汽车灯具的发展趋势

凌 铭 张建文 黄中荣

(1.上海汽车灯具研究所，上海 201805;2.国家机动车产品质量监督检验中心，上海 201805)

1 引言

近十年来，汽车工业的飞速发展，对汽车照明提出了越来越高的要求，特别是随着新光源的应用、新技术的使用及光学设计水平的提高，促使汽车灯具有了快速的发展。伴随着汽车灯具的发展，汽车灯具的新产品、新技术不断涌现，车灯设计日新月异，标准与法规不断更新，新车灯的标准与法规不断出现，总体上，汽车灯具技术呈加速发展态势。

从全封闭前照灯发展到光纤导光系统，从卤素灯泡到LED光源模块，从标准外形到个性化的造型，汽车照明发生了巨大的变化。1985年开始的全封闭前照灯技术，1990年的自由曲面投影型前照灯(DE灯)，1995年的近光气体放电灯 (HID灯)，2000年的远/近光双气体放电灯，2005年AFS(自适应汽车照明系统)，2011年全LED灯，由这几个标志性产品的出现不难看出，前照灯的发展水平代表着汽车灯具的发展水平［1］。以德国海拉车灯有限公司、德国Darmstadt University为代表的企业和大学，不断运用新技术和新材料，进行新设计，研制出了一系列先进的、新型的车灯，使汽车灯具的技术水平一直保持着与光源及电子技术发展水平相匹配，在世界保持领先地位［2］。国内车灯企业，目前还没有强有力的自主品牌，开发能力较为薄弱，行业自主创新能力差，核心技术水平 (如电子、设计、工艺)与世界先进水平仍有较大差距［3］。

汽车灯具设计及制造涉及到光学、电子、电器及材料等多种技术，是多种技术的集成，最先进的汽车灯具体现着光源、电子技术、光学设计及标准法规的最高发展水平。本文阐述了汽车灯具的产品和标准的发展趋势，并对新技术的应用进行论述，探讨其应用的可行性。

2 发展趋势

汽车灯具的发展主要表现在产品、标准及技术三个方面。

2.1 产品发展趋势

目前，汽车灯具产品市场上白炽灯、卤素灯、高压气体放电灯 (HID)、发光二极管 (LED)车灯并存，但应用侧重点各不相同。节能环保的“绿色车辆”，主要是低能耗、空间紧凑的电动汽车或混合动力汽车，用一个LED模组在近光灯和远光灯之间切换，达到低能耗的效果，此类车在照明技术的发展上主要以LED的应用为主，2018年后LED光源的应用将成为“绿色车辆”的主流。低成本车辆，主要包括微型车、商用车，则更注重成本的优势，在汽车照明技术方面目前还是沿用之前的卤素和白炽灯照明技术，依旧沿用卤素灯泡和白炽灯泡为主的灯具，2018年后也将以卤素灯为主。A级车和B级车根据市场选择卤素灯、自适应车灯系统(AFS)和发光二极管 (LED)信号灯结合使用。C级车 (如，奥迪A3、宝马1系、308等)和D级车(如奥迪A4、帕萨特、407/408等)目前以高压气体放电灯HID(35W) AFS为主，到2020年以后将以HID(25W) AFS为主，但在大多数车型上同时使用卤素灯和HID(25W) AFS，其中高级别的车型将从HID/AFS逐步过渡到 LED AFS，2018年后，将呈现卤素灯和35VW 25WHID各占一半市场的局面，随后卤素灯的市场份额将逐渐减少，而由25W氙气灯和LED前照灯取代。对E级车 (奥迪A6、宝马5、奔驰S、宝马7系)，AFS全面使用，氙气灯前照灯和LED前照灯之间展开激烈的竞争，随着LED技术将于2015～2016年有所突破，2018年后，LED市场份额在这一级别中将激增，形成以LED前照灯为主，HID为辅的格局，而鲜有卤素灯［1，3］。

LED技术是最先进的汽车照明，高亮度白色LED将在未来几年内达到100lm W的输出，具有极大的竞争力。从A级车到E级车，一个共同的趋势就是LED的使用和市场份额都在增加，这是因为LED具有无延迟、环保、节能、长寿、低热、抗震、色纯度高等优点，已成为钨丝灯、卤素灯的必然取代产品，但从汽车照明光源的发展来看，LED的发展远未达到快速发展的水平。

