CN107218557A - 一种基于微元能量映射的汽车led自适应前照灯节能照明系统 - Google Patents

Abstract

描述了一种基于微元能量映射的汽车LED自适应前照灯节能照明系统，主要用于适应不同路况的汽车前照灯节能照明。该系统包含四种照明模块，即截止线光型模块、加宽光型模块、强光光型模块以及标志牌光型模块，这四种模块通过一定的LED功率分配能够叠加实现ECE123法规要求的C级光型、V级光型、E级光型和W级光型。该系统的光能利用率平均值达到了62%。

Description

一种基于微元能量映射的汽车 LED 自适应前照灯节能照明系统

技术领域

本发明涉及汽车照明领域，尤其涉及一种基于微元能量映射的汽车LED自适应前照灯节能照明系统设计。

背景技术

随着汽车朝着高速、舒适、节能和环保等方向发展，人们对汽车照明的安全与节能性能提出了越来越高的要求。即良好的前照灯应该能够给汽车行驶提供安全的照明，不会给行人及对面来车造成炫目，同时照明系统也应具有较好的节能性。

然而，由于传统汽车前照灯具有跟随车身变化的单一性、近光与远光照明模式、近光与远光光型的局限性，使其在大多数情况下，难以满足驾驶员对汽车照明的需求。例如，汽车在城市道路上行驶时，由于车流和人流密度比较大，车速不会太快，因此汽车前照灯照明光束不能过强；汽车在乡村道路上行驶时，因为乡村道路岔路口较多且道路照明光线较暗，因此要求汽车前照灯照明光束照射的足够宽；汽车在高速公路上行驶时，车速较快，为了给司机在紧急制动时留够反应时间，要求车速越高，前照灯远光型光束应照射得越远；汽车在雨天路面行驶时，由于地面的积水会反射前照灯近光和远光型光束照射在地面上的光线，容易造成司机眩目，因此需要汽车前照灯近车照明光束不能太强；当在弯道上行驶时，因为汽车前照灯照射光束的方向与汽车行驶方向一致而产生的照明暗区，极易使驾驶员难以及时发现弯道上的障碍物而引发交通事故，因此前照灯应具有随动功能，消除照明暗区。据统计，汽车在晚上和自然光线不足的情况下行驶里程占其整个行驶里程的 25%，然而，在这种行驶环境下所发生的交通事故占到整个交通事故总数的 33%，死亡事故占总死亡事故的 50%，其中 60%与汽车灯具照明不良有关。为了解决这些问题，给驾驶员提供更安全更适合的照明范围、照明强度，汽车自适应前照灯（简称 AFS）照明技术应运而生，它能根据环境的改变而自动调整汽车前照灯的配光光型。

在汽车前照灯光源方面，传统的汽车前照灯采用白炽灯或卤素灯光源具有耗电量大、发光效率低和使用寿命短的特点，例如，白炽灯或卤素灯的使用寿命一般只有几百个小时且耗能大于50W，高强度气体放电灯（High Intensity Discharge Lamps, HID)的使用寿命也只有几千个小时且耗能大于 30W。因此，为了提高前照灯光源的使用性能，将具有耗电量少、发光效率高、使用寿命长、环保节能、体积小重量轻、可靠性高等优点的 LED 光源引进到汽车自适应前照灯，形成汽车 LED 自适应前照灯（简称 LEDAFS），运用它可以实现汽车 AFS 所要求的所有光型，同时使其系统更加节能和使用可靠。

根据汽车照明原理，汽车 LEDAFS 由能够适应各种路况的照明光学系统、随动控制系统以及散热系统所组成。但是，目前汽车 LEDAFS 仍存在照明光学系统光能利用率低、随动控制系统实时辨识性差和实时响应速度慢、控制精度与稳定性差的难题，为此，本发明提出基于微元能量映射的汽车 LED 自适应前照灯节能方法，这对促进汽车前照灯自适应照明技术的发展与应用，具有重要的学术价值和工程应用意义。

