Sensores para la Nueva Movilidad

Jun 23, 2023

A medida que los fabricantes de automóviles se alejan del motor de combustión interna (ICE) hacia diseños híbridos y a batería (xEV), la esfera de implementación que ocupan los sensores dentro de estos diseños se está expandiendo. Según IHS Markit, la cantidad de modelos distintos de xEV probablemente aumentará de la cifra actual de aproximadamente 335 a 800 para 2030. La legislación, los incentivos gubernamentales y las infraestructuras de carga mejoradas brindan un estímulo adicional. Los fabricantes de automóviles deben establecer asociaciones industriales en un plazo relativamente corto para incorporar con éxito estas nuevas tecnologías de sensores en sus diseños. La cartera de sensores unificados de TDK ofrece un conjunto completo de sensores perfectamente adecuados para aplicaciones automotrices. La cartera abarca tanto el ICE tradicional como los requisitos xEV ampliados. Éstas incluyen:

Dentro de un vehículo, existen mecanismos de retroalimentación de circuito cerrado para monitorear y controlar procesos mecánicos, electrónicos o electromecánicos. El sensor, o una combinación de sensores, produce la entrada a dichos sistemas y proporciona datos relacionados con el proceso que está monitoreando. Estos datos podrían estar en forma de datos de rotación en el caso de ruedas, ejes y motores, por ejemplo. Otros sistemas de retroalimentación dentro de un vehículo controlan la temperatura, el flujo de corriente y la presión. Aquí, sensores específicos o combinaciones de sensores (fusión de sensores) proporcionan los datos de medición relevantes.

Sensores TMR Los sensores de magnetorresistencia de túnel (TMR) tienen múltiples aplicaciones dentro de un vehículo. Se pueden utilizar para detectar el par o el ángulo del volante, la posición del motor/eje, los sistemas de frenos 'eCaliper' y el accionamiento del limpiaparabrisas. La serie TAS de sensores TMR presenta un alto rendimiento, bajo consumo de energía, buena precisión angular y variaciones de baja temperatura. El elemento TMR se compone de tres capas: una capa magnética fija y una capa libre, separadas por una capa barrera (hecha de un aislante delgado). La magnetización de la capa libre cambia con el campo magnético externo al que está expuesta. Cuando el campo magnético de las dos capas está alineado, la resistencia eléctrica del elemento es baja. Por el contrario, la resistencia es alta cuando el campo magnético de las dos capas está en oposición.

Sensores de pasillo Los sensores Hall detectan las diferencias de voltaje resultantes que fluyen dentro de un semiconductor cuando se le aplica un campo magnético perpendicular. De esta forma, el interruptor Hall compara la intensidad del campo magnético medido con un nivel predefinido o un nivel programable en el sensor. Una vez que se supera este nivel (el punto de conmutación), la salida del sensor cambia. TDK ofrece opciones programables y fijas dentro de sus familias de interruptores Hall. Los interruptores Hall se pueden usar, en combinación con un imán permanente, para medir indirectamente variables como la rotación, la velocidad, la distancia, la presión, el ángulo y los niveles de fluidos. La tecnología de celdas de píxeles 3D HAL® de TDK es el núcleo de los sensores de ángulo directo HAL 39xy para la medición de campos magnéticos multidimensionales. Estos sensores miden con precisión los campos magnéticos y son insensibles a los campos dispersos. El concepto único se basa en una variedad de placas Hall. Los sensores de posición 3D programables HAL 3930, por ejemplo, cuentan con una interfaz PWM/SENT o SPI incorporada.

La gestión térmica de las baterías, los circuitos de carga y los componentes del tren de transmisión en los xEV es un excelente ejemplo de la esfera ampliada en la que los sensores juegan un papel fundamental. Para la máxima autonomía de los vehículos eléctricos, los componentes críticos del tren motriz tienen que operar en diferentes rangos de temperatura. La batería requiere temperaturas mucho más bajas que el inversor de corriente, mientras que los imanes del motor pierden su fuerza cuando hace calor. Para el enfriamiento, hasta ocho válvulas electrónicas controladas por bus LIN dirigen el líquido refrigerante a estos componentes. Estas válvulas pueden ser controladas por los controladores de motor integrados HVC 4223F junto con los sensores de posición 3D HAL 3930. Mientras que el HVC 4223F acciona directamente los motores del actuador, el HAL 3900 proporciona retroalimentación de posición para cerrar el circuito de control.

Sensores de temperatura Los sensores de temperatura deben analizar con precisión y reaccionar rápidamente a las fluctuaciones en estas áreas para evitar la fuga térmica y el consiguiente riesgo de incendio. Las altas corrientes que fluyen al conducir o cargar un BEV pueden ser tales que un ligero aumento en la resistencia de contacto dentro de un conector puede manifestarse como un aumento de temperatura devastador dentro de él (Pv = I2 R). TDK ha desarrollado un sensor de temperatura que se monta directamente en el conector entre la batería del vehículo y el inversor. Este punto caliente es el área con mayor probabilidad de calentarse durante un flujo de corriente alto.

