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智能汽车前大灯发展趋势

放大字体  缩小字体 发布日期:2022-09-13 来源:半导体照明网作者:大道半导体李刚浏览次数:1353
半导体照明网:(作者/深圳大道半导体有限公司 李刚)汽车前大灯是汽车的重要组成部分,技术进步不仅使得汽车前大灯光源从卤素灯、氙气灯逐渐过渡到光照强度更好、寿命更长的LED,随着机器视觉、复杂传感以及矩阵式LED光源模组等前沿技术的不断成熟,智能汽车前大灯,如自适应远近光系统ADB(Adaptive Driving Beam)等,应运而生,以满足人们对智能驾驶照明功能的需求。
图一:智能汽车前大灯(相片来自网络)
智能汽车前大灯利用传感系统采集环境、天气、道路、车速、交通流量以及与其他车辆相对位置等信息,经由中央处理与控制系统自动独立控制多像素集成LED光源中每一个像素点的开启与工作电流,从而改变光束照射范围、形状、亮度和角度,以及调节切割线位置等,以达成各种智能驾驶照明功能的目的。例如,当驾驶视野中有其他道路使用者时(如跟车或会车时),智能汽车前大灯会自动捕捉其他道路使用者的位置,将相应位置的LED 像素点调暗或者熄灭,避免对其他道路使用者造成眩目,在保障道路行驶安全的基础上,扩大了视野照明,保证了驾驶安全性(如图一所示)。当智能汽车前大灯激活且车速超过100km/h时,智能汽车前大灯将控制远光灯处于高速模式,使照明视野更聚拢、更清晰。除标准近光、城市远光、标准远光、集束远光外,其它智能驾驶照明功能还有车辆宽度标示、追尾与距离提醒、人行道标示、行人标记与追踪、行驶轨迹预测、盲区变道提示、车道偏离提示、路况显示、交通标志照明、速度显示、低速转向辅助、在道路上投射导航信息等。
 
为了实现智能驾驶照明功能,智能汽车前大灯通常需要完成感知、决策与实现三个环节。借助摄像头或毫米波雷达等传感器采集前方信息完成感知,通过算法进行照明区域与亮度的处理完成决策,最后通过控制多像素集成LED光源中每一个像素的亮、暗、关、开来完成智能驾驶照明功能的实现。为完成三大环节,智能汽车前大灯通常集高精度传感系统,矩阵式LED光源模组,以及数字化判断与控制系统于一体,其中矩阵式LED光源模组还包括多像素集成LED光源和单像素大电流驱动模块。
 
目前,智能汽车前大灯有三种技术路线:1)机械式,主要通过加入电机设备等实现光源遮罩或前大灯转向;2)矩阵式,通过将多颗LED排列成行或列或矩阵形成多像素集成LED光源,并对组成多像素集成LED光源中的每一个LED像素点实现单独控制,像素等级可达到几个,几十个到几百个,对驱动能力、散热能力与光学系统提出了更高的要求;3)DLP式,通过在光源前放置 DMD 器件(Digital Micromirror Device, 数字微镜元件)实现对前大灯百万像素等级的控制,可做到类似投影仪般的精准光型控制。其中,机械式智能汽车前大灯响应速度慢、可靠性低,性能差,能实现的智能驾驶照明功能十分有限。DLP式智能汽车前大灯虽然可以达到百万像素等级,其核心DMD部件目前仅由TI供应,系统控制要求高,结构复杂,综合成本远高于矩阵式智能汽车前大灯。矩阵式智能汽车前大灯能较好地实现性能与成本的平衡,是当前智能汽车前大灯的主流方案。

图二:比亚迪秦Pro的矩阵式智能汽车前大灯。(来自前瞻产业研究院公开的行业研究报告)
 
矩阵式智能汽车前大灯己开始应用于量产的车型中。例如,在大众ID.4X、讴歌RDX、传祺M8及比亚迪唐等车型中,矩阵式智能汽车前大灯已成为全系标准配置。以ID.4X为例,该车型应用了来自大众的IQ Light矩阵式智能汽车前大灯,其中多像素集成LED光源由11个远光像素点和7个近光像素点构成,能通过前置摄像头采集前方信息,控制大灯光型,具备自动开启、延时关闭、大灯高度自动调节、转向辅助、远近光灯自动调节等功能。比亚迪秦Pro的矩阵式智能汽车前大灯则来自比亚迪照明(BYD Light) 的龙晶大灯(Dragon Beam),像素点较少,仅拥有3-5个并列的LED像素点(如图二所示)。
 
