一种应对汽车前照灯冷凝起雾挑战的新方案

沙晟春

（上汽大众汽车有限公司，上海 201805）

1 概述

前照灯中的冷凝起雾现象在当今汽车照明领域已经不是什么新鲜事了。早在21世纪初，清华大学的徐小平等人就分析了其形成机理［1］。近年来在各种汽车照明论坛、BBS网站和techday展会上，这一话题越来越普遍。在复旦大学电光源研究所和上海机动车检测认证技术研究中心共同创办的汽车照明论坛IFAL上，近3年就共有6篇关于车灯起雾问题的论文。福特汽车 （中国）在2016年和2018年分别提交了关于LED和卤素灯起雾研究的2份报告，他们对不同的通风设计、内部结构和防雾涂层做了大量的研究，和其他主机厂一样，他们在造型、成本和客户需求之间进行了平衡［2-3］。以李祥兵为代表的东风标致雪铁龙汽车团队则从更为理论的角度对冷凝问题进行了研究，并从温度场和流场两个方面提出了解决方案：温度平衡、气流良好［4］。Valeo在2018年IFAL上也提交了一份很好的报告，通过模拟和试验，揭示了冷凝模拟中的3个主要因素：内部设计对空气循环的影响、塑料件的排湿和通风换湿。最后，他们提出了不同的通风策略和一些替代方案：防雾涂层和干燥剂［5］。

上汽大众也在这个大课题上付出了多年的努力。在2017年IFAL上我们对起雾原理和解决策略进行了分析［6］。然而，冷凝起雾问题并没有完全解决，目前，市场上仍有关于前照灯冷凝起雾的大量投诉。由于前照灯其他方面的品质越来越好，客户越来越关注前照灯的起雾问题，现在冷凝起雾投诉占全部投诉的比例高达近50%。因此，要不断提高前照灯的品质，改善或解决前照灯的冷凝起雾问题在汽车车灯的设计和开发中起着越来越重要的作用。

2 新挑战

其实防止或迅速消除雾气对我们来说并不太困难。相比汽车照明领域，在其他一些领域，如潜艇、飞机等，冷凝起雾是非常危险的，必须彻底防止或尽快消除。即使在汽车上，挡风玻璃上的起雾也是严重威胁驾驶安全的因素。因此，人们采取了许多措施来防止或消除它，如加热器和空调。然而，在前照灯的冷区发生冷凝，这通常对灯光性能影响不大。因此，前照灯中的冷凝起雾更多地被视为与美观有关的问题，而不是安全问题。它的解决方案通常是在客户的期望和成本之间进行折衷。例如，许多主机厂使用各种通风系统来处理前照灯中的冷凝起雾问题。实际上，这只是一个折衷方案：成本低，但不彻底。通常说通风系统越通畅越好。然而，它是一把“双刃剑”：水分从灯内逸出到外部环境，水分从外部环境侵入到灯内，两者具有相同的通过能力。不管是通气弯管、透气栓还是透气膜，都是双向的，因此，这些正常的通风系统只是有机会消雾，但不能保证。它们在很大程度上取决于环境条件，而且越是通畅的系统受环境因素影响越大。这种方案可能在过去基本能满足需求，但在自动驾驶的背景下会遇到问题。

如果汽车照明想要作为自动驾驶系统的一部分而要具有通信功能，就必须确保信号和标志足够清晰，以便交通参与者能够快速、准确地理解。然而，当信号和标记因冷凝起雾而变得不清晰时，灯中的雾气可能会严重影响这种理解。以带有箭头标记的信号灯为例 （图1a），如果我们清楚地看到一个完整的箭头，我们至少可以快速而准确地理解其含义。但当箭头被雾气覆盖时 （图1b），人们会首先感到困惑和犹豫，然后才做出反应，甚至有些人会恰恰相反地理解它的含义。照地投影灯也有同样的问题。仍然以箭头为例，如图1c和d所示，如果雾气恰好阻挡了原本在地面上有“右转”意思的灯中的箭头区域，大多数人会看到它更像是一个有“直行”意思的箭头！犹豫和误解对驾驶都是非常危险的。因此，在自动驾驶的时代，灯内的冷凝起雾可能成为一个更关乎安全而非美观的问题。如果真是这样的话，汽车照明中的冷凝起雾问题将和潜艇、飞机、挡风玻璃等领域一样具有同样的重要性。因此需要准备一种能够防止起雾或立即消雾的新方案。

