电子技术在汽车照明中的应用

路边

上海小糸车灯有限公司 朱明华 陈海燕 蒋淳 陈轶亮

摘要：汽车照明器件是汽车的重要安全部件。为了提高行车的安全性和舒适度，许多新型的汽车灯正被开发出来。本文简要介绍了HID前照灯、红外线前照灯、LED汽车灯和智能化汽车照明系统，并说明了在这些新型汽车灯中先进的电子技术的应用情况。最后介绍了上海小糸车灯有限公司在这方面的技术进步。

关键词：汽车照明，HID前照灯，红外线前照灯，发光二极管，自适应性前照灯系统
一、引言
随着我国经济的飞速发展和人民生活水平的提高，我国汽车工业已步入高速成长期。不仅汽车的产量在成倍地增长，汽车的科技含量也在不断增加。现代汽车制造技术与电子技术、信息技术曰益密切融合在一起。汽车已不再是简单的交通工具，而已成为现代科技的载体。
照明装置是汽车中十分重要的安全部件。关于汽车的欧洲经济委员会（ECE）法规有113项，而其中与汽车灯光有关的法规就有37项之多，约占总法规数的1/3。由此可见汽车照明装置的重要性。另外，汽车灯还是汽车造型至关重要的部份。因此，世界各国对汽车灯具的研发都非常重视。为了提高汽车行驶的安全性和舒适度，在汽车照明系统中注入了越来越多的高科技成份。下面，就HID前照灯、红外线前照灯、LED汽车灯和智能化汽车照明系统，简要说明电子技术在汽车照明中的应用，最后，再介绍上海小糸车灯有限公司在这方面所做的一些努力。
二、HID前照灯
现在，一般的汽车前照灯都是采用卤钨光源。HID汽车前照灯则是采用高强度放电（High Intensity Discharge—HID）光源。具体说来，汽车前照灯中应用的是35瓦小功率金属卤化物灯。在汽车前照灯中采用比卤钨光源更亮、寿命更长的HID光源，有以下几方面的原因：
1、节电的需要——随着汽车电子化的发展，汽车中用电的部件增加，因此有必要降低单个装置的耗电量，而前照灯是特别耗电的装置。
2、为了安全和经济，希望有更长的使用寿命——随着高速道路网的形成，夜间长距离行驶的机会增加，前照灯的使用频率提高，因而对光源使用寿命的要求也随之提高。很显然，光源的寿命越长，车辆的安全性越高。另外，如果光源的寿命长到可以与整车的寿命相比拟，也就是说在汽车的寿命期内无需更换光源，免去了这方面的维修费用，就更加经济。
3、驾驶人员老龄化和车速的提高，希望车灯有更高的亮度——随着健康水平的提高，驾驶人员有老龄化的趋向。最近我国已将驾驶员的年龄从60岁延长到70岁。与年轻人相比，老年人视力下降很多。为了弥补老年视力下降以及反应迟钝等缺陷，需要提高车灯的照明水平。另外，在高速公路上行驶速度的提高也要求车灯能提供更好的照明，以提高行车的安全性。
4、适应流线型车身的需要——为了改善汽车空气动力特性，车身设计成流线型。由此引发了前照灯尺寸缩小和前照灯透镜面倾斜度增加。为了弥补由于这些原因造成的光量的降低，有必要采用更亮的光源。
正是以上几方面的原因，促成了HID汽车前照灯的开发。1984年时，飞利浦公司首先提出将HID光源用于汽车前照灯的设想，后来各公司便先后开始进行这方面的研究和开发。为了加速HID汽车前照灯的研发，1988年包括Philips、Osram、Bosch和Hella在内的欧洲的七个大的光源、车灯和汽车厂联合，执行欧洲的联合研发项目EUREKA 273，开展汽车放电灯照明系统VEDILIS（Vehicle Discharge Lighting System）的研发工作。1990年，HID汽车前照灯进行了3个月15万公里的实车试验。1996年时正式批准了二个ECE法规，即ECE No.98气体放电型前照灯和ECE No. 99气体放电型光源。
HID汽车前照灯的一种结构如图1所示。其主要部件有HID光源，电子镇流器和反射镜等。现在常用的HID光源的型号为D2S和D2R。前者用于投影式前照灯，后者用于反射式前照灯。表1给出了它们与卤钨光源特性的比较。由该表的数据可见，HID光源明显优于卤钨光源。首先，HID光源功率小，节能效果显著；其次，HID光源发出的光更强，因而照明效果更好；再则，HID光源色温比卤钨光源高，光色更白，这对提高行车人员的夜间视见度有积极的作用。另外，HID光源还有一个可贵的优点。在供电电源电压变化时，HID光源的光输出几乎是恒定的。而卤钨光源的光输出要随电压大幅度的变化。图2比较了电压变化对二者光通量影响的情况。

