La industria del automóvil se encuentra en una de las mayores transformaciones de su historia. Esto no solo afecta a la electromovilidad, sino también a las arquitecturas eléctricas/electrónicas (E/E). Si nos fijamos en la tendencia del SDV («Software-defined Vehicle»: un vehículo cuyas propiedades y funciones son posibles básicamente gracias al software, es decir, un dispositivo electrónico basado en software con ruedas), se hace patente la inmensa diferencia con respecto a los vehículos de hoy en día, que cuentan con hasta 100 equipos de control y en los que, por ejemplo, es prácticamente imposible actualizar el software «over the air». Con estas condiciones, resulta muy difícil imaginar una estructura de procesamiento central que integre todos los sensores y actuadores.
Para hacer realidad un vehículo con conducción autónoma se necesita una cantidad enorme de cables con longitudes considerables, que han de tenderse por todo el vehículo. Por ello, existirán varios pasos intermedios hasta alcanzar el SDV, que llegarán a los vehículos a través de controladores de dominios en combinación con controladores zonales. Esto estará respaldado por la creciente introducción de la tecnología Ethernet, cuyo desarrollo en dirección Multi-Gigabit se especifica en las organizaciones IEEE802.3ch, IEEE802.3cy y IEEE802.3cz Con esta tecnología, en las arquitecturas del futuro será posible reducir al mínimo imprescindible el número de conexiones enchufables en los vehículos autónomos. A pesar de estos pasos, será todo un desafío conectar los sensores y actuadores con los potentes controladores zonales. El motivo es que en el vehículo se requieren más de 100 conexiones rápidas en las unidades de control. A eso se suma que, para los empleados de la línea de montaje de la empresa OEM, es un proceso extremadamente complejo conectar siempre el punto de conexión correcto en la unidad de control con el cable definido. Otro problema radica en encontrar el espacio necesario para esta gran cantidad de puntos de conexión en las unidades de control, ya que el espacio para la conexión de los cables es limitado. Así, surge la necesidad de nuevas soluciones que reduzcan el número de conexiones y, al mismo tiempo, permitan la máxima flexibilidad para poder realizar todo esto dentro de los tiempos de ciclo establecidos en el montaje final de vehículos de las empresas OEM y, por tanto, que resulte rentable. Por esta razón, hay que desarrollar conexiones enchufables flexibles e integradas que aprovechen de forma óptima el espacio disponible y que reduzcan considerablemente el número de procesos de enchufe.
- 1 Redes de a bordo complejas: demasiadas unidades de control, demasiadas conexiones
- 2 Desarrollo de las arquitecturas de la red de a bordo en el vehículo
- 3 Automotive Ethernet: reducción de la complejidad
- 4 Conectores múltiples para la adaptación flexible a la arquitectura de la red de a bordo
- 5 Soluciones flexibles y compactas para los requisitos modernos de alta velocidad
Redes de a bordo complejas: demasiadas unidades de control, demasiadas conexiones
Si se observan los vehículos actuales, en las unidades de control hay montados entre 10 y 25 conectores de alta velocidad. Estos conectores están repartidos por el vehículo y están conectados a los sensores y actuadores mediante cables fabricados. A ellos se suman innumerables conexiones con sensores y actuadores con bajas velocidades de transmisión de datos, que suministran las señales necesarias a las unidades de control. Al aumentar el número de funciones que requieren conexiones de alta velocidad, como por ejemplo, Infotainment, ADAS y las funciones de conducción autónoma, también se incrementa en gran medida el número de unidades de control en el vehículo. Esto supone una demanda considerablemente superior de cables de datos y también dificulta notablemente la compatibilidad de las interfaces de software. Además, en los últimos años se ha desarrollado el mercado de los componentes en el sentido de que, para las conexiones de datos con velocidades de transmisión elevadas, existen diferentes sistemas de conexión que no son compatibles entre sí. Y esto conlleva una gran diversificación de las soluciones técnicas.
Desarrollo de las arquitecturas de la red de a bordo en el vehículo
Para comprender cómo ha surgido esta gran cantidad de aplicaciones, en primer lugar hay que echar un vistazo a las arquitecturas que se utilizan hoy en día o que se utilizarán en los vehículos del futuro para integrar y controlar este gran número de sensores y actuadores.
1) Arquitectura distribuida
Esta arquitectura ha crecido a lo largo del tiempo, generalmente añadiendo una pequeña unidad de control propia para cada sensor y actuador. Con el incremento de los sensores y actuadores a más de 100, también aumentó el número de conexiones enchufables y cables en las unidades de control y en la unidad central. Dado el espacio limitado para este creciente número de conexiones y cables en las unidades de control, se ha producido un replanteamiento en dirección a unas arquitecturas más flexibles y escalables.
2) Arquitectura de dominio
Esta arquitectura permite juntar todos los sensores y actuadores en un grupo de aplicaciones. Las funciones de las anteriores unidades de control individuales (que originalmente eran muchas) se realizan a través de software en el controlador de dominio. Los distintos grupos de aplicaciones se ejecutan a su vez con un controlador de dominio. En cada una de las unidades de control se encuentran puntos de conexión para las aplicaciones correspondientes (sensores y actuadores), así como una conexión con la unidad de control principal. En este sistema se pueden integrar aplicaciones como, p. ej., ADAS, como una unidad funcional independiente. Esto tiene como consecuencia la miniaturización de los conectores con el fin de crear suficiente espacio para las numerosas aplicaciones. Además, también aumenta la velocidad de transmisión de datos necesaria entre las unidades de control.
