自動車前照灯用途向けアプリケーション固有LEDパッケージングと全灯体モジュールの設計

1. 概要:

  • 論文タイトル: Application Specific LED Packaging for Automotive Forward-lighting Application and Design of Whole Lamp Module
  • 著者: Fei Chen, Kai Wang, Zhangming Mao, Xing Fu, Cao Li, Mengxiong Zhao, Sheng Liu
  • 出版年: 2012年
  • 掲載誌/学会: IEEE（具体的な雑誌名は本文に記載なし）
  • キーワード: 本文には明示的に記載されていません。

2. 研究背景:

自動車のヘッドライトにおいて、ハロゲンランプや高輝度放電ランプ(HID)からLEDへの移行が進んでいます。LEDは信頼性、省エネルギー性、小型化、耐久性、環境への配慮、長寿命などの利点を持つ一方で、従来のLEDパッケージングは、前照灯への適用に適した光学的および熱的特性を備えていませんでした。夜間の交通事故発生率が高いという研究結果（44%）[2]を踏まえれば、自動車前照灯の照明品質は安全な運転に不可欠であり、ECE、SAE、GBなどの様々な規制でロービーム照明に厳しい制限が設けられています[3-5]。以前の研究では、非イメージング光学系に基づくLEDヘッドライトの設計で高い効率（75％以上）が達成されていますが[6]、レンズ構造の複雑さから製造上の困難がありました[7, 8]。光ファイバーやDMDを用いた光制御方式も検討されています[9, 10]が、コストや製造上の課題が残っています。

3. 研究目的と研究課題:

  • 研究目的: 自動車前照灯に適した特殊LEDパッケージング（ASLP）を設計し、それを基に、ECEおよびGB規制に準拠した低コストのLEDヘッドライトを実現するための完全なランプモジュールを設計すること。
  • 主要な研究課題: 自動車前照灯用LEDの光学的および熱的要求事項は何であり、それらを満たすASLPはどのように設計すべきか？ ASLPに基づき、効率的な冷却システムと光学システムを備えた完全なランプモジュールをどのように設計すべきか？
  • 研究仮説: 最適化された構造パラメータと適切なパッケージング材料を用いて設計されたASLPは、小さなエタンデュ、高い輝度、シャープなカットオフ特性を備え、効率的な冷却システムと組み合わせることで低い熱抵抗を実現できる。

4. 研究方法:

  • 研究設計: 理論的解析と実験的検証を組み合わせた研究設計。まず理論的解析により、自動車前照灯に対する光学的および熱的要求事項を分析し、その結果に基づいてASLPを設計しました。設計されたASLPサンプルを作成し、実験により性能を評価しました。実験結果に基づいて、新しい自由曲面マルチリフレクターを用いた光学システムと効率的な冷却システムを備えた完全なランプモジュールを設計しました。
  • データ収集方法: 理論的解析、ASLPサンプルの製作と試験、シミュレーション、完全なランプモジュールの性能試験。
  • 分析方法: 光学シミュレーション、熱シミュレーション、統計的分析。
  • 対象と範囲: 自動車前照灯用ASLPと完全なランプモジュール。

5. 主要な研究結果:

  • 主要な発見: 最適化されたASLPは、1100lmの光束とシャープなカットオフ、ECE規制に準拠した色度を実現し、冷却システムの等価熱伝達係数が5000 W/(m²K)の場合、熱抵抗は1.3K/W未満でした。新しい自由曲面マルチリフレクターをベースにした光学システムと効率的な冷却システムを備えた完全なランプモジュールは、ロービームとハイビームの両方の機能を備え、シミュレーション結果においてECE規制を満たしました。リフレクターの光効率は65％に達しました。周囲温度85℃において、接合部の温度は150℃以下と推定されました。
  • 統計的/定性的分析結果: 表1はASLPサンプルの試験結果（色度座標、色温度、光束、赤色光割合）を示しています。表2と表3は、ロービームとハイビーム機能のシミュレーション結果とECE R112規制値を比較した結果を示しています。図3は熱抵抗と熱分布に関するシミュレーション結果を示しています。図4はASLPサンプルの写真です。図5は設計されたLEDランプモジュールを示しています。図6と図7はロービームとハイビーム機能のシミュレーション結果を示しています。図8は冷却システムの図です。図9はヒートシンク上の熱分布シミュレーション結果を示しています。
  • データ解釈: ASLPは小さなエタンデュ、高い輝度、シャープなカットオフを実現することで、自動車前照灯の光学的要件を満たし、低い熱抵抗により熱管理の問題も解決しました。完全なランプモジュールは、効率的な光学系と冷却システムにより、低コストでECE規制に準拠した高性能を実現しています。
  • 図表リスト: （上記参照 - 図3、4、5、6、7、8、9；説明は上記に記載）
Figure 5. Designed LED lamp with low-beam and high-beam function
Figure 5. Designed LED lamp with low-beam and high-beam function
Figure 8. Schematic diagram of cooling system in LED headlamp.
Figure 8. Schematic diagram of cooling system in LED headlamp.
Figure 9. Simulated heat distribution on heatsink when ambient temperature is 85℃.
Figure 9. Simulated heat distribution on heatsink when ambient temperature is 85℃.