发明内容

本发明所解决的技术问题是针对背景技术中所涉及的照明光学系统光能利用率低的缺陷，根据微元能量映射的LED照明系统节能原理，利用各光型间共同点以及各自的异同，提供一种基于微元能量映射的汽车LED自适应前照灯节能照明系统。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种基于微元能量映射的汽车LED自适应前照灯节能照明系统，是利用各光型间共通点以及各自的异同确定了四种照明模块，并根据ECE123法规计算了四种照明模块的照度分布要求，以照明叠加的思想实现AFS各级光型。

一种基于微元能量映射的汽车LED自适应前照灯节能照明系统，包含四种照明模块，即截止线光型模块、加宽光型模块、强光光型模块以及标志牌光型模块，这四种照明模块通过一定的LED功率分配能够叠加实现ECE123法规要求的光型。

所述四种照明模组中，每个模组包含1个欧司朗LUW HWQP芯片、1个透镜以及1个驱动器，其中截止线光型的模组中还包含1个反射器。

截止线光型模块：所述截止线光型模块主要是用来实现ECE123规定的配光屏幕下方主要区域照明，且形成清晰的15°明暗截止线，该模块采用直接投射式照明系统，由LED光源、椭球反射器和透镜组成，以解决光能损耗的问题。

所述截止线光型模块透镜实体最大直径为60mm，最大厚度为27mm，透镜内表面与LED距离28mm，LED放置在透镜内表面的球心处，加入抛物反射器，形成直接投射式光学结构。

所述截止线光型模块透镜采用PC材料制作，该材料折射率为1.591，形变温度120℃左右；

所述截止线光型模块中LED选用欧司朗LUW HWQP芯片，其发光部分为中心1×1mm区域。

所述截止线光型模块的直接投射式LED近光灯结构采用透镜直接生成明暗截止线的方法，避免了挡板所造成的光能损耗，使模块的光能利用率提高到了70.1%，较现有的投射式LED近光灯系统光能利用率提高22.1%。

加宽光型模块：所述加宽光型模块是用来提供ECE123规定的明暗截止线下方较宽的补充照明，使明暗截止线下、D区以上的光照度增加，照度平均，照明区域呈较扁较宽的矩形，从而达到符合法规ECE123的较宽光型。

所述加宽光型模块中的透镜采用PC材料制作，折射率1.591，直径28mm，高度33mm，最大厚度12mm，LED放置在透镜内表面的旋转中心处，形成单透镜照明结构，透镜与LED向下偏转5°。

所述加宽光型模块中的LED采用欧司朗LUW HWQP芯片，发光部分为中心黄色1×1mm区域。

所述加宽光型模块所产生的光型光能利用率可达59.3%，较现有的平凸透镜式补光灯提高了21.3%，光型平均照度4lux，左右照射宽度可达10m左右，即可实现20°以内的照明效果，同时可使相应照明区域照度增强，并补充照度，达到光型加宽的目的。

强光光型模块：所述强光光型模块是用来实现高速公路与雨天时车辆的右前方较远距离的照明，没有明暗截止线要求，该光型较为集中，照明区域较小，同时照明区域内照度均匀，以免引起局部失能眩光。

所述强光光型模块主要由透镜和LED光源组成。

所述强光光型模块中的透镜由补光灯自由曲面与TIR内表面相结合最终形成强光光型透镜，该透镜采用PC材料制作，折射率1.591，直径28mm，高度33mm，最大厚度12mm，与LED（1颗欧司朗LUW HWQP）组成强光光型模块，透镜与LED向下偏转1°、向右偏转1°。

所述强光光型模块能够实现右前方较强的光强补充，同时光型的光强分布较为平均，光能利用率达到59.4%，光型平均照度为28lux，可使相应区域照度增强，达到加强右前方照明的目的。

标志牌光型模块：所述标志牌照明光型模块是根据ECE123法规对近光提出的新要求，用来实现ECE123规定的标志牌区域照明的，该光型模块同样主要由透镜和光源组成。

所述标志牌光型模块中的透镜设计与上述加宽光型模块的设计方法一致，同样采用补光灯自由曲面与TIR内表面相结合的方法最终形成标志牌照明光型透镜，该透镜采用PC材料制作，折射率1.591，直径28mm，高度33mm，最大厚度12mm，与LED（1颗欧司朗LUW HWQP）组成标志牌照明光型模块，透镜与LED向上偏转5°。

