恶劣天气下车灯产生雾气是很多客户投诉的问题。LED作为车灯发展的趋势，和卤素灯在防雾性能方面有何区别？如何创新地解决LED灯的雾气问题？本文将阐述车灯雾气产生的原因和途径，对比LED灯与卤素灯的区别，最后提供一些适用于LED灯雾气问题的特定解决方案。1. LED LIGHTS INTRODUCTION LED灯的简介现在大多数汽车头灯使用的都是传统的卤素灯，由于功率限制，卤素灯并不总能满足车辆前方照明的需求。而氙灯显色指数不高。相比起传统灯泡，LED具有很多方面的优势，能更好地保障行车安全。首先，在相同时间内，LED释放的能量是普通头灯的两倍。在反应时间上，LED仅为1毫秒，而普通灯泡为200毫秒。此外，色温为6000K的LED的光几乎与日光相同，显色指数好，而氙灯的色温仅为其一半。其次，LED运行能耗小。LED节省下来的能量能延长汽车电池的使用寿命，供汽车其它部分更好地运行。从系统功能上，LED灯光功能更强，操作更便捷。LED可以通过智能系统关闭部分模块以减少眩光。应用动态转向灯系统，LED头灯矩阵可以利用其中部分单元来提供弯道照明，。而应用夜视系统则可以识别路上的行人和动物，并对行人进行适当的提醒。Figure 1. 2017 Ford Fusion full LED head lamp, fog lamp and tail lampLED的发展也需要克服一些技术难题。LED作为半导体材料，相较于普通灯泡，一般需要工作在较低的温度，散热问题就成了LED车灯发展的一个瓶颈。同时，现在市场上的车灯玻璃并不适用于LED，如果使用，会出现光束过于集中或无规则分布等情况。此外，电子元件更新换代速度极快，如果使用LED，几年后维修车灯时很可能找不到适配的电子元件。针对LED，车灯结构也需要一些特殊设计。LED PCB的厚度远远小于卤素灯尾灯（图2），且LED不像需要灯泡一样需要套接口，所以灯内空间很小，空气流通差，更容易出现雾气问题，在狭小的空间内除雾也变得更加困难。Figure 2 LED PCB and bulb boardFigure 3 head lamp and tail lamp除了空间，随车型变化，越来越多的车灯设计纵深增大（图3），且除了LED模块，头灯底部还有散热片、风扇、LED驱动器等（图5），远比外观上看起来大，而这些非功能区温度都相对较低；其次，为了显得美观，OEM经常为汽车覆上装饰罩（图4），但如果有通风口，装饰罩离尾灯距离太短会减少空气的流动。这些因素的存在使得LED车灯的雾气问题难以有效地解决。Figure 5 Hidden portion at the bottom of head lamp2. CONDENSATION INTRODUCTION 冷凝问题的简介冷凝指的是水从气态变为液态的物理现象。需要有几个条件：足够的水汽、温度变化和凝结核。由于头灯装有通风装置以便平衡气压，大气中的水汽就容易通过通风口进入车灯。当灯具温度高、湿度高，周围环境温度降低至露点以下，车灯玻璃的表面就会成为凝结核，产生雾气。此外，如果车灯的密封性不好，防水差，雾气问题将会加剧。露点指空气处于常压且水汽达到饱和时发生水汽开始凝结的温度，是表征大气湿度的一个标准。较高的露点表明空气中更多的水分。通常用来估算露点的公式如下。给定空气温度T（摄氏），相对湿度RH（百分比）可以计算露点Tdp。3.CONDENSATION PERFORMANCE DIFFERENCE 冷凝性能差异车灯的工作环境恶劣，要承受来自阳光发动机、灯泡或LED模块散发的热量，外界的大风大雨等等，这些都加大了控制头灯内的热量的难度(图7)。内部因素包括灯具材料和结构。从灯具材料来看，所有的塑料都会吸收水分，但当温度升高时，水分就会被释放出来。此外，粗糙的塑料表面可以充当凝结核。而灯具结构也会显著影响雾气生成。近来灯具设计使得车灯玻璃部分区域温度较低，空气流通速度减小，不利于防雾。外部因素则包括大雨、高压洗车、高空气湿度和太阳暴晒等环境影响。这些条件都提供了温度的变化和更加充足的水汽，导致雾气问题更加严重。表1对比了LED和卤素灯/HID灯。从表中可以看出，相比起卤素灯，LED温度更低，易结雾，难清除。4. Solutions for LED lights condensation LED车灯的防雾措施前照灯采用复杂的通风路径或通风管可以一定程度地改善环境对车灯的影响。戈尔汽车拥有专利的前大灯的通风口能实现以下功能（图8）：应对温度和压强的快速变化；通过多微孔的EPFE薄膜除湿；长时间有效防水；防止灰尘和其它颗粒物进入车灯玻璃和外壳。尽管戈尔的薄膜法是一个很好的想法，但中国的顾客对雾气问题特别敏感，大多数OEM国内15-30分钟完成雾气清除的标准并不能满足他们的需求。防雾层这项技术最初由NASA研发，它可以防止小水滴在表面凝结成雾状。防雾层结合LED，可以通过减小表面压力，改变水的角度（表2），从而形成均匀水膜而非单个水滴，这样水汽看起来就不那么明显。防雾层可以应用表面活性剂的膜或亲水型表层来实现。但当过多水汽进入灯内，防雾层也无法很好地解决，而且过多的水滴可能会形成水痕（图10）。此外，防雾层的使用寿命也是大家关注的问题。根据防雾层的数据表，防雾层可以在最糟糕的环境下工作240小时，但通常情况下的持续时间未知。所以2-3年后，即使密封性良好，雾气问题也可能再次出现。Figure 10 Anti-fog coating chart风扇可以增加空气流通，减少雾气生成。但在一些LED前照灯内，风扇是作为散热装置的。如果再增加特殊的防雾风扇，会使得车灯的体积变大（图11），同时费用也会增加。干燥剂可以吸收附近的水分（图12）。一般包装的干燥剂是固体的，而特殊的干燥剂可以有不同的状态，如由化学键结合的水分子等。常规干燥剂的使用期限很短，只能吸收自重的30%的水分。除了吸收水分，在周围湿度改变时，常规的干燥剂还会释放水分，并不能很好地解决雾气问题。特定的干燥剂需要满足以下几个要求：将吸收的水分储存为固态而非液态；温度升高时水分不会被释放出来；工作在at-40°C- 85°C，相对湿度1-99%；吸收空气中的所有水分；可以吸收自重的150%的水分，有效期超过180天；价格便宜；符合RoHS的标准，对环境无害。LED前照灯有很多优势，但也面临很多挑战。总的来说，LED价格远高于灯泡，但仍称得上物有所值。LED是未来车灯的趋势，大部分OEM也将要投入大规模生产，但LED和卤素灯质量上有很多不同，这使得市场上LED的质量问题难以预防和解决。考虑到这些区别，已经有了薄膜、防雾层、风扇等解决方案，但新的解决方案还需要更多研究和讨论。
本文来源：第四届中国国际汽车照明论坛（IFAL 2016）论文集