图1  一种HID汽车前照灯的结构示意（略）表1  HID光源与卤钨光源光学特性的比较（略）

与卤钨光源不同，所有的气体放电光源都必须配备合适的镇流器才能稳定工作。过去，用于照明的一般气体放电光源（如荧光灯，高压钠灯，金属卤化物灯等）都是采用电磁式的镇流器，现在为了节电并改善光源的性能，正逐步采用电子镇流器。

图2  电源电压变化时光源光通量的变化（略）
汽车前照灯用HID光源的工作方式与一般照明用的HID光源不同。普通照明用的HID光源在启动之后，并不能立即达到稳定时的光输出。从启动到亮足需要几分钟的时间。这段时间称为温升时间（Warm –up time）。但是，对汽车前照灯HID光源，温升时间要尽可能短，灯在启动后极短的时间内光源就应亮足。现在，汽车行驶的速度非常之快，以180公里/小时为例，每秒通过的距离达到50米。倘若前照灯在开启后迟迟亮不起来，造成的后果是不堪设想的。因此，必须采用特殊设计的电子镇流器。这种电子镇流器是HID汽车前照灯至关重要的部件。
汽车前照灯HID光源用的电子镇流器的驱动方式大体上有三种：正弦波点灯，直流点灯和方波点灯。现在，方波点灯方式是主流。这种电子镇流器的电原理图如图3所示。12伏直流电源（如蓄电池）输入经过滤波器后，由DC/DC变换器升压至直流85伏，再经全桥变频器将直流变为方波，加在HID光源上，迭加上由启动器产生的高压脉冲，就能使光源启动。控制电器用于控制变频器的工作以及故障安全保护。

图3  汽车前照灯HID光源电子镇流器的电原理图（略）
在此电子镇流器的高压脉冲（约15～25仟伏）作用下，HID光源启动。从启动到稳定工作的这段期间内，光源的电流、电压、功率以及光通量的变化情况如图4所示。为保证该HID光源能在极短的时间内达到稳定，一方面光源中充入了高气压的氙气；另一方面，在电路设计上，故意使光源启动后的电流（2.6安）远远大于其正常工作电流（0.41安），相应地启动的功率（75瓦）也远比其正常值（35瓦）为大。这些措施都可以使光源内充填的汞和金属卤化物迅速地汽化，从而使光源快速地亮起来。如图4所示，在该HID光源启动后1秒内，光源能发出额定光通量的1/4，即800流明（=3200流明×25%），接近H4光源副丝的水平；在4秒内，达到额定值的80%，即2560流明，远高于H4光源主丝的水平。这样，就充分保证了装配HID前照灯的汽车夜晚行驶的安全。

