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智能驱动和控制技术为汽车行驶安全带来革命性变化

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作者:邹治永时间:2006-11-03来源:电子产品世界

汽车前照灯主要是用于汽车夜间。它的亮度和照射方向对于行车安全是至关重要的。夜间汽车所有前照灯同时照明时,灯具应具有能使驾驶员看清前方100米距离以内交通障碍物的性能,照明光束应对准汽车的前进方向,主光轴方向应该偏下。前照灯的发光强度不足或者照射方向不合适,汽车前方的情况就不能清晰易见,或者给迎面驶来的汽车里的驾驶员造成眩目,妨碍视野,这些都是导致事故的重要因素。

在2006广州车展上,人们看到新奥迪S8配置了创新的照明科技—带有LED日间运行灯的自适应前照灯。其加强型氙气前照灯配有静态转向灯和动态转弯灯以及独立的LED日间行车灯。雪铁龙新C5号称是世界上最安全的轿车之一,其双功能氙气转向大灯夜间能以左右15o的角度转动(转弯时外侧灯转动8o,内侧灯可转动15o),使您在转弯时能获得更佳的视野,从而提高行驶安全性。

氙气灯与LED灯配合,标志着LED在提高汽车行驶安全性的应用中迈出了实质性的步伐,下面向你介绍和控制技术为汽车行驶安全所带来的革命性变化。

自适应转向大灯系统:具备向中低档车推广的技术基础

自适应转向大灯系统位于前照灯单元内,介于日间行车照明系统及氙气灯模块之间。以奥迪A8为例,当车辆以低于70公里/小时的速度行驶时打开转向灯,或者当驾驶员将方向盘转到一个特定的角度时,它便会自动打开自适应转向大灯系统,在车辆完全变向之前对弯道进行照明。

自适应转向大灯系统(AFS)的基本功能包括:

*前照灯自动校平系统:在车辆倾斜的情况下保证灯光与路面呈水平状态,前照灯自动校平系统根据传感器的一系列数据,尤其是从前后车轴传来的悬架压缩数据调节各车灯的角度。
*改变车灯光束的方向:自适应转向大灯系统通过对氙气前照灯实施电子控制来改变车灯光束的方向,从而使光线的分布与车辆的转向角相适应,以便于迎面而来的转弯和岔路口—尤其是司机的凝视点—能够得到最佳的照明。研究表明,当车辆转弯时,旋转前照灯光束能使司机凝视点的照明度提高300%。

自适应转向大灯系统的基本构成包括:
1. 两台步进电机,分别控制大灯在水平和垂直方向的转动;
2. 步进电机的驱动及转换器件;
3.电子控制单元(ECU);
4. 安装大灯的结构件;
5. 传递控制信号以及采集传感器数据的LIN总线,还有将传感器数据传递给其它控制单元的CAN总线。

目前,在控制、传感和驱动方面,以AMI Semiconductor公司为代表,已经推出了AMIS-30621及AIMS-30623步进电机控制器集成电路,它们能够直接安装于自适应转向大灯系统机电一体化模块之中,通过LIN总线接口,既节省了布线成本,又拥有更好的电磁兼容性能。

Vishay Intertechnology公司推出的新型环境光感应器,通过对外部环境光的感应,可以实现汽车前照灯的闭环控制。在汽车照明控制的ECU和车灯之间,需要采用MOSFET驱动器,为了防止输出过载的情况下,Supertex公司推出一款变频PWM控制器IC—HV9930,它可以实现电流限制,并通过电容隔离措施保护LED灯不受MOSFET开关失效的影响,适合于具备低压直流输出的汽车LED灯。

在LED前照灯方面,斯坦利电气与德国海拉公司(Hella)联合开发了将4个大型LED芯片封装成一个大功率白色LED模块的方案,每个白色LED模块发出140流明亮度的光束,预计2008年前后将达到并超过HID灯的发光效率。

日本小丝制作所推出的前照灯配备有11个白色LED模块,包括近光灯6个,远光灯时追加5个,近光灯点亮时的光束为800流明~1000流明,这种前照灯具有AFS功能,在弯道行驶时灯光照射角度转向汽车转弯方向,前照灯中部是可以转动的。

