D5S 氙氣燈泡的應(yīng)用

謝望

( 上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海200240)

0 引言

在所有的汽車照明燈具中，汽車前照燈無(wú)疑是最重要的，它與汽車的行車安全有著十分緊密的聯(lián)系。汽車前照燈就猶如駕駛員在黑夜駕駛時(shí)的雙眼，一雙明亮的雙眼才能給黑夜中的行車安全帶來(lái)可靠的保證。

很顯然前照燈的照明距離越遠(yuǎn)，配光性能越好，汽車行駛的安全性能就會(huì)越高。但是如同其他很多產(chǎn)品一樣，高性能與低成本始終站在用戶的對(duì)立面。而如今P 公司D5S 氙氣燈泡的面世能夠很好地平衡性能和成本之間的關(guān)系，給汽車制造商帶來(lái)一個(gè)全新的選擇。

1 汽車照明光源技術(shù)演化

隨著1906 年世界上第一次用1 個(gè)蓄電池供電的電燈照明的出現(xiàn)，一個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，汽車照明技術(shù)得到了飛速的發(fā)展，從1909 年的乙炔前照燈，1925 年的白熾燈，1959 年的鹵鎢燈到現(xiàn)在第四代的氙氣燈和第五代的白光LED 光源［1］。光源的進(jìn)步推動(dòng)了汽車前照燈技術(shù)的快速革新，從圖1 可以看出，現(xiàn)在的汽車前照燈造型多變，從最初簡(jiǎn)單的圓形逐漸演變到現(xiàn)在完全自由曲面的造型，可謂是翻天覆地的變化。

雖然科技在不斷地進(jìn)步，汽車前照燈的光源已經(jīng)發(fā)展到了第五代白光LED 前照燈，某知名國(guó)際廠商在2008 年就已經(jīng)推出了世界第一款全LED 前照燈的車型［2］，然而由于受困于LED散熱技術(shù)和制造成本等多項(xiàng)因素，LED 在前照燈中的應(yīng)用仍十分有限。目前市場(chǎng)上作為汽車前照燈最常用的光源還是以技術(shù)成熟，價(jià)格穩(wěn)定的鹵素?zé)襞莺碗瘹鉄襞轂橹鳌?/p>

所謂鹵素?zé)襞?，即鹵鎢燈，它是利用鹵鎢循環(huán)的原理制成的，玻殼采用耐高溫的石英玻璃，當(dāng)燈內(nèi)充入適量的鹵素后，在適當(dāng)?shù)臏囟葪l件下，從燈絲蒸發(fā)出來(lái)的鎢在玻壁附近與鹵素產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，形成揮發(fā)性的鹵鎢化合物，當(dāng)鹵鎢化合物擴(kuò)散到溫度較高的燈絲周圍區(qū)域時(shí)，又分解成鹵素和鎢，釋放出來(lái)的鎢沉積在燈絲上，而鹵素則繼續(xù)擴(kuò)散到溫度較低的玻壁附近與鎢化合，這一過(guò)程稱為鹵鎢循環(huán)或鎢的再生循環(huán)。如此循環(huán)不已，燈絲幾乎不會(huì)燒斷，燈泡也不會(huì)發(fā)黑，所以它要比傳統(tǒng)的白熾前照燈壽命更長(zhǎng)、亮度更大［3］。鹵素?zé)襞菰谀壳笆袌?chǎng)上的代表是H7 燈泡，它最大的優(yōu)勢(shì)是技術(shù)成熟，成本低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)約可靠。另外相比氙氣燈需要用鎮(zhèn)流器來(lái)高壓?jiǎn)?dòng)，H7 燈泡只需要汽車電瓶提供12 V 直流電源即可，即插即用，非常便捷。但是由于受困于發(fā)光原理的限制，H7 燈泡使用壽命較短，只有330 h，為此用戶需要經(jīng)常更換燈泡。另外H7 燈泡的流明輸出和色溫較低，分別為15 00 lm 和3 100 K，發(fā)光偏暗偏黃，行車安全性有所降低，用戶體驗(yàn)不佳。