Los sensores de la serie NTCG y la serie B57xxxV5 están empaquetados en una carcasa robusta y versátil diseñada para formar parte del núcleo del conector. El sensor cuenta con un elemento de coeficiente de temperatura negativo (NTC) montado dentro de una carcasa de cerámica, que ofrece una alta temperatura de funcionamiento y un alto aislamiento eléctrico. Colocar el sensor de esta manera optimiza la velocidad con la que puede detectar cualquier fluctuación de temperatura. Esto, a su vez, permite que los circuitos de carga o de transmisión reaccionen rápidamente y mitiguen los aumentos de temperatura al limitar las corrientes que fluyen a través de ellos.

Sensores de presión Los sensores de presión, como la serie C43/C44, que miden la presión dentro de las celdas de iones de litio, son una característica igualmente importante en el sistema de administración de batería (BMS) xEV. Realizan un seguimiento de las presiones de trabajo e informan aumentos anormales de presión al BMS. Los tiempos de respuesta de tales sensores pueden detectar e informar aumentos de presión dentro de una celda que surgen de un evento térmico más rápidamente que los sensores de temperatura solos.

Además de los cambios sísmicos en el diseño de automóviles que representa la transición a la movilidad eléctrica, los sistemas avanzados de asistencia al conductor (ADAS) están evolucionando en términos de confiabilidad y funcionalidad a medida que avanzan hacia niveles más altos de autonomía de conducción. Los sensores son fundamentales para la integridad de tales sistemas, a menudo trabajando en combinación (fusión de sensores); le dan al sistema una visión confiable, precisa y completa de los alrededores de un vehículo. Estos sistemas están sujetos a la vibración del vehículo y sus salidas se benefician de la estabilización electrónica. El uso de una unidad de medición inercial (IMU), como la IAM-20680, compensa el sistema de vibraciones extrañas y mejora sus resultados en consecuencia. Al mejorar la calidad de las imágenes producidas por los diversos elementos de detección, LIDAR, radar y cámaras, se puede mejorar la precisión del sistema. Las IMU también proporcionan datos de ubicación precisos para sistemas e infraestructura V2V de vehículo a vehículo. Además, el uso de IMU mejora los sistemas de posicionamiento en casos de navegación a estima, por ejemplo, al viajar debajo de un túnel o en una ciudad densamente poblada. Aquí, las señales GPS/GNSS convencionales pueden no estar disponibles o no ser confiables.

El uso de sensores y componentes electrónicos dentro de la cabina sirven para mejorar la comodidad y la seguridad de los ocupantes. Los asientos se pueden ajustar automáticamente para diferentes conductores, los limpiaparabrisas se encienden automáticamente cuando llueve y las luces se encienden cuando está oscuro o el automóvil está en un túnel. La IMU de alta calidad estabiliza las imágenes visuales de las cámaras de marcha atrás, mejorando la experiencia de conducción y la precisión del ADAS. Todos estos sistemas avanzados basados ​​en sensores sirven para mejorar la concentración del conductor al limitar las distracciones.

La interfaz hombre-máquina (HMI) entre el conductor y la máquina está cambiando. Los comandos de voz, el control de gestos y las respuestas hápticas forman parte de esta nueva interfaz en la cabina digital. A medida que avanzamos hacia niveles más altos de autonomía, las nuevas tecnologías encabezan mecanismos alternativos de notificación y control dentro de la cabina. TDK ofrece una variedad de sensores de movimiento MEMS y micrófonos en su gama SmartAutomotive™, diseñados y probados específicamente para el mercado automotriz. Los micrófonos MEMS eliminan el ruido de la carretera a través del control activo de ruido de la carretera (RANC) y mejoran la confiabilidad de los sistemas activados por voz.

Los actuadores piezoeléctricos, PowerHap™, transmiten sensaciones táctiles a los conductores, también conocidas como retroalimentación háptica, que es una tecnología cada vez más utilizada en las pantallas táctiles de los vehículos. Mejora la sensación de realismo cuando se usan funciones de infoentretenimiento, como botones digitales y otros controles, para una operación más confiable. Además de la tecnología táctil en la que el conductor puede distraerse mirando la pantalla, está el control de gestos mediante sensores ultrasónicos.

Los sistemas de gestión de la presión de los neumáticos no son una característica nueva en los diseños de automóviles. Sin embargo, hay mucha más información disponible sobre "dónde el caucho se encuentra con la carretera" más allá de la presión. El TDK InWheelSense™ es una nueva tecnología escalable que puede medir con precisión muchos parámetros "en la rueda" y "fuera de la rueda". La temperatura de la pared del neumático, las condiciones de la superficie de la carretera y las condiciones de alineación de las ruedas son solo algunas de las posibilidades. Esta plataforma de sensores piezoeléctricos escalable entrega datos al vehículo o a servicios conectados a la nube, cada vez más significativos a medida que aumentan los niveles de autonomía de conducción.

El papel que juegan los sensores y dispositivos electrónicos en los diseños de vehículos modernos se está expandiendo rápidamente. Los vehículos eléctricos requieren un control sensible de la temperatura y la corriente en sus circuitos de carga y transmisión, lo que abre un nuevo ámbito de implementación de sensores.

TDK ofrece un conjunto completo de sensores adecuados para aplicaciones automotrices combinados con una gran experiencia para ofrecer orientación y asistencia para ayudar a los fabricantes de automóviles y proveedores de primer nivel con la implementación. TDK se esfuerza por formar asociaciones constructivas y agradece las consultas en este sentido de aquellos que buscan mejorar el rendimiento de las aplicaciones de sensores actuales o diseñar sensores para nuevas aplicaciones, o ambos.