CC BY
30
щ м а ки а англ рМШ а и а ЕЖ м; i И ми га; i м a ws5 s g м м м i i В ;.шша
УДК 621.321 Б01 10.18635/2071-2219-2016-3-16-20
Особенности применения энергоэффективных технологий освещения на транспортных средствах
Д. В. Жматов,
Московский институт энергобезопасности и энергосбережения,
заведующий кафедрой электротехники и электроники, кандидат технических наук В. П. Горкин,
Московский институт энергобезопасности и энергосбережения, старший преподаватель кафедры электротехники и электроники
Е. Э. Пахомова,
Московский государственный машиностроительный университет, старший преподаватель кафедры «Автомобильная электроника»
Светодиодные осветительные приборы, работающие в тяжелых условиях эксплуатации, а именно на транспортных средствах, подчиняются не только требованиям эффективности, но и требованиям безопасности движения транспорта. С использованием анализатора энергопотребления нелинейных нагрузок были выполнены измерения характеристик светодиодных осветительных приборов, рекомендованных к установке на транспортных средствах. Проведен сравнительный анализ на соответствие требованиям, отмечены преимущества и недостатки.
Ключевые слова: энергоэффективность, транспорт, светодиодные источники света, светотехнические и электротехнические характеристики.
Светодиоды (LED - light-emitting diodes) довольно широко используются в системах промышленного и бытового освещения, для архитектурной и декоративной подсветки, а также в приборах (панели, мониторы и т. д.). При этом в транспортной отрасли доля применения светодиодов до последнего времени оставалась небольшой - 10 % [1]. Сегодня благодаря развитию энергоэффективных технологий светодио-ды активно завоевывают рынок устройств освещения для транспорта, вытесняя лампы накаливания и галогенные лампы.
Использование светодиодов в осветительных устройствах на транспортных средствах является привлекательным по ряду причин. Светодиодные лампы имеют значительный срок службы, а также устойчивость к механическим, вибрационным и ударным нагрузкам. По данным фирм-производителей, светодиодные лампы могут работать от 20 000 до 50 000 часов без изменения параметров. Имеется возможность регулирования яркости и цвета излучения с помощью специальных устройств - драйверов. В отличие от других технологий освещения, светодиодные позволяют получать узконаправленные лучи света, что особенно важно в прожекторных лампах. Современные конструкции светодиодных ламп обеспечивают высокую энергоэффективность осветительных приборов, причем этот показатель все время увеличивается.
Нельзя не отметить и еще один влияющий фактор, связанный с тем, что светодиоды используют для работы источники постоянного тока, установленные на транспортных средствах (различного типа
аккумуляторные батареи). При этом из-за ограниченности запаса электрической энергии снижение энергопотребления в системах освещения транспортных средств становится актуальной задачей.
Тенденции изменения конструкции источников света на транспорте складывались следующим образом. Еще до недавнего времени в качестве источников света на транспортных средствах использовались лампы накаливания, которые применялись как для освещения салона, так и для внешних светосигнальных приборов и фар головного освещения. Эффективность ламп накаливания повысилась с переходом на галогенные лампы; к сожалению, срок их службы не превосходит срока службы обычных ламп накаливания. Одновременно в соответствии с европейскими правилами и нормами ЕЭК ООН R37 [2] стали формироваться стандартные конструкции электрических ламп. Так, например, для фар головного освещения наиболее распространенной является лампа Н4 - галогенная лампа накаливания для ближнего и дальнего света фары (рис. 1). Стандарт для данной лампы предусматривает две нити накаливания и специальную конструкцию цоколя. Питание на лампу подается через трехконтактный штекерный разъем.
Следующим шагом в развитии источников света на транспортных средствах было появление электродуговых газоразрядных ламп в фарах головного освещения и люминесцентных ламп для освещения салонов. Как правило, газоразрядные лампы наполняются ксеноном и имеют стандартные обозначения и D2S. Конструкция этих ламп по цоколю унифицирована с галогенными лампами. Для включения
Рис. 1. Внешний вид лампы стандарта Н4
таких источников света требуется применение высоковольтных драйверов и балластов, что усложняет конструкцию осветительного прибора и влечет за собой необходимость принятия мер по электробезопасности во время эксплуатации.
Применение светодиодных технологий на транспортных средствах началось во вспомогательных осветительных приборах, таких как указатели и повторители поворота, лампы сигналов торможения, ходовые огни и т. д. Сейчас сфера их применения значительно расширяется. Например, в ОАО «Российские железные дороги» в рамках комплексной программы «Внедрение светодиодной техники» планируют снизить энергозатраты на освещение более чем на 50 %.