所述标志牌光型模块中光型的光强分布均匀，光能利用率可达59.45%，光型平均照度为5lux，可使相应照明区域照度达标，同时明暗截止线区域未受到该光型的影响，达到了标志牌照明的目的。

附图说明

附图1：直接投射式结构；

附图2：补光灯透镜的设计原理。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的说明：

本发明公开了一种基于微元能量映射的汽车LED自适应前照灯节能照明系统，包含四种照明模块：截止线光型模块、加宽光型模块、强光光型模块以及标志牌光型模块。

截止线光型采用直接投射式结构，如附图1所示，LED （1）发出的光线经过透镜（5）的内表面（3）、外表面（4）折射后形成设计预期的截止线光型，而LED （1）发出的大角度光线在抛物反射器（2）的汇聚作用下集中在近光轴Z的区域，再由透镜内表面（3）、外表面（4）折射至车辆前方。

截止线光型照明模块，将LED （1）视作无体积大小的点，则透镜（5）的内表面（3）为以LED （1）为球心的半球面，LED（1）发出的光线透过该面时不发生偏折，近光灯配光光型主要依靠外表面（4）生成。

加宽光型模块如附图2所示，内表面（7）为TIR，主要实现光能收集，同时将LED光源（6）（原点O）发出的光线折射为平行光；外表面（8）为自由曲面，主要实现平行光光能的重新分配。

为使透镜的光学特性不受LED（6）发热量的影响，透镜（9）的内表面（7）与原点O的距离d取值为12mm，因此，透镜（9）将只对δ角度以内的光能进行收集；

TIR内表面（7）为旋转曲面，其母线由三条曲线组成，分别为a线、b线和c线；

a线为准直曲线，由费马原理获得，作用是将点光源（6）发出的光线折射为平行光，其公式为：

ra（β）=roa（1-1/n）÷cos（β）-1/n

b线为拔模斜度直线，作用是在注塑成型时给模具提供一定的模具拔出角度 ，为拔模方便，λ通常取 3°；c 线为自由曲线，将拔模斜度直线的折射光线全反射为平行光；δ取值为 60°。

由于该内表面（7）可将所有LED光源（6）发出的光线转化为平行光，因此其具有较高的光能收集效率。得到平行光能量分布后，建立平行光能量与照明面面积的网格划分，并保证两者之间的对应关系，利用此关系进行自由曲面表面的坐标迭代求解自由曲面透镜表面所有离散坐标点，当所有透镜表面点都确定之后，利用曲面放样可形成光滑的自由曲面。

强光光型模块与标志牌光型模块同样采用图2所示结构实现，模块中，TIR内表面的设计与加宽光型中透镜内表面的设计方法相同，结合上述透镜的自由曲面设计方法，最终形成强光光型模块与标志牌光型模块。

依据上述四种照明模块设计的透镜，分别制作出截止线光型透镜、加宽光型透镜、强光光型透镜以及标识牌照明光型透镜；制作安装支架，将LED与透镜组成照明光学系统，每个模组由1个欧司朗LUW HWQP芯片、1个透镜以及1个驱动器构成，其中截止线光型的模组中还包含1个反射器。根据上述照明模块的划分，ECE123法规所需的多光型由各自模块中LED驱动电流的大小来改变照明模块的亮度，之后通过发明内容中表1所示的不同照明模块叠加规则，即可实现上述的四种光型。

C级光型实现：C级光型为基础光型，其各项照明要求相交V级光型高，其应用于中等行驶速度的一般照明。照明要求要形成±16°的宽光型，道路右前方需要有一定的可视距离。因此，该光型利用2个截止线光型、一个加宽光型与一个标志牌照明光型叠加实现。光源全部选用欧司朗LUW HWQP，截止线光型中LED通电700mA，实际光通量200lm；加宽光型中LED通电500mA，实际光通量160lm；标志牌照明光型中LED通电300mA，实际光通量110lm。依据该方案，将个光型模块组合安装，得到C级光型组合。