图1 起雾可能影响的信号和标志含义的理解

3 分析

在提出建议之前，我们想重申在2017年IFAL总结出的解决冷凝起雾问题的3种主要策略：防止起雾、隐藏雾气、发生起雾后消雾［6］。上一章提到任何雾气都有可能会给自动驾驶带来危险，所以有雾气是不能允许的。然而，“发生起雾后消雾”意味着雾气可以允许存在一段时间，只要它可以被去除。这种通常的方法很大程度上取决于环境条件 （天气），虽然现在被广泛使用，但无法满足未来自动驾驶更为严格的高要求。“隐藏雾气”是指防雾涂层，但它有几种失效模式，如“流挂”和“饱和”。这些问题会使灯看起来很难看，也会引起顾客的抱怨。所以最好的策略只有一个：防止起雾。

要实现防止起雾，需要回顾一下基本的物理原理。如图2所示，空气中含有一些水蒸气，它的含量取决于温度：空气的温度越高，空气中含的水蒸气就越多。当空气变冷而不能含有这么多的水蒸气，或有太多的水蒸气，其压力超过空气在该温度下所能容纳的极限时，多余的部分就会离开气相变成液态水或冰，直到水蒸气压力不超过极限。雾或霜就是这多余的部分，正好发生起雾的温度被定义为“露点dew point”，这时的相对湿度正好为100% （图3）。

图2 水蒸气温度和饱和蒸汽压关系

图3 露点和相对湿度的定义

通过图2可以很容易地看出根据基本物理原理防止起雾的方法：让状态点离开液相进入气相，即在图2中向下或向右。所以基本上有2种方法：减少水汽和提高温度。本文我们设计的新方案选取的是减少水汽这种方法。

4 方案

减少水汽，即干燥空气，最简单、最有效的方法之一就是使用干燥剂。干燥剂已广泛应用于食品、服装、消费电子等包装领域，车灯领域也经常看到有各种尺寸的带胶带的干燥包粘贴在灯具的内表面。一些品牌的干燥剂具有很高的吸水率。例如，一种名为“OZO”的干燥剂的吸水率可高达280%。然而，大多数高效干燥剂不能重复使用，这意味着水分一旦被干燥剂吸收，就很难释放。随着吸湿量的增加，当吸湿率接近饱和极限时，干燥剂就“死”了，即不能再吸湿。因此，在使用干燥剂方案时，使用寿命成为最大的问题。为了延长使用寿命，灯内必须装配大量干燥剂，这会带来空间、质量等问题。另一种方法是一些主机厂计划在终端为客户更换干燥剂，像发动机机油或雨刮片一样，成为一个汽车保养耗材。但这样仍然有问题：新干燥剂的费用如果计划由客户承担，客户可能不接受；如果由主机厂承担成本，则是一个巨大的额外成本提升，将降低主机厂的利润。所以单纯加干燥剂不是一个完美的解决方案。

那么首先有一个问题：是否有可重复使用的高效干燥剂？有的。一家名为“Microvent”的中国公司向上汽大众推出了可重复使用的干燥剂。它的吸收率接近180%，虽然没有OZO的高，但至少它是可重复使用的，这样一定意义上就避开了使用寿命这一问题。但即使有可重复使用的干燥剂，如果和一次性干燥剂一样放在灯内部，当干燥剂释放的水分再次回到灯内时，可能会造成更严重的起雾，这是绝对不允许的。因此关键问题是如何防止水分进入灯内而让它只排向灯外？最好有一个类似风扇或泵的装置将干燥剂释放出的水汽强行吹向或抽出灯外。

现实中，Gore和AML公司开发了类似功能的除湿泵，它的原理如图4所示。泵中有2个阀门，这2个阀门具体是如何实现并不重要，它们可以用如图4所示的电机，也可以使用2个独立的阀门。关键是它们的逻辑必须是一开一闭。当加热器打开，干燥剂被烘干排除水分时，阀1关闭，阀2打开。释放的水分被阀1阻隔不能进入灯内而只能通过阀2排向灯外。当加热器关闭，已被烘干的干燥剂准备开始吸收水分时，阀1打开，阀2关闭。这样可以防止外面的湿气进入灯内，同时让干燥剂只吸收灯内的湿气。通过这2个步骤的循环，灯内的水分不断被干燥剂吸收，并被阀门排出。同时，灯外的湿气很难进入灯里。

