Electrónica automotriz

La electrónica automotriz son los sistemas electrónicos utilizados en vehículos, incluyendo la gestión del motor, el encendido, la radio, los ordenadores, la telemática, los sistemas de entretenimiento a bordo, entre otros. La electrónica de encendido, motor y transmisión también se encuentra en camiones, motocicletas, vehículos todoterreno y otra maquinaria de combustión interna, como carretillas elevadoras, tractores y excavadoras. Los elementos relacionados para el control de los sistemas eléctricos relevantes también se encuentran en vehículos híbridos y eléctricos.Los sistemas electrónicos se han convertido en un componente cada vez más importante del coste de un automóvil, pasando de tan solo alrededor del 1% de su valor en 1950 a cerca del 30% en 2010. Los coches eléctricos modernos dependen de la electrónica de potencia para el control del motor de propulsión principal, así como para la gestión del sistema de baterías. Los futuros coches autónomos se basarán en potentes sistemas informáticos, una serie de sensores, redes y navegación por satélite, todo lo cual requerirá electrónica.

Los primeros sistemas electrónicos disponibles como instalaciones de fábrica fueron las radios de automóvil con válvulas de vacío, a principios de la década de 1930. El desarrollo de semiconductores después de la Segunda Guerra Mundial expandió considerablemente el uso de la electrónica en los automóviles, con los diodos de estado sólido convirtiendo el alternador automotriz en el estándar después de aproximadamente 1960, y los primeros sistemas de encendido transistorizado aparecieron en 1963.La aparición de la tecnología de semiconductores de óxido metálico (MOS) condujo al desarrollo de la electrónica automotriz moderna. El MOSFET se inventó en los Laboratorios Bell entre 1955 y 1960, después de que Frosch y Derick descubrieran la pasivación superficial mediante dióxido de silicio y utilizaran su hallazgo para crear los primeros transistores planares, los primeros transistores de efecto de campo en los que el drenador y la fuente estaban adyacentes en la misma superficie. Posteriormente, un equipo demostró un MOS funcional en los Laboratorios Bell. Dawon Kahng resumió el logro en un memorando de los Laboratorios Bell: E. E. LaBate y E. I. Povilonis, quienes fabricaron el dispositivo; M. O. Thurston, L. A. D’Asaro y J. R. Ligenza, quienes desarrollaron los procesos de difusión; y H. K. Gummel y R. Lindner, quienes caracterizaron el dispositivo. Esto condujo al desarrollo del MOSFET de potencia por parte de Hitachi en 1969, y al microprocesador de un solo chip por Federico Faggin, Marcian Hoff, Masatoshi Shima y Stanley Mazor en Intel en 1971.El desarrollo de chips y microprocesadores de circuitos integrados MOS (MOS IC) hizo viable económicamente diversas aplicaciones automotrices en la década de 1970. En 1971, Fairchild Semiconductor y RCA Laboratories propusieron el uso de chips MOS de integración a gran escala (LSI) para una amplia gama de aplicaciones electrónicas automotrices, incluyendo una unidad de control de transmisión (TCU), control de crucero adaptativo (ACC), alternadores, reguladores automáticos de intensidad de faros, bombas de combustible eléctricas, inyección electrónica de combustible, control electrónico de encendido, tacómetros electrónicos, intermitentes secuenciales, indicadores de velocidad, monitores de presión de neumáticos, reguladores de voltaje, control de limpiaparabrisas, prevención electrónica de derrapes (ESP) y calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC).A principios de la década de 1970, la industria electrónica japonesa comenzó a producir circuitos integrados y microcontroladores para la industria automotriz japonesa, utilizados en sistemas de entretenimiento a bordo, limpiaparabrisas automáticos, cerraduras electrónicas, tablero de instrumentos y control del motor. El sistema Ford EEC (Control Electrónico del Motor), que utilizaba el microprocesador Toshiba TLCS-12 PMOS, entró en producción en masa en 1975. En 1978, el Cadillac Seville incorporó una "computadora de viaje" basada en un microprocesador 6802. Los sistemas de encendido e inyección de combustible controlados electrónicamente permitieron a los diseñadores de automóviles lograr vehículos que cumplían con los requisitos de ahorro de combustible y emisiones, manteniendo al mismo tiempo un alto nivel de rendimiento y comodidad para los conductores. Los automóviles actuales contienen una docena o más de procesadores, en funciones como la gestión del motor, el control de la transmisión, el climatizador, los frenos antibloqueo, los sistemas de seguridad pasiva, la navegación y otras funciones.El MOSFET de potencia y el microcontrolador, un tipo de microordenador de un solo chip, propiciaron avances significativos en la tecnología de vehículos eléctricos. Los convertidores de potencia MOSFET permitieron el funcionamiento a frecuencias de conmutación mucho más altas, facilitaron la conducción, redujeron las pérdidas de potencia y redujeron significativamente los precios, mientras que los microcontroladores de un solo chip podían gestionar todos los aspectos del control de la unidad y tenían la capacidad de gestionar la batería. Los MOSFET se utilizan en vehículos como automóviles, coches, camiones, vehículos eléctricos y coches inteligentes. Los MOSFET se utilizan para la unidad de control electrónico (ECU), mientras que el MOSFET de potencia y el IGBT se utilizan como controladores de carga para cargas automotrices como motores, solenoides, bobinas de encendido, relés, calefactores y lámparas. En el año 2000, el valor promedio de un vehículo de pasajeros de gama media en semiconductores de potencia rondaba los 100-200 dólares, un aumento potencial de 3 a 5 veces en el caso de los vehículos eléctricos e híbridos. A partir de 2017, el vehículo promedio tenía más de 50 actuadores, generalmente controlados por MOSFET de potencia u otros dispositivos semiconductores de potencia.Otra tecnología importante que hizo posible la existencia de coches eléctricos modernos capaces de circular por carretera es la batería de iones de litio. Fue inventada por John Goodenough, Rachid Yazami y Akira Yoshino en la década de 1980 y comercializada por Sony y Asahi Kasei en 1991. Para la década del 2000, la batería de iones de litio impulsó el desarrollo de vehículos eléctricos capaces de recorrer largas distancias.La electrónica automotriz o los sistemas integrados automotrices son sistemas distribuidos y, según los diferentes dominios del sector automotriz, se pueden clasificar en:

