Autor: Greg Avery, Gerente de Desarrollo de Estrategias de Molex
La innovación en la industria automotriz ha llevado a adelantos significativos en la funcionalidad de los vehículos, que abarca la seguridad, el rendimiento y la comodidad del vehículo. Algunas de estas innovaciones provienen de la industria automotriz misma, pero otras se han adoptado del sector del automovilismo o la industria aeroespacial. Un estudio reciente copatrocinado por Molex y Mouser halló que el 43% de los profesionales de la industria automotriz considera que uno de los impulsores principales del cambio futuro en los vehículos será los grandes avances tecnológicos en otras áreas que posibilitarán nuevas capacidades.
Sin embargo, a pesar de estos avances en las funciones de los vehículos, el proceso manufacturero automotriz no ha cambiado sustancialmente en décadas. Los sistemas electrónicos representan la mitad del valor de un vehículo nuevo, pero la tecnología utilizada para conectar los dispositivos y las unidades de control no se ha mantenido al día con los avances en hardware y software. Más del 57% de los profesionales encuestados en el estudio indicó que los problemas de tecnología en la manufactura son una barrera significativa para lograr una arquitectura vehicular de siguiente generación.
La evolución del diseño de la electrónica para vehículos y de la manufactura de vehículos
La manufactura de vehículos ha adoptado sistemas de producción altamente automatizados, que incluyen el uso extenso de robots. Esto ofrece el beneficio de una calidad homogénea, ya que los robots ejecutan las tareas repetitivas con una precisión excelente. Sin embargo, algunos componentes automotrices no son adecuados para la manufactura con robots. Los arneses de cables, por ejemplo, son flexibles, y su falta de rigidez hace que sean difíciles de manipular por robots. Además, debido a la extensa red de cables de alimentación eléctrica, de datos y de control, el sistema de cableado es complejo y la instalación de arneses de cables es complicada. Por lo tanto, estos arneses se ensamblan principalmente a mano, lo cual es más costoso que la automatización y más proclive al error humano.
Se añaden nuevas funciones y sistemas a los vehículos modernos mediante la instalación de unidades de control electrónico (ECU) adicionales, con su cableado asociado. En consecuencia, cada función nueva agrega a la complejidad del diseño del cableado y la electrónica. Los vehículos más recientes pueden tener entre 100 y 150 ECU cada uno, conjuntamente con complejos arneses de cables. Los fabricantes tienen un espacio limitado para dar cabida al sistema electrónico de un vehículo y, con el enfoque actual, agregar más funciones y características pronto quedará fuera de alcance.
Al mismo tiempo, los cables de cobre son pesados. Mientras más grande sea la infraestructura de cables en un vehículo, más pesa el vehículo, lo cual es problemático en los vehículos eléctricos. Su diseño se concentra en limitar el peso para maximizar la distancia de conducción con una sola carga de baterías, lo cual es crucial para la aceptación por el consumidor. Los vehículos de siguiente generación también tendrán una mayor demanda de conectividad fiable y de alta velocidad. Este requisito es vital para la comunicación entre los vehículos y la infraestructura de control de tránsito, que es el cimiento de la conducción autónoma.
Soluciones actuales de arquitectura de cableado y sus limitaciones
El método actual de agregar características y equipos electrónicos poco a poco ha llevado a la duplicación del cableado con arquitectura compleja. El cableado plano es de diseño punto a punto, que es la arquitectura menos eficiente en cuanto al volumen del cableado, la eficiencia de ensamblaje y la intensidad de la mano de obra. Ese tipo de arquitectura lleva a una saturación del espacio, lo cual hace que sea inadecuado para las características adicionales que exige el futuro de la industria automotriz.
Muchos fabricantes han pasado a una arquitectura de cableado más estructurada, conocida como diseño por dominios. Este método agrupa las funciones del vehículo en dominios que se comunican entre sí usando puertas de enlace. El resultado es un sistema de vehículo completo que abarca el tren transmisor de potencia, los sistemas de seguridad y el infoentretenimiento. La arquitectura por dominios es más flexible que una estructura plana, pero aún así no llega a tener la flexibilidad y la eficiencia necesarias para los vehículos de siguiente generación.
Los automóviles del futuro formarán parte de una red dinámica que abarca los vehículos y la infraestructura de control de tránsito. Esta capacidad es vital para los vehículos autónomos, que necesitarán recolectar, analizar y actuar a partir de información acerca de su entorno con un retardo mínimo. Estos automóviles tendrán más sensores, controles y potencia computacional que nunca antes. Los fabricantes necesitan una nueva arquitectura de cableado que pueda adecuarse a estas necesidades y aproveche las nuevas tecnologías de otros sectores, tal como la comunicación inalámbrica 5G.
