Chương 1: Tổng quan Chương 2: Cơ sở lý thuyết hệ thống chiếu sáng ô tô Chương 3: Nghiên cứu hệ thống chiếu sáng trên Kia Morning 2015 Chương 4: Cơ sở lý thuyết về hệ thống chiếu sáng thông minh trên ô tô Chương 5: Thiết kế hệ thống chiếu sáng thông minh trên xe Kia Morning 2015 Chương 6: Hướng dẫn sử dụng mô hình trong giảng dạy và các bài thực hành trên mô hình 3 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG Ô TÔ 2.1 Lịch sử phát triển hệ thống chiếu sáng trên ô tô Lịch sử phát triển của đèn pha trên xe hơi có một hành trình dài từ những chiếc đèn sơ khai có cấu trúc khổng lồ đến các loại đèn Bilux (hai bóng) hình parabol trong thập kỷ 1950-1960, đến nay thì các công nghệ chiếu sáng đã phát triển mạnh mẽ hơn hết. Sự tiến bộ này diễn ra thông qua các giai đoạn quan trọng sau: - Khởi đầu của đèn pha: Lịch sử đèn pha xuất phát cùng thời với sự ra đời của xe hơi vào năm 1886 bởi Gottlieb Daimler và Karl Benz. Khi đó, Thomas Edison vừa mới phát minh ra bóng đèn sợi đốt. Tuy nhiên, bóng đèn này không thể sử dụng để chiếu sáng trên xe hơi do thiếu nguồn điện phù hợp.
Các phương tiện thường sử dụng đèn lồng hoặc đèn măng sông, nhưng chúng không đủ sáng cho việc lái xe. Vì vậy, trong giai đoạn này thì một số phương pháp được ứng dụng trên xe có thể kể đến như dùng gương cầu để tạo chóa đèn tăng khả năng chiếu xa, đèn nến, đèn xăng, đèn dầu và acetylene [2]. - Sự xuất hiện của đèn pha sợi đốt và đèn cốt: Với sự phát triển của bóng đèn sợi đốt và máy phát điện nhẹ nhàng có thể lắp đặt trên xe vào năm 1910, các loại đèn pha sợi đốt đầu tiên đã được sử dụng để chiếu sáng trên xe hơi. Năm 1913, công ty Bosch ở Đức đã đưa ra sản phẩm "Bosch Light" tích hợp đèn pha, máy phát điện một chiều và bộ điều chỉnh để giải quyết vấn đề chiếu sáng trên xe hơi.
Đây đã đánh dấu sự ưu thế của đèn pha điện hiện đại. Trong giai đoạn này, để giải quyết vấn đề chói mắt từ các xe ngược chiều, các kỹ sư đã phát triển đèn cốt (low beam) để giảm độ sáng của đèn khi gặp xe khác. Điều này cùng với việc sử dụng hai đèn riêng biệt (đèn pha và đèn cốt) đã cải thiện hiệu suất chiếu sáng đáng kể. Năm 1924, Osram – chuyên gia về đèn đã đưa ra giải pháp kỹ thuật mới với mục tiêu giảm chói mắt cho xe đi ngược chiều.
Đó chính là dùng bóng đèn có hai sợi đốt kết hợp cả chùm sáng pha và chùm sáng cốt trên cùng một gương phản xạ. 4 Hình 2-1: Sự xuất hiện của đèn pha và đèn cốt sợi đốt Tiếp đó, đèn cốt không đối xứng xuất hiện vào năm 1957. Loại đèn này có cường độ sáng cao hơn ở bóng đèn bên phải, giúp người lái dễ dàng quan sát các vật thể trong đêm tốt hơn. Giai đoạn này Đức đã công nhận chính thức việc sử dụng đèn cốt dạng không đối xứng trên ôtô.
- Sự phổ biến của đèn Halogen và đèn pha từ các thấu kính: Từ năm 1960 – 1990, ngành công nghiệp ôtô chứng đã có sự xuất hiện của đèn khí halogen (gồm các khí Flo, Clo) và nhanh chóng chiếm ưu thế trên thị trường chiếu sáng. Tất cả là nhờ vào hiệu quả chiếu sáng và tuổi thọ làm việc cao của công nghệ này. Hình 2-2: Sự phổ biến của đèn Halogen và đèn pha từ các thấu kính 5 Đèn Halogen được cải tiến bằng cách thay đổi hình dạng đèn pha và gương phản xạ. Đầu những năm 1960, đèn pha hình chữ nhật xuất hiện trên đường phố.