图4  HID前照灯启动后光、电参数的变化（略）


图5  投影式前照灯的工作原理（略）
开始时，HID汽车前照灯是装在四灯制的汽车上，边上的二只灯是采用HID光源的近光灯，中间的二只灯是采用卤钨光源的远光灯。为了与HID光源的光色相匹配，常采用带蓝色涂层的卤钨光源。HID汽车前照灯既可以采用反射式的结构，也可以采用投影式的结构。前一种结构，采用抛物面反射镜，自由曲面反射镜等。后一种结构类似于幻灯机，其近光光形是由一块金属模板的形状所确定的，该模板的位置与幻灯片所处的位置相当（见图5）。
1999年出现了双光型的HID汽车前照灯Bixenon。采用一个HID光源，这种前照灯既可以产生远光，也可以产生近光。因此，一辆车上只要装二只前照灯就可以了。这样做，既缩小了车灯所占据的空间，又节省了电能和花费，有利于经济型轿车的发展。另外，也解决了卤钨光源与HID光源光色不同的困难。采用投影式结构的这种前照灯，为了切换光型，必须改变光源和模板的相对位置。研究结果发现通过采用螺线管转动模板可方便地实现HID汽车前照灯光型的切换。图6显示了由这种HID前照灯所产生的近光和远光的翟徽度曲线。这种双光型的前照灯也能满足ECE No.8中第5.5条的要求，具有故障保险功能，即当螺线管驱动器失效时，自动恢复成近光光型。

图6  HID前照灯和它产生的远、近光（略）
三、红外线前照灯
夜间交通事故率较高的原因之一是由于在普通前照灯照明之下驾驶员的视见距离有限。采用远光灯，距离可以大一些，但这会给来车驾驶员造成眩光。采用基于主动夜视原理制成的红外线前照灯却可以增加视见距离，而又不存眩光的问题。

图7  红外线前照灯的工作原理（略）
红外线前照灯的工作原理如图7所示，红外线前照灯发射波长为780~1100nm的近红外线，照射到汽车前方的物体上，CCD红外线照相机摄取这些被照明物体的图像，通过图像处理系统，将它们在显示器上显示出来。这样驾驶员就能清晰地观察到汽车前方路面的状况。图8 就是通过这种主动红外夜视系统摄取到的汽车前方路面的图像。可以看到，对相当远处的人也能看得很清楚。对许多材料而言，它们对近红外线和可见光的反射性能是差不多的，因为二者的光谱范围接近。实验发现，对某些材料，红外图象甚至比可见图象更清晰。例如，黑色的服饰对近红外线的反射率更高，因而其图象更清楚些。在图8中，右手是人，而左手是漆成灰色的木制模特儿。尽管比木制模特儿对可见光的反射率低，但其红外线的像还是比较清楚的。

图8  红外线前照灯的照明效果（略）
这种红外线前照灯可以采用卤钨光源、气体放电光源或下面要介绍的LED作为红外线发射源。灯具可以采用投影式的结构（见图9），但它的用于产生近光型的模板是由能透红外线而不透可见光的材料制成的。这样，这种前照灯能同时产生可见光的近光和红外线的远光。很显然，红外线夜视系统所提供的附加的信息，对提高夜间交通安全性会有很大的帮助。

