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汽車自適應大燈技術探討
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汽車自適應大燈技術探討

作為第四代車用光源,LED 有很多優于其他傳統光源的特點。為此分析了車用LED 照明的可行性和先進性,介紹了其典型的驅動電路,并著重研究了LED 以及AFS 在汽車前照燈上應用現狀。介紹了車用LED 照明面臨的問題及應對措施,并對其未來發展進行了展望。
1 車用LED 照明的可行性和先進性
在汽車上使用照明光源大約開始于20 世紀初。最先使用的是煤油燈和乙炔燈,1910 年開始使用電光源,先后經歷了白熾燈、鹵鎢燈及高強度放電式氣體燈HID(Intensity Discharge Lamp), 自1985 年開始進入了LED車用燈時代。同時LED 燈應用于自適應前照系統AFS(Adaptive Front Lighting System)的技術隨之出現。
目前,LED 已被眾多汽車廠商加以利用制造出各種車燈款式。寶馬、福特、本田、豐田、奔馳、奧迪等著名品牌車為了提高各自的總體競爭力, 紛紛推出配有各式各樣LED 車燈的新款轎車以吸引顧客。LED 具有很多其他光源所不具備的優點:(1) 壽命長、抗震性好。LED 的使用壽命理論上可達5 萬小時, 實際壽命也可達2 萬小時( 普通的鹵素燈泡僅為150 ~500 小時左右) , 一般都要超過汽車本身的壽命。另外,LED 的基本結構中沒有易損可動部件, 故抗震性能非常好。(2) 節能環保。LED在低電壓小電流的條件下就能夠獲得足夠亮度, 其耗電量僅為相同亮度白熾燈的10%~20%;LED 光源中不含危害人體健康的汞, 生產過程和廢棄物不會造成環境污染。(3) 響應速度快。與白熾燈相比,LED 燈的響應時間已經達到了幾十納秒, 這樣, 當采用LED 作為汽車尾燈時, 可以使后續汽車司機更早反應, 以減少交通事故的發生。(4) 體積小。小巧的LED 可使汽車風格的設計更加自由、多樣化, 從而使車型更加時尚; 與傳統光源相比,LED 信號燈系統的安裝深度可以減少80 mm, 這一點對于汽車造型和內部零件布置具有重要意義。
目前汽車產業在全球經濟中仍然是支柱產業, 并處在飛速發展的關鍵時期, 其必定會帶動車用燈具的發展, 為LED 在汽車上的應用提供廣闊的市場空間。
  2 車用LED 照明的驅動電路
  LED 屬于電流控制型半導體器件, 圖1 是LED 的伏安特性曲線。由圖1 可知, 此曲線比較陡, 在正向導通之前LED 幾乎無電流流過; 當正向電壓超過開啟電壓時,電流就急劇上升, 發光亮度L 與正向電流IF近似成正比:L=KIF, 其中K 為比例系數, 故可以通過控制LED 的IF來控制其發光亮度。因此, 為了保證其亮度的一致性, 通常采用恒流源驅動電路。
汽車電池工作電壓范圍為9 V~16 V, 通常情況下為12 V , 但是當汽車冷啟動時蓄電池的電壓可跌落到4 V, 而當蓄電池缺損由發電機直接供電時, 此電壓可達到36 V 的高壓。因此, 對于車用LED 燈具而言, 要可靠地恒流驅動LED 串, 驅動控制器必須具備精確的電壓和電流調節、保護電路和調光功能。因此, 設計一種穩壓性能良好而又恒流輸出的驅動電路十分必要。
目前車用LED 驅動器一般采用兩種方法控制正向電流。(1) 采用LED 的V-I 曲線確定產生預期正向電流所需要向LED 施加的電壓。其缺點為:LED 正向電壓的任何變化都會導致LED 電流的變化, 其中的鎮流電阻的壓降和功耗會浪費功率和降低電池使用壽命。(2) 利用恒流源來驅動LED。因為此方法需要將LED 并聯在電路中, 而驅動并聯LED 需要在每個LED 串中放置一個鎮流電阻, 這會導致效率降低和電流失配。因此, 這兩種方法都不能充分體現LED 應有的優越性。為了克服現有車用LED 驅動器的缺點, 出現了車用LED 陣列的高效智能驅動方法。該方法采用了半橋式DC-DC 變換技術、全波整流技術、光電耦合技術等, 確保了整個驅動電路的工作效率; 提出了基于嵌入式系統的智能控制方案, 此方案采用智能PWM 穩流控制和調光控制, 具有負載開路/短路保護和過流過壓保護功能。圖2 為LED陣列智能驅動實驗電路。
  如圖2 所示,CPU 輸出兩路完全倒相對稱的PWM信號A、B, 分別作用在開關器件上, 使其輪流導通; 通過高頻變壓器T 將能量耦合到次級, 再經快恢復二極管D1、D2 進行全波整流, 以實現對LED 陣列的驅動。LED陣列驅動回路的光電耦合器, 完成對LED 陣列驅動電流的監測, 并反饋到CPU, 形成一種智能電流負反饋的閉環控制系統, 以確保驅動電流的穩定的可靠性。
  

  對于現代汽車所配置的大燈來說,僅有足夠的亮度早已不是衡量其優劣的唯一標準,夠不夠聰明才是體現大燈技術水平的標準。這里指的“聰明”就是大燈在不同天候和路況所擁有的不同表現。
  傳統大燈的燈光高低及方向控制
