Cableado de vehículos autónomos

Aug 07, 2023

Los fabricantes de automóviles y los proveedores se esfuerzan por desarrollar tecnología de conducción automatizada. Foto cortesía de Torc Robotics Inc.

Los componentes clave que hacen posible la conducción automatizada incluyen cámaras, lidar y radar. Ilustración cortesía de la Universidad de Michigan

La demanda de arneses de cableado crecerá con el desarrollo de automóviles automatizados. Foto cortesía de Delphi Automotive

Los sensores y actuadores ubicados alrededor de los automóviles automatizados recopilan y comparten información en tiempo real constantemente. Ilustración cortesía de Audi AG

La industria automotriz está experimentando la mayor transformación en sus 130 años de historia. Los fabricantes de automóviles y los proveedores de todo el mundo se esfuerzan por desarrollar vehículos autónomos. Y están bajo una presión cada vez mayor de personas externas que van desde los gigantes tecnológicos de Silicon Valley hasta los emprendedores emergentes.

Atrapado en medio de todo el alboroto que rodea a la tecnología sin conductor, se encuentra el viejo arnés de cables. Los cables, alambres y sistemas eléctricos de próxima generación desempeñarán un papel clave en el éxito y la seguridad de los automóviles y camiones autónomos. Y, el movimiento para electrificar cada vez más los vehículos ejercerá una nueva presión sobre los ingenieros automotrices.

De hecho, uno de los mayores desafíos para la adopción de automóviles automatizados no es el motor o la transmisión, sino los cables y el cableado. Esto se debe a que los sistemas eléctricos emergentes necesitarán manejar una enorme cantidad de datos de manera rápida y confiable.

Las señales de los sensores a bordo, otros vehículos, la infraestructura vial y los satélites se transmitirán a una computadora de alto rendimiento. Esa computadora, a su vez, transmitirá señales a los sistemas de frenado, dirección y otros sistemas de control.

A medida que los poderosos sistemas eléctricos operen los vehículos, los arneses de cables y alambres serán más importantes que nunca.

"El arnés de cableado llegó para quedarse", afirma Don Price, líder de investigación colaborativa para la asociación de aplicaciones de componentes de cableado eléctrico en el Consejo de Investigación Automotriz LLC (USCAR) de los Estados Unidos, un consorcio técnico cooperativo que presta servicios a FCA Automotive, Ford Motor Co. y General Motors Co.

"La demanda de arneses de cableado crecerá con el desarrollo de automóviles automatizados", dice Price, un ex ingeniero de Ford. "Seguirán siendo la columna vertebral física de todas las comunicaciones punto a punto dentro del automóvil.

"Algunas personas piensan que ese no será el caso, debido a todo lo que se habla sobre los sistemas inalámbricos", agrega Price. "La tecnología inalámbrica solo se aplicará a la comunicación fuera del automóvil, como las redes de vehículo a vehículo".

Ha comenzado la carrera para desarrollar tecnología de conducción "automatizada", que, según la Sociedad de Ingenieros Automotrices (SAE, por sus siglas en inglés), es el término preferido para usar: no autónomo, sin conductor o sin conductor.

El mes pasado, la Cámara de Representantes de EE. UU. aprobó por unanimidad un proyecto de ley (HR 3388) que se espera estimule el desarrollo de automóviles automatizados. La legislación histórica permitirá a las empresas desplegar esos vehículos en las vías públicas más rápidamente y evitará que los estados desaceleren su propagación. Según el proyecto de ley, los fabricantes de automóviles pueden agregar cientos de miles de automóviles automatizados a las carreteras de Estados Unidos en los próximos años.

Los automóviles automatizados también ocuparon un lugar central en el reciente salón del automóvil de Frankfurt, Alemania. Audi presentó el Aicon, mientras que Daimler mostró el EQ y Renault lanzó el Symbioz. Los tres autos conceptuales brindan una idea de hacia dónde se dirige la industria en un futuro no muy lejano.