图1 LED车灯在LED应用产品的市场占有率Fig.1 LED automotive light market share in LED application product

图2 LED车灯在车灯领域占有率Fig.2 LED automotive light market share in automotive light

由图1可见，LED车灯仅占LED应用的10%，这主要是因为汽车灯具对LED元件的参数性能要求很高:(1)要具备高效、大功率和高可靠性 (－40℃～125℃);(2)对电学、光学参数的稳定性以及一致性的要求高，如:同一批元件的阈值其电压不一致性必须小于0.1V，单色性要好，色差也须在小于5纳米的范围内;(3)LED元件在13.6V经2000小时(直流下工作)点亮试验后，其发光强度的衰减度要小于20%。这些要求限值了LED在车灯上的应用。

2004年业界曾预测，LED车灯会很快井喷入市，而把HID淘汰出局，但目前的态势并非如此。从图2可以看出，2010年LED车灯仅占车灯市场的12%，其余大部都为卤素灯所占用。这是因为就算是LED的成本能够按照摩尔定律的预见速率持续下降，它要低到能与HID匹敌的同等价位也尚需多年;而LED家族的成本若要降到能与卤素灯不相上下，则至少需10年左右。虽然一直期望LED技术能发展得比现实要快一点，但目前仍然有技术性难题需要攻克，特别是散热及光衰两大关键问题仍未有突破。就单个光源而言，LED的光照强度仍显不足，多颗LED构成的模组增大了空间，不利于设计。

尽管业界预测2015～2016年LED的技术会有突破，但除去成本压力和技术关键外，掌握关键技术及专利的大公司对LED车灯研而不推，尽力使其在卤素灯泡和HID上的利润最大化，这也是LED推广的受阻的因素之一。

2.2 标准发展趋势

近几年，随着新技术的应用，新车灯的使用，汽车灯具的法规修订越来越频繁，新车灯的新法规颁布越来越快，检测方法越来越先进，ECE法规的修订及制定呈如下发展态势［4，5］。

安装规定 (ECE R48)主要向以下三个方向发展:

1)汽车灯具的安全要求

如前照灯、前雾灯、AFS调整装置的规定，后雾灯安装高度的增加，反光标识安装位置及转向灯、位置灯的几何可见度的安装要求，这些修订大大提高了行车安全性。

2)新功能的增加

自适应远光ADB安装及探测距离的规定、前位灯后位灯昼行灯 (DRL)操控面板指示器的安装规定是新功能的使用，这些新功能提高了行车的舒适性、便捷性和可操作性;

3)车新用途的车灯使用方面发展乘用车踏步灯和慢行灯 (见图3)，摩托车角灯的使用，增添了车灯的新品种，拓宽了车灯新用途。

图3 慢行灯安装位置及照射区Fig.3 Installation position and illumination area of slow lights

其他法规主要向以下四个方向发展:

1)法规的完善。

ECE R113法规公式I'M=IM/3=0.280EM及ECE R119法规左灯应将比较点HV点的编辑错误改正，ECE R87法规昼间行驶灯光源失效的规定，ECE R6法规关于闪烁点亮的发光频率和最高亮度时间要求，ECE R7法规两灯或更多灯组合的最大发光强度要求，这些规定要求主要是对现行法规的完善及修订。

2)环保节能要求

ECE R37法规对 C21W、P19W、PC16W、PCR16W、PCY16W、PR19W、PR24W、PSR19W、PSR24W、PY19W、R2和S1类的的灯丝灯泡设置了过渡期，ECE R37法规中增加了D5S和D6S两种类型的气体放电光源，其额定功率为25W光通量为2000lm，ECE R112及其它各种信号灯法规中 (R4 R6 R7 R23 R38 R50 R77 R87 R91 R119)LED可更换模组的规定配合了欧盟和中国的环保节能要求，即淘汰高能耗光源大力提倡使用环保节能的固态光源。

