汽車燈具的發(fā)展趨勢

凌 銘 張建文 黃中榮

(1.上海汽車燈具研究所，上海 201805;2.國家機動車產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，上海 201805)

1 引言

近十年來，汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，對汽車照明提出了越來越高的要求，特別是隨著新光源的應(yīng)用、新技術(shù)的使用及光學(xué)設(shè)計水平的提高，促使汽車燈具有了快速的發(fā)展。伴隨著汽車燈具的發(fā)展，汽車燈具的新產(chǎn)品、新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，車燈設(shè)計日新月異，標準與法規(guī)不斷更新，新車燈的標準與法規(guī)不斷出現(xiàn)，總體上，汽車燈具技術(shù)呈加速發(fā)展態(tài)勢。

從全封閉前照燈發(fā)展到光纖導(dǎo)光系統(tǒng)，從鹵素?zé)襞莸絃ED光源模塊，從標準外形到個性化的造型，汽車照明發(fā)生了巨大的變化。1985年開始的全封閉前照燈技術(shù)，1990年的自由曲面投影型前照燈(DE燈)，1995年的近光氣體放電燈 (HID燈)，2000年的遠/近光雙氣體放電燈，2005年AFS(自適應(yīng)汽車照明系統(tǒng))，2011年全LED燈，由這幾個標志性產(chǎn)品的出現(xiàn)不難看出，前照燈的發(fā)展水平代表著汽車燈具的發(fā)展水平［1］。以德國海拉車燈有限公司、德國Darmstadt University為代表的企業(yè)和大學(xué)，不斷運用新技術(shù)和新材料，進行新設(shè)計，研制出了一系列先進的、新型的車燈，使汽車燈具的技術(shù)水平一直保持著與光源及電子技術(shù)發(fā)展水平相匹配，在世界保持領(lǐng)先地位［2］。國內(nèi)車燈企業(yè)，目前還沒有強有力的自主品牌，開發(fā)能力較為薄弱，行業(yè)自主創(chuàng)新能力差，核心技術(shù)水平 (如電子、設(shè)計、工藝)與世界先進水平仍有較大差距［3］。

汽車燈具設(shè)計及制造涉及到光學(xué)、電子、電器及材料等多種技術(shù)，是多種技術(shù)的集成，最先進的汽車燈具體現(xiàn)著光源、電子技術(shù)、光學(xué)設(shè)計及標準法規(guī)的最高發(fā)展水平。本文闡述了汽車燈具的產(chǎn)品和標準的發(fā)展趨勢，并對新技術(shù)的應(yīng)用進行論述，探討其應(yīng)用的可行性。

2 發(fā)展趨勢

汽車燈具的發(fā)展主要表現(xiàn)在產(chǎn)品、標準及技術(shù)三個方面。

2.1 產(chǎn)品發(fā)展趨勢

目前，汽車燈具產(chǎn)品市場上白熾燈、鹵素?zé)?、高壓氣體放電燈 (HID)、發(fā)光二極管 (LED)車燈并存，但應(yīng)用側(cè)重點各不相同。節(jié)能環(huán)保的“綠色車輛”，主要是低能耗、空間緊湊的電動汽車或混合動力汽車，用一個LED模組在近光燈和遠光燈之間切換，達到低能耗的效果，此類車在照明技術(shù)的發(fā)展上主要以LED的應(yīng)用為主，2018年后LED光源的應(yīng)用將成為“綠色車輛”的主流。低成本車輛，主要包括微型車、商用車，則更注重成本的優(yōu)勢，在汽車照明技術(shù)方面目前還是沿用之前的鹵素和白熾燈照明技術(shù)，依舊沿用鹵素?zé)襞莺桶谉霟襞轂橹鞯臒艟撸?018年后也將以鹵素?zé)魹橹鳌級車和B級車根據(jù)市場選擇鹵素?zé)?、自適應(yīng)車燈系統(tǒng)(AFS)和發(fā)光二極管 (LED)信號燈結(jié)合使用。C級車 (如，奧迪A3、寶馬1系、308等)和D級車(如奧迪A4、帕薩特、407/408等)目前以高壓氣體放電燈HID(35W) AFS為主，到2020年以后將以HID(25W) AFS為主，但在大多數(shù)車型上同時使用鹵素?zé)艉虷ID(25W) AFS，其中高級別的車型將從HID/AFS逐步過渡到 LED AFS，2018年后，將呈現(xiàn)鹵素?zé)艉?5VW 25WHID各占一半市場的局面，隨后鹵素?zé)舻氖袌龇蓊~將逐漸減少，而由25W氙氣燈和LED前照燈取代。對E級車 (奧迪A6、寶馬5、奔馳S、寶馬7系)，AFS全面使用，氙氣燈前照燈和LED前照燈之間展開激烈的競爭，隨著LED技術(shù)將于2015～2016年有所突破，2018年后，LED市場份額在這一級別中將激增，形成以LED前照燈為主，HID為輔的格局，而鮮有鹵素?zé)簦?，3］。

