Al igual que los sistemas han evolucionado desde los carburadores y los sistemas de escape sencillos hasta los inyectores de combustible de precisión, los sistemas de emisiones y los sistemas de control de tracción y frenado, se han producido avances similares en la electrificación con nuevas arquitecturas, componentes para motores eléctricos, paquetes de baterías y electrónica de potencia avanzada. Combinados, estos avances están empujando a los ingenieros a reimaginar cómo se diseñan y conducen los vehículos para conseguir la máxima eficiencia, fiabilidad 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, arrojaron luz sobre el estado actual del movimiento de electrificación y las consideraciones clave para el futuro de la industria del automóvil.
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 del sector indican que el costo y la limitada infraestructura de recarga son dos razones principales.
"Hemos tenido altibajos en la electrificación", dijo Ulery. "Si recorres más de 160 km cada vez, sabes que hay que abordar la infraestructura de recarga".
Los vehículos híbridos, por su parte, están superando las ventas de VE. Según datos de Edmunds, las compras de híbridos experimentaron su mayor aumento en 2023, pasando de más de 750,000 ventas en 2022 a más de un millón de ventas en 2023.
Otra categoría emergente es la de los híbridos suaves, que utilizan un motor eléctrico alimentado por batería para complementar el uso de gasolina o gasóleo. La mayoría de los híbridos suaves funcionan con un sistema eléctrico de 48 V, que es un voltaje superior al de los sistemas eléctricos de un vehículo tradicional con motor de combustión. El sistema de 48 V alimenta componentes que no dependen del motor, lo que permite una mayor eficiencia operativa.
A pesar del rápido ritmo de innovación en el diseño de automóviles, los vehículos de gasolina siguen dominando las carreteras. Según un estudio de Edmunds, el 82% de los vehículos nuevos que se venden hoy en día funcionan con gasolina. Sin embargo, el movimiento de electrificación está muy avanzado, desde los vehículos tradicionales hasta los modelos eléctricos de alta tecnología más avanzados.
Electrizante 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 el capó son los ventiladores del radiador, la dirección asistida, los sistemas de climatización y las bombas de refrigeración. Todos estos sistemas solían funcionar con correas de un motor de combustión interna (MCI). Las bombas de agua eléctricas están sustituyendo a las bombas de radiador mecánicas por un rendimiento más eficiente, y el control preciso con refrigeración eléctrica puede prolongar la vida útil de estas piezas. Si hay una gestión ampliada de la batería, también hacen circular 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 deje de depender del motor, lo que reduce las cargas parásitas y permite disponer de más caballos. Por tanto, los fabricantes de automóviles pueden instalar motores más pequeños en algunos vehículos y mantener las mismas prestaciones de conducción, al tiempo que obtienen ventajas de eficiencia y producen menos emisiones.
"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 sustituyendo la mecánica tradicional por sistemas de precisión controlados eléctricamente que pueden ser más eficientes. 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 las baterías de vehículos
En la última década, los fabricantes de vehículos han pasado de las baterías de 12 V a otras de mayor voltaje, como las de 24 V (especialmente para vehículos comerciales) y ahora a las de 48 V, para aumentar la capacidad de potencia, reducir el peso del vehículo, mejorar la aceleración y ahorrar combustible.
La legislación europea ha ido sentando las bases de la reducción de emisiones en los vehículos de nueva fabricación. 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 afirma: "Lo común es que tanto los sistemas de 12 V como los de 48 V desplazan las funciones mecánicas tradicionales de una correa serpentina a una serie de motores eléctricos." Puso el ejemplo de una camioneta pesada que utiliza energía mecánica para la dirección asistida. En muchos vehículos, esta función se está electrificando. "La cantidad de energía necesaria para la dirección asistida resta caballos al motor, por lo que al trasladarla a un sistema eléctrico independiente, los conductores pueden mantener más potencia a través del tren motriz".