Algunos de los vehículos más intrigantes bajo los reflectores en Frankfurt el mes pasado promocionaron trenes de potencia totalmente eléctricos. Por ejemplo, el Audi Aicon cuenta con cuatro motores eléctricos y un sistema de carga de 800 voltios.

"Los vehículos eléctricos tienen una arquitectura que se adapta bien a las aplicaciones de conducción automatizada", dice Nick Smith, director de desarrollo comercial de Mentor Automotive, una división de Siemens que proporciona hardware y herramientas de diseño en las áreas de conectividad automotriz, electrificación y arquitectura de vehículos.

A principios de este año, Mentor lanzó la plataforma DRS360, que es una herramienta para diseñar sistemas eléctricos y electrónicos para aplicaciones de conducción automatizada.

"Los automóviles autónomos dependerán de una red compleja de sistemas de seguridad avanzados, incluidos actuadores, microprocesadores y miles de sensores", explica Smith. "Los trenes de potencia electrificados agregan una carga de complejidad adicional. Los ingenieros tienen que diseñar sistemas eléctricos automáticos para automóviles para aplicaciones de alto voltaje".

Durante la próxima década, más y más autos eléctricos saldrán a la carretera. La alianza Nissan-Renault-Mitsubishi planea lanzar 12 vehículos eléctricos puros para 2022. Volkswagen afirma que los 300 modelos de su línea tendrán versiones eléctricas para 2030. Y Volvo dice que dejará de producir vehículos propulsados ​​por motores de combustión interna para fines de esta década.

Muchos proveedores de primer nivel también se están preparando para la era del automóvil automatizado. Están invirtiendo en empresas que se especializan en tecnología de próxima generación, como lidar, un sistema de sensores basado en luz láser que, en combinación con cámaras y radares, permite la conducción automatizada. Delphi Automotive se asocia con Innoviz Technologies, mientras que Magneti Marelli adquirió recientemente una participación en LeddarTech.

Otros componentes que harán realidad la conducción automatizada incluyen plataformas informáticas de alto rendimiento, sistemas de actuación robustos, cámaras térmicas, sensores ultrasónicos y sensores infrarrojos.

"La forma en que un vehículo reacciona ante una situación depende de lo que ve y escucha a través de sus sensores", dice Glen De Vos, director de tecnología de Delphi Automotive. "Se requieren tres tipos básicos de tecnologías de percepción: visión (cámaras), lidar y radar.

"Cada sensor tiene sus puntos fuertes", explica De Vos. "El radar no se ve afectado por el clima. Lidar proporciona información muy precisa sobre el alcance y la distancia. La visión proporciona precisión en la clasificación de objetos.

"Al combinar los tres, el sistema puede generar una vista completa de lo que hay alrededor del vehículo, agregando seguridad y confianza redundantes", señala De Vos.

Los ingenieros automotrices están trabajando para lograr varios niveles de autonomía. Su objetivo a largo plazo es ir mucho más allá de los vehículos actuales, que están equipados con muchos tipos de sistemas avanzados de asistencia al conductor, como control de crucero adaptativo, frenos antibloqueo y advertencia de cambio de carril.

El siguiente paso es permitir que los conductores renuncien al control de las funciones críticas para la seguridad de un vehículo, según el tráfico y las condiciones ambientales.

La SAE ha designado seis niveles de sistemas de conducción automatizada, que van desde la ausencia de automatización (Nivel 0) hasta la automatización total de la conducción (Nivel 5).

El nivel 3 se refiere a la conducción altamente automatizada en la que el conductor aún debe poder tomar el control del vehículo a pedido. La automatización de nivel 4 significa que un automóvil puede manejar la mayoría de las situaciones de manejo por sí mismo. El santo grial es el nivel 5: automatización completa en cualquier tipo de condición de manejo.