LED技術(shù)是最先進的汽車照明，高亮度白色LED將在未來幾年內(nèi)達到100lm W的輸出，具有極大的競爭力。從A級車到E級車，一個共同的趨勢就是LED的使用和市場份額都在增加，這是因為LED具有無延遲、環(huán)保、節(jié)能、長壽、低熱、抗震、色純度高等優(yōu)點，已成為鎢絲燈、鹵素?zé)舻谋厝蝗〈a(chǎn)品，但從汽車照明光源的發(fā)展來看，LED的發(fā)展遠未達到快速發(fā)展的水平。

圖1 LED車燈在LED應(yīng)用產(chǎn)品的市場占有率Fig.1 LED automotive light market share in LED application product

圖2 LED車燈在車燈領(lǐng)域占有率Fig.2 LED automotive light market share in automotive light

由圖1可見，LED車燈僅占LED應(yīng)用的10%，這主要是因為汽車燈具對LED元件的參數(shù)性能要求很高:(1)要具備高效、大功率和高可靠性 (－40℃～125℃);(2)對電學(xué)、光學(xué)參數(shù)的穩(wěn)定性以及一致性的要求高，如:同一批元件的閾值其電壓不一致性必須小于0.1V，單色性要好，色差也須在小于5納米的范圍內(nèi);(3)LED元件在13.6V經(jīng)2000小時(直流下工作)點亮試驗后，其發(fā)光強度的衰減度要小于20%。這些要求限值了LED在車燈上的應(yīng)用。

2004年業(yè)界曾預(yù)測，LED車燈會很快井噴入市，而把HID淘汰出局，但目前的態(tài)勢并非如此。從圖2可以看出，2010年LED車燈僅占車燈市場的12%，其余大部都為鹵素?zé)羲加?。這是因為就算是LED的成本能夠按照摩爾定律的預(yù)見速率持續(xù)下降，它要低到能與HID匹敵的同等價位也尚需多年;而LED家族的成本若要降到能與鹵素?zé)舨幌嗌舷?，則至少需10年左右。雖然一直期望LED技術(shù)能發(fā)展得比現(xiàn)實要快一點，但目前仍然有技術(shù)性難題需要攻克，特別是散熱及光衰兩大關(guān)鍵問題仍未有突破。就單個光源而言，LED的光照強度仍顯不足，多顆LED構(gòu)成的模組增大了空間，不利于設(shè)計。

盡管業(yè)界預(yù)測2015～2016年LED的技術(shù)會有突破，但除去成本壓力和技術(shù)關(guān)鍵外，掌握關(guān)鍵技術(shù)及專利的大公司對LED車燈研而不推，盡力使其在鹵素?zé)襞莺虷ID上的利潤最大化，這也是LED推廣的受阻的因素之一。

2.2 標準發(fā)展趨勢

近幾年，隨著新技術(shù)的應(yīng)用，新車燈的使用，汽車燈具的法規(guī)修訂越來越頻繁，新車燈的新法規(guī)頒布越來越快，檢測方法越來越先進，ECE法規(guī)的修訂及制定呈如下發(fā)展態(tài)勢［4，5］。

安裝規(guī)定 (ECE R48)主要向以下三個方向發(fā)展:

