Híbridos y Eléctricos

Cómo los avances en los sistemas de automoción están cambiando los requisitos de los componentes pasivos

La industria del automóvil se encuentra en un periodo de cambios rápidos. Los fabricantes de coches tienen que adaptarse a múltiples retos coincidentes como la presencia de nuevos competidores en el mercado, el cumplimiento de estándares de emisiones todavía más rigurosos, la electrificación de los vehículos y el movimiento hacia plataformas de movilidad, así como a las demandas de los clientes de mejoras en seguridad, autonomía y conectividad.

Las buenas noticias para los fabricantes de componentes pasivos se encuentran en que la respuesta a esos desafíos demanda una electrónica adicional y más sofisticada, donde sus productos desempeñan una amplia variedad de papeles esenciales.

Según un estudio de McKinsey, los fabricantes de automóviles se enfrentarán a cuatro grandes retos que también establecerán el contexto de los proveedores de componentes para automoción, al menos, hasta 2025.

El primero es el aumento de la complejidad y la presión sobre el coste provocado por los estándares de seguridad y medioambientales cada vez más restrictivos, la tendencia de crear más derivados de cada plataforma de vehículo para servir a mercados nicho y la necesidad de mantener el desarrollo de opciones de trenes de potencia alternativos para responder a la futura demanda no definida.

El segundo gran desafío, de acuerdo con McKinsey, radica en acercar lo más posible al fabricante de vehículos y sus cadenas de suministro asociadas a los mercados emergentes de rápido crecimiento, cuya cuota de mercado ya supera el 60 por ciento. Esto también crea una demanda de nuevos modelos para satisfacer las preferencias locales (coches de mayor o menor tamaño).

El tercer reto nos lleva a la revolución digital, que está cambiando las expectativas de los clientes acerca del interior de los vehículos. Donde antes se vendía un SUV, en parte, por contar con portavasos, hoy la elección correcta de conexiones para teléfonos móviles, tabletas y conectividad a Internet se ha vuelto igual o más importante.

El cuarto desafío hace referencia al cambio del panorama del sector de la automoción, en el que los fabricantes de componentes suministran más contenido de valor añadido al vehículo, la producción se mueve a los mercados con mayor crecimiento (por lo que el mercado europeo se está reestructurando) y los nuevos participantes, como los fabricantes chinos de vehículos eléctricos o Apple, Google y Uber, suponen otro reto.

Impulsores para un mayor uso de componentes pasivos

¿Qué significan estas tendencias macroeconómicas y de toda la industria para los fabricantes y los compradores de componentes pasivos? Muchas compañías de inteligencia de mercados, de diversa credibilidad, ofrecen informes de análisis de tendencias, previsiones e información de expertos. En conjunto, pintan una imagen de un sector del automóvil que está aumentando el contenido de la electrónica en cada vehículo que fabrican, y aplican la electrónica a una creciente variedad de tareas, no sólo a características emergentes como la autonomía del vehículo.

Por ejemplo, la “presión” de los clientes y los organismos reguladores para mejorar la seguridad de los conductores, los pasajeros y los peatones provoca una ola de innovación que, en cambio, demanda un mayor uso de componentes pasivos.

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Pie de foto: Expectativa de ventas globales de vehículos hasta 2024. (Fuente: AlixPartners)

A largo plazo, la incorporación de sistemas avanzados de ayuda a la conducción (ADAS), como el asistente de cambio de carril o el control de distancia automático, que aumentan los niveles de autonomía del vehículo, también requieren la presencia de componentes pasivos. Los sistemas ADAS cada vez más sofisticados están preparando el escenario necesario para incrementar la autonomía del vehículo mediante la introducción de sistemas de radar para control de crucero y advertencia de colisión, múltiples sistemas de cámaras para interpretar el entorno circundante, ultrasonidos para la detección de proximidad y LIDAR para proporcionar otra vista del entorno de conducción con la que correlacionar otras entradas.

De nuevo, cada uno de estos dispositivos necesita integrar componentes pasivos para acondicionar el sensor y proporcionar la mejor operación posible, así como estabilizar la fuente de alimentación y garantizar que los datos del sensor se transmiten satisfactoriamente a cualquier sistema centralizado que interpreta sus señales y actúa sobre ellas. ResearchandMarkets.com estima que el mercado global para los componentes relacionados con ADAS y la conducción autónoma crecerá a un ritmo anual del 22,31 por ciento hasta 2028.

Por lo tanto, los esfuerzos para mejorar la seguridad en la conducción están contribuyendo a incrementar la demanda de una amplia variedad de sensores en sistemas de frenado, control de distancia automático, detección de ángulos muertos, aviso de cambio de carril e incluso atención del conductor.

Los sistemas de info-entretenimiento también requieren más componentes pasivos. Lo que solía ser un salpicadero ha evolucionado en un centro de información y entretenimiento combinado que se espera que comparta o no se quede muy atrás de los diseños vanguardistas de teléfonos inteligentes y tabletas. Los compradores de un vehículo esperan sistemas de navegación sofisticados, monitorización exhaustiva, reproducción multimedia, capacidad de integración de los dispositivos personales (Android Auto y Apple CarPlay) y, cada vez más, conectividad para acceso a internet de los pasajeros y servicios como el sistema OnStar.

