中国汽车照明灯具应用现状与发展趋势（下）
LED车灯自白光LED诞生以来就备受业界的关注，近年来随着LED的快速发展，从信号类汽车灯具到照明类LED车灯的覆盖率越来越高。呈现出爆炸式发展的趋势，光学实现方式的多样化，控制方式的智能化，造型功能的复杂化，以及半导体激光，OLED等光源的混合应用 , 对整个LED系统的可靠性要求越来越高。
LED车灯系统是个复杂的系统，涉及到光学，电子，结构，热管理等一系列的学科，并互相影响，下图是列出的是LED系统和一些常见的可靠性问题。
散热管理在传统的车灯业界和LED业界都有相应的研究，车灯系统中最常用的LED散热方式以散热片被动散热和风扇主动散热为主。在电子计算机领域的水冷和热管技术由于可靠性和成本的原因暂时没有成熟的实际案例。
然而现有的大部分热管理的技术研究普遍集中在LED子系统上。甚至普遍存在一种看法，LED是冷光源，只要解决好LED元件本身的散热管理，LED车灯的可靠性文件即可得到解决，寿命可超过整车寿命。
在产品开发的所有环节(元件、子系统和整个系统)中，热分析绝对不能少。但只有在各个级别的热模型良好的情况下，才可能获得好的热分析结果。
整个系统级别热设计和分析，需要考虑到更多的因素，在模型正确的条件下，需要对气流的走向，光学表面的设计，灯具的结构，散热器的形状，进行综合考量。这就对系统整合能力，团队技术协作能力提出了更高的要求。
现代车灯制造业中，尤其在LED车灯系统中，设计，制造，工艺日趋复杂，采用大量的先进工艺车灯质量得以完善。但是目前为止车灯结雾依然是影响车灯可靠性的一个难题。车灯空气温湿度变化等一系列变化带来的水蒸气遇冷凝结在车灯透镜内表面，不仅影响美观，更会使得照明效果大打折扣影响行车安全。同时引起材料腐蚀，老化变形等一系列可靠性问题。由于 LED车灯的整体热量低于传统的卤素灯具，结雾现象尤其明显。
由于雾气作为一个难以解决的物理现象，目前业内关注的问题主要有两点：1是雾气产生的区域，2起雾到完全消散的时间。
目前缓解LED车灯起雾的方式主要通过两种办法:1、灯具内部涂防雾涂层。2、在灯具内加干燥剂。
如今随着CFD技术的发展，在热分析的基础上，开始重视空气流场，温度场的综合分析，结合产品系统调整，从设计源头最大限度的降低雾气凝结的可能性。
现代汽车系统的电子成分占比越高的趋势，同样体现在LED车灯系统里。传统的车灯的可靠性，仅需要考虑，灯泡，反光杯，灯体，面罩等少量的部件可靠性。而随着LED灯具系统的功能越来越多，动态化控制，智能化控制。LED灯具系统中不仅仅需要考虑LED本身的寿命和可靠性。电子控制部分的可靠性也成为了重要的一环。
前从设计—测试-制造上均有严格的要求:
1)设计上:
a. 电子器件 -- 选用高可靠性的汽车级电子器件，并留有一定的安全余量;
b. 线路板--严格遵循相应的设计规则，严格控制材料级别；
c.EMC设计--严格按照汽车电子的EMC。
2)测试上：一般汽车电子产品需要从供电环境，机械环境，气候环境，化学环境，防护等一系列的项目上测试通过才可以进行生产制造。
3) 制造上：一般所有产品全数检验，全数老化等形式确保良品率。
LED灯具系统由于LED和电子控制系统的热管理要求，重量远远大于传统的灯具。同时由于造型的复杂化，异形化，内部零件的数量和重量也急剧增加，相互之间的存在各种装配关系，振动失效的问题逐渐成为LED灯具系统的一个难题。常见的失效形式有部件脱落，变形，摩擦出粉等， 造成汽车灯具性能不良影响行车安全。
当前的技术主要是通过有限元分析软件来仿真系统运行状态, 检验是否失效，典型分析软件是采用基于FEM有限元分析理论的Ansys，nastran，Abaqus等。
随着CAE仿真技术的发展，力学振动和流体分析逐步提前，在系统分析的时候就开始考虑振动等失效，通过优化结构，散热设计，光学设计等方式，对质量分布等进行调配，避免灯具备受力过大，避免局部加强，提高系统可靠性。