1)汽車燈具的安全要求

如前照燈、前霧燈、AFS調(diào)整裝置的規(guī)定，后霧燈安裝高度的增加，反光標識安裝位置及轉(zhuǎn)向燈、位置燈的幾何可見度的安裝要求，這些修訂大大提高了行車安全性。

2)新功能的增加

自適應(yīng)遠光ADB安裝及探測距離的規(guī)定、前位燈后位燈晝行燈 (DRL)操控面板指示器的安裝規(guī)定是新功能的使用，這些新功能提高了行車的舒適性、便捷性和可操作性;

3)車新用途的車燈使用方面發(fā)展乘用車踏步燈和慢行燈 (見圖3)，摩托車角燈的使用，增添了車燈的新品種，拓寬了車燈新用途。

圖3 慢行燈安裝位置及照射區(qū)Fig.3 Installation position and illumination area of slow lights

其他法規(guī)主要向以下四個方向發(fā)展:

1)法規(guī)的完善。

ECE R113法規(guī)公式I'M=IM/3=0.280EM及ECE R119法規(guī)左燈應(yīng)將比較點HV點的編輯錯誤改正，ECE R87法規(guī)晝間行駛燈光源失效的規(guī)定，ECE R6法規(guī)關(guān)于閃爍點亮的發(fā)光頻率和最高亮度時間要求，ECE R7法規(guī)兩燈或更多燈組合的最大發(fā)光強度要求，這些規(guī)定要求主要是對現(xiàn)行法規(guī)的完善及修訂。

2)環(huán)保節(jié)能要求

ECE R37法規(guī)對 C21W、P19W、PC16W、PCR16W、PCY16W、PR19W、PR24W、PSR19W、PSR24W、PY19W、R2和S1類的的燈絲燈泡設(shè)置了過渡期，ECE R37法規(guī)中增加了D5S和D6S兩種類型的氣體放電光源，其額定功率為25W光通量為2000lm，ECE R112及其它各種信號燈法規(guī)中 (R4 R6 R7 R23 R38 R50 R77 R87 R91 R119)LED可更換模組的規(guī)定配合了歐盟和中國的環(huán)保節(jié)能要求，即淘汰高能耗光源大力提倡使用環(huán)保節(jié)能的固態(tài)光源。

3)新技術(shù)應(yīng)用

ECE R37法規(guī)H9和H9B為可變換電壓的燈絲燈泡的規(guī)定，ECE R123法規(guī)自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)的規(guī)定，將一些成熟、安全的技術(shù)應(yīng)用到法規(guī)中。

4)檢測方法的更新

ECE R 113號法規(guī)的配光性能方面進行升級，與現(xiàn)行的98、112和123號法規(guī)的配光性能進行統(tǒng)一，其技術(shù)內(nèi)容包括配光屏幕為球型的要求 (見圖4)，所有配光性能描述單位統(tǒng)一采用cd等，統(tǒng)一了測試方法;ECE R104反光標識照射角中增加為“5°、20°、30°、40°、60°;ECE R 69、70、104 號法規(guī)耐清洗試驗中的水流速率的修改。

圖4 車燈極坐標球型配光幕Fig.4 Spherical polar coordinates light distribution of automotive lights

標準及法規(guī)的發(fā)展，依賴于車燈技術(shù)的發(fā)展，并緊隨汽車燈具的發(fā)展，體現(xiàn)著車燈技術(shù)的實際發(fā)展水平。目前看，汽車燈具的標準法規(guī)還滯后于汽車燈具的實際發(fā)展水平，新技術(shù)車燈的標準法規(guī)制定周期還較長，這主要是由于汽車燈具標準法規(guī)強制性的特點所致。

2.3 技術(shù)發(fā)展趨勢

汽車燈具的技術(shù)一直隨著光源技術(shù)、光學(xué)設(shè)計技術(shù)、電子電器技術(shù)、材料技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展，其核心技術(shù)部分為光學(xué)系統(tǒng)。傳統(tǒng)的車燈光源使用燈絲燈泡及鹵素?zé)襞荩鈱W(xué)系統(tǒng)由反射鏡、燈泡、配光鏡組成，注重反射鏡、配光鏡的材料及制造技術(shù)。