Развитие технологии так называемых сверхъярких белых светодиодов позволило начать их применение и в головных системах освещения - фарах ближнего и дальнего света, противотуманных фарах и прожекторах. Были разработаны конструкции светодиодных ламп, позволяющие просто заменить лампы накаливания в существующих конструкциях световых приборов. На рис. 2 показана одна из подобных конструкций.
Рис. 2. Общий вид светодиодной лампы
Лампа обеспечивает световой поток на уровне 1600-3000 лм (в зависимости от количества свето-диодов). Однако разместить такую лампу в типовой фаре довольно затруднительно, так как требуется радиатор охлаждения и наличие специальной оптической системы для формирования светового потока, без чего эффективность лампы снижается. Для повышения эффективности светодиодных ламп были разработаны специальные матричные свето-диоды с высокой световой отдачей и высокоэффективные компактные драйверы. Естественно, и сама конструкция головных осветительных приборов также изменилась.
В соответствии с правилами ЕЭК ООН № 112 (ГОСТ 41.112-2005) [3], для обеспечения безопасности дорожного движения, а также в соответствии с Федеральным законом от № 261 «Об энергосбережении...», осветительные приборы транспортных средств должны иметь определенные значения светотехнических параметров. Основным светотехническим параметром любой электрической лампы является световая отдача (измеряется в люменах светового потока, приходящегося на один ватт электрической мощности, потребляемой лампой).
Было проведено измерение светотехнических характеристик ламп в специальной светотехнической лаборатории АО «Автосвет», г. Киржач, и лаборатории кафедры «Автомобильная электроника» Московского государственного машиностроительного университета. Электротехнические параметры измерялись с помощью анализатора энергопотребления нелинейных нагрузок, разработанного на кафедре электротехники и электроники Московского института энергобезопасности и энергосбережения [4]. Анализатор выполнен на основе восьмиканального устройства сбора данных USB-6009 с блоком согласования сигналов фирмы National Instruments и среды графического программирования LabVIEW.
На рис. 3 показана экранная форма анализатора энергопотребления нелинейных нагрузок [5]. Анализатор позволяет измерять в режиме реального времени напряжение питания, выходное напряжение драйверов, ток, потребляемый драйвером от источника постоянного тока (аккумуляторной батареи), ток, потребляемый осветительными приборами (ток нагрузки), и величину потребляемой мощности от источника питания. В табл. 1 приведены результаты измерений.
В качестве контрольных взяты стандартные электролампы H4 и D2R фирмы Bosch, светодиодная лампа H4 фирмы Gree и люминесцентная лампа для освещения салона.
Как видно из табл. 1, современное светодиодное освещение экономит 30-35 % электрической энергии, что для расхода ресурсов на транспортных средствах довольно существенно. Стоит также отметить, что спектр излучения светодиодной лампы близок к солнечному (естественному) свету, что положительно сказывается на работоспособности водителя и безопасности дорожного движения в темное время суток. На рис. 4 приведены спектрограммы различных источников света.
Рис. 3. Экранная форма анализатора энергопотребления нелинейных нагрузок
Таблица 1
Параметры современных автомобильных ламп
Тип лампы / параметр Лампа накаливания, галогенная Газоразрядная, ксенон Светодиодная, белая Люминесцентная, компактная
Световой поток, лм 1500 3000 3000 3200
Потребляемая мощность, Вт 55 35 35 47
Светоотдача, лм/Вт 27,3 85,7 85,7 68,2
100
80
О 60
40
20
т
500
Рис. 4. Спектрограммы различных источников света: а — солнечный; б — светодиодный
Важным параметром, регламентируемым ЕЭК ООН, является также освещенность зоны дороги вокруг и перед автомобилем. Уровень освещенности определяется в контрольных точках и зонах специального экрана, имитирующего перспективу двухполосной автомобильной дороги [6].
Для сравнительных испытаний, проведенных в специальной светотехнической лаборатории, были взяты стандартная головная фара автомобиля «Лада Приора» (галогенное освещение) и светодиодная фара автомобиля Lexus. Формирование света фары автомобиля Lexus осуществляется с помощью специ-
0
альной системы отражателей (зеркал). В табл. 2 приведены результаты измерений в точках и зонах измерительного экрана для ближнего света фар.
На рис. 6 показано распределение светового потока при появлении встречного транспортного средства.