3) Arquitectura zonal
En este tipo de arquitectura, en el vehículo hay uno o dos HPC (High Performance PC) que actúan como un cerebro central, controlando el creciente número de funciones autónomas. Para su realización se utilizan lo que se denominan «Zone controller», que llevan a cabo el procesamiento de los datos (agregación) y los envían al HPC, que se ocupa de controlar los actuadores. Con la creciente automatización o autonomía de las funciones de conducción, este HPC cuenta con la redundancia necesaria para garantizar la seguridad requerida en la toma de decisiones. Para poder estar a la altura de las distintas arquitecturas de las empresas OEM, es necesario contar con un concepto de conectores lo más modular y flexible posible.
Automotive Ethernet: reducción de la complejidad
Las investigaciones llevadas a cabo por diferentes fabricantes de microchips y unidades de control demuestran que el número de sensores aumentará drásticamente en los próximos años. De los diferentes análisis y estudios se desprende que por cada vehículo se requerirán entre 25 y 80 conectores de alta velocidad. Esto varía considerablemente en función de la arquitectura y del número de sensores en el vehículo. Si solo se tienen en cuenta los sensores, en los vehículos autónomos se instalarán hasta 30 cámaras, 20 sensores de radar y 10 sensores de Lidar. A esto se suman las diversas interfaces de Infotainment, así como Car-to-X, que en el futuro desempeñará un importante papel en la interconexión con otros vehículos y la infraestructura. El desafío consiste en evaluar los datos recopilados en tiempo real y enviarlos a los potentísimos HPC para que allí se puedan tomar las decisiones relativas a la situación de conducción. A continuación, estos emiten órdenes a los actuadores que controlan el vehículo para garantizar una conducción autónoma segura. Para ello, es necesario ofrecer una amplia gama de potentes conectores y tecnologías de cables, así como garantizar su integración en las unidades de control. Como en las distintas empresas OEM se han establecido diferentes interfaces, se requiere la máxima flexibilidad para estar a la altura de los variados requisitos de los clientes. Por otra parte, también está el objetivo de los fabricantes de automóviles de montar el juego de cables de forma automatizada en el vehículo y reducir el número de cables. Esto supone un gran desafío para los fabricantes de cables, ya que tienen que meter cables de alta velocidad en el juego de cables de forma automatizada. Esta integración no es posible en un solo paso, por lo que se está intentando estandarizar la arquitectura básica con Automotive Ethernet mediante un sistema de dos hilos con blindaje. A través de Ethernet se puede aprovechar la posibilidad de emplear lo que se denominan «Zone Controller», que cuentan con una «inteligencia» específica y permiten simplificar y acortar la longitud de los cables del juego. Al mismo tiempo, también es necesaria una modularización de las conexiones en los controladores para que estos se puedan adaptar con flexibilidad a los clientes.
Conectores múltiples para la adaptación flexible a la arquitectura de la red de a bordo
Para solventar este dilema, actualmente se está investigando la integración de conectores de alta velocidad en «Multipin Header», que son conectores múltiples en los que se introducen los contactos individuales con un proceso especial de «stitching». La solución que se persigue tiene como objetivo insertar y fijar conectores de alta velocidad en estos cabezales (conectores de placas de circuitos) mediante un procedimiento similar. En función de las especificaciones del cliente, se persiguen dos planteamientos.
La primera posibilidad permite integrar las interfaces de conectores existentes (p. ej., H-MTD, MATE-AX, HFM, etc.) en un cabezal de unidades de control de forma que se puedan posicionar y aplicar en la unidad de control en un solo paso. Esto ofrece la ventaja de un proceso de fabricación simplificado para los proveedores Tier1.
La segunda posibilidad representa un enfoque totalmente nuevo. Consta de una caja que se puede equipar con diferentes interfaces según los deseos del cliente. El requisito básico es una retícula estandarizada para lo que se denominan módulos, que se pueden equipar tanto con contactos de cables y de señales como con conectores de alta velocidad. Este sistema funciona independientemente de la interfaz original con módulos. Esto ofrece una gran flexibilidad para las empresas Tier1 y OEM a la hora de adaptar sus unidades de control a los requisitos de la arquitectura.
Soluciones flexibles y compactas para los requisitos modernos de alta velocidad
MD ELEKTRONIK ha desarrollado algunas soluciones innovadoras que permiten ahorrar espacio en la integración en las unidades de control y ya se han establecido en el mercado con los primeros conectores propios. Además, MD trabaja actualmente con un colaborador en un estudio que está observando estos enfoques y que concluirá en el verano de 2024. El objetivo es presentar una solución lo más flexible y compacta posible que cumpla los requisitos de alta velocidad para las aplicaciones futuras.
En resumen, se puede constatar que en la red de a bordo del automóvil nos esperan muchos desafíos que requieren nuevas innovaciones relacionadas con la integración de las unidades de control, los conectores y las soluciones de fabricación. MD ELEKTRONIK es una empresa que invierte de forma anticipada en soluciones innovadoras, las desarrolla hasta que están listas para su producción en serie y, por tanto, puede satisfacer de forma fiable las nuevas necesidades del mercado.
Helmut Pritz
Helmut Pritz es mánager de producto para la transmisión óptica de datos en MD Elektronik. Con sus más de 20 de años en el sector, aporta una enorme experiencia para impulsar esta tecnología del futuro. Su vocación es desarrollar soluciones innovadoras para la industria automotriz, trabajando codo con codo con los clientes, con startups, con los fabricantes de unidades de control y los proveedores. Tras su actividad como jefe de proyecto, en la que fue responsable del desarrollo de componentes enchufables y las instalaciones de automatización correspondientes, en su puesto de Manager Development RF Technology creó un departamento de desarrollo que trabajaba principalmente con la tecnología de alta frecuencia. El variado contacto con los clientes, proveedores y el equipo global de MD están entre las actividades que valora especialmente de su puesto.