La electrónica automotriz son sistemas electrónicos utilizados en vehículos , incluidos la gestión del motor , el encendido , la radio , las computadoras , 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 todo terreno y otras máquinas impulsadas por 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, desde sólo alrededor del 1% de su valor en 1950 hasta alrededor del 30% en 2010. [1] Los coches eléctricos modernos dependen de la electrónica de potencia para el control del motor de propulsión principal, como también lo hacen los sistemas electrónicos. así como gestionar el sistema de baterías . Los futuros automóviles 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 automóvil con tubos de vacío , a partir de principios de la década de 1930. El desarrollo de semiconductores después de la Segunda Guerra Mundial amplió enormemente el uso de la electrónica en los automóviles, con diodos de estado sólido que convirtieron el alternador automotriz en el estándar después de 1960 aproximadamente, y los primeros sistemas de encendido transistorizados aparecieron en 1963. [2]
La aparición de la tecnología de semiconductores de óxido metálico (MOS) condujo al desarrollo de la electrónica automotriz moderna. [3] El MOSFET (transistor de efecto de campo MOS, o transistor MOS), inventado por Mohamed M. Atalla y Dawon Kahng en Bell Labs en 1959, [4] [5] condujo al desarrollo del MOSFET de potencia por parte de Hitachi en 1969. , [6] y el microprocesador de un solo chip de Federico Faggin , Marcian Hoff , Masatoshi Shima y Stanley Mazor en Intel en 1971. [7]
El desarrollo de chips y microprocesadores de circuitos integrados MOS (MOS IC) hizo económicamente viables una serie de aplicaciones automotrices 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, incluida una unidad de control de transmisión (TCU), control de crucero adaptativo (ACC), alternadores , faros automáticos. atenuadores , 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 (climatización). [8]
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, tableros de instrumentos y control del motor. [9] El sistema Ford EEC (Electronic Engine Control), que utilizaba el microprocesador Toshiba TLCS-12 PMOS , entró en producción en masa en 1975. [10] [11] En 1978, el Cadillac Sevilla presentaba 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 cumplieran con los requisitos de economía de combustible y menores emisiones, manteniendo al mismo tiempo altos niveles de rendimiento y comodidad para los conductores. Los automóviles actuales contienen una docena o más de procesadores, en funciones como gestión del motor, control de transmisión, control de clima, frenos antibloqueo, sistemas de seguridad pasiva, navegación y otras funciones. [12]
El MOSFET de potencia y el microcontrolador , un tipo de microprocesador de un solo chip, propiciaron importantes avances en la tecnología de los vehículos eléctricos . Los convertidores de potencia MOSFET permitieron el funcionamiento a frecuencias de conmutación mucho más altas, facilitaron la conducción, redujeron las pérdidas de energía 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 [13] como automóviles , [14] automóviles , [15] camiones , [14] vehículos eléctricos , [3] y automóviles inteligentes . [16] Los MOSFET se utilizan para la unidad de control electrónico (ECU), [17] mientras que los MOSFET e IGBT de potencia se utilizan como controladores de carga para cargas automotrices , como motores , solenoides , bobinas de encendido , relés , calentadores y lámparas . [13] En 2000, el vehículo de pasajeros promedio de gama media tenía un contenido de semiconductores de potencia estimado entre 100 y 200 dólares , un aumento potencial de 3 a 5 veces para 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 . [13]
Otra tecnología importante que hizo posible los coches eléctricos modernos aptos para autopistas es la batería de iones de litio . [18] Fue inventada por John Goodenough , Rachid Yazami y Akira Yoshino en la década de 1980, [19] y comercializada por Sony y Asahi Kasei en 1991. [20] La batería de iones de litio fue responsable del desarrollo de vehículos eléctricos capaces de viajes de larga distancia, en la década de 2000. [18]
La electrónica automotriz o los sistemas integrados 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. [21]
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 más altos en tiempo real, 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 informática de la unidad de control del motor es la más alta, normalmente un procesador de 32 bits. [ cita necesaria ]
Un automóvil moderno puede tener hasta 100 ECU y un vehículo comercial hasta 40. [ cita necesaria ]
Una ECU del motor controla funciones tales como:
En un motor diésel :
En un motor de gasolina:
Muchos más parámetros del motor se monitorean y controlan activamente en tiempo real. Hay alrededor de 20 a 50 que miden presión, temperatura, flujo, velocidad del motor, nivel de oxígeno y nivel de NOx además de otros parámetros en diferentes puntos dentro del motor. Todas estas señales de sensores 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 del acelerador, la válvula EGR, la cremallera (en VGT ), el inyector de combustible (utilizando una señal modulada por ancho de pulso ), el inyector dosificador y más. En total hay entre 20 y 30 actuadores.