氙氣燈，英文簡(jiǎn)稱是HID (High Intensity Discharge Lamp)，即高強(qiáng)度氣體放電燈。HID 氙氣燈泡的具體發(fā)光原理是： 在石英管內(nèi)，以多種化學(xué)氣體充填，其中大部份為氙氣與碘化物等惰性氣體，然后再通過(guò)鎮(zhèn)流器將車上12 V 的直流電壓瞬間增壓至23 000 V，經(jīng)過(guò)高壓震幅激發(fā)石英管內(nèi)的氙氣電子游離，在兩電極之間產(chǎn)生光源，這就是所謂的氣體放電［3］。目前市場(chǎng)上用得最多的氙氣燈泡是D3S 燈泡，HID 燈泡作為第四代光源，相比鹵素?zé)襞莸淖畲髢?yōu)勢(shì)是壽命長(zhǎng)，亮度值高，色溫接近日光。其中D3S 燈泡的壽命可達(dá)到整車壽命，基本不需要維護(hù)。流明輸出和色溫值則分別高達(dá)3 200 lm 和4 100 K，高亮度和高色溫值能夠給駕駛者帶來(lái)完美的駕駛體驗(yàn)，極大地提高了行車安全性。與之對(duì)應(yīng)的是，D3S 燈泡成本高昂，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要額外裝配鎮(zhèn)流器，鎮(zhèn)流器線束等設(shè)備，給汽車制造商帶來(lái)額外的成本和開(kāi)發(fā)負(fù)擔(dān)。

2 D5S 氙氣燈泡介紹

D5S 氙氣燈泡(圖2) 是P 公司為汽車照明全新開(kāi)發(fā)一款新型氙氣燈泡，它采用“12V in -Xenon Light out”的設(shè)計(jì)理念，使得氙氣燈的使用能夠像鹵素光源一樣簡(jiǎn)單方便。在現(xiàn)有鹵素?zé)魺艟呓Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，輕松實(shí)現(xiàn)氙氣燈的應(yīng)用。

D5S 燈泡采用了集成式設(shè)計(jì)的理念，燈座內(nèi)部集成了鎮(zhèn)流器，這樣的設(shè)計(jì)可以從光源角度解決電磁干擾問(wèn)題，從而讓該產(chǎn)品可以在各平臺(tái)上通用，減少了燈具系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工序。D5S燈泡和鹵素?zé)襞菀粯?，采用了即插式的安裝方式，與鹵素?zé)襞菹嘟目臻g要求和外部尺寸也是設(shè)計(jì)者所向往的。另外D5S 燈泡雖然增加了集成鎮(zhèn)流器，但它的整體質(zhì)量仍僅為100 g，對(duì)比D3S 燈泡它的系統(tǒng)質(zhì)量更輕，無(wú)儲(chǔ)水罐等諸多優(yōu)勢(shì)也給設(shè)計(jì)者帶來(lái)了諸多便利。

3 D5S 燈泡的優(yōu)勢(shì)及應(yīng)用

眾所周知，氙氣燈以安全、時(shí)尚著稱，但由于成本因素目前多運(yùn)用于高端車型上［4］。P 公司開(kāi)發(fā)D5S 光源的初衷是讓用戶可以在不增加系統(tǒng)復(fù)雜性的前提下，輕松實(shí)現(xiàn)鹵素?zé)糁岭瘹鉄舻纳?jí)，為市場(chǎng)主流車型提供氙氣燈解決方案。P 公司同時(shí)也希望D5S 能夠在未來(lái)的市場(chǎng)上全面替代H7 鹵素?zé)襞?，成為汽車前照燈光源的第一選擇。那又是什么讓P 公司如此有信心用D5S 燈泡來(lái)取代H7 呢? 我們可以先來(lái)看一下表1，比較一下D5S，H7，D3S 三種燈泡的性能區(qū)別。

表1 D5S，H7，D3S 燈泡性能比較

先通過(guò)表1 來(lái)對(duì)照D5S 和H7 兩者的性能區(qū)別： 顯然D5S氙氣燈泡相比H7 鹵素?zé)襞萘炼戎蹈?，流明輸出提高?3%達(dá)到2 000 lm，在色溫方面則從3 100 K 提升至4 500 K，這樣使燈泡的顏色更接近日光。而在壽命方面，D5S 使用壽命高達(dá)2 500 h，已經(jīng)達(dá)到了整車壽命，屬于免維護(hù)光源，相比H7 僅330 h 的壽命具有明顯優(yōu)勢(shì)。另外18 mm 的LCL 值相比H7 燈泡的25 mm 整整小了7 mm，別低估這7 mm，它可以讓設(shè)計(jì)者使用更小的空間來(lái)實(shí)現(xiàn)燈具投射單元的布置，大大降低了空間布置的難度。僅25 W 的燈頭功率顯然比H7 燈泡55 W 的功率更順應(yīng)潮流，符合當(dāng)今社會(huì)節(jié)能減排的趨勢(shì)。

