LED汽車照明技術(shù)及現(xiàn)狀分析

　　作為第四代車用光源，LED 有很多優(yōu)于其他傳統(tǒng)光源的特點(diǎn)。為此分析了車用LED 照明的可行性和先進(jìn)性，介紹了其典型的驅(qū)動(dòng)電路，并著重研究了LED 以及AFS 在汽車前照燈上應(yīng)用現(xiàn)狀。介紹了車用LED 照明面臨的問題及應(yīng)對(duì)措施，并對(duì)其未來發(fā)展進(jìn)行了展望。

　　1 車用LED 照明的可行性和先進(jìn)性

　　在汽車上使用照明光源大約開始于20 世紀(jì)初。最先使用的是煤油燈和乙炔燈，1910 年開始使用電光源，先后經(jīng)歷了白熾燈、鹵鎢燈及高強(qiáng)度放電式氣體燈HID(Intensity Discharge Lamp)， 自1985 年開始進(jìn)入了LED車用燈時(shí)代。同時(shí)LED 燈應(yīng)用于自適應(yīng)前照系統(tǒng)AFS(Adaptive Front Lighting System)的技術(shù)隨之出現(xiàn)。

　　目前，LED 已被眾多汽車廠商加以利用制造出各種車燈款式。寶馬、福特、本田、豐田、奔馳、奧迪等著名品牌車為了提高各自的總體競(jìng)爭(zhēng)力， 紛紛推出配有各式各樣LED 車燈的新款轎車以吸引顧客。LED 具有很多其他光源所不具備的優(yōu)點(diǎn)：(1) 壽命長(zhǎng)、抗震性好。LED 的使用壽命理論上可達(dá)5 萬小時(shí)， 實(shí)際壽命也可達(dá)2 萬小時(shí)( 普通的鹵素?zé)襞輧H為150 ～500 小時(shí)左右) ， 一般都要超過汽車本身的壽命。另外，LED 的基本結(jié)構(gòu)中沒有易損可動(dòng)部件， 故抗震性能非常好。(2) 節(jié)能環(huán)保。LED在低電壓小電流的條件下就能夠獲得足夠亮度， 其耗電量?jī)H為相同亮度白熾燈的10%～20%;LED 光源中不含危害人體健康的汞， 生產(chǎn)過程和廢棄物不會(huì)造成環(huán)境污染。(3) 響應(yīng)速度快。與白熾燈相比，LED 燈的響應(yīng)時(shí)間已經(jīng)達(dá)到了幾十納秒， 這樣， 當(dāng)采用LED 作為汽車尾燈時(shí)， 可以使后續(xù)汽車司機(jī)更早反應(yīng)， 以減少交通事故的發(fā)生。(4) 體積小。小巧的LED 可使汽車風(fēng)格的設(shè)計(jì)更加自由、多樣化， 從而使車型更加時(shí)尚; 與傳統(tǒng)光源相比，LED 信號(hào)燈系統(tǒng)的安裝深度可以減少80 mm， 這一點(diǎn)對(duì)于汽車造型和內(nèi)部零件布置具有重要意義。

　　目前汽車產(chǎn)業(yè)在全球經(jīng)濟(jì)中仍然是支柱產(chǎn)業(yè)， 并處在飛速發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期， 其必定會(huì)帶動(dòng)車用燈具的發(fā)展， 為L(zhǎng)ED 在汽車上的應(yīng)用提供廣闊的市場(chǎng)空間。

　　2 車用LED 照明的驅(qū)動(dòng)電路

　　LED 屬于電流控制型半導(dǎo)體器件， 圖1 是LED 的伏安特性曲線。由圖1 可知， 此曲線比較陡， 在正向?qū)ㄖ癓ED 幾乎無電流流過; 當(dāng)正向電壓超過開啟電壓時(shí)，電流就急劇上升， 發(fā)光亮度L 與正向電流IF近似成正比：L=KIF， 其中K 為比例系數(shù)， 故可以通過控制LED 的IF來控制其發(fā)光亮度。因此， 為了保證其亮度的一致性， 通常采用恒流源驅(qū)動(dòng)電路。