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Pie de foto: Los salpicaderos se han convertido en sistemas de info-entretenimiento, como este usado en un coche Tesla. (Fuente: Tesla) -

La creciente complejidad de los sistemas de info-entrenimiento es igualada, si no superada, por la creciente complejidad de los sistemas más discretos, como las centralitas (ECU), los controladores de la carrocería y los innumerables subsistemas que gestionan desde el sistema remoto sin llave a la seguridad del vehículo. Todos juntos forman una red distribuida compleja de sensado, informática y control que tiene que estar sincronizada con las estructuras de bus sofisticadas, sobre aquellas señales que envían y reciben los transceptores. Los analistas del mercado estiman que se suministrarán más de siete mil millones de transceptores de automoción en 2024, muchos de los cuales se usarán en la gestión de los trenes de potencia del motor de combustión interna (ICE), con la misión de aumentar el control de las emisiones y el ahorro.

La transición a los trenes de potencia híbridos y totalmente eléctricos vuelve a respaldar la demanda de componentes pasivos. Los vehículos híbridos necesitan ECU que controlen el cambio entre la conducción eléctrica y el ICE, así como las estrategias de freno regenerativo (KERS) y carga de batería. Los coches totalmente eléctricos sustituyen la complejidad de gestión de un tren de potencia híbrido por la necesidad de garantizar una autonomía predecible, una recarga rápida y un buen rendimiento de la tecnología de batería todavía en evolución.

Todo esto requiere funciones de sensado, comunicaciones robustas y el uso intensivo de los dispositivos de electrónica de potencia, así como su circuitería correspondiente para poder gestionar el flujo de cantidades muy grandes de energía eléctrica. Así, por ejemplo, Murata calcula que el número de condensadores cerámicos multicapa utilizados en cada vehículo pasará de entre mil a tres mil (como sucede ahora) a unos ocho mil cuando los trenes de potencia sean completamente eléctricos.

Componentes pasivos para el sector del automóvil

Los componentes pasivos para automoción tienen que trabajar duro. Deben ofrecer una fiabilidad muy alta para que funcionen correctamente durante la vida útil de un vehículo y en rangos de temperatura extremos, desde el frío polar al calor desértico. Y deben hacer todo esto mientras sobreviven a los choques mecánicos y las vibraciones complejas; los ciclos térmicos frecuentes; la interferencia eléctrica, electrostática y electromagnética; la exposición constante a la humedad y los solventes; y el posible estrés mecánico debido a la flexión de las placas de circuito impreso o PCB.

La industria de la electrónica de automoción ha respondido a esta lista detallada de retos definiendo un estándar de pruebas de estrés para los componentes pasivos, conocido como AEC-Q200. Cubre todos los aspectos antes mencionados, así como cuestiones de producción como la capacidad de soldadura y la resistencia al calor de la soldadura. A pesar de que AEC-Q200 perece completo, algunos fabricantes aplican test estadísticos más profundos a sus lotes de producción con la misión de asegurar niveles superiores de fiabilidad del componente.

Como otro ejemplo, Panasonic ofrece su serie EEH-ZE de condensadores electrolíticos de aluminio híbridos para uso en el filtrado de las entradas y las salidas de los convertidores de potencia y los reguladores de tensión y para el desacople de potencia y batería. Estos diseños, que son compatibles con AEC-Q200, operan de -55 a +145 °C, tienen una resistencia térmica de 2000 horas a 145 °C, pueden soportar elevadas corrientes de rizado y poseen resistencias serie equivalentes (ESR) bajas.

Mientras, Nichicon proporciona los condenadores electrolíticos de aluminio UBY para uso en sistemas de dirección asistida y de inyección directa. Estos modelos ofrecen capacidades superiores y resisten corrientes de rizado mucho más elevadas que otros condensadores electrolíticos. Para esto, las unidades UBY se encuentran disponibles con valores de capacidad de 160 a 12.000 μF, con una tensión de 25 a 100 V y una temperatura de -40 a +135 °C.

El desafío de la fiabilidad está creciendo una vez que los fabricantes de automóviles se están moviendo desde sistemas de alimentación de 12 VDC a otros de 48 VDC, que pueden descargar a los motores al alimentar los subsistemas de dirección, frenos, bombas de agua, refrigeración del radiador y aire acondicionado. Así pues, los diseñadores de electrónica de automoción tienen que especificar y encontrar los componentes pasivos que soporten tensiones, corrientes y temperaturas elevadas de manera fiable durante un largo periodo de tiempo. Esto puede tener consecuencias en sus procesos de fabricación si, por ejemplo, se requiere un cambio del uso de los componentes de montaje superficial a otros radiales-plomados que tienen que someterse a una soldadura por onda.

Este reto continuará debido a que la industria vira hacia la electromovilidad (e-mobility). TDK sigue respondiendo a las necesidades del sector de la automoción con su gama de condensadores CeraLink en encapsulados de bajo perfil, que pueden actuar como supresores de corriente de rizado, condensadores de enlace DC (DC link) y amortiguadores (snubbers). Estos componentes pasivos han sido diseñados para uso en fuentes de alimentación de conmutación rápida e inversores, lo que es posible gracias a la disponibilidad de nuevos IGBT y MOSFET, donde las resistencias e inductancias serie equivalentes bajas resultan importantes.

Estos son algunos ejemplos de cómo la industria de los componentes pasivos se está adaptando a los múltiples desafíos a los que se enfrentan sus clientes del sector del automóvil en continua evolución. Los diseñadores de electrónica de automoción pueden estar seguros de que, a pesar de que los vehículos se vuelven más complejos, sus proveedores están trabajando arduamente para garantizar que tengan los componentes necesarios y alcancen el éxito en este entorno de diseño cada vez más desafiante.

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