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        汽車照明控制器平臺(tái)化設(shè)計(jì)的研究

        2023-12-29 00:00:00陳恬
        時(shí)代汽車 2023年21期

        摘 要:本文基于汽車照明技術(shù)的最新發(fā)展,以汽車前照燈、尾燈以及外飾燈為重點(diǎn),在對(duì)功能需求進(jìn)行系統(tǒng)性分析的基礎(chǔ)上,研究了汽車照明控制器的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)方法,在系統(tǒng)設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上對(duì)平臺(tái)化方式進(jìn)行了探索和總結(jié),為汽車照明控制器提高設(shè)計(jì)效率和可靠性、減少設(shè)計(jì)費(fèi)用和時(shí)間,提供了分析方法和解決思路。所研方法適用于汽車的前照燈、尾燈、外飾燈以及內(nèi)飾燈等其它汽車照明系統(tǒng)。

        關(guān)鍵詞:汽車照明 控制器 平臺(tái)化

        1 引言

        汽車照明系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱:車燈)是汽車整車中不可或缺、非常重要的一個(gè)子系統(tǒng),關(guān)乎車輛正常行駛的安全性和便利性,是全球主要國(guó)家汽車法規(guī)或標(biāo)準(zhǔn)所強(qiáng)制要求的汽車零部件[1]。根據(jù)其安裝位置和用途,大致可分為前照燈、尾燈、外飾燈和內(nèi)飾燈。隨著LED作為一種低能耗、長(zhǎng)壽命的光源迅速替代傳統(tǒng)鹵素及惰性氣體高壓放電燈,成為汽車照明的主體光源[2][3],保障LED正常工作的電子控制器則成為汽車照明系統(tǒng)中一個(gè)關(guān)鍵的子系統(tǒng)和零部件。

        2 電子控制器平臺(tái)化開(kāi)發(fā)的優(yōu)勢(shì)[4][5]

        對(duì)于汽車電子控制器,其產(chǎn)生周期一般包含概念設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、試驗(yàn)驗(yàn)證和生產(chǎn)準(zhǔn)備等過(guò)程。設(shè)計(jì)階段,要針對(duì)功能需求,依據(jù)V模型進(jìn)行系統(tǒng)、軟件、硬件和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及驗(yàn)證,需要耗費(fèi)大量人力資源;而生產(chǎn)準(zhǔn)備階段,要根據(jù)相應(yīng)的軟件、硬件和結(jié)構(gòu),投資工裝夾具及在線燒錄/檢測(cè)設(shè)備。由于每款控制器的產(chǎn)生都意味著投資大、時(shí)間長(zhǎng)、風(fēng)險(xiǎn)高,國(guó)際和國(guó)內(nèi)的主要汽車生產(chǎn)企業(yè)都使用了平臺(tái)化的戰(zhàn)略,將一段時(shí)間內(nèi)研發(fā)的所有車型歸集于有限的幾個(gè)平臺(tái)(如大眾集團(tuán)的MQB平臺(tái)),對(duì)主要電子控制器進(jìn)行平臺(tái)化開(kāi)發(fā),可以在多個(gè)車型上進(jìn)行快速沿用,大大降低二次開(kāi)發(fā)的費(fèi)用和周期。該開(kāi)發(fā)思路也應(yīng)該適用于汽車照明控制器。

        3 汽車照明的特殊性

        但在汽車的各個(gè)分系統(tǒng)中,汽車照明是具有造型強(qiáng)烈相關(guān)度的一類。各個(gè)汽車廠家都將車燈作為自己品牌設(shè)計(jì)語(yǔ)言和辨識(shí)度的主要特征,導(dǎo)致各個(gè)汽車品牌之間汽車照明的造型和功能搭配都有較為明顯的區(qū)別。此外,同一品牌的不同車型之間,由于功能不同(如轎車/越野車)、定位不同(高中低端),汽車照明系統(tǒng)的外形及功能需求也會(huì)有較大差距[6]。這就為車燈控制器的平臺(tái)化開(kāi)發(fā)提出了挑戰(zhàn)。

        4 前照燈控制器

        因?yàn)槠嚽罢諢羲婕暗墓δ茏疃啵夹g(shù)及功能安全要求最高,本文就先以前照燈為例,探討控制器平臺(tái)化的設(shè)計(jì)思路及方案。

        4.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的差異

        汽車前照燈基本由近光燈、遠(yuǎn)光燈、位置燈、轉(zhuǎn)向燈、日間行車燈和前霧燈等功能構(gòu)成。前照燈在進(jìn)入到LED為主體光源的階段后,由傳統(tǒng)鹵素或HID點(diǎn)光源光學(xué)特征局限性所造成的造型約束邊界被迅速打破,重復(fù)利用LED多光源優(yōu)勢(shì)的風(fēng)格各異的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)被各大汽車企業(yè)所采用(圖1)。這造成車燈之間結(jié)構(gòu)差異很大,例如有的采用整體式而有的是分體式,而后者將部分功能從前照燈上剝離。有無(wú)前霧燈也是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一個(gè)常見(jiàn)歧點(diǎn)。

