La electrónica automotriz son los sistemas electrónicos que se utilizan en los vehículos , incluidos la gestión del motor , el encendido , la radio , los ordenadores , la telemática , los sistemas de entretenimiento en el automóvil y otros. La electrónica de encendido, motor y transmisión también se encuentra en camiones , motocicletas , vehículos todoterreno y otra maquinaria impulsada por combustión interna, como carretillas elevadoras , tractores y excavadoras . Los elementos relacionados para el control de los sistemas eléctricos relevantes también se encuentran en los vehículos híbridos y los automóviles eléctricos .
Los sistemas electrónicos se han convertido en un componente cada vez más importante del costo de un automóvil, desde solo alrededor del 1% de su valor en 1950 a alrededor del 30% en 2010. [1] Los autos eléctricos modernos dependen de la electrónica de potencia para el control del motor de propulsión principal, así como para administrar el sistema de batería . Los futuros autos autónomos dependerán de 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 automóviles con tubos de vacío , que comenzaron a utilizarse a principios de la década de 1930. El desarrollo de semiconductores después de la Segunda Guerra Mundial expandió enormemente el uso de la electrónica en los automóviles, y los diodos de estado sólido hicieron que el alternador automotriz se convirtiera en el estándar después de aproximadamente 1960, y los primeros sistemas de encendido transistorizados aparecieron en 1963. [2]
La aparición de la tecnología de semiconductores de óxido de metal (MOS) condujo al desarrollo de la electrónica automotriz moderna. [3] El MOSFET fue inventado en Bell Labs entre 1955 y 1960, después de que Frosch y Derick descubrieran la pasivación de la superficie por dióxido de silicio y usaran su hallazgo para crear los primeros transistores planares, los primeros transistores de efecto de campo en los que el drenaje y la fuente estaban adyacentes en la misma superficie, más tarde un equipo demostró un MOS funcional en Bell Labs. [4] [5] [6] [7] [8] [9] Dawon Kahng resumió en un memorando de Bell Labs el logro: EE LaBate y EI Povilonis, quienes fabricaron el dispositivo; MO Thurston, LA D'Asaro y JR Ligenza, quienes desarrollaron los procesos de difusión, y HK Gummel y R. Lindner, quienes caracterizaron el dispositivo. [10] [11] Esto condujo al desarrollo del MOSFET de potencia por Hitachi en 1969, [12] y al microprocesador de un solo chip por Federico Faggin , Marcian Hoff , Masatoshi Shima y Stanley Mazor en Intel en 1971. [13]
El desarrollo de chips de circuitos integrados MOS (MOS IC) y microprocesadores hizo que una variedad de aplicaciones automotrices fueran económicamente factibles en la década de 1970. En 1971, Fairchild Semiconductor y RCA Laboratories propusieron el uso de chips de integración a gran escala (LSI) MOS para una amplia gama de aplicaciones electrónicas automotrices, incluyendo una unidad de control de transmisión (TCU), control de crucero adaptativo (ACC), alternadores , atenuadores automáticos de faros , bombas de combustible eléctricas , inyección electrónica de combustible , control de encendido electrónico , tacómetros electrónicos , señales de giro secuenciales , indicadores de velocidad , monitores de presión de neumáticos , reguladores de voltaje , control de limpiaparabrisas , prevención electrónica de derrape (ESP) y calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC). [14]
A principios de la década de 1970, la industria electrónica japonesa comenzó a producir circuitos integrados y microcontroladores para la industria automotriz japonesa , utilizados para entretenimiento en el automóvil, limpiaparabrisas automáticos, cerraduras electrónicas, tablero de instrumentos y control del motor. [15] El sistema Ford EEC (Electronic Engine Control), que utilizaba el microprocesador Toshiba TLCS-12 PMOS , entró en producción en masa en 1975. [16] [17] En 1978, el Cadillac Seville presentó una "computadora de viaje" basada en un microprocesador 6802. Los sistemas de encendido e inyección de combustible controlados electrónicamente permitieron a los diseñadores automotrices lograr vehículos que cumplieran con los requisitos de economía de combustible y menores emisiones, al mismo tiempo que mantenían altos niveles de rendimiento y conveniencia para los conductores. Los automóviles actuales contienen una docena o más de procesadores, en funciones como administración del motor, control de transmisión, control de clima, frenos antibloqueo, sistemas de seguridad pasiva, navegación y otras funciones. [18]
El MOSFET de potencia y el microcontrolador , un tipo de microprocesador de un solo chip, condujeron a 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 . [3] Los MOSFET se utilizan en vehículos [19] como automóviles , [20] coches , [21] camiones , [20] vehículos eléctricos , [3] y coches inteligentes . [22] Los MOSFET se utilizan para la unidad de control electrónico (ECU), [23] 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 , calentadores y lámparas . [19] En 2000, el vehículo de pasajeros promedio de gama media tenía un contenido estimado de semiconductores de potencia de 100 a 200 dólares , lo que podría aumentar entre 3 y 5 veces en el caso de los vehículos eléctricos e híbridos . A partir de 2017 [actualizar], el vehículo promedio tiene más de 50 actuadores , generalmente controlados por MOSFET de potencia u otros dispositivos semiconductores de potencia . [19]
Otra tecnología importante que permitió los modernos coches eléctricos capaces de circular por carretera es la batería de iones de litio . [24] Fue inventada por John Goodenough , Rachid Yazami y Akira Yoshino en la década de 1980, [25] y comercializada por Sony y Asahi Kasei en 1991. [26] La batería de iones de litio fue responsable del desarrollo de vehículos eléctricos capaces de viajar largas distancias, en la década de 2000. [24]
La electrónica automotriz o sistemas embebidos automotrices son sistemas distribuidos, y según los diferentes dominios en el campo de la automoción, se pueden clasificar en:
En promedio, un automóvil de la década de 2020 tiene entre 50 y 150 chips , según Chris Isidore de CNN Business. [27]
Una de las partes electrónicas 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 potencia de procesamiento de la unidad de control del motor es la más alta, normalmente un procesador de 32 bits. [ cita requerida ]
Un automóvil moderno puede tener hasta 100 ECU y un vehículo comercial hasta 40. [ cita requerida ]
Una ECU del motor controla funciones como:
En un motor diésel :
En un motor de gasolina:
Muchos otros parámetros del motor se monitorean y controlan activamente en tiempo real. Hay alrededor de 20 a 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 dentro del motor. Todas estas señales de sensor se envían a la ECU, que tiene los circuitos lógicos para realizar el control real. La salida de la ECU está conectada a diferentes actuadores para la válvula de mariposa, la válvula EGR, la cremallera (en los VGT ), el inyector de combustible (usando una señal modulada por ancho de pulso ), el inyector dosificador y más. Hay alrededor de 20 a 30 actuadores en total.
