Los desafíos y soluciones enfrentados en el desarrollo de la electrificación automotriz

En diversos entornos industriales y de consumo, la electrificación de productos, sistemas y procesos está acelerándose, impulsada por tecnologías electrónicas avanzadas que reemplazan los métodos hidráulicos y neumáticos tradicionales. Entre estas transformaciones, el proceso de electrificación en la industria del transporte es particularmente evidente, con un aumento récord en el número de vehículos equipados con funciones de vanguardia y sistemas de potencia completamente eléctricos. Este artículo presentará el estado actual y las tendencias del desarrollo de la electrificación automotriz, así como las soluciones ofrecidas por Molex.

El camino hacia la electrificación automotriz implica no solo el rápido auge de los sistemas de propulsión puramente eléctricos, reemplazando los motores de combustión interna (ICE) de larga data, sino también un aumento significativo en los componentes eléctricos de los vehículos convencionales. Muchos sistemas clave que anteriormente dependían de estructuras mecánicas ahora utilizan dispositivos electrónicos para optimizar la seguridad y la confiabilidad, como los sistemas de asistencia al frenado y dirección asistida electrónica (EPAS). Actualmente, las soluciones que apoyan los Sistemas Avanzados de Asistencia al Conductor (ADAS) están avanzando rápidamente hacia el objetivo final de la conducción completamente autónoma.

En los últimos años, la cantidad de vehículos eléctricos (EVs) y vehículos eléctricos híbridos (HEVs) a nivel mundial ha ido aumentando constantemente, y se espera que representen el 20% de las ventas de nuevos vehículos para 2025. A pesar de las perspectivas prometedoras, la electrificación automotriz aún enfrenta numerosos obstáculos. Para aprovechar un mercado estimado en $236.3 mil millones (con una tasa de crecimiento anual compuesta del 10.6%), los fabricantes de automóviles todavía enfrentan muchos desafíos, como la proliferación de sistemas y módulos electrónicos que plantean desafíos significativos para la arquitectura eléctrica típica de los vehículos.

Para satisfacer las demandas de los consumidores, el diseño de vehículos de gama alta puede consistir en más de 100 Unidades de Control Electrónico (ECUs). El aumento en el número de ECUs en los vehículos presenta un desafío en cómo conectar, empaquetar y gestionar estos sistemas para transportar comandos críticos y controlar funciones específicas del vehículo. Al dividir el vehículo en múltiples zonas, las funciones pueden asignarse a cada zona y la información puede transmitirse entre zonas según sea necesario. La arquitectura basada en zonas no solo optimiza y reduce la cantidad total de cableado, sino que también integra las ECUs.

Además, con la proliferación de dispositivos electrónicos en automóviles (incluidos tanto vehículos ICE como EV), la gestión térmica se convierte en un desafío crítico. Cuando los dispositivos electrónicos como computadoras o dispositivos móviles se sobrecalientan, se apagan, lo cual puede ser desastroso para vehículos que circulan a alta velocidad en la carretera.

La miniaturización y el aumento del equipo eléctrico requieren una mayor densidad de componentes. En el caso de áreas superficiales reducidas en sistemas miniaturizados, disipar la misma cantidad o más calor en un espacio más pequeño puede conllevar el riesgo de sobrecalentamiento, que debe ser gestionado. Si los dispositivos electrónicos están ubicados dentro de ECUs selladas y situados en áreas de vehículos con entornos extremos (como bajo el capó), el riesgo de sobrecalentamiento puede aumentar. Los sistemas mal diseñados, junto con la alta densidad de circuitos y los requisitos de tamaño compacto de los sistemas de conexión de próxima generación, pueden presentar desafíos en la gestión térmica. Los problemas térmicos en conectores pueden generar preocupaciones relacionadas con la seguridad, la fiabilidad y la vida útil, que deben ser abordadas cuidadosamente durante la fase de diseño del proyecto.

El avance de las tecnologías de electrificación y gestión de energía está provocando un renacimiento científico en el sector energético, donde la tecnología de baterías ahora respalda una variedad de aplicaciones, desde alimentar vehículos eléctricos hasta almacenar energía para usar cuando más se necesita. Los gobiernos están invirtiendo en infraestructura de carga para vehículos eléctricos, modernización de la red, conectividad rural y desarrollo en áreas remotas.

