摘 要: 作为汽车行驶必不可少的安全部件，汽车灯具在汽车主动安全方面的作用至关重要。80 年代后期伴随高
亮度发光二级管技术的出现，LED 在汽车外部照明的应用成为可能。LED 可靠性强、使用寿命长、色纯度高、响应
速度快、体积小便于设计等优点，使其在车外照明方面得到越来越普遍的应用。进入二十一世纪，LED 车 灯 已 经
成为汽车潮流的新宠，被广泛应用于转向灯、制动灯等信号灯具上，并应用于前照灯，实现了与 AFS 系统的结合。
关键词: LED; 汽车外部照明; 信号灯; 前照灯; AFS
引言
1885 年，德国工程师卡尔·本茨 (Karl. Benz)
研制出世界第一台汽油机为动力的三轮内燃机车，
汽车由此诞生并迅速发展起来。但是，要在夜间或
照明不足的区域行驶，就必须有照明灯具，由此在
十九世纪 80 年代产生了第一盏汽车前照灯———老爷
车悬挂式汽灯，并在 1912 年出现了第一款电气前照
灯［1］
。早期汽车前照灯用的是钨丝白炽灯，昏黄的
灯光只适合速度较慢的汽车。在车辆日益增多、车
速不断提高的形势下，汽车前照灯又发展为亮度更
高的卤钨前照灯、高强度气体放电前照灯，并出现
近光灯、远光灯、前雾灯等多个灯种。同 时，照 明
仅是瞻前已经不够，还需左顾右盼和免除后顾之忧，
由此诞生如制动灯、转向灯、后雾灯等一系列灯种，
为避免夜晚行车的追尾或转弯时的相撞起了关键性
作用。
作为汽车行驶必不可少的安全部件，汽车灯具
在汽车主动安全方面的作用至关重要。据统计，夜
晚或自然光线不足的情况下发生的交通事故占总事
故的 25% ，并且 50% 的伤亡事故发生在夜间［2］
。在100 多个 ECE 法规中，与车灯有关的法规就有近 40
个。我国目前汽车产品的 70 多项强制性检验中，与
车灯有关的项目就占了近 25 个。
因此，为提高行车安全，越来越多的新 技 术 被
逐渐应用到汽车灯具中，如侧转向灯的光纤传导技
术、前照灯 AFS 技术等。当然，这其中也包括发光
二极管技术 ( Light Emitting Diode，简称 LED) 在汽
车灯具尤其是在汽车前照灯上的应用。近几年的汽
车设计中，LED 车灯的使用越来越多，给汽车外观
增加现代感的同时，也为更多人所熟悉，并引领当
今汽车灯具发展的潮流和方向。
2 LED 技术在汽车灯具中的应用
LED 是一种场致发光光源，它是将电直接转化
为光能的半导体器件。LED 发光 原 理 是 在 p-n 结 两
端上加正向电压，则 p 区中 空 穴 会 流 向 n 区; n 区
的电子会流向 p 区。随着电子空穴对的复合放出能
量，其中一部分能量转化为热，另一部分能量转化
为光。这种新一代固态冷光源于 20 世纪 60 年代问
世［3］
，并 在 仪 表、电 信 等 信 号 指 示 上 获 得 初 步 应
用，形成 了 LED 早 期 的 应 用 市 场，但 由 于 其 光 强
度、光衰减等性能指标问题还无法在汽车灯具中获
得广泛应用。
80 年代后期伴随高亮度发光二 级管技术的出
现，LED 在车外照明信号的应用成为可能。典型标
志性事件为: 1988 年 Nissan 在 280Z 汽车上首次使
用 STANLEY 生 产 的 72 只 AlGaAs 红 色 高 亮 度 LED
作为汽车高位制动灯［4］
。从此，LED 正式进入汽车
照明市场。
90 年代，LED 的材料开发不断演进，Toshiba 和Hewlett-Packard 在 1991 年共同开发出以磷化铝镓铟
(InGaAlP) 制成的四元素高亮度 LED。在技术上和批
量生产上，为汽车灯具光源的 LED 化铺平了道路。
进入二十一世纪，LED 技 术 突 飞 猛 进，并 逐 渐
取代白炽灯、真空荧光等传统光源被广泛组合应用
到汽车 仪 表 背 光 照 明、操 作 开 关、顶 灯、阅 读 灯、
门锁灯等车内照明上。另外，LED 可靠性强、使用