El paso de la industria automovilística a sistemas de mayor tensión es gradual, dado el importante impacto que tiene en el proceso de diseño y fabricación. La transición de cada fabricante sigue un calendario diferente en función de sus productos, su madurez técnica y los requisitos de los clientes a los que sirven. Además, todos se rigen por normas y prácticas de diseño relacionadas con las tecnologías que van a utilizar, entre ellas:
• 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 Recomendación 320 de la VDA es publicada y mantenida por la ZVEI-Asociación Alemana de Fabricantes de Material Eléctrico y Electrónico. Abarca una amplia gama de especificaciones y requisitos de ensayo para los componentes eléctricos y electrónicos de los 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 la interconexión para dar prioridad a 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 afirma: "Disponer de la electrónica y la infraestructura -las interconexiones para apoyar el 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 robustos y un aislamiento adecuado para un rendimiento seguro y fiable. Esto es aún más importante si la tensión es superior a 48 V.
Los fallos en los conectores pueden provocar averías en el sistema del vehículo o riesgos para la seguridad. Para evitar desconexiones, los conectores deben incluir mecanismos de bloqueo y alivio de tensión, así como inspecciones y comprobaciones de mantenimiento periódicas.
"La seguridad y el control de la instalación eléctrica son ahora más importantes que nunca", afirma McWhinney.
Mantener la calidad de la señal es crucial para las aplicaciones de alta tensión. Una mala integridad de la señal puede precipitar fallos de funcionamiento, por lo que los conectores deben minimizar la pérdida de señal y las interferencias con cables apantallados, así como una correcta conexión a tierra y una colocación estratégica. Abordar estas consideraciones requiere innovación y experiencia, que es donde entran en juego las soluciones avanzadas de conectores.
"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 los cambios y la certificación de piezas
Cumplir los requisitos de seguridad es una prioridad absoluta, pero McWhinney señala que un reto adicional son los constantes cambios en los requisitos de los sistemas eléctricos de los vehículos, que obligan a los fabricantes a mantenerse al día y revisar constantemente los conectores y otros componentes.
Los fabricantes siempre pueden consultar las normas LV214 para hacer un seguimiento de los requisitos de rendimiento y revisar y certificar cuidadosamente los componentes aprobados para su uso seguro en la industria del automóvil.
Los componentes que cumplen los requisitos LV214 o similares suelen ser piezas de alta calidad, resistentes y fiables que pueden soportar las duras condiciones de la carretera sin sacrificar el rendimiento. Por ejemplo, la serie de conectores MX150 de Molex ofrece componentes diseñados para vehículos que se enfrentan a entornos difíciles y son duraderos frente a temperaturas extremas, vibraciones y humedad.
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.
Tanto en el diseño de vehículos de pasajeros como en el de vehículos comerciales, los ingenieros de hoy en día deben tener en cuenta numerosos sistemas y características complejos y de alto consumo energético que no solo satisfagan la demanda de consumidores y empresas, sino que también sean altamente eficientes, duraderos y seguros. Afortunadamente, los proveedores de tecnología están preparados para el reto de crear la tecnología que resuelva estos problemas de innovación.
Mientras los ingenieros automotrices transforman el futuro del transporte, los proveedores como Molex y los distribuidores como DigiKey acompañan el viaje, suministrando componentes, servicios y experiencia de alta calidad para permitir que esta transformación ocurra.
Autores: Matt McWhinney, director de desarrollo empresarial de grupo, y Kirk Ulery, director de desarrollo empresarial de distribución, de Molex; Shawn Luke, ingeniero técnico de marketing, de DigiKey.
Matt McWhinney y Kirk Ulery son gerentes de desarrollo de negocios en Molex. Como proveedor líder mundial de soluciones de conectores, Molex aporta excelencia en ingeniería, relaciones de confianza y un compromiso sin precedentes con la calidad y la confiabilidad para ayudar a los clientes de todas las industrias a mejorar sus vidas. Con más de 80 años de confianza, Molex ofrece diseño y fabricación de clase mundial y un portafolio de 100,000+ productos innovadores.
Shawn Luke es ingeniero técnico de marketing en DigiKey. DigiKey es líder e innovador continuo en la distribución de alto servicio de componentes electrónicos y productos de automatización en todo el mundo, proporcionando más de 15.9 millones de componentes de más de 3,000 fabricantes de marcas de calidad.