　　汽車電池工作電壓范圍為9 V～16 V， 通常情況下為12 V ， 但是當(dāng)汽車?yán)鋯?dòng)時(shí)蓄電池的電壓可跌落到4 V， 而當(dāng)蓄電池缺損由發(fā)電機(jī)直接供電時(shí)， 此電壓可達(dá)到36 V 的高壓。因此， 對(duì)于車用LED 燈具而言， 要可靠地恒流驅(qū)動(dòng)LED 串， 驅(qū)動(dòng)控制器必須具備精確的電壓和電流調(diào)節(jié)、保護(hù)電路和調(diào)光功能。因此， 設(shè)計(jì)一種穩(wěn)壓性能良好而又恒流輸出的驅(qū)動(dòng)電路十分必要。

　　目前車用LED 驅(qū)動(dòng)器一般采用兩種方法控制正向電流。(1) 采用LED 的V-I 曲線確定產(chǎn)生預(yù)期正向電流所需要向LED 施加的電壓。其缺點(diǎn)為：LED 正向電壓的任何變化都會(huì)導(dǎo)致LED 電流的變化， 其中的鎮(zhèn)流電阻的壓降和功耗會(huì)浪費(fèi)功率和降低電池使用壽命。(2) 利用恒流源來驅(qū)動(dòng)LED。因?yàn)榇朔椒ㄐ枰獙ED 并聯(lián)在電路中， 而驅(qū)動(dòng)并聯(lián)LED 需要在每個(gè)LED 串中放置一個(gè)鎮(zhèn)流電阻， 這會(huì)導(dǎo)致效率降低和電流失配。因此， 這兩種方法都不能充分體現(xiàn)LED 應(yīng)有的優(yōu)越性。為了克服現(xiàn)有車用LED 驅(qū)動(dòng)器的缺點(diǎn)， 出現(xiàn)了車用LED 陣列的高效智能驅(qū)動(dòng)方法。該方法采用了半橋式DC-DC 變換技術(shù)、全波整流技術(shù)、光電耦合技術(shù)等， 確保了整個(gè)驅(qū)動(dòng)電路的工作效率; 提出了基于嵌入式系統(tǒng)的智能控制方案， 此方案采用智能PWM 穩(wěn)流控制和調(diào)光控制， 具有負(fù)載開路/短路保護(hù)和過流過壓保護(hù)功能。圖2 為L(zhǎng)ED陣列智能驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)電路。

　　如圖2 所示，CPU 輸出兩路完全倒相對(duì)稱的PWM信號(hào)A、B， 分別作用在開關(guān)器件上， 使其輪流導(dǎo)通; 通過高頻變壓器T 將能量耦合到次級(jí)， 再經(jīng)快恢復(fù)二極管D1、D2 進(jìn)行全波整流， 以實(shí)現(xiàn)對(duì)LED 陣列的驅(qū)動(dòng)。LED陣列驅(qū)動(dòng)回路的光電耦合器， 完成對(duì)LED 陣列驅(qū)動(dòng)電流的監(jiān)測(cè)， 并反饋到CPU， 形成一種智能電流負(fù)反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)， 以確保驅(qū)動(dòng)電流的穩(wěn)定的可靠性。

　　車用LED 驅(qū)動(dòng)電路的集成化和智能化程度越來越高。類似PMU( 電源管理單元)的芯片及封裝的小型化將逐漸取代多個(gè)單一功能電路進(jìn)行組合的方法， 以適應(yīng)板級(jí)空間非常有限的車載應(yīng)用。同時(shí)， 由于單片機(jī)、DSP 等控制芯片以及嵌入式技術(shù)的不斷發(fā)展， 可通過軟件技術(shù)實(shí)現(xiàn)車用照明系統(tǒng)的自動(dòng)化， 這樣LED 的恒流驅(qū)動(dòng)精度以及亮度的自動(dòng)調(diào)節(jié)會(huì)更加準(zhǔn)確。智能化控制已經(jīng)成為新一代車用LED 驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)理念。