Estos controlan el sistema de transmisión, principalmente el cambio de marchas para una mayor comodidad y para reducir la interrupción del par durante el cambio. Las transmisiones automáticas utilizan controles para su funcionamiento, y también muchas transmisiones semiautomáticas que tienen un embrague totalmente automático o un embrague 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 tiene muchos subsistemas que monitorean varios parámetros y se controlan activamente:
Estos sistemas están siempre preparados para actuar cuando hay una colisión en curso o para prevenirla cuando detectan una situación peligrosa:
Todos los sistemas anteriores forman un sistema de infoentretenimiento. Los métodos de desarrollo de estos sistemas varían según cada fabricante. Se utilizan diferentes herramientas tanto para el desarrollo del hardware como del software .
Se trata de ECU híbridas de nueva generación que combinan las funcionalidades de múltiples ECU de la unidad principal de infoentretenimiento, sistemas avanzados de asistencia al conductor (ADAS), panel de instrumentos, cámara trasera/asistencia de estacionamiento, sistemas de visión envolvente, etc. Esto ahorra el costo de la electrónica, así como de las piezas mecánicas/físicas como las interconexiones entre ECU, etc. También hay un control más centralizado para que los datos se puedan intercambiar sin problemas entre los sistemas.
Por supuesto, también existen desafíos. Dada la complejidad de este sistema híbrido, se necesita mucho más rigor para validar el sistema en cuanto a su robustez, seguridad y protección. Por ejemplo, si se viola la aplicación del sistema de infoentretenimiento, que podría ejecutar un sistema operativo Android de código abierto, podría existir la posibilidad de que los piratas informáticos tomen el control del automóvil de forma remota y lo usen indebidamente para actividades antisociales. Por lo general, se utilizan hipervisores habilitados por hardware y software para virtualizar y crear zonas de confianza y seguridad independientes que sean inmunes a los fallos o violaciones de las demás. Se está trabajando mucho en esta área y es posible que pronto tengamos sistemas de este tipo, si no es que ya los tenemos.
Para minimizar el riesgo de fallos peligrosos, los sistemas electrónicos relacionados con la seguridad deben desarrollarse de acuerdo con los requisitos de responsabilidad del producto aplicables. El incumplimiento o la aplicación inadecuada de estas normas puede dar lugar no solo a lesiones personales, sino también a 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/programables relacionados con la seguridad, sólo es parcialmente adecuada para los requisitos de desarrollo de la industria automotriz. En consecuencia, para la industria automotriz, esta norma se sustituye 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 del producto de los sistemas eléctricos/electrónicos relacionados con la seguridad para vehículos de carretera. Se ha publicado como norma internacional en su versión final en noviembre de 2011. La implementación de esta nueva norma dará lugar a modificaciones y diversas innovaciones en el proceso de desarrollo de la electrónica automotriz, ya que cubre el ciclo de vida completo del producto desde la fase de concepto hasta su desmantelamiento.
A medida que más funciones del automóvil se conectan a redes de corto o largo alcance, se requiere ciberseguridad de 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 dar lugar a que un intruso malintencionado altere el funcionamiento de los sistemas o los desactive, posiblemente causando lesiones o muertes. Cada nueva interfaz presenta una nueva " superficie de ataque ". La misma facilidad que permite al propietario desbloquear y arrancar un coche desde una aplicación de teléfono inteligente también presenta riesgos debido al acceso remoto. Los fabricantes de automóviles pueden proteger la memoria de varios microprocesadores de control tanto para protegerlos de cambios no autorizados como para garantizar que solo las instalaciones autorizadas por el fabricante puedan diagnosticar o reparar el vehículo. Los sistemas como la entrada sin llave se basan en técnicas criptográficas para garantizar que los ataques de "reproducción" o " man in the middle " no puedan registrar secuencias para permitir un robo posterior en el automóvil. [28]
En 2015, el club automovilístico general alemán encargó una investigación sobre las vulnerabilidades del sistema electrónico de un fabricante, que podrían haber llevado a ataques como el desbloqueo remoto no autorizado del vehículo. [29]
Actualmente, bajo contratos con unas 20 empresas importantes, estamos trabajando en casi 30 programas de productos: aplicaciones de la tecnología MOS/LSI para automóviles, camiones, electrodomésticos, máquinas comerciales, instrumentos musicales, periféricos de computadora, cajas registradoras, calculadoras, transmisión de datos y equipos de telecomunicaciones.