寿命长、色纯度高、响应速度快、体积小便于设计
等优点得以突显，在汽车外部照明方面也得到越来
越普遍 的 应 用［5-6］
。特 别 是 最 近 几 年，LED 车 灯 被
广泛应用于转向信号灯、制动灯、位置灯、倒车灯、
雾灯、牌照灯等灯具上，已经成为汽车潮流的新宠。
目前，80% 以上的欧系和日系汽车安装了 LED 高位
制动灯。市 场 上 几 大 汽 车 领 导 厂 商 也 不 断 推 出 以
LED 为光源的新型汽车， 像 日 系 的 Toyota、
Mitsubishi、 Honda、 Nissan 等 厂 商 推 出 的 Teana、
Crown、Reiz，美系通用汽车旗下的 Cadillac、Buick，
以及德 系 车 厂 的 Mercedes-Benz、BMW、AUDI 等 都
已采用 LED 尾 灯，并 逐 渐 形 成 了 LED 汽 车 灯 具 的
产业化。
伴随 LED 模块技术的发展，高 亮 度 输 出 LED
模 块 也 成 功 面 世，如 Lumileds 研 制 的 白 色 Luxeon
LED 模 块、OSRAM 的 “OSTAR” 白 色 LED 模 块，
使得 LED 在汽车前照灯上的应用也成为可能，并引
领了新一代前照灯技术的潮流。但由于高成本的限
值，目前的 LED 前照灯主要应用在高级豪华车辆
上。2004 年， Audi A8 6. 0L 豪 华 车 第 一 次 使 用
Lumileds 的 6 个 白 色 Luxeon LED 作 为 日 间 行 车 灯。
2007 年，日本丰田汽车推出了 Lexus 顶级混合 动 力
车 “LS600h” 和 “LS600hL”，成为全球首次配备使
用全白光 Nichia LED 前照灯的量产车 (见图 1)。
3 LED 汽车灯具的优势
3. 1 节能环保
发 光 效 能 上，随 着 近 年 LED 材料结构学的进
展，LED 的 发 光 效 率 也 飞 速 提 高。前 照 灯 应 用 方
面，2009 年， 白 光 LED 的发光效能也已达到
70lm /W (见 图 2 )［7-8］
。而 且 LED 灯 具 将 绝 大 部 分
的能量转化为光能，作为热量损失掉的仅是一小部
分［9］
。据估 计，用 LED 取代卤素灯能提升整车的
mpg 指标 (每加仑燃油的行驶英里数) 约 0. 25。到
欧洲实 施 白 天 必 须 开 灯 行 驶 的 法 规 之 时，更 可 把
mpg 提升约 0. 5。可 见，LED 灯 具 对 整 车 燃 油 经 济
性的改善将会有很大的贡献。
3. 2 前照灯光色辨别
目前路标几乎都采用被动辉光的反射方式，而
现在已经研发出来光谱接近于日 光 的 LED ( 见 图
3)［10］
，这使得它发出的光被物体 (如道路交通的指
示标牌等) 反射的有效性要高于其他光源，从而让
司机能在较远的距离尽早发现，提高行车安全，也
有助于司机在夜间像白天那样方便地发现并看清交
通标志。
3. 3 前照灯防眩
白色 LED 光 源 色 温 在 5500K ～ 6000K，因 此 白
色 LED 光 源 比 氙 气 光 源 ( 4000K) 更 接 近 自 然 光
(4800K ～ 6000K)。这样的光线使得驾驶者不会因光
线而感到疲劳，而是感到十分舒适。
研究表明，高强度气体放电灯的短波阶段 ( －450nm) ，对人眼造成的眩目效应较为显著。在进行
HID 灯具的光学设计时，需要将光谱中最蓝的部份
推移至其射点光斑的边缘，因为这些区域是本车司
机眼睛通常不去注意的地方，从而减少该色光对人
眼的不适干扰。但对于迎面驶来的会车司机，在车
辆越过该边际区域时蓝光仍会引起对方眩目进而影
响会车安全。有鉴于此，在防眩目方面，灯具设计
上应尽量减少 450nm 以下波段的光，增加 450nm ～
510nm 波段的光，以 减 少 不 舒 适 感，并 提 高 边 缘 区