1. Electrónica del motor
2. Electrónica de transmisión
3. Electrónica Chassis
4. Seguridad pasiva
5. Asistencia al conductor
6. comodidad del pasajero
7. Sistemas de entretenimiento
8. Sistemas de cabina integrados electrónicos

En promedio, un auto de la década de 2020 tiene entre 50 y 150 chips, según Chris Isidore de CNN Business.Uno de los componentes electrónicos más exigentes de un automóvil es la unidad de control del motor (ECU). Los controles del motor exigen uno de los plazos de tiempo real más altos, ya que el motor en sí es una parte muy rápida y compleja del automóvil. De todos los componentes electrónicos de cualquier automóvil, la unidad de control del motor tiene la mayor potencia de procesamiento, típicamente un procesador de 32 bits.Un coche moderno puede tener hasta 100 ECU y un vehículo comercial hasta 40.Una ECU del motor controla funciones como:En un motor diésel:

• Tasa de inyección de combustible
• Control de emisiones, control de NOx
• Regeneración de la oxidación catalítica convertidor
• Control de Turbocargar
• Control del sistema de enfriamiento
• Control de tracción

En un motor de gasolina:

• Control de la lambda
• OBD (diagnósticos en el cuerpo)
• Control del sistema de enfriamiento
• Control del sistema de encendido
• Control del sistema de lubricación (sólo algunos tienen control electrónico)
• Control de la tasa de inyección de combustible
• Control de tracción

Muchos otros parámetros del motor se monitorizan y controlan activamente en tiempo real. Hay entre 20 y 50 que miden la presión, la temperatura, el flujo, la velocidad del motor, el nivel de oxígeno y el nivel de NOx, además de otros parámetros en diferentes puntos del motor. Todas las señales de estos sensores se envían a la ECU, que cuenta con los circuitos lógicos necesarios para el control. La salida de la ECU se conecta a diferentes actuadores para la válvula de mariposa, la válvula EGR, la cremallera (en los VGT), el inyector de combustible (mediante una señal modulada por ancho de pulso), el inyector dosificador y más. Hay entre 20 y 30 actuadores en total.Estos controlan el sistema de transmisión, principalmente el cambio de marchas para una mayor comodidad y una menor interrupción del par durante el cambio. Las transmisiones automáticas utilizan controles para su funcionamiento, al igual que muchas transmisiones semiautomáticas con embrague totalmente automático o semiautomático (solo desembrague). La unidad de control del motor y el control de la transmisión intercambian mensajes, señales de sensores y señales de control para su funcionamiento.El sistema de chasis cuenta con numerosos subsistemas que monitorizan diversos parámetros y se controlan activamente:

• ABS – Sistema antibloqueo de freno
• ASR / TCS – Sistema de regulación anti deslizamiento / control de tracción
• BAS – Asistencia para frenos
• EBD – Distribución electrónica de Brakeforce
• EDC – Control electrónico de Damper
• EDS – Deslizador diferencial electrónico
• ESP – Programa de Estabilidad Electrónica
• ETS – Sistema de tracción mejorado
• PA – Asistencia al estacionamiento

Estos sistemas están siempre listos para actuar cuando se produce una colisión o para prevenirla si detectan una situación peligrosa:

• Bolsas de aire
• Control de descenso de colinas
• Sistema de asistencia para el freno de emergencia