LED系统带来造型的多样化，同时带来的是光学设计的形式多样化，反射镜，透镜，光导，厚壁件，投射单元，扩散等以及各种不同的组合方式。多变的光学实现方式，同时也影响了结构和散热等LED系统其它方面的设计。同样的，其它方面的设计也都会影响光学设计和可靠性。
目前典型的光学可靠性问题有:
1)配光光形变形，多个光形无法叠加到正常位置，数 值等无法满足标准，一般由结构装配公差，热学变形，振动 位移等引起；
2)点亮外观或者光形的色差现象严重，一般由结构装配公差，热学变形，加工误差等引起。
图 3.24 材料问题
目前国际上知名的汽车灯具制造商，都已经在LED系统级可靠性投入大量的资源，从整个 LED系统上进行研究和优化设计，提升整个系统的可靠性。一些国内的厂商如绿野等也在 LED系统优化整合研究上取得不少的进步。
随着汽车灯具和LED技术的发展，LED灯具系统逐渐成为一个复杂的汽车子系统，涉及到机械结构设计，光学方案设计，电子控制技术，热设计仿真，气体流动和雾气仿真等一系列学科，各个因素之间相互影响，对系统的可靠性形成较大的挑战，无法按照传统的光学设计-结构设计-仿真模拟的线性设计方法来保证可靠性，需要从整个系统级别进行综合考虑并优化出最优方案，确保系统的可靠性，保障整车的安全驾驶性能。
汽车前照灯既要照亮汽车前方的路面和交通信号标志, 又不能给对方来车驾驶员造成不舒适的眩光。这就要求前照灯的空间光强分布满足十分精确的要求。在我国, 汽车前照灯的光分布标准是等同于相关的欧洲ECE法规。近光前照灯的光分布完全不对称。中间是一个高光强区域, 以尽可能照亮前方的路面。光束在水平方向有所散开, 以利于辨清路 边的情况。在指向对方来车驾驶员眼睛的方向上光强很小, 不产生眩光。在前照灯产生的明、暗区之间有一条十分鲜明的分界线, 称为光强截止线。由于法规对汽车照明有着十分严格的要求, 因此与普通光源相比, 汽车光源在结构和性能上有一些特殊之处, 从而形成了一个独立的汽车光源系列。
汽车的外部照明和光信号装置(以下简称汽车灯具)，属于国家强制性产品。所有在汽车上安装的外部灯具产品均需满足相应的国家标准才能在整车上安装或销售。至2018年6月，汽车灯具相关的强制性国家标准以及列入强制性产品认证范畴的推荐性标准，在表 3.5 列出:
其中序号1的GB 4785 是汽车灯具的安装规定，其定义了灯具的功能、颜色、基础光学面、安装位置、电路开启顺序等要求，是汽车灯具标准中的基础标准。目前GB4785的最新标准已经报批。
序号2至于7涉及的前照灯、前雾灯和角灯产品属于汽车的照明灯具，其中前照灯按照光源的不同分为灯丝灯泡、气体放电光源(HID)和 LED 三个标准。
序号8至15涉及的前后位灯、示廓灯、制动灯、倒车灯、 后雾灯、转向灯、牌照灯、驻车灯、侧标志灯昼间行驶灯等属于汽车的信号灯具。目前GB5920和GB23255的最新版本已经报批，预计将在近期发布。
序号16至19涉及汽车上常见的回复反射装置，广义上也属于汽车灯具，但其并不使用光源，不主动发光，本文不做具体介绍。
为贯彻国务院强制性标准精简整合工作要求，从 2016 年开始，汽车灯具国家标准开始着手进行整合精简工作。表3.6中的19项目汽车灯具国家标准将在2020之后，整合为4项。其整合方案如表2, 汽车前照灯、前雾灯、角灯相关的 6项国家标准将整合成1项汽车道路照明系统国家标准；汽车信号灯具的相关8项国家标准将整合成1项汽车及挂车光信号装置及系统国家标准;；回复反射器相关的4项国家标准将整合成为1项机动车回复反射装置国家标准，GB4785安装规定标准不在本次整合范围。整合工作经前期研究，于2017年底，2018年初进行了标准的立项工作。预计2018年底，2019年初将形成标准征求意见稿。
考虑到整合标准的正式研究和文本工作还刚刚开始，在未来的整个制定过程中技术内容肯定会有较大变化，本文将针对照明灯具和信号灯具标准的整合精简初步方向进行介绍，其中很多内容尚未明确，还存变数。
近年来，国内外均在加紧制定针对汽车灯具，特别是前照明系统路面照明效果评价的相关标准和法规，其中以CIE188的方法最为成熟。