3)新技术应用

ECE R37法规H9和H9B为可变换电压的灯丝灯泡的规定，ECE R123法规自适应前照灯系统的规定，将一些成熟、安全的技术应用到法规中。

4)检测方法的更新

ECE R 113号法规的配光性能方面进行升级，与现行的98、112和123号法规的配光性能进行统一，其技术内容包括配光屏幕为球型的要求 (见图4)，所有配光性能描述单位统一采用cd等，统一了测试方法;ECE R104反光标识照射角中增加为“5°、20°、30°、40°、60°;ECE R 69、70、104 号法规耐清洗试验中的水流速率的修改。

图4 车灯极坐标球型配光幕Fig.4 Spherical polar coordinates light distribution of automotive lights

标准及法规的发展，依赖于车灯技术的发展，并紧随汽车灯具的发展，体现着车灯技术的实际发展水平。目前看，汽车灯具的标准法规还滞后于汽车灯具的实际发展水平，新技术车灯的标准法规制定周期还较长，这主要是由于汽车灯具标准法规强制性的特点所致。

2.3 技术发展趋势

汽车灯具的技术一直随着光源技术、光学设计技术、电子电器技术、材料技术的发展而发展，其核心技术部分为光学系统。传统的车灯光源使用灯丝灯泡及卤素灯泡，光学系统由反射镜、灯泡、配光镜组成，注重反射镜、配光镜的材料及制造技术。

目前的车灯技术，以HID及LED光源使用为重点，进行电子、电动及电控技术的集成，用光学分析软件进行光导管、自由曲面及菲涅尔透镜设计，在使用LED的基础上，向特殊发光形状、个性化和艺术化的方向发展，强调光学系统的设计，重点研究方向是全LED灯及LED车灯与AFS的组合。

图5为龙鼎科鲁兹V2款总成，是一款光学设计及LED应用的典型代表，其采用双光透镜，近光采用经典的天使眼设计，PMMA亚克力制造的仿奥迪A8L眼泪条光导管，转向灯信号灯用LED阵列，全灯在满足夜晚行车安全基础上，极力展现个性。

图5 龙鼎科鲁兹V2款前照灯总成Fig.5 Headlamp assembly of Long Ding Cruzevz

图6 为奥迪A8全LED前照灯总成，D级车首次安装，代表着世界汽车灯具的最高水平，这得益于光学系统的设计及高亮度的LED发展水平，其研制公司德国海拉公司在该领域处于无可争辩的领先地位。该灯近光由10个LED投射式灯体组成，非常醒目，高速公路上的前照灯照明是通过近光灯辅助反光器来实现远光照明;昼间行驶灯、转向灯、前位灯集成一体，集成、紧凑;首次用LED实现自适应功能，装有雨量及阳光传感器，加上导航信息系统，探测到旅行模式、乡村模式、城市模式等，在雨雾或雨雪等恶劣天气时，奥迪A8全LED前照灯可以通过LED灯体灯光调节发出更加宽广的照明灯光，在一个集成的前端摄像头帮助下，前方行驶的车辆会轻易被检测到，再经由海拉开发控制模块精确计算，从而使得照明电子系统能够准确地调整照明灯光，以适应不同的驾驶状况［6，7］。

图6 奥迪A8全LED前照灯总成Fig.6 LED headlamp assembly of Audi A8

在车灯技术发展的同时，光学设计软件也在不断发展，光学设计软件与车灯的发展是相辅相成的。传统的光学设计软件，是用UG、CATIA等大型三维CAD软件针对光学系统的二次开发软件包，用光源成像及照度模拟来进行设计。新型的光学设计软件是用Reflector(CAD)、ASAP、LucidStudio、海拉之光等软件，其比传统的大型三维软件中的二次开发更加强大，速度更快、精度更高，可建立光源、反射单元、折射单元、配光屏幕，设定材质属性，跟踪光路走向，模拟配光效果，并且有与三维软件的接口［8］。没有先进的光学设计软件，就不会有现代汽车灯具的发展。

在现有车灯成熟技术的基础上，未来的车灯技术，将向电致发光学、激光光学新光源的使用，衍射光学、光纤光学及电子控制新技术的应用方向发展，代表性的技术主要表现在以下几个方面:

