投射光线，而是能够向必要的部位调配光线（图4）。
图4：二次反射镜由多个反射面构成
在LED前照灯的光学系统中，除了此次采用的反射镜型以外，还有使用透镜的聚光灯型产品。以往的LED前照灯以聚光灯型为主流。据市光工业介绍，聚光灯型虽然具有通过遮挡等容易制造出明暗界面的优点，但同时也存在光学系统的进深方向变长，不利于精密配光控制的缺点。而LEAF的LED前照灯由于是反射镜型，因此能够缩短光学系统的进深。并且，通过组合上述功能各不相同的反射面来进行精密控制，也可高效地制造出明暗界面。另外，前照灯的外观设计也很有特点，从外部无法直接看到白色LED光源。
反射镜型LED前照灯的创意是在市光工业与法国法雷奥（Valeo）合作的过程中诞生的。反射镜型的开发原本在法雷奥进行，但一直未能实用化。后来通过市光工业与法雷奥合作，使反射镜型LED前照灯最终变为了“实用化产品”（村桥）。法雷奥同时推进聚光灯型和反射镜型的开发。当时聚光灯型LED前照灯已在市面上出现，而反光镜型尚无实用先例，为了突出“独创性作为卖点”（村桥），市光工业选择了开发反光镜型LED前照灯。
采用多芯片白色LED，每个输入约10W功率
光源采用的白色LED是从美国飞利浦流明公司（Philips Lumileds Lighting）采购的。市光工业从2005年开始与日产及飞利浦流明共同开发LED前照灯。此次LED前照灯采用飞利浦流明的白色LED并配备在日产车辆上，正是共同开发的成果之一。另外，市光工业在共同开发之前就已经在研发LED前照灯，曾在展会等场合展出过使用20多个LED芯片的LED前照灯。
图5：白色LED
图6：飞利浦流明在白色LED上采用的“Thin Film Flip Chip”（TFFC）技术
此次配备的白色LED为多芯片型，4个1mm见方的白色LED横向排成一列配备在一个封装内（图5）。通过使用4个芯片，获得了可供前照灯使用的足够亮度。
据市光工业介绍，在开发白色LED时，为了轻松配备到前照灯上，该公司在封装形状及电源连接器等方面向飞利浦流明提出了诸多要求。要求内容甚至还涉及白色LED芯片在封装内的安装位置精度。详细数值未予公布，据说原因在于白色LED芯片的安装位置稍有偏差，就会影响到基于反射面的光学系统。
白色LED芯片是在蓝色LED芯片上粘贴了荧光体后形成的。利用飞利浦流明称为“Thin Film Flip Chip”（TFFC）的技术在陶瓷基板上以倒装芯片形式安装蓝色LED芯片，然后在上面加盖“Lumiramic”荧光板（图6）。装有4个白色LED芯片的平面被用硅酮树脂密封。密封部位为平面形状，而不是白色LED中常见的透镜形状。
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LED前照灯点亮时向每个白色LED输入约10W功率。白色LED点亮时的光通量为550lm，因此点亮时的发光效率约为55lm/W。在白色LED中，发光效率宣称超过100lm/W的品种近年来不断增加。与这些品种相比，此次LED前照灯的白色LED在发光效率上显得有些偏低，但这种看法其实是不对的。那些号称超过100lm/W的发光效率，实际上是指脉冲发光状态下LED芯片结温接近室温时的数值。而LEAF使用的白色LED，其性能则是实际使用环境下的数值。实际使用环境下的结温要远远高于室温，结温越高，发光效率就越低。因此，如果在结温为室温时测试，发光效率其实要比55lm/W时高得多。
市光工业并未公布结温接近室温时的发光效率。一般而言，实际使用环境下的发光效率通常要比结温接近室温时低数十个百分点。
从基础设计起便实施热流体解析模拟
要想降低LED前照灯的耗电量，只通过第一回中提到的配光控制来减少白色LED的光损失，并在少数几个地方获得所期望的配光特性是不够的。此外还必须能够在高效状态下使用白色LED。而其中的关键就在于如何使白色LED产生的热量释放出去的散热设计。其实，输入白色LED的功率大都变成了热能。如果这些热量使白色LED的温度上升，则发光效率就会下降，导致发热量增加。这样一来，就会陷入发光效率进一步下降、发热量变得更大的恶性循环。
图7：前照灯热设计的定位
图8：LED前照灯的建模
此次市光工业在LED前照灯的散热设计中使用了热流体解析模拟技术。在前照灯散热设计中使用热流体解析模拟的情况并不少见，不过，此次是在更上游的设计过程，也就是树脂等材料的耐热性、对流、部件布局及散热片的设计等基础设计中使用了该模拟技术，由此高效推进了散热设计。
前照灯的热设计经过基础设计、详细设计、试制试验以及设计变更这四大过程后应用于产品（图7）。据市光工业负责散热设计的菊池和重（开发本部核心工程部模拟课资深专家、解析技术高级工程师）介绍，在基础设计中，虽然模拟用模型的建模难度并不高，所花工时并不多，但通过计算获得的信息却占到了整个设计的60％之多（图8）。此次LED前照灯通过在这一基础设计中使用模拟技术，获得了显著效果。
由于能够分离光和热，可应用于基础设计中
那么，此次为何能够在基础设计中使用模拟呢？其答案就在于LED前照灯中的热量的流动特点。从白色LED为起点的散热路径来看，其流动途径为：
作为发热源的LED芯片
↓
配备LED芯片封装的安装基板
↓
