車燈系統(tǒng)可靠性現(xiàn)狀分析
黃錫安 江西省綠野汽車照明有限公司副總經(jīng)理
張軍平 江西省綠野汽車照明有限公司照明研究院院長(zhǎng)
LED車燈自白光LED誕生以來(lái)就備受業(yè)界的關(guān)注，近年來(lái)隨著LED的快速發(fā)展，從信號(hào)類汽車燈具到照明類LED車燈的覆蓋率越來(lái)越高。呈現(xiàn)出爆炸式發(fā)展的趨勢(shì)，光學(xué)實(shí)現(xiàn)方式的多樣化，控制方式的智能化，造型功能的復(fù)雜化，以及半導(dǎo)體激光，OLED等光源的混合應(yīng)用
, 對(duì)整個(gè)LED系統(tǒng)的可靠性要求越來(lái)越高。
LED車燈系統(tǒng)是個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，涉及到光學(xué)，電子，結(jié)構(gòu)，熱管理等一系列的學(xué)科，并互相影響，下圖是列出的是LED系統(tǒng)和一些常見(jiàn)的可靠性問(wèn)題。
LED熱管理技術(shù)現(xiàn)狀
散熱管理在傳統(tǒng)的車燈業(yè)界和LED業(yè)界都有相應(yīng)的研究，車燈系統(tǒng)中最常用的LED散熱方式以散熱片被動(dòng)散熱和風(fēng)扇主動(dòng)散熱為主。在電子計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的水冷和熱管技術(shù)由于可靠性和成本的原因暫時(shí)沒(méi)有成熟的實(shí)際案例。
然而現(xiàn)有的大部分熱管理的技術(shù)研究普遍集中在LED子系統(tǒng)上。甚至普遍存在一種看法，LED是冷光源，只要解決好LED元件本身的散熱管理，LED車燈的可靠性文件即可得到解決，壽命可超過(guò)整車壽命。
在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的所有環(huán)節(jié)(元件、子系統(tǒng)和整個(gè)系統(tǒng))中，熱分析絕對(duì)不能少。但只有在各個(gè)級(jí)別的熱模型良好的情況下，才可能獲得好的熱分析結(jié)果。
整個(gè)系統(tǒng)級(jí)別熱設(shè)計(jì)和分析，需要考慮到更多的因素，在模型正確的條件下，需要對(duì)氣流的走向，光學(xué)表面的設(shè)計(jì)，燈具的結(jié)構(gòu)，散熱器的形狀，進(jìn)行綜合考量。這就對(duì)系統(tǒng)整合能力，團(tuán)隊(duì)技術(shù)協(xié)作能力提出了更高的要求。
LED 車燈防霧技術(shù)現(xiàn)狀
現(xiàn)代車燈制造業(yè)中，尤其在LED車燈系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)，制造，工藝日趨復(fù)雜，采用大量的先進(jìn)工藝車燈質(zhì)量得以完善。但是目前為止車燈結(jié)霧依然是影響車燈可靠性的一個(gè)難題。車燈空氣溫濕度變化等一系列變化帶來(lái)的水蒸氣遇冷凝結(jié)在車燈透鏡內(nèi)表面，不僅影響美觀，更會(huì)使得照明效果大打折扣影響行車安全。同時(shí)引起材料腐蝕，老化變形等一系列可靠性問(wèn)題。由于 LED車燈的整體熱量低于傳統(tǒng)的鹵素?zé)艟?，結(jié)霧現(xiàn)象尤其明顯。
由于霧氣作為一個(gè)難以解決的物理現(xiàn)象，目前業(yè)內(nèi)關(guān)注的問(wèn)題主要有兩點(diǎn)：1是霧氣產(chǎn)生的區(qū)域，2起霧到完全消散的時(shí)間。
目前緩解LED車燈起霧的方式主要通過(guò)兩種辦法:1、燈具內(nèi)部涂防霧涂層。2、在燈具內(nèi)加干燥劑。
如今隨著CFD技術(shù)的發(fā)展，在熱分析的基礎(chǔ)上，開(kāi)始重視空氣流場(chǎng)，溫度場(chǎng)的綜合分析，結(jié)合產(chǎn)品系統(tǒng)調(diào)整，從設(shè)計(jì)源頭最大限度的降低霧氣凝結(jié)的可能性。
電子控制系統(tǒng)的可靠性
現(xiàn)代汽車系統(tǒng)的電子成分占比越高的趨勢(shì)，同樣體現(xiàn)在LED車燈系統(tǒng)里。傳統(tǒng)的車燈的可靠性，僅需要考慮，燈泡，反光杯，燈體，面罩等少量的部件可靠性。而隨著LED燈具系統(tǒng)的功能越來(lái)越多，動(dòng)態(tài)化控制，智能化控制。LED燈具系統(tǒng)中不僅僅需要考慮LED本身的壽命和可靠性。電子控制部分的可靠性也成為了重要的一環(huán)。
前從設(shè)計(jì)—測(cè)試-制造上均有嚴(yán)格的要求:
1)設(shè)計(jì)上:
a. 電子器件 -- 選用高可靠性的汽車級(jí)電子器件，并留有一定的安全余量;