• Sistemas de asistencia a distancia
• Sistema de asistencia rápida
• Detección de puntos ciegos
• Sistema de asistencia para el parque
• Sistema de control de cruceros
• Pre-collision Assist

• Control automático del clima
• Ajuste electrónico del asiento con memoria
• Limpiadores automáticos
• Faros automáticos - ajusta el haz automáticamente
• Enfriamiento automático - ajuste de temperatura

• Sistema de navegación
• Audio de vehículos
• Acceso a la información

Todos los sistemas mencionados forman un sistema de infoentretenimiento. Los métodos de desarrollo de estos sistemas varían según el fabricante. Se utilizan diferentes herramientas tanto para el desarrollo de hardware como de software.Se trata de ECU híbridas de nueva generación que combinan las funcionalidades de múltiples ECU: unidad principal de infoentretenimiento, sistemas avanzados de asistencia al conductor (ADAS), panel de instrumentos, cámara trasera/asistente de aparcamiento, sistemas de visión envolvente, etc. Esto permite ahorrar en componentes electrónicos y mecánicos, como interconexiones entre ECU, etc. Además, se ofrece un control más centralizado que permite un intercambio fluido de datos entre los sistemas.Por supuesto, también existen desafíos. Dada la complejidad de este sistema híbrido, se requiere un rigor mucho mayor para validar su robustez y seguridad. Por ejemplo, si la aplicación del sistema de infoentretenimiento, que podría ejecutar un sistema operativo Android de código abierto, sufre una vulneración, podría existir la posibilidad de que hackers tomen el control del vehículo de forma remota y lo utilicen indebidamente para actividades antisociales. Normalmente, se utilizan hipervisores de hardware y software para virtualizar y crear zonas de confianza y seguridad independientes, inmunes a fallos o vulneraciones mutuas. Se está trabajando mucho en este ámbito y es posible que pronto cuente con estos sistemas, si no es que ya lo están.Para minimizar el riesgo de fallos peligrosos, los sistemas electrónicos de seguridad deben desarrollarse de acuerdo con los requisitos aplicables de responsabilidad del producto. El incumplimiento o la aplicación inadecuada de estas normas puede acarrear no solo lesiones personales, sino también graves consecuencias legales y económicas, como la cancelación o retirada de productos del mercado.La norma IEC 61508, de aplicación general a productos eléctricos, electrónicos y programables relacionados con la seguridad, solo cumple parcialmente con los requisitos de desarrollo de la industria automotriz. Por consiguiente, para la industria automotriz, esta norma ha sido sustituida por la actual ISO 26262, publicada actualmente como Borrador Final de la Norma Internacional (FDIS). La ISO/DIS 26262 describe todo el ciclo de vida de los sistemas eléctricos/electrónicos relacionados con la seguridad para vehículos de carretera. Su versión final se publicó como norma internacional en noviembre de 2011. La implementación de esta nueva norma supondrá modificaciones e innovaciones en el proceso de desarrollo de la electrónica automotriz, ya que abarca todo el ciclo de vida del producto, desde la fase de concepción hasta su desmantelamiento.A medida que más funciones del automóvil se conectan a redes de corto o largo alcance, se requiere ciberseguridad para los sistemas contra modificaciones no autorizadas. Con sistemas críticos como los controles del motor, la transmisión, los airbags y los frenos conectados a redes de diagnóstico internas, el acceso remoto podría provocar que un intruso malintencionado altere el funcionamiento de los sistemas o los desactive, lo que podría causar lesiones o incluso la muerte. Cada nueva interfaz presenta una nueva "superficie vulnerable". La misma función que permite al propietario desbloquear y arrancar un coche desde una aplicación de smartphone también presenta riesgos debido al acceso remoto. Los fabricantes de automóviles pueden proteger la memoria de varios microprocesadores de control para protegerlos de cambios no autorizados y para garantizar que solo los centros autorizados por el fabricante puedan diagnosticar o reparar el vehículo. Sistemas como el acceso sin llave se basan en técnicas criptográficas para garantizar que los ataques de "reproducción" o "man-in-the-middle" no puedan registrar secuencias que permitan un posterior acceso no autorizado al vehículo.En 2015, el club automovilístico general alemán encargó una investigación sobre las vulnerabilidades del sistema electrónico de un fabricante, que podrían haber dado lugar a ataques como el desbloqueo remoto no autorizado del vehículo.

• Cellport Systems
• Vetronics
• Sistema avanzado de asistencia al conductor (ADAS)

• William B. Ribbens y Norman P. Mansour (2003). Comprender electrónica automotriz (6th ed.). Newnes. ISBN 9780750675994.

• International Automotive Electronics Congress
• Society of Automotive Engineers
• Laboratorio de Electrónica Vehicular Clemson (Sección Electrónica Automotriz)