汽车自适应大灯技术探讨

作为第四代车用光源，LED 有很多优于其他传统光源的特点。为此分析了车用LED 照明的可行性和先进性，介绍了其典型的驱动电路，并着重研究了LED 以及AFS 在汽车前照灯上应用现状。介绍了车用LED 照明面临的问题及应对措施，并对其未来发展进行了展望。
1 车用LED 照明的可行性和先进性
在汽车上使用照明光源大约开始于20 世纪初。最先使用的是煤油灯和乙炔灯，1910 年开始使用电光源，先后经历了白炽灯、卤钨灯及高强度放电式气体灯HID(Intensity Discharge Lamp)， 自1985 年开始进入了LED车用灯时代。同时LED 灯应用于自适应前照系统AFS(Adaptive Front Lighting System)的技术随之出现。
目前，LED 已被众多汽车厂商加以利用制造出各种车灯款式。宝马、福特、本田、丰田、奔驰、奥迪等着名品牌车为了提高各自的总体竞争力， 纷纷推出配有各式各样LED 车灯的新款轿车以吸引顾客。LED 具有很多其他光源所不具备的优点：(1) 寿命长、抗震性好。LED 的使用寿命理论上可达5 万小时， 实际寿命也可达2 万小时( 普通的卤素灯泡仅为150 ～500 小时左右) ， 一般都要超过汽车本身的寿命。另外，LED 的基本结构中没有易损可动部件， 故抗震性能非常好。(2) 节能环保。LED在低电压小电流的条件下就能够获得足够亮度， 其耗电量仅为相同亮度白炽灯的10%～20%;LED 光源中不含危害人体健康的汞， 生产过程和废弃物不会造成环境污染。(3) 响应速度快。与白炽灯相比，LED 灯的响应时间已经达到了几十纳秒， 这样， 当采用LED 作为汽车尾灯时， 可以使后续汽车司机更早反应， 以减少交通事故的发生。(4) 体积小。小巧的LED 可使汽车风格的设计更加自由、多样化， 从而使车型更加时尚; 与传统光源相比，LED 信号灯系统的安装深度可以减少80 mm， 这一点对于汽车造型和内部零件布置具有重要意义。
目前汽车产业在全球经济中仍然是支柱产业， 并处在飞速发展的关键时期， 其必定会带动车用灯具的发展， 为LED 在汽车上的应用提供广阔的市场空间。
　　2 车用LED 照明的驱动电路
　　LED 属于电流控制型半导体器件， 图1 是LED 的伏安特性曲线。由图1 可知， 此曲线比较陡， 在正向导通之前LED 几乎无电流流过; 当正向电压超过开启电压时，电流就急剧上升， 发光亮度L 与正向电流IF近似成正比：L=KIF， 其中K 为比例系数， 故可以通过控制LED 的IF来控制其发光亮度。因此， 为了保证其亮度的一致性， 通常采用恒流源驱动电路。
汽车电池工作电压范围为9 V～16 V， 通常情况下为12 V ， 但是当汽车冷启动时蓄电池的电压可跌落到4 V， 而当蓄电池缺损由发电机直接供电时， 此电压可达到36 V 的高压。因此， 对于车用LED 灯具而言， 要可靠地恒流驱动LED 串， 驱动控制器必须具备精确的电压和电流调节、保护电路和调光功能。因此， 设计一种稳压性能良好而又恒流输出的驱动电路十分必要。
目前车用LED 驱动器一般采用两种方法控制正向电流。(1) 采用LED 的V-I 曲线确定产生预期正向电流所需要向LED 施加的电压。其缺点为：LED 正向电压的任何变化都会导致LED 电流的变化， 其中的镇流电阻的压降和功耗会浪费功率和降低电池使用寿命。(2) 利用恒流源来驱动LED。因为此方法需要将LED 并联在电路中， 而驱动并联LED 需要在每个LED 串中放置一个镇流电阻， 这会导致效率降低和电流失配。因此， 这两种方法都不能充分体现LED 应有的优越性。为了克服现有车用LED 驱动器的缺点， 出现了车用LED 阵列的高效智能驱动方法。该方法采用了半桥式DC-DC 变换技术、全波整流技术、光电耦合技术等， 确保了整个驱动电路的工作效率; 提出了基于嵌入式系统的智能控制方案， 此方案采用智能PWM 稳流控制和调光控制， 具有负载开路/短路保护和过流过压保护功能。图2 为LED阵列智能驱动实验电路。
　　如图2 所示，CPU 输出两路完全倒相对称的PWM信号A、B， 分别作用在开关器件上， 使其轮流导通; 通过高频变压器T 将能量耦合到次级， 再经快恢复二极管D1、D2 进行全波整流， 以实现对LED 阵列的驱动。LED阵列驱动回路的光电耦合器， 完成对LED 阵列驱动电流的监测， 并反馈到CPU， 形成一种智能电流负反馈的闭环控制系统， 以确保驱动电流的稳定的可靠性。
　　
　　对于现代汽车所配置的大灯来说，仅有足够的亮度早已不是衡量其优劣的唯一标准，够不够聪明才是体现大灯技术水平的标准。这里指的“聪明”就是大灯在不同天候和路况所拥有的不同表现。
　　传统大灯的灯光高低及方向控制