域的视觉［10-11］
。因此，LED 前照灯既能保护本车司
机的舒适视觉，也不会引起邻车或会车司机的视障。
3. 4 响应时间短
此外 LED 的响应时间短，比普通灯泡响应时间一般要快 200 ～ 300ms (见图 4)［12-13］
。应用于高位制
动灯或转向信号灯上，这点时间在高速公路上可以
为司机赢得 6. 7m 的制动距离 ( 按 车 速 120km / h 计
算) ，可以减少很多事故的发生。
3. 5 其他优点
LED 光源比起其他传统光源，使用寿命明显要
长，维 护 少，抗 震 性 能 强，总 发 热 量 少，不 含 Hg
等元素，对环境污 染 小; 另 外，LED 体 积 小，一 个
灯具可同时使用几个 LED 模块，使灯具的光学设计
更为自由化，这种优势在概念车上的应用尤为突出。
而且 LED 技术兼容数字化，可整合进数字网络，促
进照明的电子控制。
4 LED 汽车灯具的技术难题
LED 汽车灯具的应用技术，在信号灯方面已趋
于成熟，目前的困难集中在前照灯技术瓶颈的突破，
表现在以下几个方面:
4. 1 散热
高亮 LED 的亮度维持，最难解决的一个难题是
散热问题。因为 LED 晶粒只要遇到高温，发光效率就会 衰 减 甚 至 损 坏 ( 参 见 图 5 )［14］
。虽 然 低 能 耗
LED 器件的发热量比卤素灯具 或 HID 灯 具 要 少 得
多，但后者大部分热量是产生于灯具装置之外，而
LED 产生的热量却是捂在微小的硅片里 面来传导
的。这样，将较小的热量集中到芯片大小的器件上
传导和发散，因装置的热容量小也会引起 LED 温度
的骤升。LED 的 工 作 温 度 必 须 保 持 在 150℃ 以 下 的
范围，一般 建 议 LED 工 作 温 度 是 在 80℃ 以 下。因
此，如何通过高效率的散热技术，让 LED 车灯顺利
工作，成为 LED 车灯设计面临的关键挑战。
一种解决方案是: 在一个灯具中使用数目较多
的 LED 发光元件，让单件的发热量较小，再把它们
布置在较大的空间内使其易于散热。这就是小糸车
灯为丰田的 凌 志 LS600h 配 套 前 照 灯 时 所 采 用 的 手
法。而法雷奥则采用热管理策略: 为 LED 灯具设定
了一种工作模式，当灯具的温度升到预定警戒值时，
自动切换到削减灯具供电功率 20% 的安保模式。这
种程度的供电功率降低对灯光的亮度影响甚微，但
却能显著地压制住发热水平。另外，在散热方式研
究领域，甚至出现气流制冷和液体制冷等方式［15］
。
4. 2 亮度输出
研究指出，要达到较好的前照灯照明条件，最
好的情况 是 近 光 光 通 量 为 1100lm 左 右 ( 发 光 面 为
3500 cm2
、出射扩散角为 45°) ，亮度为 90cd /m2［7］
。
可以使用多个 LED 组 合 以 满 足 1100lm 的 光 通 量 要
求，但在亮度方面，单个普通 LED 光源的仍显不足
(见图 6)。单点不够亮就难以达成下述目标: 削 减
构成组合灯具的 LED 光源数目，有助于缩小汽车灯
具占用的空间且易于灵活布置，并可简化照明系统
的布线和安装，降低生产成本。
4. 3 价格
LED
灯具在中国市场发展的主要阻力是成本问
题。LED 芯片生产技术难度大、门槛高，养晶过程
的温度、湿度、供电及除尘要求十分严格，初期需
要投入巨资建厂。目前 LED 芯片的主要产地为中国
台湾，占有 LED 市 场 的 47% 。中 国 大 陆 的 LED 厂
多为树脂封装加工，芯片需要大量进口，是成本高
的原因。
5 LED 汽车灯具的发展前景
5. 1 亮度输出
近年来，高亮度 LED 技术发展迅猛。截至 2008
年，欧 司 朗 光 电 半 导 体 公 司 推 出 新 款 OSTAR
Headlamp LED，OSTAR Headlamp LED 产 生 的 光 通