目前的車燈技術(shù)，以HID及LED光源使用為重點，進行電子、電動及電控技術(shù)的集成，用光學(xué)分析軟件進行光導(dǎo)管、自由曲面及菲涅爾透鏡設(shè)計，在使用LED的基礎(chǔ)上，向特殊發(fā)光形狀、個性化和藝術(shù)化的方向發(fā)展，強調(diào)光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計，重點研究方向是全LED燈及LED車燈與AFS的組合。

圖5為龍鼎科魯茲V2款總成，是一款光學(xué)設(shè)計及LED應(yīng)用的典型代表，其采用雙光透鏡，近光采用經(jīng)典的天使眼設(shè)計，PMMA亞克力制造的仿奧迪A8L眼淚條光導(dǎo)管，轉(zhuǎn)向燈信號燈用LED陣列，全燈在滿足夜晚行車安全基礎(chǔ)上，極力展現(xiàn)個性。

圖5 龍鼎科魯茲V2款前照燈總成Fig.5 Headlamp assembly of Long Ding Cruzevz

圖6 為奧迪A8全LED前照燈總成，D級車首次安裝，代表著世界汽車燈具的最高水平，這得益于光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計及高亮度的LED發(fā)展水平，其研制公司德國海拉公司在該領(lǐng)域處于無可爭辯的領(lǐng)先地位。該燈近光由10個LED投射式燈體組成，非常醒目，高速公路上的前照燈照明是通過近光燈輔助反光器來實現(xiàn)遠光照明;晝間行駛燈、轉(zhuǎn)向燈、前位燈集成一體，集成、緊湊;首次用LED實現(xiàn)自適應(yīng)功能，裝有雨量及陽光傳感器，加上導(dǎo)航信息系統(tǒng)，探測到旅行模式、鄉(xiāng)村模式、城市模式等，在雨霧或雨雪等惡劣天氣時，奧迪A8全LED前照燈可以通過LED燈體燈光調(diào)節(jié)發(fā)出更加寬廣的照明燈光，在一個集成的前端攝像頭幫助下，前方行駛的車輛會輕易被檢測到，再經(jīng)由海拉開發(fā)控制模塊精確計算，從而使得照明電子系統(tǒng)能夠準確地調(diào)整照明燈光，以適應(yīng)不同的駕駛狀況［6，7］。

圖6 奧迪A8全LED前照燈總成Fig.6 LED headlamp assembly of Audi A8

在車燈技術(shù)發(fā)展的同時，光學(xué)設(shè)計軟件也在不斷發(fā)展，光學(xué)設(shè)計軟件與車燈的發(fā)展是相輔相成的。傳統(tǒng)的光學(xué)設(shè)計軟件，是用UG、CATIA等大型三維CAD軟件針對光學(xué)系統(tǒng)的二次開發(fā)軟件包，用光源成像及照度模擬來進行設(shè)計。新型的光學(xué)設(shè)計軟件是用Reflector(CAD)、ASAP、LucidStudio、海拉之光等軟件，其比傳統(tǒng)的大型三維軟件中的二次開發(fā)更加強大，速度更快、精度更高，可建立光源、反射單元、折射單元、配光屏幕，設(shè)定材質(zhì)屬性，跟蹤光路走向，模擬配光效果，并且有與三維軟件的接口［8］。沒有先進的光學(xué)設(shè)計軟件，就不會有現(xiàn)代汽車燈具的發(fā)展。

在現(xiàn)有車燈成熟技術(shù)的基礎(chǔ)上，未來的車燈技術(shù)，將向電致發(fā)光學(xué)、激光光學(xué)新光源的使用，衍射光學(xué)、光纖光學(xué)及電子控制新技術(shù)的應(yīng)用方向發(fā)展，代表性的技術(shù)主要表現(xiàn)在以下幾個方面:

(1)主動紅外夜視輔助駕駛系統(tǒng)、抬頭顯示系統(tǒng)