V级光型实现：V级光型主要适用于城市道路，该工况下，车辆行驶速度一般不会太快，而且由于环境光源充足，远距离照明要求不高，因此车辆照明多关注与近距离大范围的照明效果。为了满足上述要求，该光型利用1个截止线光型、一个加宽光型与一个标志牌照明光型叠加实现。光源全部选用欧司朗LUW HWQP，截止线光型LED通电700mA，实际光通量200lm；加宽光型中LED通电500mA，实际光通量160lm；标识牌照明光型中LED通电300mA，实际光通量110lm。根据该设计方案，将各光型模块组合安装，得到V级光型组合。

E级光型实现：E级近光主要使用于高速道路，由于车速较快，车辆需要的安全停车视距就较大，因此，车辆的远距离照明要求较高。

为了满足上述要求，该光型利用2个截止线光型、一个加宽光型、一个标志牌照明光型以及一个强光光型叠加实现。光源全部选用欧司朗LUW HWQP，截止线光型中LED通电700mA，实际光通量200lm；加宽光型中LED通电500mA，实际光通量160lm；标志牌照明光型中LED通电300mA，实际光通量110lm；强光光型中LED通电300mA，实际光通量可达到110lm。根据该设计方案，将个光型模块组合安装，得到E级光型组合。

W级光型实现：W级光型的车钱25-50m的路面照度有一定限制，这主要是为了防止潮湿路面对对面来车引起的反射炫光。而车辆右前方与正前方照明要求增加，光型整体要求较宽。

根据上述要求，该光型利用1个截止线光型、一个加宽光型、一个标志牌照明光型以及一个强光光型叠加实现。光源全部选用欧司朗LUW HWQP。截止线光型中LED通电700mA，实际光通量200lm；加宽光型中LED通电500A，实际光通量280lm；标志牌照明光型中LED通电300mA，实际光通量110lm；强光光型中LED通电300mA，实际光通量可达到110lm。根据该设计方案，将个光型模块组合安装，可得到W级光型组合。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的理论和原则之内，所做的较小改动、等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于微元能量映射的汽车LED自适应前照灯节能照明系统，其特征在于，包含四种照明模块，即截止线光型模块、加宽光型模块、强光光型模块以及标志牌光型模块；

所述截止线光型模块中的透镜实体最大直径为60mm，最大厚度为27mm，透镜（5）的内表面（3）与LED（1）距离28mm，LED（1）放置在透镜（5）的内表面（3）的球心处，加入抛物反射器（2），形成直接投射式光学结构；

所述的加宽光型模块中的透镜采用PC材料制作，折射率1.591，直径28mm，高度33mm，最大厚度12mm，所述的LED（6）放置在透镜（9）的内表面（7）的旋转中心处，形成单透镜照明结构，透镜（9）与LED（6）向下偏转5°；

所述强光光型模块中的透镜采用PC材料制作，折射率1.591，直径28mm，高度33mm，最大厚度12mm，与LED组成强光光型模块，透镜与LED向下偏转1°、向右偏转1°；

所述标志牌光型模块中的透镜采用PC材料制作，折射率1.591，直径28mm，高度33mm，最大厚度12mm，与LED组成标志牌照明光型模块，透镜与LED向上偏转5°。

2.一种基于微元能量映射的汽车LED自适应前照灯节能照明系统，其特征在于可通过权利要求1所述的四种照明模块结合一定的LED功率分配能够叠加实现ECE123法规要求的C级光型、V级光型、E级光型和W级光型；

所述的C级光型由2个截止线光型、一个加宽光型与一个标志牌照明光型叠加实现，其中截止线光型中LED通电700mA、加宽光型中LED通电500mA、标志牌照明光型中LED通电300mA；

所述的V级光型由1个截止线光型、一个加宽光型与一个标志牌照明光型叠加实现，其中截止线光型LED通电700mA、加宽光型中LED通电500mA、标识牌照明光型中LED通电300mA；

所述的E级光型由2个截止线光型、一个加宽光型、一个标志牌照明光型以及一个强光光型叠加实现，其中截止线光型中LED通电700mA、加宽光型中LED通电500mA、标志牌照明光型中LED通电300mA、强光光型中LED通电300mA；

所述的W级光型由1个截止线光型、一个加宽光型、一个标志牌照明光型以及一个强光光型叠加实现，其中，截止线光型中LED通电700mA、加宽光型中LED通电500A、标志牌照明光型中LED通电300mA、强光光型中LED通电300mA。