Năm 1983, đèn pha đạt bước tiến quan trọng với nguyên lý chiếu sáng giống đèn slide. Sự khác biệt chính nằm ở gương phản xạ. Thay vì dùng gương parabol, đèn pha mới sử dụng gương ellipsoid ba trục, tạo ra ánh sáng mạnh hơn. Các thế hệ đèn pha tiếp theo dựa theo nguyên lý này để tạo ra các thiết kế cực kỳ gọn nhẹ với các kính hội tụ đặt nghiêng.
Ưu điểm vượt trội của phương án thiết kế này chính là như sự phân bố ánh sáng tốt hơn, giảm đáng kể sự lóa do sương mù, mưa và tuyết. - Đèn xenon ra đời và được sử dụng phổ biến trên xe ô tô Đèn pha Xenon ra đời năm 1991, sử dụng khí Xenon và một ít muối kim loại để tạo ra ánh sáng. Loại đèn này, còn được gọi là đèn pha phóng điện cường độ cao (HID), vượt trội hơn đèn Halogen nhờ nhiệt độ màu và độ sáng [2]. Với sự hỗ trợ của bộ tăng áp tạo ra xung điện ngắn đến 28.000 Volt, các quầng plasma xuất hiện giữa các cực đèn.
Từ năm 1995, đèn Xenon đã dần thay thế đèn sợi đốt. Ưu điểm lớn nhất của đèn Xenon là chỉ tiêu thụ 35W nhưng tạo ra ánh sáng mạnh gần gấp đôi đèn Halogen 55W. Hình 2-3: Đèn xenon ra đời và được sử dụng phổ biến trên xe ô tô Vào năm 1998 bóng đèn Xenon 2 chế độ pha – cốt xuất hiện, cũng tương tự như bóng 2 tim. Đèn Xenon 2 chế độ pha - cốt được bố trí 2 bóng Xenon gần nhau nhưng lệch vị trí.
6 Nhờ đó, ánh sáng phát ra từ các tim đèn có thể cho những luồng sáng với góc chiếu khác nhau. Một kiểu Xenon 2 chế độ Pha – Cốt khác là đèn Xenon thụt thò. Kiểu đèn này sử dụng một bóng Xenon có thể dịch chuyển tim đèn ở vị trí tiêu cự khi ở chế độ pha. Tim đèn sẽ thụt vào sau vị trí tiêu cự thấu kính cho chế độ cốt.
- Đèn pha led ra đời và phổ biến Trong những năm gần đây công nghệ đèn pha ôtô ra đời loại đèn pha sử dụng công nghệ điốt phát quang LED. Đèn LED (Light emitting diodes) đang trở nên phổ biến hơn hết. Loại đèn này còn rất nhỏ gọn, thời thượng và vô cùng an toàn hơn khi sử dụng do có điện thế thấp (~3V). Hình 2-4: Đèn pha LED ra đời và phổ biến Đèn LED có tuổi thọ lên đến 100.000 giờ, hoạt động tốt với nguồn điện công suất nhỏ và trong mọi điều kiện thời tiết, tiết kiệm điện năng.
Đèn LED tiêu thụ ít điện gần 10 lần so với đèn thường, tỏa nhiệt rất thấp và thân thiện với môi trường. - Đèn Laser Đây là công nghệ chiếu sáng mới nhất trên xe hơi. Hiện chỉ có rất ít mẫu siêu xe như: BMW i8 hay Audi R8 được trang bị công nghệ này. Đèn laser tạo ra luồng sáng mạnh gấp 1000 lần đèn LED, nhưng chỉ tiêu thụ 2/3 hoặc thậm chí 1/2 lượng điện năng của đèn LED [2].