En este renacimiento, han surgido dos temas principales y estrechamente relacionados: electrificación y gestión de energía. En cuanto a la electrificación, las tecnologías que utilizan fuentes de combustible convencionales están siendo complementadas o reemplazadas por sistemas equivalentes alimentados por fuentes de energía renovable. Por otro lado, la gestión de energía se refiere al almacenamiento, monitoreo y distribución de energía.

En primer lugar, mediante la tecnología de redes inteligentes, se logra la modernización de la red, transformando la infraestructura envejecida construida alrededor de plantas de energía tradicionales en redes electrificadas modernas o redes inteligentes. Estas redes están complementadas con fuentes de energía renovable y cuentan con diversos sensores para monitorear de cerca los patrones de uso e identificar fallos en el sistema antes de que se conviertan en problemas más graves, lo que representa una necesidad crítica.

Las redes inteligentes equilibran las ventajas de la energía convencional y la energía renovable. Las fuentes de energía renovable como la solar y la eólica tienen períodos de inactividad, por lo que la incorporación de los Sistemas de Almacenamiento de Energía en Baterías (BESS) a la red general captura energía excedente para su uso posterior. Dado que el consumo total también tiene su ritmo con picos periódicos y períodos de uso no pico, las redes inteligentes pueden asignar energía dónde, cuándo y de qué fuente se necesita más, ya sea convencional, renovable o energía almacenada.

Desde la década de 1950, el modelo de alimentación de 12V ha sido el estándar en la industria automotriz, convirtiéndose en el estándar predeterminado para el diseño de automóviles y componentes. Incluso a medida que las funcionalidades y la electrificación han evolucionado con el tiempo, este estándar ha permitido a los fabricantes de automóviles reducir costos y mantener una arquitectura eléctrica sencilla.

Si bien el estándar de 12V tiene sus ventajas, a medida que los consumidores modernos exigen cada vez más un mejor rendimiento y una mejor experiencia dentro del vehículo, también debe evolucionar. Con la aparición del vehículo definido por software, un cambio hacia arquitecturas híbridas suaves y regulaciones de emisiones cada vez más estrictas, el diseño de 48V se vuelve cada vez más indispensable para satisfacer las demandas de los consumidores y los requisitos regulatorios.

Aunque la transición al estándar de 48V presenta algunos desafíos, los innovadores eléctricos están allanando el camino hacia sistemas más eficientes basados en este nuevo estándar. El cambio hacia un estándar de energía más robusto no puede ocurrir de la noche a la mañana, pero varios factores eléctricos y de consumo clave influirán en la adopción del estándar de 48V por parte de los fabricantes de automóviles para vehículos híbridos suaves y puramente eléctricos. Estos factores clave incluyen la legislación de reducción de emisiones por parte de los gobiernos de todo el mundo y la creciente concienciación de los consumidores sobre la huella de carbono, lo que lleva a fuertes preferencias por los vehículos híbridos, híbridos enchufables (PHEV) y eléctricos de autonomía extendida.

Además, los sistemas de turbocompresores eléctricos utilizan un motor para hacer girar la turbina y aumentar el flujo de aire hacia el motor, mejorando así el rendimiento del motor. En comparación con los sistemas de turbocompresores tradicionales alimentados por sistemas de 12V o 24V, estos sistemas de turbocompresores eléctricos requieren mayor potencia eléctrica. A medida que los sistemas de turbocompresores eléctricos más eficientes y potentes se convierten en estándar, el suministro eléctrico de 48V será crucial.

Los beneficios de ingeniería del estándar de 48V incluyen la reducción del tamaño del paquete, el ahorro de costos de producción, la provisión de mejor funcionalidad, la reducción de emisiones y la mejora de la economía de combustible. Para los consumidores, el estándar de 48V puede mejorar el rendimiento del vehículo, reducir los costos del vehículo y mejorar la maniobrabilidad, haciendo que el desarrollo del estándar de 48V sea cada vez más importante.

Sin embargo, el diseño de 12V está profundamente arraigado en la producción automotriz, por lo que la transición al estándar de 48V será más prolongada de lo esperado. La velocidad de transición depende, en cierta medida, de los cambios en el diseño de los componentes necesarios para cumplir con los requisitos técnicos del sistema de 48V, incluyendo las consideraciones sobre los métodos de producción del propio sistema y la compatibilidad con la infraestructura existente.

