探讨未来LED前大灯技术的发展趋势

胡薇 发表于 2018-10-15 14:41:07 收藏 已收藏
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探讨未来LED前大灯技术的发展趋势

胡薇 发表于 2018-10-15 14:41:07

LED车灯是汽车照明的发展趋势。在上世纪90年代开始出现的氙气灯尚未完全普及时,LED大灯已悄然出现。和传统卤素灯热辐射发光、氙气灯高压气体发光相比,LED车灯通过发光二极管将电能转换为光能,使得LED具备色彩鲜艳丰富、亮度高、寿命长、高效率、低能耗、体积小、重量轻等独特优势。从具体性能指标上看,LED灯的光线强度可达卤素灯的5倍,氙气灯的1.4倍。LED灯的使用寿命可达10万小时,远远长于卤素灯和氙气灯。LED的能耗仅仅为卤素灯的十分之一,氙气灯的七分之一。此外,LED灯在照射距离、照明效果上也有着具备相当大的优势。

众多性能的优越性,使得LED车灯近年来渗透率快速增长,同时也吸引了更多的企业的参与,LED车灯开始在合资品牌和自主品牌中高端车型普及。目前合资品牌大部分中高端车型都配置LED车灯,自主品牌也纷纷推出具备LED灯的新款车型,成功吸引了潜在的消费者。

随着LED车大灯渗透率快速提升,智能LED车灯开始崭露头角。随着近年来人工智能、机器智能的发展以及消费升级对汽车智能化、安全化等需求的提高,车灯AFS和ADB系统应运而生。

AFS是自适应前照灯系统(AFS,Adaptive Front-lighting System)针对LED大灯、氙灯、激光大灯设计,最初的自适应大灯仅有纵向调整功能,通过感应前后轴的制动及加速动作,相应地纵向调节车灯,保持车灯光线的稳定。随后,AFS又实现了弯道、城镇、乡村、高速、恶劣天气等多种模式下相互转换功能,以提升行车安全。

AFS车灯系统图示

整套系统包括以下6个部分:1、后轴感应器(Rear axle sensor);2、电控单元(ECU);3、速度信号(Speed signal);4、前轴感应器(Front axle sensor);5、执行器(Actuator);6、前照灯(headlamp)。

AFS车灯不同模式下与常规车灯的对比

注:1、2、3右侧图依次为弯道模式、高速模式、城镇模式下的AFS

ADB(AdaptiveDriving Beam)是一种智能防眩目远光灯系统,主要由远近光灯自动切换(High beam assistant)与自适应熄灭(Adatptive Cut-Off)技术组成。与AFS系统相比,ADB系统加入了更多的传感器,例如摄像头。通过对前方路况更完整的分析,在不对路上其他行驶车辆造成刺眼眩光的前提下,ADB能够提供更好的照明效果。该系统根据环境、天气、道路、车速、交通流量以及和其他车辆相对位臵等信息来决定车灯照射范围、亮度及角度。

ADB车灯车辆交汇功能展示

早期推出的智能化车灯通过在灯罩内安装一个可旋转的挡板或步进马达控制灯泡在水平方向移动来实现调整车灯照射区域,而水平方向灯光的移动会给本车司机与相向行驶司机带来一些困扰,客户体验效果一般,随着多像素LED系统被研发出来,通过行车电脑和传感器独立控制每个矩阵分别照亮不同区域,当道路上没有其他车辆时,多像素LED车灯将会把所有LED灯都点亮,这时候就是远光灯。当道路上有其他车辆时,控制系统根据实时路况关闭部分LED,这样形成的暗区就保护其他车辆内司机受到眩光干扰,用户体验大为改善。目前多像素LED车大灯主要有以下四种:

1、Matrix LED

LED灯珠具有体积小和快速响应的特性,使用多颗LED进行按照矩阵的方式进行排列,并对其进行控制,借助多颗单独可控(Individual  Addressable)是实现多像素智能大灯最简单的方案。与普通LED大灯相比,矩阵式LED大灯因为使用多颗LED灯珠,需要更多路的驱动,同时需要给每颗或者几颗LED灯珠配光使其成为独立像素单元。目前多家主机厂均已使用Matrix LED车灯,相关技术也已经较为成熟,开发的不确定性较低,周期相对较短。但受限于LED灯珠尺寸的限制,未来像素升级的空间有限。

Matrix LED车灯展示

代表企业:海拉,2017年公司展示的“矩阵式HD84头灯模组”内部一共含有84颗LED,每颗背后由单独的芯片控制,均可以实现0-100%的光强。模组可以根据不同的交通状况、天气状况以及道路路况做出不同的配光分布方案,一旦有其他车辆进入到车灯的光线分布区域内,海拉的这套灯组可以选择动态隐蔽对方车辆所在区域,防止发生眩目现象,当用户驾车遇到交通标志或者是湿滑路段时,灯组也会自动降低LED的亮度,避免用户或者对面驾驶员视线模糊。目前,海拉的这套灯组已经搭载在了新一代奔驰E级上。

