汽車前照燈發(fā)展趨勢與研究

趙松嶺， 雷永富， 劉曉喻， 王憲禮， 王紅余， 陶華勝

（奇瑞商用車（安徽） 有限公司， 安徽 蕪湖 241000）

在行車用車的過程中，安全至高無上。眼睛是人類心靈的窗戶，而對于汽車來說，前照燈就好比是人類的眼睛，明亮的眼睛可以讓我們更加清晰地接收影像信息，拒絕盲區(qū)帶來的意外交通事故。因此好的前照燈可以提高夜間的行車安全，使駕駛者在夜間行駛更為輕松舒適。據(jù)了解，有相關(guān)統(tǒng)計顯示，車輛總行駛里程的25%是處于晚上或者自然光線不足的情況下，而在此種情況下所發(fā)生的涉及到人身傷害的事故占33%，同時，約50%的死亡事故都是發(fā)生在夜間。如此來看，前照燈對于我們在夜晚行車的重要性不言而喻。

1 汽車前照燈發(fā)展歷程

汽車從1886年誕生至今，從內(nèi)而外發(fā)生了翻天覆地的變化，各個廠商除了

在動力和性能上做文章，對車身上各個部件也是躍躍欲試。汽車前照燈經(jīng)歷了從汽燈到電燈，從燈泡到LED，再到激光前照燈的過程，從最開始單純用于照明，到現(xiàn)在用在夜視、裝飾等各種用途。汽車前照燈發(fā)展歷程如圖1所示。

2 汽車前照燈技術(shù)現(xiàn)狀

LED遠近光產(chǎn)品首先在合資品牌的中高端車型中應用，因此合資品牌對于LED遠近光產(chǎn)品的應用更早，技術(shù)積累也更成熟豐富一些，對合資品牌自2007年起發(fā)布的車型進行統(tǒng)計（部分數(shù)據(jù)來源：中汽數(shù)據(jù)中心） 并根據(jù)遠近光光源種類進行分析如圖2所示。

自主品牌由于各方面原因的限制，對于LED遠近光產(chǎn)品應用的起步較晚，也沒有形成全面有體系的技術(shù)積累，略顯弱勢，但自2012年起，隨著LED技術(shù)的進步和自主品牌研發(fā)能力的提升，自主品牌也在LED遠近光應用技術(shù)方面做出了很多積極的嘗試，并取得了一定的成果，對自主品牌自2007年起發(fā)布的車型進行統(tǒng)計，如圖3所示。

3 LED前照燈發(fā)展趨勢

LED前照燈是汽車照明發(fā)展的大趨勢。20世紀90年代開始出現(xiàn)氙氣燈，但氙氣前照燈在尚未完全普及時，LED前照燈已悄然出現(xiàn)。和傳統(tǒng)鹵素燈熱輻射發(fā)光、氙氣燈高壓氣體發(fā)光相比，LED前照燈通過發(fā)光二極管將電能轉(zhuǎn)換為光能，使得LED具備色彩鮮艷豐富、亮度高、壽命長、高效率、低能耗、體積小、質(zhì)量輕等獨特優(yōu)勢。自此在汽車車燈行業(yè)獨占鰲頭，并促使車燈行業(yè)無論是性能還是造型美觀性進行了一次又一次的“大革命”。從具體性能指標上看，LED燈的光線強度可達鹵素燈的5倍，氙氣燈的1.4倍。LED燈的使用壽命可達10萬小時，遠遠長于鹵素燈和氙氣燈。LED的能耗僅僅為鹵素燈的1／10，氙氣燈的1／7。此外，LED燈在照射距離、照明效果明顯優(yōu)于鹵素燈及氙氣前照燈，照明效果如圖4所示。

圖1 汽車前照燈發(fā)展歷程圖

圖2 前照燈技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

圖3 自主品牌車型統(tǒng)計

圖4 照明效果

眾多性能的優(yōu)越性，使得LED車燈近年來滲透率快速增長，同時也吸引了更多的企業(yè)的參與，LED車燈開始在合資品牌和自主品牌中高端車型普及。目前合資品牌大部分中高端車型都配置LED車燈，自主品牌也紛紛推出具備LED燈的新款車型，成功吸引了潛在的消費者。

隨著LED前照燈滲透率快速提升，智能LED車燈開始嶄露頭角。隨著近年來人工智能、機器智能的發(fā)展以及消費升級對汽車智能化、安全化等需求的提高，自適應前照燈系統(tǒng)應運而生。