Los conectores MX150 Mid-Voltage, introducidos por Molex, tienen como objetivo satisfacer la creciente demanda de sistemas eléctricos de 48 voltios en la industria automotriz. La introducción de soluciones Mid-Voltage permite a los clientes actualizar con confianza sus sistemas eléctricos automotrices con productos de rango medio de voltaje. Estos conectores están basados en el diseño validado MX150, ofreciendo soluciones fiables y probadas en campo para cumplir con los requisitos de conectividad de rango medio de voltaje de la industria del transporte.

El sistema de conectores sellados MX150 ha demostrado en campo ofrecer un rendimiento altamente fiable bajo temperaturas extremas, niveles variables de vibración y exposición a humedad y productos químicos, lo que lo hace adecuado para una amplia variedad de aplicaciones. El sistema de conectores sellados MX150 ofrece opciones de Aseguramiento de Posición del Conector (CPA), ayudando a eliminar desconexiones accidentales entre conectores, y proporciona carcasas con Aseguramiento de Posición de Terminal Preensambladas (TPA) para garantizar que los terminales con engarce estén correctamente bloqueados en el conector, además de incluir una tapa con pasacables para proteger el sello mat y ayudar a asegurar la alineación adecuada de los terminales. El MX150 cumple con el estándar IEC 60664-1 y está certificado para cumplir con los exigentes requisitos de la industria automotriz, incluidos las certificaciones USCAR-2, USCAR-21 y GMW3191.

El MX150 ofrece versiones de fila única y fila doble V0 para cumplir con estrictos requisitos de seguridad, admitiendo el uso de tecnología de sellado de manta para terminales MX150 (1.50mm), lo cual ayuda a eliminar la necesidad de sellos de cable separados, reduciendo el tamaño del embalaje. Su carcasa integrada con un paso de 3.50mm proporciona un conector compacto, ayudando a eliminar costos de ensamblaje. Con una capacidad de voltaje medio de 60V, puede ser actualizado a cableado de 48V, simplificando la actualización a cableado más liviano de 48V utilizando las especificaciones comprobadas del formato MX150.

El MX150 puede utilizarse junto con cableado mejorado de 48V para aplicaciones como iluminación, actualizaciones de motores eléctricos de ventanas o limpiaparabrisas, permitiendo que el cableado automotriz existente de 12V sea actualizado a 48V sin cambiar los tipos de conectores. Al usar el mismo tamaño de empaque y diseño de carcasa que el probado conector MX150, es posible realizar actualizaciones directas desde los conectores existentes MX150, reduciendo los costos de ingeniería al actualizar al cableado de 48V.

El MX150 es el único conector automotriz en el mercado que combina opciones multifuncionales de bajo voltaje con un diseño de conector sellado robusto para una gama de aplicaciones de voltaje medio, compatible con aplicaciones de 48V y hasta 60V. Al pasar de un cableado de 12V a uno de 48V, el conector de voltaje medio MX150 permite a los fabricantes aprovechar el probado y robusto formato MX150 para reducir los costos de ingeniería y diseño. Esto facilita la transición a una arquitectura de cableado de 48V de mayor voltaje, disminuyendo el uso de cobre y el peso al utilizar tamaños de cable más pequeños, mientras se minimiza el tiempo adicional de ingeniería y los costos asociados.

La industria automotriz está experimentando cambios transformadores impulsados por la electrificación, no solo con el rápido desarrollo de vehículos eléctricos, sino también con vehículos tradicionales que incorporan cada vez más una multitud de sistemas electrónicos para mejorar la funcionalidad y la seguridad. Estos cambios presentan desafíos y oportunidades significativas para la industria automotriz. Molex ofrece una variedad de soluciones para ayudar a los clientes a hacer la transición desde los métodos tradicionales existentes, abarcando todas las etapas intermedias, y proporcionando finalmente una amplia gama de productos flexibles líderes en la industria. Estas soluciones abordan desafíos como la arquitectura de particionamiento, gestión térmica, reducción de ruido, entre otros. Además, Molex ha introducido los conectores MX150 de voltaje medio para satisfacer los requerimientos de sistemas eléctricos de 48 voltios, permitiendo a los fabricantes automotrices diseñar y desplegar soluciones más ligeras, de mayor rendimiento, más flexibles y más eficientes.