作者：Mr. Luke Liang單位：Ford Motor CompanyNanjing Chinafliang5@ford.com
編譯：林立穎
指導(dǎo)老師：林燕丹
惡劣天氣下車燈產(chǎn)生霧氣是很多客戶投訴的問題。LED作為車燈發(fā)展的趨勢，和鹵素?zé)粼诜漓F性能方面有何區(qū)別？如何創(chuàng)新地解決LED燈的霧氣問題？本文將闡述車燈霧氣產(chǎn)生的原因和途徑，對比LED燈與鹵素?zé)舻膮^(qū)別，最后提供一些適用于LED燈霧氣問題的特定解決方案。 1. LED LIGHTS INTRODUCTION LED燈的簡介現(xiàn)在大多數(shù)汽車頭燈使用的都是傳統(tǒng)的鹵素?zé)?，由于功率限制，鹵素?zé)舨⒉豢偰軡M足車輛前方照明的需求。而氙燈顯色指數(shù)不高。相比起傳統(tǒng)燈泡，LED具有很多方面的優(yōu)勢，能更好地保障行車安全。首先，在相同時間內(nèi)，LED釋放的能量是普通頭燈的兩倍。在反應(yīng)時間上，LED僅為1毫秒，而普通燈泡為200毫秒。此外，色溫為6000K的LED的光幾乎與日光相同，顯色指數(shù)好，而氙燈的色溫僅為其一半。其次，LED運(yùn)行能耗小。LED節(jié)省下來的能量能延長汽車電池的使用壽命，供汽車其它部分更好地運(yùn)行。從系統(tǒng)功能上，LED燈光功能更強(qiáng)，操作更便捷。LED可以通過智能系統(tǒng)關(guān)閉部分模塊以減少眩光。應(yīng)用動態(tài)轉(zhuǎn)向燈系統(tǒng)，LED頭燈矩陣可以利用其中部分單元來提供彎道照明，。而應(yīng)用夜視系統(tǒng)則可以識別路上的行人和動物，并對行人進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶嵝选?/section>Figure 1. 2017 Ford Fusion full LED head lamp, fog lamp and tail lamp圖1 2017福特福星全LED頭燈、霧燈和尾燈 LED的發(fā)展也需要克服一些技術(shù)難題。LED作為半導(dǎo)體材料，相較于普通燈泡，一般需要工作在較低的溫度，散熱問題就成了LED車燈發(fā)展的一個瓶頸。同時，現(xiàn)在市場上的車燈玻璃并不適用于LED，如果使用，會出現(xiàn)光束過于集中或無規(guī)則分布等情況。此外，電子元件更新?lián)Q代速度極快，如果使用LED，幾年后維修車燈時很可能找不到適配的電子元件。針對LED，車燈結(jié)構(gòu)也需要一些特殊設(shè)計(jì)。LED PCB的厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于鹵素?zé)粑矡簦▓D2），且LED不像需要燈泡一樣需要套接口，所以燈內(nèi)空間很小，空氣流通差，更容易出現(xiàn)霧氣問題，在狹小的空間內(nèi)除霧也變得更加困難。 Figure 2 LED PCB and bulb board圖2 LED PCB燈板Figure 3 head lamp and tail lamp圖3 頭燈和尾燈 除了空間，隨車型變化，越來越多的車燈設(shè)計(jì)縱深增大（圖3），且除了LED模塊，頭燈底部還有散熱片、風(fēng)扇、LED驅(qū)動器等（圖5），遠(yuǎn)比外觀上看起來大，而這些非功能區(qū)溫度都相對較低；其次，為了顯得美觀，OEM經(jīng)常為汽車覆上裝飾罩（圖4），但如果有通風(fēng)口，裝飾罩離尾燈距離太短會減少空氣的流動。這些因素的存在使得LED車燈的霧氣問題難以有效地解決。Figure 4 trim cover圖4 裝飾罩Figure 5 Hidden portion at the bottom of head lamp圖5 頭燈底部隱藏部分 2. CONDENSATION INTRODUCTION 冷凝問題的簡介冷凝指的是水從氣態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)的物理現(xiàn)象。需要有幾個條件：足夠的水汽、溫度變化和凝結(jié)核。由于頭燈裝有通風(fēng)裝置以便平衡氣壓，大氣中的水汽就容易通過通風(fēng)口進(jìn)入車燈。當(dāng)燈具溫度高、濕度高，周圍環(huán)境溫度降低至露點(diǎn)以下，車燈玻璃的表面就會成為凝結(jié)核，產(chǎn)生霧氣。此外，如果車燈的密封性不好，防水差，霧氣問題將會加劇。露點(diǎn)指空氣處于常壓且水汽達(dá)到飽和時發(fā)生水汽開始凝結(jié)的溫度，是表征大氣濕度的一個標(biāo)準(zhǔn)。較高的露點(diǎn)表明空氣中更多的水分。通常用來估算露點(diǎn)的公式如下。