CIE技术委员会(tc4-45)与GTB(博鲁塞尔汽车照明工作组)于2005年开始，联合多家汽车灯具和整车制造商对前照灯的评价方法开展了研究。于2010年发布了CIE 188:2010“汽车前照明系统评价方法”的研究报告，并在同年在此报告基础上发布了CIE 021/E:2010 标准。
一个高性能的汽车前照灯设计，是要在尽可能小的眩光前提下，给前方的路面提供良好的照明。因此，CIE 188 中对于汽车前照灯进行的评价指标主要分为两方面:照度评 价和眩光评价。照度不仅包括路面照度，还包括离路面 0.25 米的水平面上的照度;眩光主要针对迎面眩光(opposing glare)。具体而言，近光灯评价项目主要包括道路引导范 围(range for lane guidance)、探测行人范围(range for pedestrian detection)、转弯路面的光束宽度(width for lane guidance and visibility on curves)、 交叉路口探测行人的光束宽度(width for pedestrian detectionat intersections)、总光通(total luminous flux)和迎面眩光(opposing); 远光灯评价项目主要包括道路引导和行人探测范围(range for pedestrian detection, lane guidance and visibility)、交叉路口探测行人的光束宽度 (width for pedestrian detection at intersections)和总光通(total luminous flux)。
1)CIE 188 汽车前照明系统评价方法简介(相关符号、定义或术语见表3.7)
a)近光灯的评价
图3.27是近光灯光束范围的评估区域示意图。其中A和C区域与车辆纵向对称平面平行，B 区所在方向与车辆纵向对称平面的倾斜角为5°。
b)道路引导范围(range for lane guidance)计算
图 3.28 是直道上光束引导范围评估计算区域(区域 A) 的具体示意图。图中三条红色纵线与车辆纵向对称平面平行，且与纵向对称平面近端(即右端)相距0、1.5、3m处。通过计算找出A区域中1lx，3lx，5lx三条等照度线与三条纵线的交点位置(如图3.29所示)，可以得到三个交点与车灯的距离。将三个距离值加以平均，即可得到该款近光灯在直道上的道路引导范围在3lx时的评估分数。同样找到1lx和5lx照度下的评估分数，并将三种照度下的分数加以平均，即可获得该款近光灯在直道上的道路引导范围的综合分数。图3.29中以3lx为例对评估范围进行了计算。图中的等照度线是以垂直照度的形式绘制在道路表面上。
图3.30所示是弯道上光束引导范围评估的区域B的详细参数信息。与直道上的光束范围评估方法类似，同样是通过在B区域找到1lx、3lx和5lx等照度线与三条平行线的交点，从而获得交点与车辆的距离值，并将三种照度下的距离平均值再加以平均，即可得到该款近光灯在弯道上的道路引导范围评估分数。
c) 探测行人范围
(range for pedestrian detection)计算
计算探测行人范围时用到的水平面是离地面25cm高度的水平面。图3.31是探测行人范围的计算区域c示意图。等照度线是以垂直照度的形式绘制在该水平表面。通过在这个水平面的c区域，找到1lx、3lx和5lx等照度线与三条平行线的交点，从而获得交点与车辆的距离值，并将三种照度下的平均距离值之和再加以平均，得到该款近光灯在探测行人范围指标上的综合得分。
d) 总光通(total luminous flux)计算
对总光通的评估主要是计算一垂直面的总光通量，该垂直面以车灯安装位置的基准中心为中点，向上5°、向下15°，左右各45°的区域。
e) 光束宽度(beam width)计算