(1)主动红外夜视辅助驾驶系统、抬头显示系统

夜间由于光照不足、视野小，尤其是会车时的远光灯会使驾驶员产生眩目，形成盲区，缩小了驾驶员的可视距离，影响了夜间的行车安全。采用红外夜视系统，使驾驶员在低可见度或黑暗中清楚观察到车辆前方的信息，也可以看见汽车前照灯照射不到的区域、强光阴影中的行人、车辆，并对可能出现的危险情况发出报警 (图7)。夜视系统开启后，红外线热感雷达可识别一切可发热的物体，特别是可弥补车灯看不见行人的情况，显著提高行车安全［9］。

图7 奥迪A8L的红外夜视系统［6］Fig.7 Infrared night vision system of Audi A8L

抬头显示仪可以把仪表板上重要的信息映射在风窗玻璃上，行驶时驾驶员可不必低头看仪表板，就能看清所需的信息。这种显示系统，原是应用在军用战斗机上，以保证飞行员不必低头就能在风窗上看到所需的重要信息，后应用到民用，目前，一些高级汽车上已安装此系统 (图8)。

图8 抬头显示仪Fig.8 Display

(2)智能尾灯

对应着AFS自适应前照灯，在一个比较大的范围内调整后位灯、制动灯和转向灯的发光强度。例如:在晴朗的夜晚亮度降低，在白天有雾的情况下亮度增加，根据车速、路况等自动调节尾灯亮度［图9(b)］，在必要的情况下，左右转向灯的亮度还能分别自动调整 ［图9(a)］。智能尾灯是唯一的可以减小尾碰可能性的系统，使用该系统可减少驾驶者的失误，提高安全性［10］。

图9 智能尾灯［10］Fig.9 Smart tail lights

通过软件控制LED阵列可以在一个尾灯上实现后位灯、制动灯、示廓灯、倒车灯的功能，所有的后尾灯造型被集成在一个区域，这样，可大大节省车灯的使用空间，节省成本 ［图9(c)］。

(3)衍射光学车灯

将激光通过光纤，经反射器件照射到衍射器件上，形成所需要的光性，这种设计，是将光照射到一个平面衍射器件上，这大大缩小了体积，且光强减小较小，可用一个中央光源，经光纤分束后，为多个灯提供光源，减少光源的使用数量 (图10)。缺点是，衍射效应必须使用激光，其应用前景依赖于激光的发展，机构复杂，制造精密。

图10 衍射光学车灯Fig.10 Diffraction optical automotive light

(4)低电子光束车灯

AFS中实现弯道照明、仰俯调节需电机控制光源转动，这不仅带来了电缆布置及模块振动，还增加了电磁兼容 (EMC)问题。低电子光束车灯根据转弯、仰俯的角度调整LED光强，由少量LED分布在不同区域构成一个动态的弯曲、仰俯光线，汽车转到某个角度的同时使灯具发光。这种技术的关键在于为实现减低亮度光形如何被划分为许多个小区域，每0.1度的转角对应LED亮度的变化对光学工程师来说都是一个挑战［9］。该技术可减少电缆及电机的使用，节省空间，降低振动和传导及辐射骚扰。

(5)OLED的应用

OLED是“有机发光二极管” (Organic Light Emitting Diode)的缩写，与目前使用的由半导体晶体组成的LED不同，OLED是由有机材料制成的类似于LED，OLED是一种固态半导体设备，OLED是一种由有机分子薄片组成的固态设备，施加电力之后就能发光。OLED能让电子设备产生更明亮、更清晰的图像，其耗电量小于传统的发光二极管(LED)。OLED单元在发光后能形成三维效果，形成动态、波动的画面，更加炫目和个性 (图11a)。德国巴斯夫公司与飞利浦公司合作研制的一种OLED在电源关闭状态下透明、加电时呈现各种图像或不透明的，利用该新型技术可以为驾驶者在车内提供全空间无阴影的柔和照明 (图11b)。

但OLED平面只能微微弯曲，因此其在车身表面的应用受到一定限制，另一方面，OLED材料只能承受80摄氏度的温度，因此其使用寿命、机械应用和耐高温性还不能很好地满足汽车需求，有待其继续发展。

图11 OLED车灯Fig.11 OLED automotive light

3 第五代车灯光源

汽车光源从第一代光源白炽灯泡开始，经第二代光源卤素灯泡，再到HID第三代光源，目前，对第四代光源LED的发展趋势和定位，业界已无争议，其替代传统光源仅仅是时间和成本的问题。那么，后LED时代的光源会是哪一种光源，业界认为激光可能会成为后LED时代的第五代汽车车灯光源［10］?