給定空氣溫度T（攝氏），相對濕度RH（百分比）可以計(jì)算露點(diǎn)Tdp。 3.CONDENSATION PERFORMANCE DIFFERENCE 冷凝性能差異車燈的工作環(huán)境惡劣，要承受來自陽光發(fā)動機(jī)、燈泡或LED模塊散發(fā)的熱量，外界的大風(fēng)大雨等等，這些都加大了控制頭燈內(nèi)的熱量的難度(圖7)。Figure 7 Heat management圖7 熱量管理 內(nèi)部因素包括燈具材料和結(jié)構(gòu)。從燈具材料來看，所有的塑料都會吸收水分，但當(dāng)溫度升高時，水分就會被釋放出來。此外，粗糙的塑料表面可以充當(dāng)凝結(jié)核。而燈具結(jié)構(gòu)也會顯著影響霧氣生成。近來燈具設(shè)計(jì)使得車燈玻璃部分區(qū)域溫度較低，空氣流通速度減小，不利于防霧。外部因素則包括大雨、高壓洗車、高空氣濕度和太陽暴曬等環(huán)境影響。這些條件都提供了溫度的變化和更加充足的水汽，導(dǎo)致霧氣問題更加嚴(yán)重。 表1 LED燈與鹵素/HID燈的對比表1對比了LED和鹵素?zé)?HID燈。從表中可以看出，相比起鹵素?zé)?，LED溫度更低，易結(jié)霧，難清除。 4. Solutions for LED lights condensation LED車燈的防霧措施A. Membrane solution 薄膜法前照燈采用復(fù)雜的通風(fēng)路徑或通風(fēng)管可以一定程度地改善環(huán)境對車燈的影響。戈?duì)柶嚀碛袑＠那按鬅舻耐L(fēng)口能實(shí)現(xiàn)以下功能（圖8）：應(yīng)對溫度和壓強(qiáng)的快速變化；通過多微孔的EPFE薄膜除濕；長時間有效防水；防止灰塵和其它顆粒物進(jìn)入車燈玻璃和外殼。Figure 8 Gore membrane圖8 戈?duì)柲?/section> 盡管戈?duì)柕谋∧しㄊ且粋€很好的想法，但中國的顧客對霧氣問題特別敏感，大多數(shù)OEM國內(nèi)15-30分鐘完成霧氣清除的標(biāo)準(zhǔn)并不能滿足他們的需求。 B. Anti-fog coating 防霧層法防霧層這項(xiàng)技術(shù)最初由NASA研發(fā)，它可以防止小水滴在表面凝結(jié)成霧狀。防霧層結(jié)合LED，可以通過減小表面壓力，改變水的角度（表2），從而形成均勻水膜而非單個水滴，這樣水汽看起來就不那么明顯。防霧層可以應(yīng)用表面活性劑的膜或親水型表層來實(shí)現(xiàn)。 表2 防霧涂層的方法但當(dāng)過多水汽進(jìn)入燈內(nèi)，防霧層也無法很好地解決，而且過多的水滴可能會形成水痕（圖10）。此外，防霧層的使用壽命也是大家關(guān)注的問題。根據(jù)防霧層的數(shù)據(jù)表，防霧層可以在最糟糕的環(huán)境下工作240小時，但通常情況下的持續(xù)時間未知。所以2-3年后，即使密封性良好，霧氣問題也可能再次出現(xiàn)。 Figure 10 Anti-fog coating chart圖10 防霧涂層圖 C. Fan 風(fēng)扇法風(fēng)扇可以增加空氣流通，減少霧氣生成。但在一些LED前照燈內(nèi)，風(fēng)扇是作為散熱裝置的。如果再增加特殊的防霧風(fēng)扇，會使得車燈的體積變大（圖11），同時費(fèi)用也會增加。 Figure 11 Fan圖11 風(fēng)扇 5. NEED DISCUSSION Desiccant 干燥劑干燥劑可以吸收附近的水分（圖12）。一般包裝的干燥劑是固體的，而特殊的干燥劑可以有不同的狀態(tài)，如由化學(xué)鍵結(jié)合的水分子等。 Figure 12 Desiccant圖12 干燥劑 常規(guī)干燥劑的使用期限很短，只能吸收自重的30%的水分。除了吸收水分，在周圍濕度改變時，常規(guī)的干燥劑還會釋放水分，并不能很好地解決霧氣問題。特定的干燥劑需要滿足以下幾個要求：將吸收的水分儲存為固態(tài)而非液態(tài)；溫度升高時水分不會被釋放出來；工作在at-40°C- 85°C，相對濕度1-99%；吸收空氣中的所有水分；可以吸收自重的150%的水分，有效期超過180天；價格便宜；符合RoHS的標(biāo)準(zhǔn)，對環(huán)境無害。 6. SUMMARY 總結(jié)LED前照燈有很多優(yōu)勢，但也面臨很多挑戰(zhàn)。總的來說，LED價格遠(yuǎn)高于燈泡，但仍稱得上物有所值。LED是未來車燈的趨勢，大部分OEM也將要投入大規(guī)模生產(chǎn)，但LED和鹵素?zé)糍|(zhì)量上有很多不同，這使得市場上LED的質(zhì)量問題難以預(yù)防和解決。考慮到這些區(qū)別，已經(jīng)有了薄膜、防霧層、風(fēng)扇等解決方案，但新的解決方案還需要更多研究和討論。
