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技术文章 | 车灯常见故障及其诊断技术

发布时间:2020-07-29

浏览次数:29



随着车速和交通流量的增加,夜间发生事故的可能性也在逐年上升。车灯作为车与车及其周围环境之间的通讯工具,对保证夜间行车安全至关重要。夜间行车时,如果有某个功能,如远光灯、近光灯、停车灯、转向灯或尾灯不能正常工作,车厢内的驾驶员无法轻易察觉到故障,进而发生车祸。因此,保障夜间行车安全中最重要的工作,是保证车灯的所有功能都能正常工作,以及在车灯发生故障的第一时间告知驾驶员。实际上,GB4785-2019及之前版本都清楚地说明,对于转向灯、停车灯等功能,在构思过程中需要考虑加入车灯诊断方法,如果出现故障情况,驾驶员周围的环境可以提供视觉或音频提示通知驾驶员采取积极措施。

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图1 仪表盘提示检查右前驻车灯

然而,随着LED技术的发展,如何确定LED灯具诊断的具体参数,以及如何以经济高效的方式实现,一直困扰着所有的工程师。在此背景下,本文通过对一般诊断方法的分析,对传统诊断方法提供了修改建议或实际电路,并提出了一种能满足不同功能要求的综合诊断方法。


LED车灯常见故障

对于传统的卤素灯,光源只有两种状态:on和off。正常工作时,所有参数(电流、电压、温度)始终保持良好状态;出现故障时,灯丝熔断并使电路断开。通常,短路的可能性相对较低。在两种情况(开路和短路)下,电流或电压的参数相差很大。因此,通过测试电路的电压或电流可以很容易地发现电路的故障。

然而,对于LED灯来说,由于每一部分都是由多个LED实现的,其中存在不同的电路连接方式(串联、并联或混合连接),因此无论是LED还是LED的驱动器,都存在两种故障(开路或短路)的可能。此外,由于车灯工作在高温高湿的环境中,有较高的渗水或进水风险,即使电路可靠性很高,也存在发生漏电的可能性。


LED驱动器的组成

诊断通常有两种方式:LED光源诊断和LED驱动器诊断。驱动诊断一般通过开路实现,即通过评价实际输出(电流/电压)是否符合理论值(电流/电压)来判断车灯的性能是否正常。一般来说,诊断电路与LED驱动器有很强的相关性。为了保证LED电路简单、可靠、经济高效,需要对LED驱动电路和故障电路进行良好的匹配。LED驱动器通常采用以下三种方式实现。

表1 LED驱动器分类

分类

特点

应用

基于电阻

由电阻、电容等组成,易于电气隔离,但精度低

低功率灯具

基于线性直流电路

由稳定直流电路构成,精度较低

中低功率车灯

基于芯片

由芯片构成,PWM高精度控制,电气隔离困难

大功率、组合车灯

诊断模块的组成

故障诊断反馈系统由驱动、数据采集、诊断、反馈等模块组成。驱动模块通常由电阻或线性电路或恒流驱动电路来实现,并能实现控制逻辑和技术要求,是LED驱动电路的核心。采集模块主要负责LED电压信息的采集,通过对信号的放大,为诊断模块提供输入。诊断模块负责检测电压的故障评估,并将故障信息传递给反馈系统。反馈模块根据诊断模块的信息传递给BSI(车身控制模块)。BSI此信息传输到仪表盘,仪表盘将警告驾驶员发生故障的位置。

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图2 典型LED车灯诊断驱动模块结构

在诊断系统的设计中,首先要根据不同的LED电路形式,评价如何满足诊断要求。通常,BSI对相关参数的要求如下:

1.车灯工作电压:保证车灯正常工作的基本电压,一般在8~16V之间,即车灯必须在该范围内正常工作(无异常关断、无闪烁)。

2.工作电流:保证灯具正常工作的基本电流。LED灯得电流要求相对较低,因此电流范围通常定义在0.1A到7A之间;当汽车灯在规定电流下工作时,需要考虑所有功能灯的可靠性。