图9  投影式红外线前照灯（略）
四、LED汽车灯
发光二极管LED（Light-Emitting Diode）是一种半导体光源，它能产生光谱纯度很高的单色光。最早它被用作仪器仪表的指示光源。后来随着高亮度LED材料GaInN和GaAlInP的发明，LED的光效以及单颗LED的功率都有了很大的提高。现在，通过荧光粉技术和双色或多色光混合的方法又制成发白光的LED。这样，LED逐渐在光信号、显示技术和照明领域中得到广泛的应用。
与其他光源相比，LED有许多杰出的优点。首先，LED的寿命很长，据报道有10万小时。LED又十分坚实，因此采用LED作为光源，可靠性十分高，几乎可以免维护。其次，LED的颜色丰富，既有白色的LED；也有发各种单色光的LED，而且颜色的饱和度高，在需要色光的场合，不再需要用滤色片来进行滤光。有外于节约电能。再则，LED本身有反射镜和透镜等控光元件，更使光的利用效率大为提高。另外，LED还有工作电压低、安全；能调光；光线中不含紫外线和红外线以及光源中不含污染环境的汞等优点。正是由于以上这些原因，LED已成为人们最看好的新世纪的照明光源。为了加速LED的发展，我国已正式启动了“国家半导体照明计划”。
LED在汽车照明中有十分光明的应用前景。除了前面所介绍的LED的优点之外，LED还有几个杰出的优点使它特别适合于汽车照明。其一是它发光的上升时间非常短，只有60纳秒，约是白炽灯的百万分之一。这样，当采用LED作为汽车尾灯时，可以使后续汽车的驾驶员更早反应，刹车或减速。第二个特点是LED的尺寸很小，因而采用它作为光源的汽车尾灯可以设计得更薄、更紧凑，从而可以为汽车后车厢节省很多空间。再一个特点是使汽车灯具的设计具有更多的灵活性，使汽车整车的造型产生明亮的新视点。
在汽车中最早采用LED作为光源的灯是高位刹车灯（CHMSL-Center High Mount Stop Lamp）。在美国，自1985年9月1曰以后销售的汽车都必须装配高位刹车灯。在我国虽然现在还没有这方面的法规，但是由于高位刹车灯对行车安全确有很大贡献，因而有普及的趋势。图10是装配有LED高位刹车灯的Cadillac Catera汽车。图11是采用LED尾灯的S级Mercedes Benz汽车，它不仅采用了LED高位刹车灯，而且普通的刹车灯也采用LED作为光源。图12则是采用LED前照灯的情况。

图10  装有LED高位刹车灯的汽车（略）

图11  装有LED后灯的Benz车（略）

图12  装有LED前照灯的概念车（略）

五、智能化汽车照明系统
随着科学技术的发展，全世界汽车工业的研发部门都在努力开发智能化的辅助驾驶系统，以减轻驾驶员的负担，并进一步提高汽车行驶的安全性和舒适度。在汽车照明方面，人们也在开发智能的汽车照明系统。智能化的汽车照明系统又称适应性的照明系统（Adaptive Lighting Systems），它包括自适应前照灯系统AFS（Adaptive Frontlighting Systems）、改进的的信号照明和车内照明控制三部分。其中最重要的是AFS，下面对它做些介绍。
适应性的前方照明系统AFS是EUREKA的1403号项目，欧洲的汽车公司、车灯公司和光源公司共同承担了这个项目，美国和曰本的一些公司也参与了此一项目。AFS具有弯道照明BL（Bending Light）、高速公路照明ML（Motorway Light）/乡间照明CL（Country Light）/城镇照明TL（Town Light）和恶劣天气照明AL（Adverse Weather Light）等功能。图13给出了AFS的BL、ML和TL光形的示意图。在城区驾驶时路面情况复杂，因而光形较宽，又由于车速不快，因而照射的距离不要很远。在高速公路，车速快，因而ML光束照射得远。在弯道处，BL应该给弯道以良好的照明。