对光束宽度的评估分为交叉路口光束宽度的评估和弯道上光束宽度的评估两部分。前者需要的数据是离地面25cm高度的水平面的垂直照度值，评估前需要将原始数据转换为该平面的垂直照度值；后者需要的数据是水平路面的垂直照度值，评估前需要将原始数据转换为水平路面的垂直照度值。
如图3.32所示是评估弯道上光束宽度的，区域D示意图，该区域位于离汽车30m~50m的位置。通过找出路面上该区域3lx等照度线与30m、40m和50m三条垂线的交点位置，求得这三条线上的光束宽度并加以平均，得到弯道上光束宽度得分。区域E是评估交叉路口上光束宽度的示意图，该区域位于离路面25cm的水平面上。同样，通过找出该水平面上这块区域3lx等照度线与10m和20m两条垂线的交点位置，求得这二条线上的光束宽度并加以平均，得到交叉路口上光束宽度的得分。
f) 眩光评估
眩光评估区域是位于离车灯 50m 处的一垂直平面。图3.33和3.34是该眩光评估区域的位置示意图，图12是该区域的具体参数示意图。图3.35中水平粗线代表离地0.75米的水平线，垂直粗线在车辆纵向对称平面上。对眩光的评估主要是通过该区域不同点按照不同的权重系数计算总光通值来实现。将这个区域划分为5*8的小区域，并设定每个小区域的权重系数，经过修正计算总光通。具体的系数见图 3.36。
2) 远光灯评估表3.7详细的介绍了远光灯评估时所需考虑的几大方面。各区域和点的划分参见图3.37和图3.38。
(1) 光束引导范围评估
该评估区域位于离车灯100m处的垂直平面。该区域水平基准线位于离地面0.75m处。如图 15所示，E点位于路面上，A点高度为2m，C点高度为11m，且这三个点在路面的投影点都位于车辆纵向对称平面上；B和D的高度为2m，在路面的投影点分别位于与车辆纵向对称平面平行的线上，且与纵向对称平面的距离都为20m。
根据表3.7中规定的内容，并按照图3.37和图3.38所示，首先需要计算图3.40中A-E五点处的光强值。根据公式光强(E为五点处的照度，r为点到车灯的距离)，求得五点处光强值。 然后根据公式“范围(r)= SQRt(光强 / 阈值照度(其中，阈值照度设为3lx))”，求出该款远光灯光束的得分。
(2) 光束宽度评估
按照表4中规定的内容，对图3.37中的2区域，按照图3.32的计算方法，得到3lx等照度线与10m和20m垂线的交点，计算线段宽度并加以平均，从而得到该款远光灯光束宽度得分。
(3)总光通
对总光通的评估主要是计算车灯前方25m处垂直面的总光通量，该垂直面是以车灯安装位置的几何中心为中点，向上10°、向下5°， 左右各45°的区域;
CIE 188 汽车前照明系统评价方法与传统前照灯标准的差异
我们将CIE188(cIE 021/E:2010) 与传统的前照灯配光检测标准对比可以发现：传统前照灯标准主要规定了数个“特性点”，而这些“特性点”各有其所代表的意义，例如“75R”代表车辆正前方75米处，路面右边缘上的点;“50V”代表道路正前方50米处，路面的中心点。通过车速、制动距离、路面照度等参数的综合分析后，标准规定了这些“特性点”照度的下限值，例如，“75R”的照度下限是12lx，其表示当车辆在正常车速行驶时，至少需要12lx(这一数字是转换至25米距离后的照度数值)才能及时发现路面前方75米右边缘的突发情况，并能在安全制动距离外，采取有效的制动操作。由此可见，标准只规定这些“特性点”的“及格线”，而没有规定“特性点”的照度对应安全性的量纲，也就是说：虽然可以认为在“75R”点上，15lx 的照明效果要好于12lx，但这3lx的差异究竟对于“安全性”能提高多少却不得而知，而且更为关键的是这个参数并不形象。
CIE188(CIE 021/E:2010)中的检测参数主要是以“距离”作为安全性评价的量纲，以“近 光灯光束范围”项目为例，测量意义为通过前照明系统发现前方突发事件的距离，其没有规定所谓的“及格距离”，而将这个参数通过“多少米”的形式进行了量化，使得参数更加形象具体。
来源 | 阿拉丁全媒体