        4.2 實(shí)現(xiàn)技術(shù)的差異

        除了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的差異外,功能以及實(shí)現(xiàn)技術(shù)上也有多種選擇和組合(表1)。從中可以看出,前照燈的功能及其實(shí)現(xiàn)方式有多種選擇,而排列組合后的搭配數(shù)量更是數(shù)不勝數(shù)。

        4.3 光電設(shè)計(jì)的差異

        此外,由于千變?nèi)f化的造型對(duì)光學(xué)性能的影響,導(dǎo)致輸出同樣光強(qiáng)所需要的LED數(shù)量和功率也有區(qū)別。例如,反光碗光學(xué)結(jié)構(gòu)效率高,而光導(dǎo)效率相對(duì)較低。以圖2的前照燈為例,其日間行車燈如果以反光碗的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì),LED 數(shù)量多,但單顆LED電流小,整體功率較低;而使用光導(dǎo)設(shè)計(jì),則LED數(shù)量少,但單顆電流大,整體功率較大。

        綜上所述,前照燈的結(jié)構(gòu)布局、技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式以及光電需求都會(huì)因品牌而異、因車而異。那還能對(duì)車燈控制器進(jìn)行平臺(tái)化設(shè)計(jì)嗎?該如何進(jìn)行呢?答案是肯定的,但在平臺(tái)化設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮各個(gè)方面的影響。

        4.4 平臺(tái)化車燈控制器思路

        4.4.1 單一平臺(tái)車燈控制器思路

        這是指只設(shè)計(jì)出一個(gè)控制器,具有唯一的結(jié)構(gòu)和硬件設(shè)計(jì),只是在軟件特別是參數(shù)配置上有所區(qū)分。這種思路實(shí)現(xiàn)的難度是很大的。因?yàn)槠囌彰飨到y(tǒng)之間的功能及實(shí)現(xiàn)方法區(qū)別很大,很多區(qū)別無(wú)法由軟件來(lái)適配彌補(bǔ)。如LED的單通道控制和多通道矩陣式控制這兩種方式,在硬件設(shè)計(jì)上有較大差別。如果強(qiáng)行進(jìn)行兼容性設(shè)計(jì),必然迫使平臺(tái)化的控制器考慮所有的技術(shù)路線和方案,做成“大而全”,從而在尺寸重量、系統(tǒng)可靠性、價(jià)格上,不具備工程化可行性。

        4.4.2 多平臺(tái)車燈控制器思路。

        根據(jù)汽車市場(chǎng)不同車型的價(jià)格區(qū)間分布、前照燈功能選擇及實(shí)現(xiàn)技術(shù)發(fā)展情況,本文做了概括和分類,依據(jù)主要系統(tǒng)功能,提出了表2的平臺(tái)化車燈控制器設(shè)計(jì)思路及劃分方法。

        依據(jù)該劃分方式所定義的前照燈控制器平臺(tái),可以基本涵蓋目前市場(chǎng)上主流車型的前照燈控制器功能需求,以標(biāo)準(zhǔn)化的有限型號(hào)的控制器,適配不同型號(hào)汽車前照燈。

        4.5 擴(kuò)展思考

        汽車前照燈的造型設(shè)計(jì)是一個(gè)藝術(shù)審美與工程可行性結(jié)合的過(guò)程,也是一個(gè)兩者不斷碰撞和妥協(xié)的過(guò)程,就像概念車轉(zhuǎn)變?yōu)榱慨a(chǎn)車時(shí)情況一樣。在這個(gè)汽車照明系統(tǒng)由“造型設(shè)計(jì)——功能劃分——技術(shù)實(shí)施”的過(guò)程中,本文提出以下幾點(diǎn)參考意見(jiàn)。

        近光和遠(yuǎn)光:主要提供照明功能,各個(gè)汽車廠家對(duì)路面照度(及亮度)的要求要高于造型要求。在控制器平臺(tái)化時(shí),可重點(diǎn)考慮技術(shù)路線,進(jìn)行不同平臺(tái)的劃分。

        日間行車燈和位置燈:已逐步進(jìn)化為各個(gè)汽車品牌和型號(hào)設(shè)計(jì)語(yǔ)言的主要表達(dá),造型要求為核心訴求,在控制器平臺(tái)化時(shí),須重點(diǎn)考慮不同造型的兼容性及擴(kuò)展性。

        轉(zhuǎn)向燈:目前主要技術(shù)路線較為明確,在平臺(tái)化設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)難度最低。