El futuro de la arquitectura zonal del cableado en vehículos
Los diseñadores utilizan la arquitectura zonal para organizar el sistema de cableado de un vehículo como una red informática. Agrupan las funciones del vehículo en zonas por ubicación de modo que los dispositivos estén conectados a su controlador zonal por la ruta más corta posible. Cada controlador zonal está conectado al clúster computacional central por medio de un cable de red, lo cual ofrece ventajas significativas en cuanto a la cantidad de cables y la velocidad de transmisión de datos.
Los vehículos equipados con arquitectura zonal podrán aprovechar la potencia computacional y la comunicación a alta velocidad modernas. La red procesará los datos a velocidades de 10 gigabits por segundo (Gbps) o más, y su potencia computacional será equivalente al de varias de las mejores estaciones de trabajo con ordenadores de sobremesa. Esta velocidad de transferencia de datos y potencia computacional será crucial para procesar la gran cantidad de información de los sensores requerida por los Sistemas Avanzados de Asistencia al Conductor (ADAS) y la conducción autónoma.
Usar la ruta de cableado más corta posible para cada dispositivo reduce la cantidad total de cableado y, por lo tanto, el peso del vehículo. Reemplazar los cables estándar de cobre con cables de red tiene un efecto similar. Los diseñadores están trabajando en modelos aún más eficientes al aumentar la potencia de los dispositivos de 12V a 48V para que la demanda de corriente sea menor y los calibres de los cables se puedan reducir. Disminuir la carga de los cables en un vehículo eléctrico es una contribución valiosa a mejorar la duración de las baterías y la satisfacción del cliente.
En el futuro, los fabricantes cambiarán las características usando una funcionalidad basada en el software, sin necesidad de cambiar la infraestructura del hardware. Este avance, junto con los diseños de arquitectura zonal, hará que sea posible simplificar y estandarizar los arneses de cables. Los componentes de instalación y uso inmediato (plug-and-play) se añadirán o reemplazarán fácilmente, con lo cual el mantenimiento del vehículo se simplificará y se volverá más accesible para los talleres estándar.
Barreras para la adopción de una arquitectura zonal del cableado
El entorno automotriz es riguroso para los sistemas sofisticados electrónicos y de cableado. Los impactos atmosféricos, como el viento y la lluvia, exponen a los vehículos a altos niveles de humedad, además del polvo y la suciedad proveniente de las superficies viales. Incluso una conducción cotidiana expone a un automóvil a niveles de vibración e impacto que no se encuentran en otras aplicaciones de alta tecnología. No obstante, los requisitos rigurosos de seguridad para la conducción autónoma exigen un alto nivel de fiabilidad de los dispositivos, el cableado, los conectores y las unidades de control. Hasta una interrupción momentánea de la conexión debido a la vibración puede tener consecuencias desastrosas. Los componentes y los conectores para la arquitectura zonal necesitarán cumplir las exigencias rigurosas de esta industria.
Los reglamentos cambiantes también afectan la adopción de la arquitectura zonal del cableado y la conducción autónoma. Los reglamentos de USCAR se necesitarán adaptar al mercado estadounidense, mientras que Europa utiliza las normas LV214. Existe incertidumbre respecto a cómo estos reglamentos cambiarán para la nueva tecnología automotriz y qué dirección tomarán las entidades normativas chinas. A la vez, la demanda del consumidor de vehículos eléctricos dependerá de la implementación de estaciones de carga y la infraestructura 5G.
El poder de la conexión
El diseño de los conectores desempeñará un papel crucial en el éxito de la arquitectura zonal del cableado. Se requerirá una nueva generación de conectores híbridos que puedan transmitir energía y señales de alta velocidad para conectar los dispositivos con las puertas de enlace zonales. Los conectores en el clúster computacional central también necesitarán ser suficientemente robustos como para soportar las condiciones rigurosas halladas en las vías de tránsito. Para los fabricantes establecidos, adaptar sus procesos actuales para satisfacer las demandas futuras podría presentar un reto. Sin embargo, tienen la ventaja de contar con una extensa base de recursos para desarrollar nuevas soluciones. Las empresas emergentes son más flexibles y adaptables al cambio, lo que les permite responder rápidamente a los cambios en la demanda del mercado y a los nuevos avances tecnológicos.
Alejarse de los procesos manuales en la manufactura y el ensamblaje también es atrayente. Usar arneses de cables estandarizados y rígidos pueden ayudar a automatizar este aspecto del ensamblaje de vehículos. Algunos fabricantes están desarrollando conectores adecuados para la manipulación por robots. Diseñar conectores que cubran las demandas del vehículo del futuro, cumplan los reglamentos y sean apropiados para manipulación por robots podría ser un factor vital en la adopción de la arquitectura zonal para apoyar los ADAS y los sistemas autónomos.
