汽車照明燈具技術需求及發(fā)展趨勢

　　羅滔

　　中山大學佛山研究院副院長

　　《2018阿拉丁照明產(chǎn)業(yè)調研白皮書》汽車照明 顧問

　　1)LED技術的快速推廣

　　LED光源與傳統(tǒng)光源相比，具備了諸多性能優(yōu)點，壽命長、響應快、光效高、節(jié)能環(huán)保，外加LED體積小，易造型，有助于燈具造型的靈活設計，這些都造就了LED光源的競爭力。

　　其次，國家對LED產(chǎn)業(yè)的大力度扶持，孕育了LED技術應用的良性生態(tài)?？傊?，LED成本侵蝕、性能優(yōu)化、LED模塊標準化、驅動成本下降、車用LED需求增加，都加速催化了LED 技術的應用和推廣。據(jù)某公司新開發(fā)項目的統(tǒng)計，LED光源占比已達90% 以上，即未來兩至三年后上市的車型，幾乎所有車型都將使用LED光源。

　　值得一提的是，新能源汽車的發(fā)展推動了LED車燈的應用，不僅加快了LED車用照明的普及，同時為LED在整車上的應用創(chuàng)造了更多可能。

　　由于新能源汽車對續(xù)航里程的需求，除了提升電池性能外，還需要在各環(huán)節(jié)降低能量消耗，LED的發(fā)光效率高，能耗僅是傳統(tǒng)鹵素燈的30%左右。例如，比亞迪整車燈具，光源全部由燈泡更換為LED光源，單車大約可以節(jié)約250W的能耗，以比亞迪E6為例，大約能節(jié)約 3%~~5%的電量，所以新能源汽車對LED車用照明的需求十分強烈。

　　此外，LED技術在新能源汽車上可以實現(xiàn)更多的應用。新能源車由于能耗問題一般設計的比較輕巧，而LED發(fā)光集中、光源小，更能滿足新能源車對小巧車燈的需要。

　　2)造型個性化與成本平衡

　　兼顧個性化的同時，發(fā)展基于多樣化的標準模組、驅動模塊平臺件，并配以合適的散熱設計，確保零件盡可能多地復用，有利于縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)費用，最終取得成本優(yōu)勢。

　　3)儀式感塑造

　　隨著LED光源技術、電子驅動技術、傳感器技術、及 軟件技術的結合，儀式感塑造將從單一燈光模式，向聲、光、電一體的融合模式進化，會越來越多地體現(xiàn)在將來的產(chǎn)品上。因此，我們也會看到未來汽車燈光將變得越來越“個性”、“感性”、“靈性”。

　　4)標準軟硬件架構加軟件個性化定制

　　今后，燈具設計會往個性化、智能化、場景化趨勢發(fā)展，燈光控制將愈加多樣復雜，甚至需車輛總線(CAn、LIn)的介入。再者，新車型上市周期縮減，車型平臺的更新加快，功能推陳出新頻繁，燈控模塊需標準化設計，采用標準化軟硬件架構，隔離應用軟件與底層及硬件，擺脫 ECU軟件開發(fā)驗證對硬件系統(tǒng)的依賴，為客戶提供一個具有高度動態(tài)性和靈活性的平臺來實現(xiàn)個性化定制和快速迭代，滿足功能復雜、規(guī)范化要求高的項目需求，縮減了開發(fā)周期，降低了開發(fā)成本和風險。

　　LED汽車照明燈具光學技術現(xiàn)狀分析

　　概況

　　隨著LED照明應用的深入，LED已經(jīng)進入了絕大多數(shù)照明應用領域，也包括汽車照明。和所有的照明系統(tǒng)一樣，汽車照明也包括光學、電子控制、驅動、散熱和外形結構等部分。其中，光學設計決定了形成汽車照明特殊的光斑形狀 和光色分布，是整個燈具中最精密的部分，也是設計自由度相對最大的部分。因此，光學技術是針對LED車燈的技術布局中最重要的一個部分。