        機(jī)械調(diào)節(jié):雖然隨著矩陣式LED 技術(shù)的普及,從燈光光型變化(AFS)、無(wú)炫目遠(yuǎn)光(ADB)等使用上,已完全可以由全電子開(kāi)關(guān)方式實(shí)現(xiàn)。但儀式感、豪華感等照明功能以外的附加訴求的出現(xiàn),也會(huì)在個(gè)別車型上出現(xiàn)回歸傳統(tǒng)的多路機(jī)械調(diào)節(jié)。

        對(duì)于平臺(tái)化以外的個(gè)別需求,推薦不改變標(biāo)準(zhǔn)化、平臺(tái)化的車燈控制器,而是將這些個(gè)別需求體現(xiàn)在車燈的其它電子零部件上,如LED PCBA。在功能需求極高的旗艦車型上,推薦由若干個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的車燈控制器,共同構(gòu)建其控制系統(tǒng),由分布式控制的架構(gòu),包絡(luò)出完整照明系統(tǒng)的功能。

        5 尾燈及外飾燈控制器

        汽車尾燈主要實(shí)現(xiàn)信號(hào)燈功能,一般包含位置燈、剎車燈、轉(zhuǎn)向燈、倒車燈和后霧燈。而除了前照燈和尾燈以外的其它外飾燈,其功能更加靈活。既可作為位置燈和日間行車燈的一部分,也可以完全作為其它交互及娛樂(lè)功能,比如車門(mén)打開(kāi)時(shí)在地面上顯示汽車品牌圖形的“照地?zé)簟薄?/p>

        相對(duì)于前照燈,傳統(tǒng)的尾燈和外飾燈功率較小,工作狀態(tài)僅為“打開(kāi)”和“關(guān)閉”兩種狀態(tài),一般無(wú)需專用的控制器。但幾年來(lái)隨著全車整體燈光造型逐漸成為各個(gè)汽車品牌彰顯設(shè)計(jì)語(yǔ)言的重要區(qū)域,各種由軟件控制的動(dòng)態(tài)效果尾燈和外飾燈快速成為市場(chǎng)的寵兒。這一造型和功能趨勢(shì)立刻使尾燈和外飾燈的電子控制設(shè)計(jì)變得復(fù)雜,獨(dú)立的控制器變?yōu)橐环N選擇。

        參照前照燈的方法,對(duì)尾燈和外飾燈的造型/功能梳理如表3。

        據(jù)此,本文提出了表4的平臺(tái)化車燈控制器設(shè)計(jì)思路及劃分方法。

        類似于前照燈,對(duì)于尾燈以及外飾燈平臺(tái)化以外的個(gè)別需求,推薦不改變標(biāo)準(zhǔn)化、平臺(tái)化的車燈控制器,而由若干個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的車燈控制器靈活搭配,共同構(gòu)建其控制系統(tǒng)。而對(duì)于尚處于前期驗(yàn)證階段的新型功能,如RGB LED 以及 Mini LED,尚需進(jìn)一步觀察市場(chǎng)對(duì)其的接受度,再行研究控制器的平臺(tái)化可行性。

        6 結(jié)語(yǔ)

        汽車照明系統(tǒng)依托于LED光源的布置靈活性,正快速成為各個(gè)汽車品牌及車型“個(gè)性化”的主要特征和吸引終端消費(fèi)者的“顏值”焦點(diǎn)。不同的造型和功能,對(duì)汽車照明控制器的設(shè)計(jì)提出了接近于“專車專用”的要求,非常不利于發(fā)揮電子控制器平臺(tái)化設(shè)計(jì)、規(guī)?;a(chǎn)的優(yōu)勢(shì)。

        本文在對(duì)前照燈、尾燈以及外飾燈的結(jié)構(gòu)、造型、功能進(jìn)行深入分析后,提出的平臺(tái)分類方法,綜合考慮各種造型和功能搭配,為各個(gè)層次的車型的照明系統(tǒng)提出了平臺(tái)化控制器的推薦方案?;诠P者所參與國(guó)內(nèi)外不同客戶的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn),以該方法所開(kāi)發(fā)出的平臺(tái)化控制器較好滿足了各個(gè)不同前照燈、尾燈及外飾燈項(xiàng)目的技術(shù)需求,也取得了很好的時(shí)間和費(fèi)用的經(jīng)濟(jì)效益。

        參考文獻(xiàn):

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        [2]中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB25991-2010,汽車用LED前照燈,國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局,國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì),2011-01.

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        [4]汽車電子控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),楊新樺等,清華大學(xué)出版社,2022.02.

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        [7]C.Wilks,B.Kubitza:HD-Headlamp Technologies and Development Process: From simulation to demonstration under real traffic,ISAL 2017.

        [8]Dr. Michael Kleinkes,Dr.Wolfgang Pohlmann,Dr. Carsten Wilks:Boost Safety & Styling–New HD-LED Systems for front and rear,ISAL 2019.

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