Movimiento de electrificación automotriz

La evolución de la industria automovilística hacia la electrificación (sustitución de los sistemas tradicionales de accionamiento mecánico por componentes y sistemas eléctricos) está cambiando profundamente el diseño de los vehículos actuales, que abarcan desde motores de combustión interna a híbridos suaves y arquitecturas totalmente eléctricas.

La electrificación de los trenes se ha realizado progresivamente a lo largo de los años. (Fuente de la imagen: Getty Images)

A medida que los sistemas han evolucionado desde carburadores y sistemas de escape simples hasta inyectores de combustible de precisión, sistemas de emisiones y sistemas de control de tracción y frenado, se han realizado avances similares en la electrificación con nuevas arquitecturas, componentes para motores eléctricos, paquetes de baterías y electrónica de potencia avanzada. Al estar combinados, estos avances están impulsando a los ingenieros a reimaginar cómo se diseñan y conducen los vehículos para obtener la máxima eficiencia, confiabilidad y seguridad.

Expertos de dos empresas de electrónica líderes en el sector: Matt McWhinney y Kirk Ulery, directores de desarrollo empresarial de Molex, y Shawn Luke, director de marketing técnico de DigiKey, informaron sobre el estado actual del movimiento de electrificación y las consideraciones clave para el futuro de la industria del automóvil.

Panorama de modelos de vehículos

Aunque la demanda de vehículos eléctricos e híbridos, muy observada, sigue aumentando, las ventas de vehículos eléctricos nuevos se han ralentizado en los últimos meses debido a muchos factores, como el mercado y las políticas públicas. Los expertos de la industria citan el costo y la infraestructura de carga limitada en los EE. UU. como dos razones principales.

"Hemos tenido altibajos en la electrificación en América del Norte", dijo Ulery. "Si se deben recorrer más de 100 millas de una sola vez, ya se sabe que la infraestructura de carga necesita ser abordada".

Los vehículos híbridos, por otro lado, están superando las ventas de vehículos eléctricos. Según los datos de Edmunds, las compras de híbridos en EE. UU. tuvieron su mayor aumento en 2023, pasando de más de 750,000 ventas en 2022 a superar el millón de ventas en 2023.

Otra categoría emergente es el híbrido suave, que utiliza un motor eléctrico alimentado por batería para complementar el uso de gasolina o diésel. La mayoría de los híbridos suaves funcionan con un sistema eléctrico de 48 V, que es un voltaje más alto que los sistemas eléctricos de un vehículo con motor de combustión tradicional. El sistema de 48 V alimenta componentes que no dependen del motor, lo que permite una mejor eficiencia operativa.

Incluso con el rápido ritmo de la innovación en el diseño automotriz, los vehículos a gasolina aún gobiernan las carreteras. Según una investigación de Edmunds, el 82% de los vehículos nuevos vendidos actualmente en los EE. UU. dependen de la gasolina. Sin embargo, el movimiento de electrificación está en marcha entre los vehículos tradicionales hasta los modelos eléctricos de alta tecnología más avanzados.

Electrificación bajo el capó

Ulery señala: "Una constante que estamos viendo es mucha más electrificación: los sistemas mecánicos se están electrificando en todos los vehículos por muchas razones, sobre todo para impulsar la eficiencia".

Un ejemplo es la tecnología stop-start (parar-arrancar), que apaga el motor cuando un vehículo se detiene y vuelve a arrancar automáticamente cuando el conductor suelta el freno o pisa el acelerador. Aunque esta característica puede exigir más a algunos componentes, su objetivo es mejorar la eficiencia del combustible y reducir las emisiones de gases de efecto invernadero.

Otros ejemplos de electrificación bajo del capó son los ventiladores del radiador, la dirección asistida, los sistemas HVAC y las bombas de refrigeración. Todos estos sistemas solían ser alimentados por correas de un motor de combustión interna (ICE). Las bombas de agua eléctricas están reemplazando las bombas mecánicas del radiador para un rendimiento más eficiente y el control preciso con enfriamiento eléctrico puede extender la vida útil de estas piezas. Si hay una gestión prolongada de la batería, también circulan refrigerante por todo el vehículo para regular la temperatura del paquete de baterías, los motores eléctricos y la electrónica de potencia.