据测算,2021年矩阵式智能汽车前大灯整体渗透率由2020年的3.6%提升至5.8%。整体来看,被统计车型2021年销量约为1931.3万辆,占行业批发销量比例达90.0%,经测算,矩阵式智能汽车前大灯的搭载量约为111.7万辆,渗透率达到5.8%。就新能源市场而言,被统计车型2021年销量约为295.8万辆,占新能源批发销量比例达 90.2%,经测算,矩阵式智能汽车前大灯的搭载量约为20.8万辆,渗透率达到7.0%。(来自前瞻产业研究院公开的行业研究报告)

图三:矩阵式智能汽车前大灯像素点数与车价。(来自前瞻产业研究院公开的行业研究报告)
 
矩阵式智能汽车前大灯性能和成本取决于构成多像素集成LED光源中的LED像素点数量及其分辨率。像素点越少,能实现的智能驾驶照明功能就越少,像素点越大,分辨率越低,能实现的智能驾驶照明精度和效果就越差,反之,对多像素集成LED光源及其驱动控制系统的要求就越高,成本也随之提高。图三表示不同车系所采用的矩阵式智能汽车前大灯中多像素集成LED光源的像素点(独立照明分区)数量与车价之间的关系。例如奥迪A6L配备的多像素集成LED光源具备32个独立光源,最低标配价格超过40 万元。由图三可知,目前能成为标配的矩阵式智能汽车前大灯中的多像素集成LED光源的像素点数量比较有限(<32),像素点也很大,分辨率很差,难以实现大部分智能汽车前大灯所要求的智能驾驶照明功能。

图四:带有矩阵式智能汽车前大灯的Model S车型。(来自LEDINSIDE的新闻报道)
最近,特斯拉交付了带有矩阵式智能汽车前大灯的Model S车型(如图四所示)。特斯拉的矩阵式智能汽车前大灯中的多像素集成LED光源模组(含驱动)由德国著名零配件供应商HELLA制造,其中多像素集成LED光源的供应商为三星电子。公开资料显示,2021年4月,三星半导体发布适用于矩阵式智能汽车前大灯的新一代车载光源PixCell LED模组。模组采用GaN-On-Si(硅上氮化镓)外延,薄膜倒装芯片(TFFC),以及晶圆级封装(WLP)等技术。为了提升显示效果,防止相邻光源串扰,每个像素之间设立有硅墙隔板,以达到每一像素单面出光效果。

图五:由大道半导体制造的矩阵式智能汽车前大灯LED光源模组。模组(上)局部像素微亮效果(下)
 
深圳大道半导体基于成熟的倒装芯片和CSP(Chip Scale Package)技术近日公开了一款国产矩阵式智能汽车前大灯LED光源模组(如图五所示)。模组包括多像素集成LED光源和单像素大电流驱动模块。其主要特点包括:a) 倒装芯片焊接在高精度陶瓷基板上,不仅可以实现倒装芯片间的紧密排布,方便光学设计,也能实现对单一倒装芯片的独立控制。多像素集成LED光源分四行紧密排列,其中二行为56列,一行为48列,一行为44列,合计204个像素点。每一个像素点的尺寸约0.51mm x 0.72mm,其尺寸远远小于目前大部分矩阵式智能汽车前大灯中所采用的LED光源尺寸。与常规矩阵式智能汽车前大灯中的LED光源相比较,大道半导体采用更多更微小的像素点,从而可以实现更加精细的照明功能; b) 大道半导体多像素集成LED光源中每一个发光芯片四周设置有高反射率的白墙,可能遮挡和反射发光芯片的侧光,从而实现单面出光的效果; c) 利用陶瓷基板的高导热性和高绝缘性,可以实现有效的热电分离机制,使LED光源产生的热量能迅速传导至散热器上,以确保LED光源能工作在合适的温度,不仅提升发光效率,减小光衰,还能提高器件的可靠性; d) 选用合适的车规级驱动芯片和足够散热能力的散热装置,每一个发光芯片的最大驱动电流可达100mA,常温下产生不少于25流明的光,光源总功率可达60W,可以满足实现矩阵式智能汽车前大灯各种照明功能的需求。
表1
可以看出,矩阵式智能汽车前大灯由于其优异的性价比将成为智能汽车前大灯的主流技术路线,随着在特斯拉等流行车型上的成功应用,百个像素等级的多像素集成LED光源将取代几个或几十个像素等级的多像素集成LED光源,在未来智能汽车前大灯市场中占据领先并扮演未来主流的角色,采用成熟的倒装芯片和CSP封装技术制造的百个像素等级的多像素集成LED光源的面世预示着未来矩阵式智能汽车前大灯成本的大幅下调,其应用车型也会越来越广。
 
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