2、LCD式

随着汽车智能化的需求越来越高,主机厂对智能车大灯像素数量的要求也逐渐提高,同时要求智能大灯的照明功能兼具显示功能。LCD(Liquid crystal Display)作为最为成熟的显示技术,其相关驱动与控制技术产业链也相当成熟,因此LCD自然而然地成为了智能大灯光源控制系统的选择之一。LCD大灯系统可以通过控制系统向LCD模块发出指令,最终以每秒钟60次的频率对前方发送像素显示的指向与强度。为汽车提供高分辨率及清晰成像的照明和显示体验。

目前的LCD式大灯的像素数量级已经能做到万级,LCD式具有成本相对较低,体积相对较小,光型可拉伸角度较宽,明暗对比度较高等优势。其主要限制在于偏光片及液晶面板存在损耗,且LCD大灯的光学和能量利用效率相对较低,而且改善空间有限。

LCD+LED车灯原理展示

代表企业:海拉,2017年合作伙伴中的默克公司、斯图加特大学、Porsche、Elmos半导体及Schweize电子帕德博恩大学等等开发出一种基于LCD的车前灯,LCD车灯技术可以在道路上投射30000像素,并且可以根据不同的路况智能的调整其照射范围,而且它可以靠着车载软件来调控它的照明模式,驾驶者可以让系统为自己找出最佳的照明效果,除此之外,当系统侦测到前方有反光板或者会导致反光的物件时,大灯可以有针对性地避开它们或者减弱亮度,再者,它也可以依靠GPS将引导方向的箭头投射在路上。

3、DLP式

与发展LCD式智能大灯的原因类似,作为目前投影设备主流技术的基于DMD器件(DigitalMicromirror Device,数字微镜元件)的DLP技术(Digital Light Processing,数字光处理)自然也成为了多像素智能大灯光源系统的可选技术路线。

与目前的投影技术类似,LED和激光(Laser)均可作为DLP系统的光源。LED(Laser)+DLP的优势在于技术比较成熟,亮度、效率等各主要参数也足够好。

DLP+LED车灯展示

代表企业:德州仪器(TI),2018年在国际消费类电子产品展览会(CES)上展示了用于高分辨率车前大灯系统的DLP技术。该车灯用DLP芯片可为每个车前大灯提供超过100万个可寻址像素点,可应用于LED和激光照明在内的任何光源系统,使用该解决方案设计车前大灯ADB系统可以最大限度地提高驾驶员的车前灯亮度,减小对迎面车辆的眩光和来自交通标志的反光,同时可以将车前大灯系统转变为新的交通通信方式,加强驾驶员之间以及驾驶员与行人间的交流,为未来的自动驾驶和无人驾驶车辆提供了一种有效的解决方案。

4、点阵式LED(uAFS)

uAFS是可寻址像素矩阵式LED(Addressable LED PixelArray)的简称,是专门针对多像素智能大灯系统开发的LED大灯照明技术。传统的LED车灯只是把多个独立的LED芯片整合到一个LED封装器件中,外部驱动提供电能后,整片芯片同时点亮,矩阵式则是将多个(目前Multibeam矩阵车灯内含84个独立LED器件)LED器件矩阵化后分别控制,分别控制,但是灯珠像素数量相对较少。而uAFS车灯则是在数千颗LED芯片的硅衬底中整合了矩阵式的CMOS控制电路,结合控制芯片,实现了对每个芯片进行单独的开关及亮度调节,使LED芯片直接成为了大灯光型中可独立控制的像素。uAFS的主要优势便体现在较低的系统成本,较小的系统体积,以及高能量效率。

代表企业:欧司朗与海拉,欧司朗、戴姆勒、弗劳恩霍夫应用研究促进协会、Hella和英飞凌组成研究联盟,由德国联邦教育与研究部(BMBF)出资,历时三年半,2017年成功研制出前照灯演示模型并完成实地测试,该车灯可实现智能高分辨率LED前照灯的基础解决方案。该解决方案每个前照灯包含三个LED光源,每个LED光源各有1024个可单独控制的光点(像素点)。前照灯可以不断地分析汽车行驶情况和天气状况、道路走向、汽车行驶速度、前方是否有来车,以及汽车与其他车辆之间的距离等,并十分精确地进行自适应调节,确保时刻提供最优照明条件,而不会造成其他驾驶员炫目。该项目已通过奔驰的样车测试。

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