b. 線路板--嚴(yán)格遵循相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)則，嚴(yán)格控制材料級(jí)別;
c.EMC設(shè)計(jì)--嚴(yán)格按照汽車電子的EMC。
2)測(cè)試上：一般汽車電子產(chǎn)品需要從供電環(huán)境，機(jī)械環(huán)境，氣候環(huán)境，化學(xué)環(huán)境，防護(hù)等一系列的項(xiàng)目上測(cè)試通過(guò)才可以進(jìn)行生產(chǎn)制造。
3) 制造上：一般所有產(chǎn)品全數(shù)檢驗(yàn)，全數(shù)老化等形式確保良品率。
機(jī)械結(jié)構(gòu)與振動(dòng)可靠性現(xiàn)狀
LED燈具系統(tǒng)由于LED和電子控制系統(tǒng)的熱管理要求，重量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)的燈具。同時(shí)由于造型的復(fù)雜化，異形化，內(nèi)部零件的數(shù)量和重量也急劇增加，相互之間的存在各種裝配關(guān)系，振動(dòng)失效的問(wèn)題逐漸成為L(zhǎng)ED燈具系統(tǒng)的一個(gè)難題。常見(jiàn)的失效形式有部件脫落，變形，摩擦出粉等， 造成汽車燈具性能不良影響行車安全。
當(dāng)前的技術(shù)主要是通過(guò)有限元分析軟件來(lái)仿真系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài), 檢驗(yàn)是否失效，典型分析軟件是采用基于FEM有限元分析理論的Ansys，nastran，Abaqus等。
隨著CAE仿真技術(shù)的發(fā)展，力學(xué)振動(dòng)和流體分析逐步提前，在系統(tǒng)分析的時(shí)候就開(kāi)始考慮振動(dòng)等失效，通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)，散熱設(shè)計(jì)，光學(xué)設(shè)計(jì)等方式，對(duì)質(zhì)量分布等進(jìn)行調(diào)配，避免燈具備受力過(guò)大，避免局部加強(qiáng)，提高系統(tǒng)可靠性。
光學(xué)設(shè)計(jì)與可靠性現(xiàn)狀
LED系統(tǒng)帶來(lái)造型的多樣化，同時(shí)帶來(lái)的是光學(xué)設(shè)計(jì)的形式多樣化，反射鏡，透鏡，光導(dǎo)，厚壁件，投射單元，擴(kuò)散等以及各種不同的組合方式。多變的光學(xué)實(shí)現(xiàn)方式，同時(shí)也影響了結(jié)構(gòu)和散熱等LED系統(tǒng)其它方面的設(shè)計(jì)。同樣的，其它方面的設(shè)計(jì)也都會(huì)影響光學(xué)設(shè)計(jì)和可靠性。
目前典型的光學(xué)可靠性問(wèn)題有:
1)配光光形變形，多個(gè)光形無(wú)法疊加到正常位置，數(shù) 值等無(wú)法滿足標(biāo)準(zhǔn)，一般由結(jié)構(gòu)裝配公差，熱學(xué)變形，振動(dòng) 位移等引起;
2)點(diǎn)亮外觀或者光形的色差現(xiàn)象嚴(yán)重，一般由結(jié)構(gòu)裝配公差，熱學(xué)變形，加工誤差等引起。
圖 3.24 材料問(wèn)題
目前國(guó)際上知名的汽車燈具制造商，都已經(jīng)在LED系統(tǒng)級(jí)可靠性投入大量的資源，從整個(gè) LED系統(tǒng)上進(jìn)行研究和優(yōu)化設(shè)計(jì)，提升整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。一些國(guó)內(nèi)的廠商如綠野等也在 LED系統(tǒng)優(yōu)化整合研究上取得不少的進(jìn)步。
總結(jié)
隨著汽車燈具和LED技術(shù)的發(fā)展，LED燈具系統(tǒng)逐漸成為一個(gè)復(fù)雜的汽車子系統(tǒng)，涉及到機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，光學(xué)方案設(shè)計(jì)，電子控制技術(shù)，熱設(shè)計(jì)仿真，氣體流動(dòng)和霧氣仿真等一系列學(xué)科，各個(gè)因素之間相互影響，對(duì)系統(tǒng)的可靠性形成較大的挑戰(zhàn)，無(wú)法按照傳統(tǒng)的光學(xué)設(shè)計(jì)-結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)-仿真模擬的線性設(shè)計(jì)方法來(lái)保證可靠性，需要從整個(gè)系統(tǒng)級(jí)別進(jìn)行綜合考慮并優(yōu)化出最優(yōu)方案，確保系統(tǒng)的可靠性，保障整車的安全駕駛性能。
