汽车照明灯具技术需求及发展趋势

　　罗滔

　　中山大学佛山研究院副院长

　　《2018阿拉丁照明产业调研白皮书》汽车照明 顾问

　　1)LED技术的快速推广

　　LED光源与传统光源相比，具备了诸多性能优点，寿命长、响应快、光效高、节能环保，外加LED体积小，易造型，有助于灯具造型的灵活设计，这些都造就了LED光源的竞争力。

　　其次，国家对LED产业的大力度扶持，孕育了LED技术应用的良性生态。总之，LED成本侵蚀、性能优化、LED模块标准化、驱动成本下降、车用LED需求增加，都加速催化了LED 技术的应用和推广。据某公司新开发项目的统计，LED光源占比已达90% 以上，即未来两至三年后上市的车型，几乎所有车型都将使用LED光源。

　　值得一提的是，新能源汽车的发展推动了LED车灯的应用，不仅加快了LED车用照明的普及，同时为LED在整车上的应用创造了更多可能。

　　由于新能源汽车对续航里程的需求，除了提升电池性能外，还需要在各环节降低能量消耗，LED的发光效率高，能耗仅是传统卤素灯的30%左右。例如，比亚迪整车灯具，光源全部由灯泡更换为LED光源，单车大约可以节约250W的能耗，以比亚迪E6为例，大约能节约 3%~~5%的电量，所以新能源汽车对LED车用照明的需求十分强烈。

　　此外，LED技术在新能源汽车上可以实现更多的应用。新能源车由于能耗问题一般设计的比较轻巧，而LED发光集中、光源小，更能满足新能源车对小巧车灯的需要。

　　2)造型个性化与成本平衡

　　兼顾个性化的同时，发展基于多样化的标准模组、驱动模块平台件，并配以合适的散热设计，确保零件尽可能多地复用，有利于缩短开发周期，降低开发费用，最终取得成本优势。

　　3)仪式感塑造

　　随着LED光源技术、电子驱动技术、传感器技术、及 软件技术的结合，仪式感塑造将从单一灯光模式，向声、光、电一体的融合模式进化，会越来越多地体现在将来的产品上。因此，我们也会看到未来汽车灯光将变得越来越“个性”、“感性”、“灵性”。

　　4)标准软硬件架构加软件个性化定制

　　今后，灯具设计会往个性化、智能化、场景化趋势发展，灯光控制将愈加多样复杂，甚至需车辆总线(CAn、LIn)的介入。再者，新车型上市周期缩减，车型平台的更新加快，功能推陈出新频繁，灯控模块需标准化设计，采用标准化软硬件架构，隔离应用软件与底层及硬件，摆脱 ECU软件开发验证对硬件系统的依赖，为客户提供一个具有高度动态性和灵活性的平台来实现个性化定制和快速迭代，满足功能复杂、规范化要求高的项目需求，缩减了开发周期，降低了开发成本和风险。

　　LED汽车照明灯具光学技术现状分析

　　概况

　　随着LED照明应用的深入，LED已经进入了绝大多数照明应用领域，也包括汽车照明。和所有的照明系统一样，汽车照明也包括光学、电子控制、驱动、散热和外形结构等部分。其中，光学设计决定了形成汽车照明特殊的光斑形状 和光色分布，是整个灯具中最精密的部分，也是设计自由度相对最大的部分。因此，光学技术是针对LED车灯的技术布局中最重要的一个部分。

　　研究LED车灯光学技术的现状，最好的途径是从分析比对LED车灯专利入手。因此，编者调研了截止2014年国内申请的LED光学专利，共找到符合LED照明用光学系统相关的专利共计6503件，仅车灯专利就有841件，占我国申请专利数量的12.93%，远远超过其他单一照明领域的专利数量。由此可见，在光学设计研发成果中，LED车灯的研发成果是最丰富的。形成 LED 汽车照明如此重视光学开发的原因，包括以下几点:

　　1)、汽车照明灯具类别多，外观形态丰富，为光学设计提供了巨大的发挥空间。

　　2)、汽车照明技术要求特殊，需要独特的光学设计。

　　3)、汽车照明利润空间大，集合了最强大的光学设计开发能力。在LED汽车照明光学专利，前照灯的专利数量 超过了一半。此外，由于汽车前照灯的技术要求明确，设计虽然有相当自由度但放置灯头的空间大体相当，便于横向比对和总结汽车用照明光学系统发展脉络。因此，本白皮书针对光学技术的分析将集中在汽车前照灯展开。

　　前照灯照明规范光学性能对光学设计的要求

　　现存的汽车前照灯的主要标准体系有：中国GB标准、欧盟ECE法规、美国SAE标准、澳大利亚ADR设计规则等。

　　其中，欧洲ECE标准中近光灯配光要求规定了四个照明区域，相应的测试点如图1所示。该图中同时标定了路面不同远近位置在垂直接收测试面的映射位置。从标准可知，主要规定了9 个测试点的光度要求;远光灯相对简单，要求远光灯具有足够大的发光强度和足够宽的照明范围，远光光束中心(最大照度点)与中心点的比值大于80%，并设置了5个测试控制点。