夜間由于光照不足、視野小，尤其是會車時的遠光燈會使駕駛員產(chǎn)生眩目，形成盲區(qū)，縮小了駕駛員的可視距離，影響了夜間的行車安全。采用紅外夜視系統(tǒng)，使駕駛員在低可見度或黑暗中清楚觀察到車輛前方的信息，也可以看見汽車前照燈照射不到的區(qū)域、強光陰影中的行人、車輛，并對可能出現(xiàn)的危險情況發(fā)出報警 (圖7)。夜視系統(tǒng)開啟后，紅外線熱感雷達可識別一切可發(fā)熱的物體，特別是可彌補車燈看不見行人的情況，顯著提高行車安全［9］。

圖7 奧迪A8L的紅外夜視系統(tǒng)［6］Fig.7 Infrared night vision system of Audi A8L

抬頭顯示儀可以把儀表板上重要的信息映射在風(fēng)窗玻璃上，行駛時駕駛員可不必低頭看儀表板，就能看清所需的信息。這種顯示系統(tǒng)，原是應(yīng)用在軍用戰(zhàn)斗機上，以保證飛行員不必低頭就能在風(fēng)窗上看到所需的重要信息，后應(yīng)用到民用，目前，一些高級汽車上已安裝此系統(tǒng) (圖8)。

圖8 抬頭顯示儀Fig.8 Display

(2)智能尾燈

對應(yīng)著AFS自適應(yīng)前照燈，在一個比較大的范圍內(nèi)調(diào)整后位燈、制動燈和轉(zhuǎn)向燈的發(fā)光強度。例如:在晴朗的夜晚亮度降低，在白天有霧的情況下亮度增加，根據(jù)車速、路況等自動調(diào)節(jié)尾燈亮度［圖9(b)］，在必要的情況下，左右轉(zhuǎn)向燈的亮度還能分別自動調(diào)整 ［圖9(a)］。智能尾燈是唯一的可以減小尾碰可能性的系統(tǒng)，使用該系統(tǒng)可減少駕駛者的失誤，提高安全性［10］。

圖9 智能尾燈［10］Fig.9 Smart tail lights

通過軟件控制LED陣列可以在一個尾燈上實現(xiàn)后位燈、制動燈、示廓燈、倒車燈的功能，所有的后尾燈造型被集成在一個區(qū)域，這樣，可大大節(jié)省車燈的使用空間，節(jié)省成本 ［圖9(c)］。

(3)衍射光學(xué)車燈

將激光通過光纖，經(jīng)反射器件照射到衍射器件上，形成所需要的光性，這種設(shè)計，是將光照射到一個平面衍射器件上，這大大縮小了體積，且光強減小較小，可用一個中央光源，經(jīng)光纖分束后，為多個燈提供光源，減少光源的使用數(shù)量 (圖10)。缺點是，衍射效應(yīng)必須使用激光，其應(yīng)用前景依賴于激光的發(fā)展，機構(gòu)復(fù)雜，制造精密。

圖10 衍射光學(xué)車燈Fig.10 Diffraction optical automotive light

(4)低電子光束車燈

AFS中實現(xiàn)彎道照明、仰俯調(diào)節(jié)需電機控制光源轉(zhuǎn)動，這不僅帶來了電纜布置及模塊振動，還增加了電磁兼容 (EMC)問題。低電子光束車燈根據(jù)轉(zhuǎn)彎、仰俯的角度調(diào)整LED光強，由少量LED分布在不同區(qū)域構(gòu)成一個動態(tài)的彎曲、仰俯光線，汽車轉(zhuǎn)到某個角度的同時使燈具發(fā)光。這種技術(shù)的關(guān)鍵在于為實現(xiàn)減低亮度光形如何被劃分為許多個小區(qū)域，每0.1度的轉(zhuǎn)角對應(yīng)LED亮度的變化對光學(xué)工程師來說都是一個挑戰(zhàn)［9］。該技術(shù)可減少電纜及電機的使用，節(jié)省空間，降低振動和傳導(dǎo)及輻射騷擾。