從發(fā)展先后順序來講，自適應前照燈可以分為3代：①第1代自適應前照燈（AFS）、②第2代自適應前照燈 （全功能AFS）、 ③第3代自適應前照燈（ADB）。

3.1 第1代自適應前照燈（AFS）

第1代的自適應前照燈主要有上下左右（或者只有上下）調(diào)整功能。整體功能如圖5、圖6所示。

圖5為上下調(diào)節(jié)功能，圖6為左右調(diào)節(jié)功能，上下功能可以根據(jù)車身俯仰情況，實時調(diào)節(jié)前照燈的照射高度，防止產(chǎn)生炫目；左右功能可以根據(jù)方向盤的轉(zhuǎn)動角度，實時旋轉(zhuǎn)前照燈，優(yōu)化駕駛員視野。從圖中可以明顯看出上下左右功能的特點。第1代的自適應前照燈大家習慣上稱之為AFS。

AFS的整體構(gòu)成如圖7所示，圖7為只有上下調(diào)節(jié)功能的AFS，圖8為具有上下左右調(diào)節(jié)功能的AFS。

圖5 上下調(diào)節(jié)功能

圖6 左右調(diào)節(jié)功能

圖7 只有上下調(diào)節(jié)功能

圖8 有上下左右調(diào)節(jié)功能

3.2 第2代自適應前照燈（全功能AFS）

第2代的自適應前照燈，主要在第1代的基礎上增加了城鎮(zhèn)模式、高速模式、惡劣天氣模式。

圖9為高速模式，比基礎近光能夠照射更遠的距離，可以保證駕駛員具有更遠的視野，保證了較遠的反應距離；可以通過簡單的抬高前照燈來實現(xiàn)，也可以通過頭燈內(nèi)的配光設計實現(xiàn)。

圖9 高速模式

圖10 是城鎮(zhèn)模式，比基礎近光照射的更寬，可以提高駕駛員兩側(cè)的視野，防止突然闖出行人；可以通過將左右車燈向道路兩側(cè)旋轉(zhuǎn)后實現(xiàn)，也可以通過頭燈內(nèi)的導光片配光設計實現(xiàn)。

圖10 城鎮(zhèn)模式

圖11 是惡劣天氣模式，主要的目的是防止燈光照射到路上積水后反射到對面駕駛員眼睛里面；此模式主要靠頭燈內(nèi)的擋光片遮擋一部分燈光后實現(xiàn)，同時頭燈也需要旋轉(zhuǎn)一定角度來實現(xiàn)更好的效果。

圖11 惡劣天氣模式

第2代的自適應前照燈系統(tǒng)稱之為全功能AFS，相比第1代系統(tǒng)主要增加了攝像頭系統(tǒng)來識別當前的路況。

3.3 第3代自適應前照燈（ADB）

第3代的自適應前照燈習慣稱之為ADB，在滿足駕駛員的同時，不產(chǎn)生炫目。所以在對面沒有車輛時會開啟遠光燈；當對面有車輛時，會調(diào)節(jié)頭燈內(nèi)的擋光片，擋住部分遠光，防止產(chǎn)生炫目；并且隨著不同的路況，會實時調(diào)節(jié)光型，實現(xiàn)城鎮(zhèn)模式、鄉(xiāng)村模式等。主要功能工況如圖12所示。

圖12 ADB主要功能工況

過去幾年中，基于矩陣和像素化的高分辨率前照燈技術(shù)發(fā)展十分迅速，業(yè)內(nèi)推出的高分辨率LED前照燈已被應用于自適應遠光系統(tǒng)（ADB） 上，部分暢銷車型已有量產(chǎn)車型出現(xiàn)。大體上，可以分為以下4種技術(shù)路線：①DMD系統(tǒng)（DLP技術(shù)）、②μMatrix技術(shù)、③激光掃描前照燈、④LCD前照燈。

3.3.1 DMD系統(tǒng)（DLP技術(shù)）

2018年在國際消費類電子產(chǎn)品展覽會（CES） 上展示了高分辨率車前照燈系統(tǒng)的DLP技術(shù)，如圖13所示。奧迪和寶馬等車型均已引入。DMD技術(shù)不僅在任何駕駛情況下，可提供駕駛最理想的照明，還可在車頭前方做出各種高解析度圖形的指示，例如：結(jié)合導航系統(tǒng)，在轉(zhuǎn)彎時預先投射出“箭頭”圖案引導駕駛方向；或者是提醒當下重要的交通標志等。將車前照燈系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)樾碌慕煌ㄍㄐ欧绞剑訌婑{駛員之間以及駕駛員與行人間的交流，為未來的自動駕駛和無人駕駛車輛提供一種有效的解決方案。