Таблица 2
Уровни освещенности ближнего света фар
Контрольные точки и зоны на измерительном экране Нормативы освещенности ЕЭК ООН, лк Результаты испытаний Lexus LS600h, лк Результаты испытаний «Лада Приора», лк
В 50L <0,4 0,58 0,56
75R >12 21,21 16,2
75L <12 1,442 1,696
50L <15 12,71 13,96
50R >12 23,14 21,12
50У >6 16,4 16,2
25L >2 13,37 8,2
25R >2 17,06 2,72
Зона III <0,7 1,089 0,46
Зона VI >3 8,826 4
Зона I <2E* 28,05 32,3
*E - фактическая измеренная освещенность в точке 50R и, соответственно, 50L.
Результаты испытаний показали, что освещенность зоны III фары Lexus слишком высока и не соответствует нормативам.
Для устранения этого недостатка светодиодных фар фирмами Audi и Mercedes были разработаны матричные светодиодные фары. Световой пучок такой фары состоит из 25 отдельных узких сегментов, излучаемых светодиодами, края которых слегка заходят друг на друга так, что все вместе они создают общий световой конус. Система управления позволяет включать и выключать освещение отдельных сегментов полностью и независимо друг от друга.
На рис. 5 показана конструкция матричной светодиодной фары и блока управления светодио-дами.
Имеется возможность не только выключать каждый из сегментов, но и уменьшать яркость его освещения. Система распознает встречный или попутный транспорт и выключает только те сегменты дальнего света, которые в данный момент и в данной ситуации могут вызвать ослепление участников дорожного движения. При движении в населенных пунктах включается только ближний свет фар головного освещения. Нахождение автомобиля в населенных пунктах определяется либо с помощью бортовой видеокамеры, либо с помощью навигационной системы.
Драйверы управления
Светодиоды
б
Указатель поворота, габаритный огонь и дневной ходовой огонь
Ближний свет
Дальний
Габаритный огонь и дневной ходовой огонь
Рис. 5. Матричная светодиодная фара: а — конструкция фары; б — блок управления
Рис. 6. Распределение светового потока от матричной светодиодной фары
а
э. иЬюа мига рМШ имамжм; is м И §Э; iMUMQWI; СФМК МИ IB ;.шша
В рамках настоящей статьи затронуты лишь некоторые проблемы, связанные с применением LED-технологий на транспортных средствах. Энергоэффективность светодиодного освещения уже не вызывает сомнений, особенно в свете перехода на гибридные и чисто электрические двигатели для транспортных средств. Для соответствия светодиодных ламп требованиям энергоэффективности и безопасности на транспорте необходимо ввести в действие новые соответствующие стан-
дарты; светодиодные лампы должны проходить обязательную сертификацию на соответствие требованиям международных стандартов и ГОСТов, а также испытания на сертифицированном оборудовании в составе осветительных приборов. Дальнейшее повышение энергоэффективности связано с необходимостью развития технологий и конструкций как самих светодиодов, так и осветительных приборов, и совершенствованием методов и схем управления светодиодами.
Литература
1. Туркин А. А. Мощные светодиоды и изделия на их основе / / Современная электроника. - 2016. - № 3.
2. ГОСТ 41.37-99. Единообразные предписания, касающиеся официального утверждения ламп накаливания, предназначенных для использования в официально утвержденных огнях механических транспортных средств и их параметров.
3. ГОСТ Р 41.112-2005. Единообразные предписания, касающиеся автомобильных фар, испускающих асимметричный луч ближнего или дальнего света, либо оба луча и оснащенных лампами накаливания.
4. Жматов Д. В., Белов Н. В., Горкин В. П. «Информационно-измерительный комплекс для анализа параметров электроустановок. - М.: МИЭЭ, 2016. - 192 с.
5. Жматов Д. В., Черемухин В. Е. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2012611906. Анализатор энергопотребления нелинейных нагрузок. - Роспатент, 20.02.2012 г.
6. Пахомова Е. Э., Горкин В. П. Светодиодные осветительные приборы автомобилей и тракторов / / Известия МГТУ «МАМИ». Серия 1. Наземные транспортные средства, энергетические установки и двигатели. - 2013. - № 1(15). - Т. 1 - С. 153-158.
Energy efficient automotive LED technologies
D. V. Zhmatov,
Moscow Institute of Energy-Safety and Energy-Economy,
head of the department of electrical engineering and electronics, PhD
V. P. Gorkin,
Moscow Institute of Energy-Safety and Energy-Economy,
senior lecturer at the department of electrical engineering and electronics
E. E. Pakhomova,
Moscow State University of Mechanical Engineering, senior lecturer at the department of Automotive Electronics
LED lighting fixtures designed for transport purposes are subject for special requirements in regards of energy efficiency as well as drivers' safety. Using the innovative energy consumption analyzer we have conducted some tests in order to determine automotive LED lighting fixtures' parameters, advantages, and disadvantages.
Keywords: energy efficiency, transport, LED lights, lighting and electrical engineering parameters.