激光车灯将会是继LED灯之后，汽车照明界的又一次大变革。这是因为:(1)激光是一种相干光源，与普通光源发光的原理不同，激光只有一种波长而不是普通光源那样制造涵盖所有波长的彩色光波，是单色光源，这样的特性使得激光照明照度更强，亮度更高。(2)激光相位差不变，因此光束发散度极小，光源光型能够更精确、迅速地控制，更好地符合法规要求。(3)由于产生激光的激光二极管体积非常微小，非常省电，目前LED解决单体发光微弱的弊端所采用的大规模阵列式布局，在激光照明时代将变成历史，光照功率输出的刚性需求将不再是阻碍大灯造型设计的理由，造型设计师们能够设计更加前卫、多自由度的前照灯。(4)激光车灯的光线并不是直接射出的，而是经过光学系统变换后才应用到汽车车灯上的，以保证不会对人、动物以及野生生物造成伤害，满足法规的要求。

图12是宝马公司i8概念车上的激光前照灯，这是宝马公司为抗衡奥迪公司在LED的领先水平而研制的，其亮度是LED的1000倍，且体积比LED要小100倍，可提供两倍于LED车灯发光的效率和1 万小时的寿命［11］。

图12 宝马i8概念车上的激光前照灯［11］Fig.12 Laser headlamp of BMW i8

图13的激光雾灯可在30米处的地面上照射一条横线，以保证后车在雾天及时发现前车并采取安全措施，其功能和效果远高于普通雾灯。

图13 激光后雾灯形成的红色伞面及警戒线Fig.13 Red umbrella surface and a cordon formed by laser fog light

4 结论

未来汽车灯具发展的依托和动力是技术的进步，技术进步最关键的是要有技术创新，对汽车灯具而言，最关键的技术创新就是光源的创新，可以说汽车灯具的发展史就是一部光源的发展史，光源的革新引导着前照灯的变革。2020年以前，车灯的发展将以LED光源为基础，以新型电子技术、新型光学设计为支撑，向安全、环保、节能、智能化、个性化发展，2020年以后，随着激光及OLED在汽车灯具的广泛应用，汽车灯具将会发生革命性的变革，一个新的汽车灯具时代将会到来。

［1］李玉玲.汽车照明的未来:HID还是LED?［J］.技术与市场，2010，29:42～44.

［2］黄佐贤.现代汽车灯具［M］.北京:长虹公司出版社，2003:78～84.

［3］汽车灯具行业“十二五”专项发展规划［R］.中国汽车工业协会车用灯具委员会，2011.

［4］ECE R48.Uniform provisions concerning the approval of vehicles with regard to the installation of lighting and lightsignalling devices［S］.2010.

［5］ECE R112.Uniform provisions concerning the approval of motor vehicle headlamps emitting an asymmetrical passing beam or a driving beam or both and equipped with filament lamps and or light-emitting diode(LED) modules［S］.2010.

［6］王栋梁.奥迪新A8L W12下月登陆［N］.网上车市，2011－07－11.

［7］全LED前照灯汽车照明技术发展中的创举 ［J］.汽车与配件，2010，42:45.

［8］陈宇.汽车灯具光学设计及其发展趋势 ［J］.企业科技与发展，2009，14:56～57.

［9］林燕丹.基于主动红外夜视技术的夜间辅助驾驶系统［J］.中国照明电器，2011，12:23～25.

［10］Stephan Berlitz.What technology is after LED ［J］.Automobile Parts，2011，6:33 ～35.

［11］陈乌兰.德国宝马表示正致力高亮度激光车灯研发［N］.网上车市，2011－09－05.