　　对于近光灯的照明规范来说，参考图3.10描述的汽车照明路面模拟示意图，详细说明了ECE 欧标中规定的四个区域对应的实际照明情况。B50L称作防眩点, 距前照灯50m处迎面而来的车辆驾驶员眼睛的位置，为了降低对面车辆的眩光，设计中希望这个点的照度越低越好;50R、75R分别代表本车右边距前照灯50米、75米处路边的照度值，希望能够获得足够的照度;25L及25R分别表示灯具前方25米处的道路的左、右路边的照度值，同样需要一定的照度从而能够让驾驶员的视野更开阔;III区，又称为防眩区，表明车灯的眩目情况，一般需要控制在较精准的范围内，需要照度很低;IV区为过渡区，表示汽车在25米至50米范围内车道全宽的照明情况，需要获得尽量高的照度水平;I区称作近距离照明区，表示距车前25米以内的道路照明情况，在标准中规定得较宽松，但在实际使用的过程中都希望在距离车更近的位置开始获得较好的照明。

　　现有前照车灯主流技术路线及解决方案总结分析

　　1)透镜方案

　　包括单一透镜方案及透镜加切光结构、多透镜方案。

　　在单一透镜方案包括cn201310095626.0和cn200910210810.9，需要在透镜出射面及透镜的本体结构上设置特殊结构，用于形成截止线。这种方案的透镜本体一定需要具有特殊结构，以实现截止线光斑。

　　透镜加截止线切光结构方案(cn200510105013.6、cn201210582683.7与 cn201180067832.X) 中，需要额外添加一个用于切光的结构，而透镜本身有全反射透镜、菲涅尔透镜或双折射透镜构成，形成一定准直特性又具备一定扩展的光束;截止线则由截止切光结构实现。

　　2) 反射器加挡片方案

　　包括 201220416425.7，201320540267.0 通过反射器的自由曲面设计将光线分布在偏光角度范围，并根据挡片切出截止线的形状。

　　3)反射器加透镜

　　在近光光学系统设计方案中，反射器加透镜是主流技术路线。其中，部分方案会添加切光装置实现近光照明截止线; 也有方案(如cn201310330109.7)通过反射器准直，让透镜的自由曲面微结构实现截止线。

　　LED远光照明解决方案，本质上是一个小角度汇聚方案基础上进行光斑略微整形的设计需求。大多数远光光学设计都是需要首先满足高汇聚准直设计需求，同时要抑制杂散光和眩光，最后需要有一点光斑弥散控制。基于此要求，LED远光照明设计思路主要包括以下:

　　1)透镜

　　使用透镜的方案，包括TIR透镜、双折射透镜、菲涅尔薄型透镜，透镜组合。从应用广泛性来看，双折射和透镜组合的透镜方案应用还是最多的。

　　2)反射器

　　形成远光的单一反射器基本都是基于旋转抛物面或者 旋转抛物线的曲面加上微小调整实现的。反射器具有光色一致性好、准直能力强的特点，但需要通过设计的考虑控制更多光线，减少反射器的厚度;

　　3)透镜+反射器方案

　　透镜和反射器结合使用，可以最大程度降低眩光和不可控杂散光，同时提高光学效率和最大光强，从而实现最佳性能。当然，这样的方案系统也是对系统匹配精度、冗余度要求最高的方案。

　　远近光一体的光学解决方案，主要包括以下技术路线: 透镜，反射器组合和透镜+反射器组合。

　　单一透镜实现远近光一体的方案较少，专利cn201010186802.8和cn201310099299.6均通过复杂的自由曲面设计来实现远近光一体的光斑。反射器组合和透镜+反射组合都有很多应用。透镜+反射器组合的技术方案，可以在很紧凑的空间范围内实现远近光的切换，是目前二级市场用量最广的技术方案。由于光学器件占用空间小，可以节省更多空间性给进行装饰作用的日行灯或其他装饰结构，增加灯具的美感。

　　最早该技术在专利cn200710149692.6中记录。进一步，这种技术路线通过设置上下两个光源，分别实现远光和近光，如专利cn201210291632.9可以在相同直径范围避免使用弹片实现远近光切换，但需要交替点亮两个光源。

　　未来LED前照灯光学设计趋势展望

　　随着人性化驾驶趋势的发展，LED前照灯照明也向着智能化的方向演进。其中，作为自动驾驶技术的重要组成部分，自适应驾驶技术(ADB)必然成为未来LED车灯照明的主要发展方向。适应ADB 技术的汽车照明光学方案中，矩阵式照明和电子控制遮挡片技术都是可采用的技术路线。

　　矩阵式照明，能够最大程度利用LED发光面小的优势，通过很小的口径实现一个局部区域的精准照明，从而大大增加控制的灵活性。代表应用是奥迪A8矩阵式LED汽车前大灯，能够实现分区域、分模块照明，更加安全人性化(如图3.11)

　　(a)对面来车的自适应光斑变化;(b)同向会车的自适应光斑变化

　　图 3.11 奥迪矩阵式前照灯

　　传统的汽车头灯的设计方式，是以平滑抛物面所构成的反射效果，再搭配上花纹透明灯壳，将光源集中置于抛物面的焦距，以便形成平行光束，再经过小凸透镜而形 成雕塑光源。目前两大主要汽车头灯应用分为多重反射镜面车灯(Multi-Re-flector;MR) 与投射式汽车头灯 (Projection system)。

　　实际上，车灯的技术路线选择虽然丰富，但考虑性价比和工艺可行性，真正实用的技术方案也较为有限。比如双光透镜(透镜+反射器)的远近光一体光学系统的应用就非常广，但真正拥有其专利权的还是日本欧洲美国企业。相对 于其他技术路线，矩阵式技术方案在方案的选择面上更小，因此国外企业的专利壁垒会更高，因此我国光学设计团队和汽车照明企业都需要特别注意的相关知识产权的保护与规避。