Los fabricantes de automóviles están compitiendo por los derechos de fanfarronear. Por ejemplo, Audi afirma que su sedán de lujo A8 2018 es el primer automóvil de producción del mundo en ofrecer autonomía de nivel 3. La compañía planea tener un automóvil de Nivel 4 disponible para 2020.

Otros fabricantes de automóviles están adoptando un enfoque más cauteloso. Por ejemplo, Honda tiene la intención de tener vehículos capaces de conducir en autopistas de nivel 3 en el mercado para 2020. No espera tener autos con capacidad de nivel 4 listos hasta 2025.

Según el Centro de Investigación Automotriz, la mayoría de los vehículos de Nivel 5 estarán disponibles comercialmente para 2030, aproximadamente 10 años después de que los vehículos de Nivel 4 salgan a la carretera por primera vez.

Algunas predicciones son aún más audaces. RethinkX, un grupo de expertos de Silicon Valley, predice que "una de las interrupciones del transporte más rápidas, profundas y trascendentales de la historia" ocurrirá en la próxima década. Sin embargo, la realidad aleccionadora es que muchos obstáculos regulatorios, legales y de infraestructura aún deben ponerse al día con la tecnología de conducción automatizada.

No importa cuándo comiencen a producirse en masa los automóviles automatizados, una cosa es cierta: la conectividad eléctrica será fundamental. Los ingenieros automotrices primero deben encontrar una manera de hacer que todos los componentes funcionen perfectamente dentro de una arquitectura que pueda manejar cargas eléctricas mucho más pesadas.

"Los sistemas de nivel 5 requerirán al menos de 40 a 50 teraflops de potencia informática, que es 20 veces más de lo que tienen los vehículos actuales", dice De Vos. “Dentro de unos años, tendremos que mover la información 10 veces más rápido que hoy. Va a haber una gran transformación, que dará como resultado un arnés de cableado más complejo”.

"Los sensores necesarios para la conducción automatizada requieren una resolución mucho más alta y proporcionan una cantidad significativamente mayor de datos", agrega Sam Abuelsamid, analista senior de Navigant Research. "Por ejemplo, un sensor de velocidad de la rueda que se usa para los frenos antibloqueo proporciona un único punto de datos digital con una resolución de no más de 256 bits. Por otro lado, un sensor lidar suele proporcionar 300 000 o más puntos por segundo.

"La fiabilidad de la señal para los vehículos automatizados también es mucho más crucial", explica Abuelsamid. "Con los sistemas tradicionales, si falla una conexión eléctrica, el subsistema puede desactivarse, pero el conductor aún tiene el control total. En un automóvil automatizado, eso puede no ser cierto si no hay controles para los ocupantes humanos.

“A medida que evolucionamos hacia vehículos automatizados, necesitaremos un ancho de banda de datos significativamente mayor dentro de la red del vehículo, lo que probablemente requerirá conectividad Ethernet”, advierte Abuelsamid. "El cableado y las conexiones deberán ser mucho más robustos y confiables o tener redundancia adicional".

"Debido a todas las velocidades de datos más rápidas y anchos de banda más altos, se usará más cable coaxial y cableado de par trenzado en automóviles automatizados", dice Price de USCAR. "Algunas estimaciones requieren más de 40 cables coaxiales por vehículo solo para usar con antenas, cámaras y conexiones Ethernet. Eso requerirá un gran cambio en el proceso de ensamblaje".

El cableado de par trenzado sin blindaje tiene la ventaja de proporcionar resistencia a la conductividad electromagnética sin un blindaje costoso y pesado.

"Permite un radio de curvatura más estrecho para mejorar la gestión de cables en sistemas de alta densidad", explica Pete Doyon, vicepresidente de gestión de productos de Schleuniger Inc., que suministra equipos de procesamiento de cables a muchas empresas que desarrollan sistemas de conducción automatizados, incluidos nuevos jugadores como como Uber.

