車燈系統可靠性現狀分析
黃錫安 江西省綠野汽車照明有限公司副總經理
張軍平 江西省綠野汽車照明有限公司照明研究院院長
LED車燈自白光LED誕生以來就備受業界的關注，近年來隨著LED的快速發展，從信號類汽車燈具到照明類LED車燈的覆蓋率越來越高。呈現出爆炸式發展的趨勢，光學實現方式的多樣化，控制方式的智能化，造型功能的復雜化，以及半導體激光，OLED等光源的混合應用
, 對整個LED系統的可靠性要求越來越高。
LED車燈系統是個復雜的系統，涉及到光學，電子，結構，熱管理等一系列的學科，并互相影響，下圖是列出的是LED系統和一些常見的可靠性問題。
LED熱管理技術現狀
散熱管理在傳統的車燈業界和LED業界都有相應的研究，車燈系統中最常用的LED散熱方式以散熱片被動散熱和風扇主動散熱為主。在電子計算機領域的水冷和熱管技術由于可靠性和成本的原因暫時沒有成熟的實際案例。
然而現有的大部分熱管理的技術研究普遍集中在LED子系統上。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，壽命可超過整車壽命。
在產品開發的所有環節(元件、子系統和整個系統)中，熱分析絕對不能少。但只有在各個級別的熱模型良好的情況下，才可能獲得好的熱分析結果。
整個系統級別熱設計和分析，需要考慮到更多的因素，在模型正確的條件下，需要對氣流的走向，光學表面的設計，燈具的結構，散熱器的形狀，進行綜合考量。這就對系統整合能力，團隊技術協作能力提出了更高的要求。
LED 車燈防霧技術現狀
現代車燈制造業中，尤其在LED車燈系統中，設計，制造，工藝日趨復雜，采用大量的先進工藝車燈質量得以完善。但是目前為止車燈結霧依然是影響車燈可靠性的一個難題。車燈空氣溫濕度變化等一系列變化帶來的水蒸氣遇冷凝結在車燈透鏡內表面，不僅影響美觀，更會使得照明效果大打折扣影響行車安全。同時引起材料腐蝕，老化變形等一系列可靠性問題。由于 LED車燈的整體熱量低于傳統的鹵素燈具，結霧現象尤其明顯。
由于霧氣作為一個難以解決的物理現象，目前業內關注的問題主要有兩點：1是霧氣產生的區域，2起霧到完全消散的時間。
目前緩解LED車燈起霧的方式主要通過兩種辦法:1、燈具內部涂防霧涂層。2、在燈具內加干燥劑。
如今隨著CFD技術的發展，在熱分析的基礎上，開始重視空氣流場，溫度場的綜合分析，結合產品系統調整，從設計源頭最大限度的降低霧氣凝結的可能性。
電子控制系統的可靠性
現代汽車系統的電子成分占比越高的趨勢，同樣體現在LED車燈系統里。傳統的車燈的可靠性，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燈具系統的功能越來越多，動態化控制，智能化控制。LED燈具系統中不僅僅需要考慮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。
前從設計—測試-制造上均有嚴格的要求:
1)設計上:
a. 電子器件 -- 選用高可靠性的汽車級電子器件，并留有一定的安全余量;
b. 線路板--嚴格遵循相應的設計規則，嚴格控制材料級別;
c.EMC設計--嚴格按照汽車電子的EMC。
2)測試上：一般汽車電子產品需要從供電環境，機械環境，氣候環境，化學環境，防護等一系列的項目上測試通過才可以進行生產制造。
3) 制造上：一般所有產品全數檢驗，全數老化等形式確保良品率。
機械結構與振動可靠性現狀
LED燈具系統由于LED和電子控制系統的熱管理要求，重量遠遠大于傳統的燈具。同時由于造型的復雜化，異形化，內部零件的數量和重量也急劇增加，相互之間的存在各種裝配關系，振動失效的問題逐漸成為LED燈具系統的一個難題。常見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。
當前的技術主要是通過有限元分析軟件來仿真系統運行狀態, 檢驗是否失效，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仿真技術的發展，力學振動和流體分析逐步提前，在系統分析的時候就開始考慮振動等失效，通過優化結構，散熱設計，光學設計等方式，對質量分布等進行調配，避免燈具備受力過大，避免局部加強，提高系統可靠性。
光學設計與可靠性現狀
LED系統帶來造型的多樣化，同時帶來的是光學設計的形式多樣化，反射鏡，透鏡，光導，厚壁件，投射單元，擴散等以及各種不同的組合方式。多變的光學實現方式，同時也影響了結構和散熱等LED系統其它方面的設計。同樣的，其它方面的設計也都會影響光學設計和可靠性。
目前典型的光學可靠性問題有:
1)配光光形變形，多個光形無法疊加到正常位置，數 值等無法滿足標準，一般由結構裝配公差，熱學變形，振動 位移等引起;
2)點亮外觀或者光形的色差現象嚴重，一般由結構裝配公差，熱學變形，加工誤差等引起。
圖 3.24 材料問題
目前國際上知名的汽車燈具制造商，都已經在LED系統級可靠性投入大量的資源，從整個 LED系統上進行研究和優化設計，提升整個系統的可靠性。一些國內的廠商如綠野等也在 LED系統優化整合研究上取得不少的進步。
總結
隨著汽車燈具和LED技術的發展，LED燈具系統逐漸成為一個復雜的汽車子系統，涉及到機械結構設計，光學方案設計，電子控制技術，熱設計仿真，氣體流動和霧氣仿真等一系列學科，各個因素之間相互影響，對系統的可靠性形成較大的挑戰，無法按照傳統的光學設計-結構設計-仿真模擬的線性設計方法來保證可靠性，需要從整個系統級別進行綜合考慮并優化出最優方案，確保系統的可靠性，保障整車的安全駕駛性能。