  在數十年前人們已經想到了提升大燈照射性能的方案,只不過那時的首發顯得很原始。在1948年推出的雪鐵龍2CV車型上,駕駛者可以通過一個與大燈連接的控制桿來調節燈光的照射角度,以便于在車輛負載發生變化時,車燈的照射范圍不受影響。隨后,工程師在大燈總成內部安裝了伺服機構,可以通過齒輪組來驅動大燈整體改變照射角度。不過,在很長一段時間內,這種解決方案只是針對燈光照射距離的調節。目前很多帶有大燈高度調節功能的車型就可以看做是這種技術的衍生產品。
  直射向前的大燈照亮了正前方的路況,但道路卻不永遠都是筆直,遇到彎道時,直射燈光的缺陷就暴露出來。我們不能在車輛入彎前看到彎內的情況,這就產生了影響駕駛安全的隱患。在電子科技還沒有啟蒙的上世紀30年代,人們想到的解決方法還是通過純機械手段。部分汽車企業想到了利用與轉向機構相連的第三盞大燈來照射彎道內的道路。根據這種方案,第三盞車燈可以隨著轉向機的轉向角度來進行左右轉動,基本可以滿足當時彎道照明的需求。
  以上這些就是工程師在啟蒙階段對于大燈的改進手段,在路況變得越來復雜 ,行車速度越來越快的今天,將電子科技融入大燈已經成為大勢所趨。
  AFS大燈系統
  對于目前名目繁多的主動大燈系統,業界有一個專有名詞---Advanced front-lighting system。其剪成就是我們在新車配置表里經常見到的AFS自適應大燈。但實際上很多廠商所采用的大燈技術還算不上自適應大燈。
  與之前介紹的采用機械原理解決大燈照明問題的手段不同,如今的AFS都是依靠電子傳感器來工作。這些傳感器可以對環境光線進行探測,然后決定是否自動開啟大燈;它們也能對車輛的行駛速度,車身姿態等進行監測,適時調整大燈的照明角度。自2003年起,德國寶馬,日本豐田,捷克斯柯達等眾多汽車廠商都開始給旗下產品配置AFS。
  自動光束控制
  在大燈內設置了遠近光兩個燈組后,在什么時候選擇使用哪一組光束又成為了難倒很多駕駛者的新問題。這里中國駕駛者和美國駕駛者在燈光使用習慣上存在很明顯的區別。國內的駕駛者一到夜晚有很大一部分都喜歡打開遠光燈行駛,而它們給出的理由是為了照射更遠的距離,獲得更大的可視范圍;在道路照明條件較好的美國,駕駛者則普遍不愛使用遠光燈。這兩種駕駛習慣對于安全駕駛都有著不利的影響,長時間遠光容易讓對向來車的司機看不清路況,近光在高速行駛時又無法覆蓋足夠遠的距離。
  解決這一問題有兩條路可走了,道路法規逐步完善來引導駕駛者正確使用燈光,汽車廠家則通過技術手段來降低駕駛者在駕車時注意力被分散的頻率。于是,自動光束控制系統應運而生。這套系統由光敏電阻和與其相連的電路組成。光敏電阻對會車時對象車輛的燈光進行探測,然后自動將遠光切換為近光;當對向車輛燈光消失時,遠光再自動打開。在車輛行駛過程中,駕駛者不再需要人為干預車輛燈光,自動切換遠近光也不會對會車車輛駕駛員的視野造成影響,道路駕駛比以前更為安全。
  但受制于技術水平的局限,這時的ASF還無法對車輛或外界其他光源發出的燈光做出準確區分,誤報現象時有發生。2005年推出的吉普大切諾基采用數字式攝像機替代了光敏電阻,攝像機對于外界環境光線來源有著較好的辨別能力。從此以后,以攝像機為感光元件的AFS照明系統正式成為車輛駕駛輔助系統中的一個重要組成部分。
  智能照明系統
  智能照明系統2006年問世,是一種提供五種不同發光模式的以雙氙氣燈泡為光源的照明系統。該系統提供的五種發光模式分別對應城市道路,高速公路,并且結合了增強型霧燈,彎道輔助照明以及主動照明功能。
  自適應遠光照明系統
  Adaptive highbeam assist是奔馳在市場中采用的一種自適應遠光照明系統,其設計初衷是為避免燈光對對向車輛及前方車輛駕駛者造成影響。這套系統最初被應用在2009年推出的奔馳E級車上。該系統可以對燈光照射范圍進行無級調節,而并非的簡單的遠近光兩級切換。根據交通流量及道路照明條件的不同,遠光照射距離可以從65米一直延伸至300米。這種系統也是采用攝像機作為感光元件,因此工作可靠性大幅提升。隨后奔馳在S級,CLS及C級車型中也應用了這項技術。其他廠商也擁有類似技術。
      無眩光遠光燈及點陣式車燈
  無眩光遠光燈和點陣式車燈可以看做是目前大燈發展最高水平的象征。無眩光遠光燈基于自適應遠光照明系統研發而成,其核心部件還是用于感光的攝像機。其升級的部分在于左右兩組大燈可以獨立切換照明模式。在容易影響到其他駕駛者的一側大燈可以動態切換燈光照射范圍,保證其不直射其他駕駛者;另外一側大燈則盡可能的保證足夠遠的照明范圍,為本車駕駛者提供良好的視野。大眾旗下的2011款途銳,輝騰和海外版帕薩特成為了首批搭載此項技術的車型。
  點陣式車燈
  點陣式車燈在奔馳陣營中被命名為局部照明系統。局部照明系統的遠光燈由100只LED發光元件組成,系統可單獨激活這些半導體元件,因此當有汽車迎面駛來時,系統將精確計算出其他道路使用者所處的區域,并關閉與該區域相關的LED。系統能夠在紅外線攝像頭的幫助下完成這種識別。此外,該系統采用的純電子模塊的反應速度也遠高于目前使用的機械快門/滾輪技術。