"El diseño de par trenzado también ayuda a reducir drásticamente los problemas de terminación", agrega Doyon. "Los cables están inherentemente balanceados y brindan una mejor confiabilidad mecánica que los productos de pares paralelos".

"Los automóviles automatizados también aumentarán la complejidad general de los arneses de cableado", señala Doyon. "La cantidad de datos que se generará será fenomenal para que los sistemas informáticos a bordo tomen decisiones de vida o muerte en una fracción de segundo. Los cables de datos y señales se convertirán en una pieza más crítica del rompecabezas".

Según Doyon, muchos dispositivos requerirán más de un solo cable. Se conectarán con cables multiconductores debido a los requisitos de salida. Eso aumentará el tamaño y el peso total de los arneses de cableado.

"En lugar de tener una docena de arneses más pequeños que se conectan entre sí, la industria automotriz ahora usa arneses mucho más grandes", dice Doyon. "Los arneses súper grandes reducen la cantidad de conectores y terminales que se necesitan".

Con los sistemas de conducción automatizada, fallar no es una opción. Un componente que deja de funcionar o funciona de forma intermitente podría provocar un accidente mortal. Como resultado, las primeras generaciones de automóviles automatizados contarán con sistemas redundantes.

"De esa manera, una falla no causará un incidente catastrófico", dice Doyon. "Sin embargo, eso también significa que habrá más cables y circuitos eléctricos, lo que creará desafíos de peso y espacio".

"El peso y el espacio de instalación son los requisitos más importantes de nuestros clientes", dice Bernd Buhmann, vicepresidente senior de marketing de Leoni AG, un proveedor líder de arneses de cableado para automóviles. "Para los autos autónomos, es más crítico limitar el peso y el espacio necesarios para integrar todas las nuevas funcionalidades.

“Los autos autónomos generan más datos y necesitan más datos”, explica Buhmann. "El automóvil debe poder reaccionar ante esos temas. Esos automóviles necesitan fuentes de alimentación redundantes y tienen que conectar muchos más sensores dentro del vehículo".

"Para la distribución de datos y energía, se necesitan dispositivos más inteligentes que utilicen nuevos componentes electrónicos para fusionar y cambiar la energía", agrega Buhmann. "Los métodos para calcular las tasas de falla para aplicaciones críticas para la seguridad aún no existen y deben desarrollarse".

"Hoy en día, una gran cantidad de alambre que se usa para aplicaciones automotrices es de calibre 26", dice Doyon. "Muchas personas se sienten cómodas cortando, pelando y engarzando ese tamaño de cable. Sin embargo, ahora estamos empezando a ver más interés en cables de calibre 28 más pequeños, especialmente para aplicaciones de señales y datos.

"Desafortunadamente, los terminales pequeños aún no están disponibles para aplicaciones automotrices que involucran cables de ese tamaño", señala Doyon. "Tienes que doblar el extremo del cable por la mitad para obtener más sección transversal para que quepa en una terminal más grande".

A medida que comiencen a surgir automóviles automatizados, también habrá una creciente demanda de alambre de aluminio para abordar los problemas de aligeramiento.

"Muchos fabricantes de automóviles ya se han pasado al aluminio para cables grandes que se usan con baterías y otras aplicaciones que requieren algo más grande que el calibre 10", dice Doyon. "Sin embargo, los calibres más pequeños de alambre de aluminio presentan numerosos desafíos, como problemas de fragilidad y oxidación después de pelar el aislamiento.

"El aluminio es muy blando, dúctil y maleable", añade Doyon. "Tiende a relajarse, lo que dificulta su procesamiento.

"Sin embargo, se están realizando muchos esfuerzos de I+D en la industria automotriz", señala Doyon. "Actualmente estamos trabajando con muchos proveedores de arneses de cableado para hacer que el aluminio sea una opción viable para su uso en automóviles automatizados".