　　3 汽車LED 前照燈

　　由于汽車前照燈在行車安全中具有重要的作用， 因此LED 前照燈是最難也是最后投入使用的。以前，LED前照燈只應(yīng)用在概念車上， 隨著LED 照明技術(shù)以及汽車產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，LED 前照燈的應(yīng)用范圍已從概念車、豪華車向中檔車甚至一般車型過渡， 并且照明發(fā)光強(qiáng)度已達(dá)到白熾燈的水平。

　　汽車前照燈包括遠(yuǎn)光燈和近光燈。在夜間行駛時(shí)，遠(yuǎn)光燈應(yīng)保證照亮車前100 m、高2 m 處范圍內(nèi)的物體， 且亮度均勻; 近光燈不但要保證車前40 m 司機(jī)能看清障礙物， 而且不能讓迎面而來的駕駛員或行人產(chǎn)生眩光， 以確保汽車在夜間交會(huì)車行駛時(shí)的安全。

　　傳統(tǒng)汽車前照燈輸出近光和遠(yuǎn)光兩種功能的光束，且每種光束分布模式均呈靜態(tài)分布， 具體的光照分布也都符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。但在實(shí)際應(yīng)用中， 此系統(tǒng)射出的光束分布于有限的角度范圍， 在一些較為復(fù)雜的路況下( 如轉(zhuǎn)彎) 極易產(chǎn)生視覺盲區(qū)。另外， 傳統(tǒng)汽車前照明系統(tǒng)不具備自動(dòng)調(diào)整光束分布的功能， 近光光束和遠(yuǎn)光光束之間的變換需駕駛員手動(dòng)操作實(shí)現(xiàn)， 這樣在來往車輛頻繁的行車環(huán)境下， 車輛之間容易產(chǎn)生眩目光。為了克服傳統(tǒng)汽車前照燈的上述缺點(diǎn)， 自適應(yīng)前照系統(tǒng)AFS 應(yīng)運(yùn)而生。

　　AFS 是一種能使駕駛員更好地適應(yīng)各種速度、道路類型和天氣條件的變化， 提高駕駛安全性的前照燈系統(tǒng)。其工作原理如下： 當(dāng)汽車進(jìn)入特殊的道路狀況(如彎道) 時(shí)， 由于方向盤和速度發(fā)生變化， 角度傳感器和速度傳感器傳輸?shù)诫娍貑卧?ECU) 的信號(hào)就相應(yīng)發(fā)生了變化。ECU 捕捉到這些信號(hào)變化， 同時(shí)判斷車輛進(jìn)入了哪種彎道， 并發(fā)出相應(yīng)的指令給前照燈的控制單元， 控制單元根據(jù)收到的指令操控裝在AFS 燈體內(nèi)部的微電機(jī)帶動(dòng)發(fā)光三要素繞相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)， 從而在非常規(guī)路面及天氣下行駛時(shí)， 改變照明方式， 提供更好的安全保障。

　　隨著白光LED 技術(shù)的發(fā)展及空氣動(dòng)力學(xué)和汽車造型的需求， 汽車前部位置越來越低且呈流線型， 為前照燈預(yù)留的空間越來越小。為了滿足汽車照明智能化和人性化的需求，AFS 與LED 燈的結(jié)合已經(jīng)成為現(xiàn)代汽車前照燈的發(fā)展趨勢(shì)。

　　4 車用LED 照明面臨的問題及應(yīng)對(duì)措施

　　車用LED 照明技術(shù)作為一項(xiàng)具有突破性意義的新技術(shù)， 已經(jīng)被大多數(shù)的汽車制造商以及消費(fèi)者所接受，越來越多的高檔汽車都配備了LED 燈。但由于汽車應(yīng)用環(huán)境的特殊要求， 要真正實(shí)現(xiàn)車用LED 代替?zhèn)鹘y(tǒng)光源， 還有很多技術(shù)難題需要解決。

　　(1) 成本問題

　　全球范圍內(nèi)， 車用LED 生