　　在数十年前人们已经想到了提升大灯照射性能的方案，只不过那时的首发显得很原始。在1948年推出的雪铁龙2CV车型上，驾驶者可以通过一个与大灯连接的控制杆来调节灯光的照射角度，以便于在车辆负载发生变化时，车灯的照射范围不受影响。随后，工程师在大灯总成内部安装了伺服机构，可以通过齿轮组来驱动大灯整体改变照射角度。不过，在很长一段时间内，这种解决方案只是针对灯光照射距离的调节。目前很多带有大灯高度调节功能的车型就可以看做是这种技术的衍生产品。
　　直射向前的大灯照亮了正前方的路况，但道路却不永远都是笔直，遇到弯道时，直射灯光的缺陷就暴露出来。我们不能在车辆入弯前看到弯内的情况，这就产生了影响驾驶安全的隐患。在电子科技还没有启蒙的上世纪30年代，人们想到的解决方法还是通过纯机械手段。部分汽车企业想到了利用与转向机构相连的第三盏大灯来照射弯道内的道路。根据这种方案，第三盏车灯可以随着转向机的转向角度来进行左右转动，基本可以满足当时弯道照明的需求。
　　以上这些就是工程师在启蒙阶段对于大灯的改进手段，在路况变得越来复杂 ，行车速度越来越快的今天，将电子科技融入大灯已经成为大势所趋。
　　AFS大灯系统
　　对于目前名目繁多的主动大灯系统，业界有一个专有名词---Advanced front-lighting system。其剪成就是我们在新车配置表里经常见到的AFS自适应大灯。但实际上很多厂商所采用的大灯技术还算不上自适应大灯。
　　与之前介绍的采用机械原理解决大灯照明问题的手段不同，如今的AFS都是依靠电子传感器来工作。这些传感器可以对环境光线进行探测，然后决定是否自动开启大灯；它们也能对车辆的行驶速度，车身姿态等进行监测，适时调整大灯的照明角度。自2003年起，德国宝马，日本丰田，捷克斯柯达等众多汽车厂商都开始给旗下产品配置AFS。
　　自动光束控制
　　在大灯内设置了远近光两个灯组后，在什么时候选择使用哪一组光束又成为了难倒很多驾驶者的新问题。这里中国驾驶者和美国驾驶者在灯光使用习惯上存在很明显的区别。国内的驾驶者一到夜晚有很大一部分都喜欢打开远光灯行驶，而它们给出的理由是为了照射更远的距离，获得更大的可视范围；在道路照明条件较好的美国，驾驶者则普遍不爱使用远光灯。这两种驾驶习惯对于安全驾驶都有着不利的影响，长时间远光容易让对向来车的司机看不清路况，近光在高速行驶时又无法覆盖足够远的距离。
　　解决这一问题有两条路可走了，道路法规逐步完善来引导驾驶者正确使用灯光，汽车厂家则通过技术手段来降低驾驶者在驾车时注意力被分散的频率。于是，自动光束控制系统应运而生。这套系统由光敏电阻和与其相连的电路组成。光敏电阻对会车时对象车辆的灯光进行探测，然后自动将远光切换为近光；当对向车辆灯光消失时，远光再自动打开。在车辆行驶过程中，驾驶者不再需要人为干预车辆灯光，自动切换远近光也不会对会车车辆驾驶员的视野造成影响，道路驾驶比以前更为安全。
　　但受制于技术水平的局限，这时的ASF还无法对车辆或外界其他光源发出的灯光做出准确区分，误报现象时有发生。2005年推出的吉普大切诺基采用数字式摄像机替代了光敏电阻，摄像机对于外界环境光线来源有着较好的辨别能力。从此以后，以摄像机为感光元件的AFS照明系统正式成为车辆驾驶辅助系统中的一个重要组成部分。
　　智能照明系统
　　智能照明系统2006年问世，是一种提供五种不同发光模式的以双氙气灯泡为光源的照明系统。该系统提供的五种发光模式分别对应城市道路，高速公路，并且结合了增强型雾灯，弯道辅助照明以及主动照明功能。
　　自适应远光照明系统
　　Adaptive highbeam assist是奔驰在市场中采用的一种自适应远光照明系统，其设计初衷是为避免灯光对对向车辆及前方车辆驾驶者造成影响。这套系统最初被应用在2009年推出的奔驰E级车上。该系统可以对灯光照射范围进行无级调节，而并非的简单的远近光两级切换。根据交通流量及道路照明条件的不同，远光照射距离可以从65米一直延伸至300米。这种系统也是采用摄像机作为感光元件，因此工作可靠性大幅提升。随后奔驰在S级，CLS及C级车型中也应用了这项技术。其他厂商也拥有类似技术。
  　　无眩光远光灯及点阵式车灯
　　无眩光远光灯和点阵式车灯可以看做是目前大灯发展最高水平的象征。无眩光远光灯基于自适应远光照明系统研发而成，其核心部件还是用于感光的摄像机。其升级的部分在于左右两组大灯可以独立切换照明模式。在容易影响到其他驾驶者的一侧大灯可以动态切换灯光照射范围，保证其不直射其他驾驶者；另外一侧大灯则尽可能的保证足够远的照明范围，为本车驾驶者提供良好的视野。大众旗下的2011款途锐，辉腾和海外版帕萨特成为了首批搭载此项技术的车型。
　　点阵式车灯
　　点阵式车灯在奔驰阵营中被命名为局部照明系统。局部照明系统的远光灯由100只LED发光元件组成，系统可单独激活这些半导体元件，因此当有汽车迎面驶来时，系统将精确计算出其他道路使用者所处的区域，并关闭与该区域相关的LED。系统能够在红外线摄像头的帮助下完成这种识别。此外，该系统采用的纯电子模块的反应速度也远高于目前使用的机械快门/滚轮技术。