An investigation into thermal and optical performance of multi-purpose LED automotive exterior lighting systems

Abstract

Vehicle lighting is important for both security and comfort. In addition, external lighting standards need to be reliable and are subject to international norms for the prevention of accidents. For this reason, automobile manufacturers pay extra attention and effort to apply the highest standards, and develop highly reliable products. While incandescent and sodium-based lighting systems are currently used in conventional vehicles, their lifetime and efficiencies (i.e. lumens/Watt) are very low compared to LEDs (Light Emitting Diodes). Furthermore, given that vehicles are mobile systems - in contrast to stationary systems - a higher premium is placed on having energy sources which are optimized for mass, cost and power so new technologies are needed. LED-based lighting for automobile applications is a rather new concept for lighting technology. Due to the fact that conventional lighting systems cannot perform better than LEDs for quality, lifetime, efficiency and the volume, novel LED lighting products have to be developed and offered. For this reason, during the last decade LED-based technologies have been investigated intensively, resulting in an exponential growth in the number of reports and publications. This project undertook research on a novel 3-function (i.e. stop, signal and position) LED lighting technology. The research took into account challenges such as having a driver circuit with an LED light engine, as well as operation in a very harsh environment (high temperature and high frequency vibrations). It was on the basis that thermal management and alternative novel thermal technologies for reducing weight and increasing performance are investigated. In this project, a new LED-based stop light was investigated and a prototype lamps were developed, which is producing 90 lumens. LED junction temperature was kept below 100◦C, and LEDs were able to work in the ambient 60◦C. During the project, thermal management with conventional cooling solutions was developed using analytical and numerical models and were validated with experimental studies. Possible advance cooling schemes to abate local hot spots at the LED and driver electronics sides are explored via computational models and validated with prototype tests.

Araç aydınlatması güvenlik ve konfor açısından önemlidir. Buna ek olarak, dış aydınlatma standartları kazaların önlenmesi için uluslararası normlara tabi ve güvenilir olmalıdırlar. Bu nedenle, otomobil üreticileri yüksek standartları uygulayabilmek için ekstra dikkat ve çaba harcayarak, son derece güvenilir ürünler geliştirirler. Akkor ve sodyum bazlı aydınlatma sistemleri şu anda geleneksel araçlarda kullanılırken, bunların ömrü ve verimliliği (lumens / Watt) LED (Işık Yayan Diyot) ile karşılaştırıldığında oldukça düşüktür. Araçların sabit sistemlerin tersine hareketli sistemler olmaları kütle maliyet ve güç açısından optimize edilmiş daha yüksek kaliteli enerji kaynaklarına sahip olmalarını gerektirir. Otomobil uygulamaları için LED bazlı aydınlatma teknolojisi oldukça yeni bir kavramdır. Geleneksel aydınlatma sistemlerinin kalite, kullanım ömrü, ve kapladığı hacim açısından LEDler kadar performans sağlayamaması LED aydınlatma ürünlerinin daha çok geliştirilip farklı alanlarda kullanımlarının önerilmesine yol açtı. Bu sebeple son on yıldır LED temelli teknolojilerin, yoğunlukla incelenmeleri rapor ve yayınlarda eksponensiyel bir artışa neden olmuştur. Bu projede 3-fonksiyonlu (stop, sinyal ve pozisyon) yeni LED aydınlatma sistemi araştırılmıştır. Bu araştırmada LED ışık motoruyla birlikte seçilen sürücü devresinin kullanımından ya da yüksek sıcaklık ve yüksek frekanslı titreşimler gibi ortam şartlarındaki aşırılıklardan gelen zorluklar hesaba katılmıştır. Bu araştırma ısı yönetimine ve performansın arttırılıp kütlenin azaltılabileceği alternatif yeni termal teknolojilerin araştırılmasına dayanmaktadır. Projede, yeni bir LED tabanlı fren lambası incelenmiş ve 90 lümen üreten prototipler geliştirilmiştir. LED pn birleşme sıcaklığı 100◦C altında tutularak LEDler 60◦C ortam sıcaklığında çalışabilecek hale getirildi. Proje süresince, geleneksel soğutma çözümleri ile ısı yönetimi analitik ve sayısal modeller kullanılarak geliştirildi ve sonuçlar deneysel çalışmalarla doğrulanmıştır.