(5)OLED的應(yīng)用

OLED是“有機發(fā)光二極管” (Organic Light Emitting Diode)的縮寫，與目前使用的由半導(dǎo)體晶體組成的LED不同，OLED是由有機材料制成的類似于LED，OLED是一種固態(tài)半導(dǎo)體設(shè)備，OLED是一種由有機分子薄片組成的固態(tài)設(shè)備，施加電力之后就能發(fā)光。OLED能讓電子設(shè)備產(chǎn)生更明亮、更清晰的圖像，其耗電量小于傳統(tǒng)的發(fā)光二極管(LED)。OLED單元在發(fā)光后能形成三維效果，形成動態(tài)、波動的畫面，更加炫目和個性 (圖11a)。德國巴斯夫公司與飛利浦公司合作研制的一種OLED在電源關(guān)閉狀態(tài)下透明、加電時呈現(xiàn)各種圖像或不透明的，利用該新型技術(shù)可以為駕駛者在車內(nèi)提供全空間無陰影的柔和照明 (圖11b)。

但OLED平面只能微微彎曲，因此其在車身表面的應(yīng)用受到一定限制，另一方面，OLED材料只能承受80攝氏度的溫度，因此其使用壽命、機械應(yīng)用和耐高溫性還不能很好地滿足汽車需求，有待其繼續(xù)發(fā)展。

圖11 OLED車燈Fig.11 OLED automotive light

3 第五代車燈光源

汽車光源從第一代光源白熾燈泡開始，經(jīng)第二代光源鹵素?zé)襞荩俚紿ID第三代光源，目前，對第四代光源LED的發(fā)展趨勢和定位，業(yè)界已無爭議，其替代傳統(tǒng)光源僅僅是時間和成本的問題。那么，后LED時代的光源會是哪一種光源，業(yè)界認為激光可能會成為后LED時代的第五代汽車車燈光源［10］?

激光車燈將會是繼LED燈之后，汽車照明界的又一次大變革。這是因為:(1)激光是一種相干光源，與普通光源發(fā)光的原理不同，激光只有一種波長而不是普通光源那樣制造涵蓋所有波長的彩色光波，是單色光源，這樣的特性使得激光照明照度更強，亮度更高。(2)激光相位差不變，因此光束發(fā)散度極小，光源光型能夠更精確、迅速地控制，更好地符合法規(guī)要求。(3)由于產(chǎn)生激光的激光二極管體積非常微小，非常省電，目前LED解決單體發(fā)光微弱的弊端所采用的大規(guī)模陣列式布局，在激光照明時代將變成歷史，光照功率輸出的剛性需求將不再是阻礙大燈造型設(shè)計的理由，造型設(shè)計師們能夠設(shè)計更加前衛(wèi)、多自由度的前照燈。(4)激光車燈的光線并不是直接射出的，而是經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)變換后才應(yīng)用到汽車車燈上的，以保證不會對人、動物以及野生生物造成傷害，滿足法規(guī)的要求。

圖12是寶馬公司i8概念車上的激光前照燈，這是寶馬公司為抗衡奧迪公司在LED的領(lǐng)先水平而研制的，其亮度是LED的1000倍，且體積比LED要小100倍，可提供兩倍于LED車燈發(fā)光的效率和1 萬小時的壽命［11］。

圖12 寶馬i8概念車上的激光前照燈［11］Fig.12 Laser headlamp of BMW i8

圖13的激光霧燈可在30米處的地面上照射一條橫線，以保證后車在霧天及時發(fā)現(xiàn)前車并采取安全措施，其功能和效果遠高于普通霧燈。

圖13 激光后霧燈形成的紅色傘面及警戒線Fig.13 Red umbrella surface and a cordon formed by laser fog light

4 結(jié)論

未來汽車燈具發(fā)展的依托和動力是技術(shù)的進步，技術(shù)進步最關(guān)鍵的是要有技術(shù)創(chuàng)新，對汽車燈具而言，最關(guān)鍵的技術(shù)創(chuàng)新就是光源的創(chuàng)新，可以說汽車燈具的發(fā)展史就是一部光源的發(fā)展史，光源的革新引導(dǎo)著前照燈的變革。2020年以前，車燈的發(fā)展將以LED光源為基礎(chǔ)，以新型電子技術(shù)、新型光學(xué)設(shè)計為支撐，向安全、環(huán)保、節(jié)能、智能化、個性化發(fā)展，2020年以后，隨著激光及OLED在汽車燈具的廣泛應(yīng)用，汽車燈具將會發(fā)生革命性的變革，一個新的汽車燈具時代將會到來。

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