　　研究LED車燈光學技術的現(xiàn)狀，最好的途徑是從分析比對LED車燈專利入手。因此，編者調研了截止2014年國內申請的LED光學專利，共找到符合LED照明用光學系統(tǒng)相關的專利共計6503件，僅車燈專利就有841件，占我國申請專利數(shù)量的12.93%，遠遠超過其他單一照明領域的專利數(shù)量。由此可見，在光學設計研發(fā)成果中，LED車燈的研發(fā)成果是最豐富的。形成 LED 汽車照明如此重視光學開發(fā)的原因，包括以下幾點:

　　1)、汽車照明燈具類別多，外觀形態(tài)豐富，為光學設計提供了巨大的發(fā)揮空間。

　　2)、汽車照明技術要求特殊，需要獨特的光學設計。

　　3)、汽車照明利潤空間大，集合了最強大的光學設計開發(fā)能力。在LED汽車照明光學專利，前照燈的專利數(shù)量 超過了一半。此外，由于汽車前照燈的技術要求明確，設計雖然有相當自由度但放置燈頭的空間大體相當，便于橫向比對和總結汽車用照明光學系統(tǒng)發(fā)展脈絡。因此，本白皮書針對光學技術的分析將集中在汽車前照燈展開。

　　前照燈照明規(guī)范光學性能對光學設計的要求

　　現(xiàn)存的汽車前照燈的主要標準體系有：中國GB標準、歐盟ECE法規(guī)、美國SAE標準、澳大利亞ADR設計規(guī)則等。

　　其中，歐洲ECE標準中近光燈配光要求規(guī)定了四個照明區(qū)域，相應的測試點如圖1所示。該圖中同時標定了路面不同遠近位置在垂直接收測試面的映射位置。從標準可知，主要規(guī)定了9 個測試點的光度要求;遠光燈相對簡單，要求遠光燈具有足夠大的發(fā)光強度和足夠寬的照明范圍，遠光光束中心(最大照度點)與中心點的比值大于80%，并設置了5個測試控制點。

　　對于近光燈的照明規(guī)范來說，參考圖3.10描述的汽車照明路面模擬示意圖，詳細說明了ECE 歐標中規(guī)定的四個區(qū)域對應的實際照明情況。B50L稱作防眩點, 距前照燈50m處迎面而來的車輛駕駛員眼睛的位置，為了降低對面車輛的眩光，設計中希望這個點的照度越低越好;50R、75R分別代表本車右邊距前照燈50米、75米處路邊的照度值，希望能夠獲得足夠的照度;25L及25R分別表示燈具前方25米處的道路的左、右路邊的照度值，同樣需要一定的照度從而能夠讓駕駛員的視野更開闊;III區(qū)，又稱為防眩區(qū)，表明車燈的眩目情況，一般需要控制在較精準的范圍內，需要照度很低;IV區(qū)為過渡區(qū)，表示汽車在25米至50米范圍內車道全寬的照明情況，需要獲得盡量高的照度水平;I區(qū)稱作近距離照明區(qū)，表示距車前25米以內的道路照明情況，在標準中規(guī)定得較寬松，但在實際使用的過程中都希望在距離車更近的位置開始獲得較好的照明。

　　現(xiàn)有前照車燈主流技術路線及解決方案總結分析

　　1)透鏡方案

　　包括單一透鏡方案及透鏡加切光結構、多透鏡方案。

　　在單一透鏡方案包括cn201310095626.0和cn200910210810.9，需要在透鏡出射面及透鏡的本體結構上設置特殊結構，用于形成截止線。這種方案的透鏡本體一定需要具有特殊結構，以實現(xiàn)截止線光斑。

　　透鏡加截止線切光結構方案(cn200510105013.6、cn201210582683.7與 cn201180067832.X) 中，需要額外添加一個用于切光的結構，而透鏡本身有全反射透鏡、菲涅爾透鏡或雙折射透鏡構成，形成一定準直特性又具備一定擴展的光束;截止線則由截止切光結構實現(xiàn)。

　　2) 反射器加擋片方案

　　包括 201220416425.7，201320540267.0 通過反射器的自由曲面設計將光線分布在偏光角度范圍，并根據(jù)擋片切出截止線的形狀。

　　3)反射器加透鏡

　　在近光光學系統(tǒng)設計方案中，反射器加透鏡是主流技術路線。其中，部分方案會添加切光裝置實現(xiàn)近光照明截止線; 也有方案(如cn201310330109.7)通過反射器準直，讓透鏡的自由曲面微結構實現(xiàn)截止線。