量，依照 串 联 的 芯 片 数 量 而 定，介 于 700mA 时 的
125 lm (单芯片) 与 1A 时的 1000 lm (五芯片) 之
间，可达到前照灯需要的亮度要求。高精度的工程
设计、内置光闸功能、最佳的芯片安装和封装设计，
让 OSTAR Headlamp LED 具有全新的亮度数据和 精
确的灯光明暗截止线，适用于所有前照灯设计 ( 见
图 7)。
奥迪 R8 采 用 的 即 是 由 Lumileds 和 Osram 公 司
提供 OSTAR Headlamp LED。其 LED 头灯具有 全 面
的功能性，包括近光、远光、日间行驶灯、前 转 向
信号灯及前位灯均为 LED (见图 8)。每个头灯组使
用 54 个 LED 光 源，能 耗 低 是 其 一 大 特 色: 近 光 照
明仅耗 50 瓦，日间行驶照明仅耗 6 瓦。
这种 LED 新光源使得汽车灯具的风格设计和造
型布置具有空前的灵活性，且 LED 光输出功率密度
在技术上已能够与 HID 灯具匹敌。因此一旦能降低
成本并在技术上实现量产，它极有希望把现存的其
他照明技术淘汰出局而独霸车灯市场。
5. 2 法规支持
LED 在前照灯中的信号灯功能使用已经在 ECE
或 SAE 法规国获得批准。不仅如此，针对汽车灯具
照明，欧洲、美国和日本等发达国家希望从立法上
规定，照明角度设计的调整，能改善汽车转弯时所造成的照明死角或路面反射不足的问题，以达到最
佳照明效益，并降低交通事故发生 率。这 就 是 AFS
系统 (主动式前 照 灯 照 明 系 统)。2009 年 7 月，我
国也开始 提 出 AFS 照 明 系 统 的 标 准 制 定 征 求 意 见
稿，估计近两年内即可出台。
5. 3 LED 与 AFS 系统
LED 前照灯与 AFS 系统的结合，具有传统光源
无法比拟的一些优点。LED 前照灯能利用光点阵列
来组合出前照灯的主动式照明功能，实现光照射方
向随转向角度而变化的主动安保功能，而无需采用
任何运动部件。这种主动式前照灯照明系统，有可
能需要采用比以往所用过的数量更多的光管来构成
点阵。照明系统的这种变化也符合并体现了当代汽
车的机械装置功能逐渐被全电装系统所取代的大趋
势。
同一组 LED 阵列既可以作为前照灯的光源，也
可同时用于转向灯，只是在发挥不同照明功能时采
用各自的光学镜罩。作为一般的转向灯，只须在车
身两侧 布 置 LED 阵 列，再加上简单的开关功能即
可。而要发挥智能前照灯的主动安保作用，让前照
光束随车辆的转向轨迹总是同步地照亮车前的道路，
则需要布置较多的光源点阵并采取更复杂的光点电
控，按照转向输入来控制光点阵列的明暗组合及其
反光镜，从而同步地改变前照灯光束的射向，实现
车辆转弯过程中的盲点照明 (见图 9)［16］
。
这种与 AFS 技术的结合优势，将使 LED 在车辆
照明领域取代其他传统光源，成为历史的必然选择。
5. 4 市场总值
随着 LED 技术持续进步，车厂愿意导入的意愿
也逐 渐 提 升， 根 据 美 国 研 究 机 构 SU 资 料 显 示，
2007 年全球车用 LED 产值约 7 亿美元，未来随着车
厂导入 LED 车 灯 的 比 例 提 升，预 估 至 2010 年 产 值
将突破 10 亿美元规模。而在汽车前照灯应用领域，
预计到 2012 年，LED 前照灯市 场 将 达 到 8000 万 美
元.
6 结语
自上世纪 80 年代起，LED 凭借可靠性强、使用
寿命长、色纯度高、响应速度快、体积小便于设计
等优点，在汽车外部照明领域得到越来越广泛的应
用。进入二十一世纪后，LED 技术发展迅猛，尤其
是近几年在光输出及散热方面的一些突破，使 LED得以应用于前照灯，并与 AFS 系统结合，成为汽车
潮流发展的新宠。这种发展，在汽车时尚设计、提
高主动安全方面都具有非常重要的现实意义。