6. 結論と考察:

本研究は、理論的解析と実験的検証を通じて、自動車前照灯に適したASLPと完全なランプモジュールを設計し、その性能を実証しました。ASLPは小さなエタンデュ、高い輝度、シャープなカットオフ、低い熱抵抗を実現し、完全なランプモジュールはECE規制に準拠した高性能を示しました。本研究は、低コストで効率的なLEDヘッドライトの開発に貢献し、HIDやハロゲンランプベースのヘッドライトとの競争力を強化できる可能性を示しています。ただし、すべての試験が実験的に完了しているわけではないため、今後の追加研究が必要です。

7. 今後の研究:

様々な動作条件下での性能評価と耐久性試験を行う必要があります。最適な設計を得るために、様々なLEDチップやパッケージング材料を用いた研究が必要です。

8. 参考文献要約:

本論文では、LED技術、自動車照明、設計手法、関連規制に関する14の参考文献が引用されています。各参考文献は、LEDの光学的特性、熱管理、ECE規制などに関する詳細な情報を提供しています。

  1. Sheng Liu and Xiaobing Luo, LED Packaging for Lighting Applications, Chemical Industry Press and John Wiley & Sons, 2011.
  2. A jportation (2001).
  3. United Nations Economic Commission for Europe vehicle regulations, Reg. 112-Rev. 2.
  4. Society of Automotive Engineers (SAE) for Harmonized Vehicle Headlamp Performance Requirements, J1735.
  5. National Standard of the People’s Republic of China for Motor Vehicle Headlamps Equipped with Filament Lamps, GB4599-2007.
  6. Aleksandra Cvetkovic, Oliver Dross, Julio Chaves, Pablo Benitez, Juan C. Miñano, and Rubén Mohedano, “Etendue-preserving Mixing and Projection Optics for High-luminance LEDs, Applied to Automotive Headlamps,” Optics Express, Vol. 14, No. 26 (2006), PP. 113014.
  7. André Domhardt, Simon Weingaertner, Karsten Klinger, Dieter Kooß, Karl Manz and Uli Lemmer, “New Design Tools for LED Headlamps,” Proc. SPIE 7003, 2008.
  8. Fei Chen, Kai Wang, Zong Qin, Dan Wu, Xiaobing Luo, and Sheng Liu, “Design Method of High-efficieent LED Headlamp Lens,” Optics Express, Vol. 18, No. 20 (2010), PP. 20926-20938.
  9. Jinjia Chen, Pochun Lin and Kuanglung Huang, “Computer Modeling of a Fiber-and-light-emittingdiode-based Vehicle Headlamp,” Optical Engineering, Vol. 49, No. 7 (2010), PP. 073002.1-073003.8.
  10. A. Günther, “Optical Concept for an Active Headlamp With a DMD Array,” Proc. SPIE 7003, 2008. 11. Jianzhong Jiao and Ben Wang, “Etendue Concerns for Automotive Headlamps Using White LEDs,” Proc. SPIE 5187, 2004.
  11. Jianzhong Jiao and Ben Wang, “High Efficiency Reflector Optics for LED Automotive Forward Lighting,” Proc. SPIE 6670, 2007.
  12. Oliver Dross, Aleksandra Cvetkovic, Julio Chaves, Pablo Benitez and Juan C. Minano, “LED Headlight Architecture That Creats a High Quality Beam Pattern in Dependent of LED Short Comings,” Proc. SPIE 5942, 2005.
  13. Wolfgang Pohlmann, Thomas Vieregge and Martin Rode, “High Performance LED Lamps for Automobile : Needs and Opportunities,” Proc. SPIE 6797, 2007.

著作権:

この要約は、Sheng Liuらの論文「自動車前照灯用途向けアプリケーション固有LEDパッケージングと全灯体モジュールの設計」に基づいて作成されました。

この要約は情報提供のみを目的としており、著者の明示的な許可なく商業目的で使用することはできません。
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