比較完H7，再來(lái)看一下D5S 和D3S 燈泡的性能區(qū)別： D5S相比D3S，雖然流明輸出值較低，但是由于設(shè)計(jì)時(shí)D5S 的流明輸出被嚴(yán)格控制在2 000 lm 以下，這樣根據(jù)GB4785 -2007［5］法規(guī)要求，汽車制造商無(wú)需強(qiáng)制為汽車前照燈配置前照燈清洗系統(tǒng)和自動(dòng)水平調(diào)節(jié)系統(tǒng)(圖3)，因而可以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，大幅降低系統(tǒng)成本。另外由于D5S 燈泡集成了鎮(zhèn)流器，對(duì)于車燈設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)就意味著可以節(jié)省布置鎮(zhèn)流器和線束的空間和成本。

P 公司在開(kāi)發(fā)D5S 燈泡的時(shí)候并不是簡(jiǎn)單地降低流明輸出而已，他們還根據(jù)客戶的喜好提高了400 K 色溫至4 500 K，使用壽命也從1 500 h 增加至2 500 h。D5S 相比D3S 燈泡另一大顯著優(yōu)勢(shì)是P 公司設(shè)計(jì)者們大幅減少了LCL 值，這樣可以使汽車燈具內(nèi)部的投射單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更緊湊，更小巧，給造型師提供了更大藝術(shù)空間。另外D5S 燈泡25 W 的功率相比D3S 燈泡還具有一定的節(jié)能優(yōu)勢(shì)。

D5S 的出色不僅僅體現(xiàn)它卓越的光學(xué)性能上，它的機(jī)械結(jié)構(gòu)和空間性能也非常出色。現(xiàn)在中高端車型通常使用投射模組來(lái)實(shí)現(xiàn)近光燈功能，D5S 同樣如此，設(shè)計(jì)者們只需要像H7 鹵素?zé)襞菀粯雍?jiǎn)單地通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)把D5S 燈泡旋入投射模組的固定點(diǎn)即可，而不需要像D3S 燈泡一樣使用額外的卡簧來(lái)固定燈泡。另外如上文所示，D5S 僅18 mm 的LCL 值有助于實(shí)現(xiàn)緊湊的投射模組設(shè)計(jì)(圖4)，這樣汽車前照燈的尺寸也能相應(yīng)縮小。

簡(jiǎn)而言之，D5S 的使用和H7 鹵素?zé)襞菀粯颖憬?，并且尺寸要更小，亮度要更高。圖5 是D5S 和H7 投射模組的夜晚路面照度比較，可以清晰看出，D5S 由于流明輸出和色溫的大幅提升明顯地提高了汽車照明的亮度和范圍，這樣能夠幫助駕駛者在黑夜中對(duì)物體能夠有更有效地識(shí)別，提高安全性，擁有更好的駕駛體驗(yàn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)和H7 和D3S 產(chǎn)品的性能比較，可以發(fā)現(xiàn)D5S 燈泡在具有H7 鹵素?zé)襞莸牡统杀荆Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能可靠等特點(diǎn)的同時(shí)，還具有D3S 氙氣燈泡高光通量，接近日光的色溫等優(yōu)勢(shì)，另外D5S 燈泡超低的LCL 值，超高的使用壽命也讓它成為汽車前照燈光源的翹楚。D5S 汽車光源的面世不僅滿足汽車制造商對(duì)低成本，小空間，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的追求，同時(shí)也滿足了用戶對(duì)高光通量，高色溫帶來(lái)的完美駕駛體驗(yàn)的追求。相信P 公司D5S光源憑借其緊湊，高效，輕便等諸多優(yōu)勢(shì)，必將在不久的將來(lái)成為汽車制造商實(shí)現(xiàn)緊湊型車型升級(jí)頭燈的完美選擇。

【1】徐晨潔. LED 汽車近光燈的光學(xué)設(shè)計(jì)［D］. 上海： 復(fù)旦大學(xué)，2009.

【2】海拉貿(mào)易( 上海) 有限公司. 全LED 前照燈汽車照明技術(shù)發(fā)展中的創(chuàng)舉［J］.技術(shù)與市場(chǎng)，2010，42(10) ：45.

【3】燕坤善，牛萍娟，付賢松.汽車前照燈光源及發(fā)展趨勢(shì)［J］.光機(jī)電信息，2008(11) ：36-39.

【4】王恩波，武華堂，孟輝，等.汽車氣體放電光源前照燈研究［J］.光源與照明，2009(3) ：11-14.

【5】上海汽車燈具研究所. GB 4785 -2007 汽車及掛車外部照明和光信號(hào)裝置的安裝規(guī)定［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007.