图4 Gore和AML公司开发的抽湿泵原理图

2017年春，上汽大众有幸在一辆凌渡轿车上测试这种泵的效果。我们将带有抽湿泵的灯和正常量产的没有抽湿泵的前照灯同时进行对比试验，并且在2种灯内均放置了传感器记录灯内的温湿度以计算出灯内的水汽含量 （露点），结果如图5所示。可以看出，一开始两者露点十分接近，但在第1个正常使用循环过后，使用抽湿泵的前照灯的露点明显低于未使用抽湿泵的前照灯，随着时间的增长，循环次数的增加，两者露点差距最终约10℃。约10℃的露点差距证明，这种泵能够有效地降低冷凝起雾发生的可能性。

但是这种抽湿泵仍然存在一些不足：一是它需要额外10W左右的能耗；二是因内置了加热器和电动阀，成本不会低；第三也是由于这些用电器的存在，它的体积和质量都不会小，而且干燥剂的用量空间非常有限，这导致在每个循环中除湿的量也非常有限。当然有了这些电器，除湿的效果是彻底的。但是，我们能否在效果和这些不足之间做出折衷，在能耗、体积、质量和成本方面做出一些改进？上汽大众随后尝试了一个优化方案。

图5 灯内露点记录曲线

为了节省能耗、体积、质量和成本，最好应尽可能多地不使用用电器。首先是加热器。可重复使用的干燥剂可以利用发动机和灯本身发出的热量来获得被烘干的温度。通过适当的热设计，可以利用灯和发动机的热量加热干燥剂。这样便能省去加热器。其次是电动阀门。一种薄膜可以代替电动阀。如图6a所示，装置有一个特殊设计的外壳，两片薄膜作为阀门。在没有气压差的情况下，由于重力作用，薄膜是垂直的，因此阀1打开，阀2关闭。干燥剂此时吸收灯里的水分。当灯被加热时，灯内的气压升高，导致2个阀均向左移动。然而，阀1的行程距离限制比阀2短。因此，当阀门2仍然可以向左移动时，阀门1将首先关闭 （图6b）。然后，当灯和泵继续加热时，阀门2最终打开，来自加热干燥剂释放出的水分可以通过阀2流出而不进入灯内 （图6c）。

图6 无源排湿装置原理图

上汽大众请干燥剂供应商Microvent按照上述思路制作样品。它是一个无源器件，不需要额外的能量消耗。此外，通过拆除加热器和电动阀，它的质量、体积和成本都大大降低。内部空间主要用于放置干燥剂，这样在相同体积下干燥剂的量大大增加。我们让Microvent在一辆明锐汽车上测试这种无源装置。从图7所示的结果可以看出，无源排湿装置的表现与GORE和AML开发的抽湿泵相似。一开始2个灯的露点十分接近，但在第1个使用循环过后，使用排湿装置的前照灯的露点明显低于未使用排湿装置的前照灯，且随着时间的增长，循环次数的增加，两者露点差距逐渐扩大。虽然由于气压控制，阀门开闭控制不能做到精确，但大剂量的干燥剂使得装有装置的灯的露点比没有装置的灯的露点依旧能低10℃左右。

图7 灯内露点记录曲线

5 结论和展望

未来车灯内的冷凝起雾可能会给自动驾驶带来危险，因为它会影响光信号和标记的通信和理解。起雾不再仅仅是一个有关美观的问题，必须准备一个能彻底解决起雾问题的方案，它可以防止或消除任何常见自然条件下的凝结而不受天气的限制。而由于天气的限制，现有的传统通风方案已不能满足未来的要求。有两种方法可以从理论上消除冷凝：减少水蒸气量 （水分）和提高温度。采用干燥剂降低水分是最简单、最有效的方法之一。其中，GORE+AML公司和Microvent公司采用可重复使用的干燥剂制作了智能除湿装置 （泵），取得了较好的效果。其中Gore+AML的主动装置具有精确控制的特点，除湿效果非常彻底。而Microvent根据上汽大众的理念开发的无源产品虽然不能实现精确控制，但成本更加经济，也取得了近似的效果。两者都显示出未来市场应用的潜力。