3. 漏电流:电路开路时的电流。对于LED的前照灯,由于储能元件如电容器的存在,即使电路断开,储能元件也能为LED提供电流,导致工作过程中产生车灯的闪光现象。

4最小诊断电流:如果故障诊断是通过最小电流检测的方式实现,则电路需要考虑车身系统的最小电流要求。


LED故障诊断思路的构想:

基于LED驱动的分类,一般有基于最小电流、基于开关电路、基于比较器的反馈电路等诊断方法。本文在分析的基础上,提出了用PWM进行诊断和通过总线结构进行诊断的方法。

基于最小电流诊断的思路:在恒流电路中,LED的故障通常会导致开路或个别LED开关断开。开路时,电路电压升高,触发过压保护,产生故障信号;但如果只是个别LED开关断开,电路的电流变化不大,此时,可以在电路中串联一个光耦合器。如果正常工作的LED能够满足亮度性能要求,则个别LED开关断开不会导致电路关断,此时车灯可正常使用;如果不能,则整个电路关断,触发故障报警。

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图3 基于最小电流的诊断电路

基于开关电路诊断的思路:通常情况下要求,转向灯工作正常时显示高电平,工作异常时显示低电平;以图4为例,当LED正常工作时,Q3的基极处于高电平,Q3连接,则Q2的基极处于低电平,Q2关闭;在这种情况下,反馈电压处于高电平;反之则处于低电平;由于汽车电子产品的工作电压通常在9-16V之间,当工作电压保持在9V时,无论LED是否工作,Q3的基极都会处于低电平,这就使得Q3始终处于“关”的状态,在这种情况下,低电评的反馈会使系统误报警,因此在构思过程中,有必要对单个LED进行监控,以确保工作电压保持在9V时不会出现错误报警。

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图4 基于开关电路的诊断电路

基于比较器的反馈诊断电路:该电路利用放大器和比较器比较采集电压和基准电压的大小,控制终端晶体管的打开/关断,从而影响反馈电压的高低;其优势是,即使输入电压低于9V,该电路也可以用于故障诊断(图5)。


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图5 基于比较器的反馈诊断电路

用PWM进行诊断占空比是一个周期内工作时间与整个时间的百分比,PWM诊断是一种通过设置不同占空比实现的电路;对于具有多种功能(如转向灯、位置灯、行车灯等)的灯具,如果将上述3种电路作为首选方案,整个电路不可避免地会变得复杂;而PWM诊断将不同的占空比设置为代表一种特定的故障,则只用一条导线就可以用于所有功能的故障诊断。这样可以大大减少导线数量,从而简化整个系统。

用这种方法设计诊断电路,在构思时需要注意一些要求。

1.脉宽调制精度。即LED工作时的频率。由于电子器件固有频率的存在,要精确地控制占空比,电路需要在恒定频率下工作。

2.工作电压。电路工作电压依赖于电路的电阻值,通过示波器可发现其稳定值。

3. 脉冲宽度。它是电路工作一个工作周期时的实际时间。在汽车电子系统中,脉冲宽度的单位通常是ms。

4.对于不同的功能检测,占空比不能太接近,以避免相互干扰。

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图6 多功能灯具集成模块诊断与BSI

通过总线诊断(以LIN通信网络为例):

LIN是一种基于SCI或UART接口的低成本串行通信网络。它基于主从结构,减轻了导线的重量和成本。它也是一种传输速率为1-20kbps的低层通信总线协议。LIN由一个主控模块和多个次级模块组成。主控模块负责处理不同模块的电平信息,次级模块发送和接收数据,因此,一个LIN模块可以实现车灯的通讯和故障检测功能。

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图7 LIN模块通信结构

总结与展望

本文根据汽车车灯故障诊断的原理,结合不同LED驱动器的特点,提出了各种故障诊断电路的具体概念,并在实际中加以应用。当然,为了选择经济高效的诊断方法,在构思时需要参考BSI的具体要求。此外,随着新技术(矩阵光束、激光束等)和新功能的引入,实现对灯具模块的故障识别和显示变得尤为重要,其中,总线技术,尤其是高速总线的原理及其技术将是今后研究的重点,。