此外, Avago和Lumileds推出三款了中等功率发光二极管产品—Envisium Power,该产品的主要应用之一就是前转向灯和车后组合转向灯。Osram Opto Semiconductorvs公司则推出了集内部和外部照明于一体的LED照明模块,目标是增强汽车的色彩和设计总体效果。Nichia甚至宣布,2007年将推出150流明/瓦的LED。

上述情况表明,LED作为前照灯在提高汽车行驶安全性领域中的应用已经具备大规模普及的基本条件。

和控制技术:汽车LED照明市场的竞争热点

在汽车照明系统中,高亮度LED(HBLED)具有广阔的应用前景(图1),它将使汽车照明更为智能化,为驾驶提供更多的安全,为汽车设计和消费者带来更多色彩斑斓的变化。

图1  LED在汽车中应用的布局图

自适应前照灯照明系统(AFS)为汽车根据环境的变化调整光线提供了一定程度的智能。早期的AFS采用的是氙气灯,目前,开发自适应前照灯系统的公司包括:Hella、Valeo和Visteon等等,随着LED模块亮度的大幅度提高,他们已经开始采用LED作为前照灯的光源。在美国,SAE标准组织已经批准将LED作为前照灯主要照明功能器件,欧洲可能最晚要到2008年才能由欧洲经济委员会(ECE)批准相应的标准。

由于AFS的控制涉及的主要控制参数包括:道路弯度、道路类型、天气条件和驾驶员的需求,基本控制问题是何时调整光线的方向和亮度?如何优化弯道与汽车倾斜度之间的关系?

AFS完全依赖软件算法实现电控,以往的开发过程中,车厂和AFS开发商之间要做长期的配合测试才能获得第一手数据,这种做法已经难以满足快速上市的需求。为了优化AFS的控制算法,在LED车灯设计方面,德国Brandenburg公司提供一种称为LucidShape的AFS仿真系统(图2)。

图2 称为LucidShape的AFS仿真系统

LucidDrive是其中的一种夜间驾驶仿真工具,通过该工具可以分析汽车前照灯在真实路况中的性能,设计人员只要选择对测试路径、载荷、前照灯光束的位置进行设置之后,就可以开始仿真。在仿真过程中,你可以切换不同的灯组,并在驾驶过程中实时观察其影响,从而直接对各种前照灯设置进行比较,优化控制算法。LucidDrive支持动态选择汽车的前照灯、发光的参数和驾驶时的观察位置,所有的变化造成的影响可以立即反映出来,其中,还包含各种测试路面的模式,用户可以随时作出改变。通过反复测试,可以设计出光学性能优良、符合驾驶各种驾驶条件和适应各种路面状况的AFS光机电一体化系统。

目前,支持自适应前照灯系统控制需求的半导体公司包括: Freescale、ST、ADI、AMIS、Hitachi、Melexis、Xilinx、Microsemi等公司,提供功率驱动器件MOSFET的公司则有ST、IR、Fairchild等公司。控制前照灯转动的步进电机驱动和控制集成电路的放置有两种方案:一是直接驱动,通过位于车内的中央控制单元(ECU)对步进电机进行控制;二是机电一体化驱动,通过采用高度集成的单芯片产品,把芯片直接安装于自适应转向大灯系统机电一体化模块之中。其中,模块化设计由于使前照灯组件的维修保养方便,因而代表着未来的一个发展趋势;但是,机电分离方案也有好处,那就是方便对机电部分分别进行选配和实现升级。

AFS是高度光、机、电一体化的系统,其和控制技术建立在软件算法和硬件设计的基础之上,采用混合信号设计技术,把控制器集成到功率驱动器件之中,是一个值得关注的技术趋势。

最后,由于LED本身具有丰富多彩的色彩表现力,因而将赋予汽车照明系统设计工程师以极大的创新动力,可以预见,随着LED在汽车前照灯中获得普及应用,基于自适应前照灯系统的智能驱动和控制技术必将为汽车行驶安全带来革命性变化,并对整个汽车和行业产生深远的影响。



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