El cambio a módulos eléctricos, como las bombas de dirección asistida, hace que el sistema ya no dependa del motor, lo que reduce las cargas parásitas y permite una mayor potencia disponible. Por lo tanto, los fabricantes de automóviles pueden instalar motores más pequeños en algunos vehículos y conservar el mismo rendimiento de conducción mientras obtienen beneficios de eficiencia y producen emisiones más bajas.

"La electrificación ha abierto la puerta a nuevos diseños de vehículos innovadores", señala Luke. "Sin la necesidad de acomodar la 'arquitectura accionada por correa' con un motor de combustión interna tradicional, los fabricantes de automóviles tienen más flexibilidad en cuanto a dónde distribuir las baterías y los puertos de carga, la capacidad de aumentar la cantidad de espacio para pasajeros o carga, y más".

En general, el movimiento de electrificación está reemplazando la mecánica tradicional con sistemas controlados eléctricamente de precisión que pueden ser más eficientes. Al estar combinados con los avances en el control de software, los vehículos modernos son más limpios, más eficientes energéticamente y ofrecen rendimiento y sostenibilidad tanto para los conductores de pasajeros como para los comerciales.

Avance de la batería del vehículo

Durante la última década, los fabricantes de vehículos han cambiado de 12 V a voltajes más altos, como 24 V (especialmente para vehículos comerciales) y ahora a baterías de 48 V para aumentar la capacidad de energía, reducir el peso del vehículo, mejorar la aceleración y ahorrar combustible.

La carga de vehículos eléctricos a 48 V requiere capacidades de energía de estación de carga más seguras y confiables. (Fuente de la imagen: Getty Images)

La legislación en los EE. UU. y Europa ha sentado las bases para la reducción de emisiones en los vehículos nuevos recientemente fabricados. Una combinación de fuerzas reguladoras y de mercado está detrás del creciente cambio hacia arquitecturas híbridas suaves, que incluyen generadores de arranque integrados; 48 V no solo está creciendo en los híbridos suaves, sino que también parece probable que aparezca en más plataformas ICE.

El paso a la arquitectura de 48 V implica algo más que el aumento del voltaje del sistema. También requiere un cambio en la base eléctrica. Los vehículos de altas prestaciones dependen de componentes más ligeros y pequeños que ofrecen la misma eficiencia eléctrica que un modelo de mayor densidad.

Ulery dice: "Lo común es que los sistemas de 12 V y 48 V están trasladando las funciones mecánicas tradicionales de una correa serpentina a una serie de motores eléctricos". Compartió un ejemplo de una camioneta pickup de servicio pesado que utiliza energía mecánica para su dirección asistida. En muchos vehículos, esta función se está electrificando. "La cantidad de energía necesaria para la dirección asistida le quita potencia al motor, por lo que al moverlo a un sistema eléctrico separado, los conductores pueden mantener más potencia a través del tren motriz".

El cambio de la industria automotriz a sistemas de mayor voltaje es gradual, dado el impacto significativo en el proceso de diseño y fabricación. La transición de cada fabricante se realiza en un cronograma diferente en función de sus productos, madurez técnica y los requisitos de los clientes a los que sirven. Además, todos están sujetos a estándares y prácticas de diseño relacionadas con las tecnologías que utilizarán, que incluyen:

• La norma ISO 21780 cubre los requisitos y ensayos para los componentes eléctricos y electrónicos de los vehículos de carretera equipados con un sistema eléctrico que funciona a una tensión nominal de 48 V.
• La Asociación Alemana de Fabricantes Eléctricos y Electrónicos, ZVEI, publica y mantiene la Recomendación VDA 320. Cubre una amplia gama de especificaciones y requisitos de prueba para componentes eléctricos y electrónicos en vehículos de motor para desarrollar la fuente de alimentación de 48 V.

Seguir la norma para lograr una gestión inteligente de las baterías es esencial para el éxito de la arquitectura de 48 V. Con el proceso de diseño adecuado, los fabricantes de automóviles pueden evitar el almacenamiento ineficiente de energía, el aumento de los costos y los posibles riesgos para la seguridad de los conductores.

Fundamentos de interconexión para priorizar la seguridad

Ahora que los vehículos necesitan más potencia que nunca para soportar funciones eléctricas cada vez más sofisticadas, el diseño de un conector fiable para sistemas de 48 V depende de varios factores fundamentales para cumplir las normas de rendimiento y seguridad de los vehículos.