圖13 DMD技術(shù)應用

3.3.2 μMatrix技術(shù)

該技術(shù)由Infineon公司與霍倫霍夫研究所共同研究開發(fā)，其設計的LED芯片中的驅(qū)動電路直接把它控制的LED發(fā)光二極管進行了連接。傳統(tǒng)的LED車燈只是把多個獨立的LED芯片整合到一個LED封裝器件中，外部驅(qū)動提供電能后，整片芯片同時點亮，矩陣式則是將多個 （目前Multibeam矩陣車燈內(nèi)含84個獨立LED器件） LED器件矩陣化后分別控制，但是燈珠像素數(shù)量相對較少。而μMatrix （微型矩陣） 解決方案由一顆LED芯片構(gòu)成，分解為1024個獨立控制的像素。這里的場平面由LED陣列本身組成，因此光型可以疊加更改。該技術(shù)的一個優(yōu)點是能耗有所降低，因為只有開啟的像素耗能。用該技術(shù)制成的首個前照燈實驗方案已經(jīng)得到了驗證。μMatrix微型矩陣燈如圖14所示。

圖14 μMatrix微型矩陣燈

3.3.3 激光掃描前照燈

該技術(shù)的主要部件為一款波長約450nm的藍光激光二極管，和具有機電控制功能的微型光學系統(tǒng)MEMS微鏡。MEMS微鏡負責將激光反射至熒光體，熒光體中包含嵌入矩陣的轉(zhuǎn)換和散射顆粒。進而產(chǎn)生的混合散射藍光和轉(zhuǎn)換光通過調(diào)制獲得白色光。憑借協(xié)同整合的MEMS微鏡傾斜運動和激光器功率控制，可以在熒光體上產(chǎn)生任何想要的模式光，然后像幻燈片一樣投射在路面上。激光掃描前照燈如圖15所示。

圖15 激光掃描前照燈

該解決方案的光源是一個高功率藍光激光二極管。通過快速二維掃描激光束，激光光束在熒光體上產(chǎn)生特定光型，并通過光學系統(tǒng)投射到路面。通過與激光二極管的切換結(jié)合熒光體的掃描區(qū)域不同，可以產(chǎn)生多種光型。缺點是掃描激光束和熒光體的超高輻照度耗能較高。iLAS （基于智能激光的自適應頭燈） 項目正在研究解決該問題。

3.3.4 LCD前照燈

隨著汽車智能化的需求越來越高，主機廠對智能車前照燈像素數(shù)量的要求也逐漸提高，同時要求智能前照燈的照明功能兼具顯示功能。LCD （Liquid Crystal Display） 作為最為成熟的顯示技術(shù)，其相關(guān)驅(qū)動與控制技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈也相當成熟，因此LCD自然而然地成為了智能前照燈光源控制系統(tǒng)的選擇之一。LCD前照燈系統(tǒng)可以通過控制系統(tǒng)向LCD模塊發(fā)出指令，最終以每秒鐘60次的頻率對前方發(fā)送像素顯示的指向與強度，為汽車提供高分辨率及清晰成像的照明和顯示體驗。目前的LCD式前照燈的像素數(shù)量級已經(jīng)能做到萬級，LCD式具有成本相對較低、體積相對較小、光型可拉伸角度較寬、明暗對比度較高等優(yōu)勢。其主要限制在于偏光片及液晶面板存在損耗，且LCD前照燈的光學和能量利用效率相對較低，而且改善空間有限。

4 總結(jié)

綜合以上新技術(shù)發(fā)展，對各新技術(shù)進行參數(shù)對比，如表1所示。

表1 高分辨率前照燈技術(shù)指標對比

由此我們可以得出結(jié)論：當前新的前沿趨勢各有優(yōu)缺點，且新的前沿趨勢有諸多難點需要攻克，諸如：激光掃描前照燈激光束和熒光體的超高輻照度耗能較高以及激光光束的破壞性防護，新前沿技術(shù)的成本高昂等，若攻克以上難題并使得成本大眾化，新的前沿趨勢可能成為前照燈的發(fā)展趨勢。