　　LED遠光照明解決方案，本質上是一個小角度匯聚方案基礎上進行光斑略微整形的設計需求。大多數(shù)遠光光學設計都是需要首先滿足高匯聚準直設計需求，同時要抑制雜散光和眩光，最后需要有一點光斑彌散控制。基于此要求，LED遠光照明設計思路主要包括以下:

　　1)透鏡

　　使用透鏡的方案，包括TIR透鏡、雙折射透鏡、菲涅爾薄型透鏡，透鏡組合。從應用廣泛性來看，雙折射和透鏡組合的透鏡方案應用還是最多的。

　　2)反射器

　　形成遠光的單一反射器基本都是基于旋轉拋物面或者 旋轉拋物線的曲面加上微小調整實現(xiàn)的。反射器具有光色一致性好、準直能力強的特點，但需要通過設計的考慮控制更多光線，減少反射器的厚度;

　　3)透鏡+反射器方案

　　透鏡和反射器結合使用，可以最大程度降低眩光和不可控雜散光，同時提高光學效率和最大光強，從而實現(xiàn)最佳性能。當然，這樣的方案系統(tǒng)也是對系統(tǒng)匹配精度、冗余度要求最高的方案。

　　遠近光一體的光學解決方案，主要包括以下技術路線: 透鏡，反射器組合和透鏡+反射器組合。

　　單一透鏡實現(xiàn)遠近光一體的方案較少，專利cn201010186802.8和cn201310099299.6均通過復雜的自由曲面設計來實現(xiàn)遠近光一體的光斑。反射器組合和透鏡+反射組合都有很多應用。透鏡+反射器組合的技術方案，可以在很緊湊的空間范圍內實現(xiàn)遠近光的切換，是目前二級市場用量最廣的技術方案。由于光學器件占用空間小，可以節(jié)省更多空間性給進行裝飾作用的日行燈或其他裝飾結構，增加燈具的美感。

　　最早該技術在專利cn200710149692.6中記錄。進一步，這種技術路線通過設置上下兩個光源，分別實現(xiàn)遠光和近光，如專利cn201210291632.9可以在相同直徑范圍避免使用彈片實現(xiàn)遠近光切換，但需要交替點亮兩個光源。

　　未來LED前照燈光學設計趨勢展望

　　隨著人性化駕駛趨勢的發(fā)展，LED前照燈照明也向著智能化的方向演進。其中，作為自動駕駛技術的重要組成部分，自適應駕駛技術(ADB)必然成為未來LED車燈照明的主要發(fā)展方向。適應ADB 技術的汽車照明光學方案中，矩陣式照明和電子控制遮擋片技術都是可采用的技術路線。

　　矩陣式照明，能夠最大程度利用LED發(fā)光面小的優(yōu)勢，通過很小的口徑實現(xiàn)一個局部區(qū)域的精準照明，從而大大增加控制的靈活性。代表應用是奧迪A8矩陣式LED汽車前大燈，能夠實現(xiàn)分區(qū)域、分模塊照明，更加安全人性化(如圖3.11)

　　(a)對面來車的自適應光斑變化;(b)同向會車的自適應光斑變化

　　圖 3.11 奧迪矩陣式前照燈

　　傳統(tǒng)的汽車頭燈的設計方式，是以平滑拋物面所構成的反射效果，再搭配上花紋透明燈殼，將光源集中置于拋物面的焦距，以便形成平行光束，再經(jīng)過小凸透鏡而形 成雕塑光源。目前兩大主要汽車頭燈應用分為多重反射鏡面車燈(Multi-Re-flector;MR) 與投射式汽車頭燈 (Projection system)。

　　實際上，車燈的技術路線選擇雖然豐富，但考慮性價比和工藝可行性，真正實用的技術方案也較為有限。比如雙光透鏡(透鏡+反射器)的遠近光一體光學系統(tǒng)的應用就非常廣，但真正擁有其專利權的還是日本歐洲美國企業(yè)。相對 于其他技術路線，矩陣式技術方案在方案的選擇面上更小，因此國外企業(yè)的專利壁壘會更高，因此我國光學設計團隊和汽車照明企業(yè)都需要特別注意的相關知識產(chǎn)權的保護與規(guī)避。