Estos controlan el sistema de transmisión, principalmente el cambio de marchas para una mayor comodidad en el cambio 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 del 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 detecta 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 de hardware como de software .
Se trata de ECU híbridas de nueva generación que combinan las funcionalidades de múltiples ECU de unidad principal de infoentretenimiento, sistemas avanzados de asistencia al conductor (ADAS), grupo de instrumentos, cámara trasera/asistencia de estacionamiento, sistemas de visión envolvente, etc. Partes mecánicas/físicas como 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 hay desafíos. Dada la complejidad de este sistema híbrido, se necesita mucho más rigor para validar la solidez y la seguridad del sistema. Por ejemplo, si se viola la aplicación del sistema de información y entretenimiento que podría estar ejecutando 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 potencialmente lo utilicen indebidamente para actividades antisociales. Por lo general, el uso de hipervisores habilitados para hardware y software se utiliza para virtualizar y crear zonas de confianza y seguridad separadas que son inmunes a las fallas o infracciones de cada una. Se está trabajando mucho en esta área y es posible que pronto tengamos dichos sistemas, si es que no lo hemos hecho ya.
Para minimizar el riesgo de fallas peligrosas, los sistemas electrónicos relacionados con la seguridad deben desarrollarse siguiendo los requisitos aplicables de responsabilidad del producto. El incumplimiento o la aplicación inadecuada de estas normas puede provocar no solo lesiones personales, sino también graves consecuencias legales y económicas, como cancelaciones o retiradas de productos .
La norma IEC 61508 , generalmente aplicable a productos eléctricos/electrónicos/programables relacionados con la seguridad, es sólo parcialmente adecuada para los requisitos de desarrollo automotriz. En consecuencia, para la industria automotriz, esta norma es reemplazada por la ISO 26262 existente , actualmente publicada como Borrador Final de Norma Internacional (FDIS). ISO/DIS 26262 describe todo el ciclo de vida del producto de sistemas eléctricos/electrónicos relacionados con la seguridad para vehículos de carretera. Ha sido publicado como estándar internacional en su versión final en noviembre de 2011. La implementación de este nuevo estándar supondrá modificaciones y diversas innovaciones en el proceso de desarrollo de la electrónica del automóvil, ya que cubre el ciclo de vida completo del producto desde la fase de concepto hasta su desmantelamiento.
A medida que se conectan más funciones del automóvil a redes de corto o largo alcance, se requiere ciberseguridad de los sistemas contra modificaciones no autorizadas. Con sistemas críticos como controles del motor, transmisión, bolsas de aire y 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 posiblemente cause lesiones o muertes. Cada nueva interfaz presenta una nueva " superficie de ataque ". La misma instalación que permite al propietario desbloquear y arrancar un automóvil 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 el de entrada sin llave se basan en técnicas criptográficas para garantizar que los ataques de "repetición" o " ataques de intermediario " no puedan registrar secuencias que permitan un posterior robo en el automóvil. [22]
En 2015, el Club Automovilístico Alemán encargó una investigación sobre las vulnerabilidades del sistema electrónico de un fabricante, que podrían haber dado lugar a vulnerabilidades como el desbloqueo remoto no autorizado del vehículo. [23]
Hoy en día, bajo contratos con unas 20 empresas importantes, estamos trabajando en casi 30 programas de productos: aplicaciones de tecnología MOS/LSI para automóviles, camiones, electrodomésticos, máquinas comerciales, instrumentos musicales, periféricos de computadora, cajas registradoras, calculadoras, equipos de transmisión de datos y telecomunicaciones.