Trên BMW i8, đèn laser có thể chiếu sáng khoảng cách 600m phía trước, trong khi đèn LED chỉ chiếu được 300m. 7 Hình 2-5: Đèn laser hiện đại trên ô tô 2.2 Sự ra đời của AFS và một số công nghệ chiếu sáng thông minh Ý tưởng điều chỉnh đèn pha đã xuất hiện từ những năm 1948 với hệ thống cân bằng đèn pha (Headlamp leveling systems) trên chiếc Citroën 2CV tại Pháp. Tiếp đó là đèn pha định hướng (Directional headlamps) của Czechoslovak Tatra ra đời vào những năm 1930. Ý tưởng này được hiện thực hóa trên chiếc Tucker Sedan 1948, đèn pha thứ 3 được bố trí ở trung tâm xe, kết nối cơ học với hệ thống lái và treo trên xe.
Hình 2-6: Đèn pha định hướng trên chiếc Tucker Sedan 1948 Bắt đầu từ những năm 2000, mối quan tâm trở lại về ý tưởng di chuyển hoặc tối ưu hóa chùm đèn pha không chỉ đáp ứng với động lực của hệ thống lái và hệ thống treo của xe mà còn với điều kiện thời tiết xung quanh và tầm nhìn, tốc độ xe, độ cong và đường viền của đường. Một đội ngũ đặc biệt thuộc tổ chức EUREKA, bao gồm các nhà sản xuất 8 ô tô, công ty chiếu sáng và cơ quan quản lý các cấp ở châu Âu đã bắt đầu làm việc để phát triển hệ thống chiếu sáng phía trước thích ứng – Advanced front-lighting system – AFS. Thay vì các liên kết cơ học được sử dụng trong các hệ thống đèn pha định hướng trước đó, AFS dựa vào các cảm biến điện tử, bộ chuyển đổi và bộ truyền động. Các nhà sản xuất như BMW và Toyota đã cho ra đời các xe được trang bị AFS từ năm 2003.
Với tiền thân của hệ thống AFS đầu tiên nay, các hãng xe đã phát triển công nghệ và gọi tên khác nhau nhưng vẫn chung một ý tưởng khởi đầu là thay đổi đèn pha theo điều kiện lái. Trong đó, BMW đã giới thiệu thiệu hệ thống đèn thông minh (Intelligent Light System) bao gồm chức năng điều khiển chùm sáng đèn pha vào năm 2006 với chế độ Active light function – chiếu sáng chủ động (Advanced front-lighting system – AFS). Trong hệ thống đèn pha thông minh trong tương lai, điểm khác biệt lớn nhất là việc thu thập thông tin qua nhiều cảm biến hơn, bao gồm thông tin trạng thái xe, tín hiệu GPS và môi trường xung quanh. Từ đó, hệ thống sẽ ước tính góc điều chỉnh của đèn và có chiến lược điều chỉnh chính xác hơn, kiểm soát cao hơn, để giảm thiểu hơn nữa rủi ro an toàn.
Ngoài ra, các hãng ô tô lớn cũng có nhiều công nghệ mới trang bị cho Adaptive highbeam – Đèn pha thích ứng. Công nghệ này cho phép kiểm soát đèn pha liên tục điều chỉnh phạm vi chùm tia đèn LED thay đổi từ 65 đến 300 mét, tùy thuộc vào điều kiện giao thông. Ý tưởng này được ra mắt đầu tiên trên các mẫu xe Mercedes E-class vào năm 2009. Hình 2-7: Việc phổ biến công nghệ AFS cũng dần trở nên phổ biến hơn trong phân khúc các dòng xe phổ thông 9 Việc phổ biến công nghệ AFS cũng dần trở nên phổ biến hơn trong phân khúc các dòng xe phổ thông gia đình.
Ví dụ cụ thể là chiếc Volkswagen POLO mới năm 2019 đã bắt đầu được trang bị hệ thống AFS cơ bản theo tiêu chuẩn và tích hợp hệ thống ADB (adaptive high-beam lighting system) cơ bản đã được tích hợp như một hệ thống con của hệ thống AFS [3]. Hình 2-8: Lợi thế khi sử dụng AFS so với đèn thông thường trong cùng điều kiện đường tối Hệ thống ABD tự động điều chỉnh góc chiếu sáng theo chiều dọc và chiều ngang của đèn để tránh nguy cơ mất an toàn tiềm ẩn do ánh sáng chói gây ra.