图13  BL、ML和TL的光形示意（略）
要实现AFS的各种功能，需要有可靠的信息采集系统。比较经济的信息采集系统主要依靠各种传感器。例如，速度传感器，方向盘角度传感器，车身倾斜度传感器以及降水量信息和照明器件状态传感器等。此外，全球定位系统GPS/数字地图和照相机成像处理系统也开始试验用于信息采集。根据采集来的信息AFS给驱动器发出指令，将照明系统调节到所需要的状态。
以弯道照明BL为例，车前方道路的曲率半径是关键的信息。比较简单而经济的确定车前方路面弯曲情况的方法是采用速度传感器、方向盘角度传感器。从两边车轮速度的差异也可以得到有关的信息。由于BL比较容易实现，因而有望首先得到实用。
到目前为止，ML、CL和TL状态的确定主要还是根据汽车的平均速度的信息。当然GPS和数字地图的结合也是很好的手段，但是花费较大。至于对恶劣天气照明AL，降雨传感器可以探测到降落在汽车挡风玻璃上的雨滴，表明驾驶员视见度降低，而将AFS车灯照明转到AL状态。但是对雾天的情况的AL比较困难，只有真实的视见度传感器才能探测得到。一个可行的方法是照相机成像处理系统，它能测量出由于可见度的减少而造成的对比度的减少。
表2比较了在弯道和高速公路两种情况下分别采用AFS、HID和卤钨灯时的可见距离。图14则是形象地显示了在弯道照明时，这三种不同照明系统的差异。采用AFS后，即使在各种复杂和困难的情况下，汽车都能自动地提供最佳的照明。这样驾驶人员能有更多的时间和精力正确地判断驾驶的情况并及时采取合适的措施，从而在很大程度上排除了现存的某些危险，使安全、舒适地行车真正成为可能。
图14  采用卤钨灯、HID和AFS的视见距离（略）表2  三种前照灯可见距离的比较（略）
六、上海小糸电子技术的进步
上海小糸车灯有限公司一直十分重视技术进步，在上海汽车工业总公司领导下，依靠曰本小糸的支持，上海小糸技术中心于2000年被升级为上海市企业技术中心，今年又在中心内建立了电子技术科，主要研究电子技术在汽车照明灯具和汽车信号灯具内的应用。
汽车纯机械的发展几乎已到极限，汽车机械与电子技术的结合是国际汽车工业发展的潮流，汽车电子化、智能化程度的高低已成为衡量汽车水平的最重要的标志。世界各大汽车商竞相投巨资开发大量的汽车电子产品装备新型汽车，使之更先进、安全、舒适与豪华，同时实现节能、环保、多功能，从而提高其竞争力。在未来十多年里，汽车市场的竞争，就其本质而言，就是汽车电子化、智能化的竞争。据预测，到2005年汽车电子产品占整车成本的价格将超过45%。
高强度气体放电灯（HID）、半导体发光二极管（LED）光源汽车灯具以及在欧洲和曰本已经开始运用并立法的AFS系统（自适应前照灯系统）是国际上汽车电子化、智能化中最耀眼的产品之一。汽车灯具一向就是集实用性和装饰性于一体的，它最能体现汽车的品位，越是个性化车、高档车，越注重车灯的设计及品质。
可应用于汽车灯具上的LED品种是很多的，目前已经得到采用的有T-1（3/4）即φ5的LED，superflux LED，snap LED,SMT LED以及一些与光学零件（如反射镜）一体特制的LED。
1999年，上海小糸为上海大众桑塔纳2000自主开发了第一个LED高位制动灯（见图15），应用18只superfluxLED作为光源，在配光镜上设计了配光花纹：内侧为集光用的菲涅耳花纹、外侧为扩散用的玉米花纹。
到目前为止，上海小糸先后为上海通用GL8，上海大众桑塔纳、POLO，四川丰田考斯特，以及奇瑞B11等车型开发了以LED为光源的汽车信号灯（主要是高位制动灯），累计已配套50多万只。根据预测，上海小糸在LED及HID灯具上的销售额将会有较大的增长：2004年为1345万元，2005年为10937万元，2006年为27203万元，2007年为29915万元。
     图15  桑塔纳2000高位制动灯（略）
意识到汽车灯具的发展趋势，上海小糸加大了在汽车灯具电子技术发展方面的投入，在2003年8月份已经成功开发出搭载曰本松下电子镇流器和PHILIPS放电灯泡的HID组合前照灯用于东风曰产的新车型上，这将是第一个在国内自主开发并批量生产的HID前照灯。同时，上海小糸积极探索新型的LED的运用，并将在2003年底研发出光源全部为LED的组合后灯de  概念灯具（见图16）以及LED室内灯。
     图16  放电前照灯和全LED尾灯（略）
着眼于未来，上海小糸制定了未来的电子技术的发展规划，在现在直到2007年的时间段内，上海小糸将逐步开发出包括红外线前照灯、AFS系统以及LED前照灯等在内的汽车电子化灯具，缩小国内汽车灯具与国际水平的差距。

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