McWhinney dice: "Tener la electrónica y la infraestructura, las interconexiones para respaldar su vehículo, es esencial para la seguridad".

Dado que los sistemas de 48 V funcionan a una tensión más alta (que los de 12 V), los conectores y los sistemas eléctricos deben construirse con materiales resistentes y un aislamiento adecuado para un rendimiento seguro y fiable. Esto es aún más importante si la tensión es superior a 48 V.

Las fallas en los conectores pueden causar fallas en el sistema del vehículo o riesgos de seguridad. Para evitar desconexiones, los conectores deben incluir mecanismos de bloqueo y alivio de tensión, así como inspecciones periódicas y controles de mantenimiento.

"La seguridad y el control de monitoreo del sistema eléctrico son más importantes ahora que nunca", dice McWhinney.

Mantener la calidad de la señal es crucial para aplicaciones de mayor voltaje. La mala integridad de la señal puede precipitar el mal funcionamiento, por lo que los conectores deben minimizar la pérdida de señal y la interferencia con los cables blindados, así como la conexión a tierra adecuada y la ubicación estratégica. Abordar estas consideraciones requiere innovación y experiencia, que es donde entran en juego las soluciones de conectores avanzados.

"Parece algo básico, pero se subestima lo importante que es la interconexión en el diseño automotriz, especialmente para la seguridad", agregó Luke.

Mantenerse al día con el cambio y la certificación de piezas

Cumplir con los requisitos de seguridad es una prioridad máxima, pero McWhinney señala que un desafío adicional es el cambio constante en los requisitos del sistema eléctrico del vehículo, lo que empuja a los fabricantes a mantenerse al día y revisar constantemente los conectores y otros componentes.

Los fabricantes siempre pueden consultar el Consejo de Investigación Automotriz de EE. UU. (USCAR) para realizar un seguimiento de los requisitos de rendimiento y revisar y certificar cuidadosamente los componentes aprobados para un uso seguro en la industria automotriz.

Los componentes que se adhieren a USCAR/LV214 o calificaciones similares suelen ser piezas de alta calidad, resistentes y confiables que pueden soportar un uso intenso en la carretera sin sacrificar el rendimiento. Por ejemplo, la serie de conectores MX150 de Molex ofrece componentes diseñados para vehículos que enfrentan entornos hostiles y son duraderos contra temperaturas extremas, vibraciones y humedad.

Aquí se muestra un conector Molex en un cybertruck. (Fuente de la imagen: Molex)

Luke señala: "Con más oportunidades de innovación en el diseño de vehículos, más fabricantes de vehículos están adoptando prácticas de electrificación. Debido al ciclo de innovación hiperrápido, existen pocas plataformas estándar en este ámbito. Sin embargo, el aumento de la variedad ofrece a los consumidores más opciones y esperamos que el costo de los vehículos probablemente disminuya a medida que la tecnología avance y la producción aumente".

Consideración de vehículos comerciales

Si bien se ha hablado mucho sobre los automóviles de pasajeros, todo lo discutido en este artículo ha estado sucediendo mucho más tiempo en el entorno de los vehículos comerciales (CV). Los vehículos comerciales pasaron rápidamente de sistemas de 12 a 24 voltios para alimentar el diésel y algunos sistemas eléctricos, lo que les permitía tener arrancadores más pequeños en el pasado. También, hay una larga historia de vehículos eléctricos en vehículos comerciales, especialmente en autobuses, vehículos de construcción y agrícolas y camiones pesados, entre otros.

Los vehículos comerciales suelen estar diseñados para ayudar a su propietario/operador a ganar dinero y, por tanto, deben funcionar de forma fiable. La presión para que un CV funcione con fiabilidad suele ser mayor que la de los turismos, por lo que se necesita un sellado y una resistencia adicionales.

Ya sea que diseñen para vehículos comerciales o de pasajeros, los ingenieros de hoy deben considerar numerosos sistemas y características complejos y que consumen mucha energía y que no solo satisfacen la demanda comercial y de los consumidores, sino que también son altamente eficientes, duraderos y seguros. Afortunadamente, los proveedores de tecnología están preparados para el desafío de crear la tecnología para resolver estos problemas de innovación.

Mientras los ingenieros automotrices están transformando el futuro del transporte, proveedores como Molex y distribuidores como DigiKey están a su lado, entregando componentes, servicios y experiencia de alta calidad para permitir que ocurra esta transformación.