使安装基板的热量向整个封装底面扩散的热扩散器
↓
散热装置（散热片等）的连接部
↓
散热装置（散热片等）
↓
外部空气
可以说，从白色LED到外部空气的整个路径均为串联状态（图9）。而卤灯及HID灯等已有光源的散热路径颇为复杂。原因在于灯源本身同时向外部空气放射光与热。也就是说无法以简单的串联状态体现出来。因此，其基础设计中的散热模型较为复杂，只能在试制试验及设计变更的过程中使用模拟。
图9：前照灯用白色LED和散热路径（图片由市光工业提供）
LED的光线是从表面向外部空气放射，而热量是从背面向前照灯的外壳放射，光与热处于分离状态。由于LED表面的热放射可忽略不计，因此热量的流动途径便如上所述。所以，基础设计中的建模变得简单，能够实施热流体解析模拟。凭借模拟效果，此次LED前照灯的热解析实现了±2℃的计算精度，只用两天时间就完成了散热设计。
利用模拟对散热片等部分进行基础设计并掌握大致形状及基本性能后，市光工业试制了1次产品。然后经过最佳形状和细微部分的设计，进入了对最终形状下的散热性能进行确认的量产产品设计。由于计算精度较高，因此还有可能在下次及以后不试制产品便使用于量产。此次是市光工业首次量产LED前照灯，因此还是试制了实际产品。另外，散热片及配光控制用反光镜等基础设计中的热模拟耗时约2个半小时，而白色LED到散热片只需1个半小时。此次将散热片等部分划分为约70万个网格进行了计算。
降低散热片和连接部的热阻
据市光工业介绍，此次进行LED前照灯的散热设计时，还探讨了散热路径中的散热片连接部及散热片本身的设计。其原因在于，LED产品是在LED芯片乃至热扩散器都收放在白色LED封装内的状态下从LED厂商采购的，前照灯厂商无法变更。
在散热片连接部及散热片方面，要解决的问题是如何降低连接部和散热片本身的热阻。要想降低连接部的热阻，尤为重要的是：（1）使用线夹、弹簧及螺钉等来保持将白色LED按压在散热片上的压力及均匀的接触面积；（2）考虑采用散热膏及导热片，并对其伴随时间的劣化以及面积、厚度进行管理。在散热片方面，需要在不组合冷却扇、且不影响前照灯设计的大小及形状上下工夫。此次进行热设计时，设计前提是向每个白色LED输入的10W功率中会有9W变成热量。由于所配白色LED的最大额定值为130℃（白色LED的表面温度），因此是按照任何用途都不会达到130℃进行的设计。
未来力争只使用1个白色LED
市光工业提出了新一代LED前照灯的目标，这便是实现远光灯和近光灯的光源一体化，每个前照灯只使用1个LED等。目的是降低耗电量并通过减少部件数量来推进低成本化、小型化及轻量化。目前该公司正在朝着这一目标推进开发。此次推出的LED前照灯在远光灯时使用卤灯，在近光灯时使用了2个白色LED。
如何才能将这些光源减为1个呢？简单地说，可以考虑将白色LED安装的LED芯片从目前的4个增加到8个，或者将输入白色LED的电流增加到2倍。但这些都不能算上策。增加LED芯片数量，成本就会上升。而增加输入电流的话，LED芯片上的热密度就会上升，进一步使得LED芯片结温上升，从而导致发光效率下降。而且这样做，白色LED上也容易蓄热。
不过，白色LED技术目前也在逐年进步，市光工业预计2～3年后便可获得亮度达到目前2倍以上、超过1000lm的白色LED。即使结温升高，今后也会开发出发光效率高的白色LED，并且通过降低热阻、提高散热性，发光效率还会比目前进一步提高。开发出此次使用的白色LED的飞利浦流明（Philips Lumileds Lighting）在2010年11月举行的“Green Device 2010”上发表主题演讲时，就曾宣布正在开发亮度可达到1000lm以上的白色LED。
亮度超过1000lm的话，便能够以1个白色LED实现LED前照灯。市光工业正在研发仅使用1个白色LED的LED前照灯，虽然尚未公布相关细节，但表示“在研究层面上很快会制作出来”（市光工业开发本部研究开发部P2P3第一项目组负责人村桥克广）。该公司并未明确提出使用1个白色LED的LED前照灯何时达到实用水平，但技术上来看，“5年后在市面普及也不足为奇”（村桥）。
在市光工业2005年着手共同开发此次的LED前照灯时，以2个白色LED来获取足够亮度还“是非常困难的事”（村桥）。不过，鉴于白色LED在技术上的不断进步，该公司仍对使用2个白色LED的设计展开了攻关。目前该公司正基于白色LED技术进步的设想，展开仅使用1个白色LED的设计。
1个白色LED是新的起点
市光工业表示，LED前照灯配备1个白色LED并不是终点。虽然白色LED通常要采用多个LED芯片来获得足够的亮度，但是该公司还打算随着LED芯片的性能提高，为进一步降低成本而削减LED芯片的数量。这一目标得以实现的话，便有望使白色LED实现小型化。而白色LED变得既小又便宜的话，就有可能使用多个白色LED来推进可变配光系统的进步。
市光工业介绍说，该公司还考虑将半导体激光器作为继LED之后的新一代光源。半导体激光器通过连接光纤，可使光的发射部和发热部（半導体激光器）实现分离。也就是说，这样便可将散热设计所需要的部分从前照灯中拿出来，从而在无需考虑前照灯形状的情况下实施散热设计。不过，LED前照灯今后还有很大的进步空间，因此利用半导体激光器需要有长远的考虑。
