Cuando se habla de un automóvil, se cree que los estudios que se realizan sobre éste corresponden únicamente a la mecánica. La física y la mecánica manejan estos elementos, pero también debe conocerse sobre la electrónica automotriz.

En los años setenta, la electrónica automotriz se integró de manera indisoluble con los componentes típicos de los vehículos, por ejemplo, el powertrain. Las tendencias marcan una mayor integración. Todo sistema de electrónica automotriz se puede plantear bajo el esquema de sistema mecatrónico, ya que integra componentes mecánicos y electrónicos. El elemento central de este esquema es el procesador, también llamado unidad de control electrónico o ECU, el cual está encargado del control del sistema.

El éxito de la industria automotriz está vinculado a la secuencia continua de innovaciones que ha encontrado su camino en los vehículos. La mayoría de estas innovaciones han sido introducidas gracias a la integración de los componentes clásicos del vehículo con sistemas electrónicos. Sin embargo, la introducción de la electrónica en el contexto automotriz ha sido relativamente lenta, principalmente debido a la relación entre el costo y los beneficios añadidos.

Históricamente, los primeros sistemas electrónicos (sin considerar la radio) se introdujeron en el vehículo comercial durante la década de 1950 y comienzos de 1960. Estos primeros cambios fueron el sustituir los sistemas mecánicos por un electrónico. No obstante, estas características no fueron bien recibidas por los clientes, por lo que se suspendieron desde la producción.

Esta tendencia negativa se invirtió durante la década de 1970 gracias a dos acontecimientos de escala mundial. El primer cambio de naturaleza económica y política consistió en la introducción de regulaciones gubernamentales para el control de las emisiones de escape y el consumo de combustible. Estas regulaciones obligaron a las casas automotrices a diseñar vehículos más eficientes, es decir, cuyo sistema de combustión pudiera controlarse de mejor manera. El control del sistema de combustión se dio a precios relativamente bajos gracias a un segundo elemento de transformación. En la década de los 70’s, el desarrollo de la electrónica “del silicio” o “de estado sólido” (una innovación que sustituyó la tecnología de las válvulas termoiónicas y abrió el paso al desarrollo de la electrónica como se conoce hoy en día) ofreció, a la industria automotriz componentes para la implementación de funciones de control electrónico a un costo muy bajo.

A partir de los 70’s muchas innovaciones de la electrónica (y de las áreas afines, como: la informática, la automatización y el control) se han relacionado más con la evolución del sector automotriz, justificando la creación de nuevas disciplinas como la mecatrónica y la electrónica automotriz.

Figura 1. Ejemplo de la evolución del autoradio. Imagen obtenida de http://www.markramseymedia.com/wp-content/uploads/2010/08/Evolution-of-the-Car-Radio_2010-08-26.jpg solo para fines educativos.

Los sistemas electrónicos se están utilizando actualmente en los vehículos y probablemente su uso aumentará en el futuro.

La electrónica automotriz es la disciplina que integra los conceptos relacionados con la aplicación de las tecnologías electrónicas a los sistemas presentes en los vehículos, incluyendo las ramificaciones que tocan elementos de informática, automatización y control, y desde un punto de vista más general, de mecatrónica. Bajo esta definición se habla a menudo de “autotrónica”.

En la figura 2 se enlistan algunos ejemplos de sistemas electrónicos automotrices.

Figura 2. Ejemplo de los sistemas electrónicos presentes en un vehículo moderno. De: Bosch, R. (2013). Bosch Automotive Electrics and Automotive Electronics. Systems and Components, Networking and Hybrid Drive (5ªed.). Alemania: Springer.

En la figura 3 se comparan los volúmenes de mercado de la electrónica automotriz en Europa en 2000 y 2010. Las tendencias muestran una expansión del sector de la electrónica automotriz. El 80% del mercado en expansión está constituido por dispositivos electrónicos que proporcionan funcionalidades novedosas.

Figura 3. Volúmenes de mercado de la electrónica automotriz en Europa. Comparación entre los años 2000 y 2010. De: Bosch, R. (2013). Bosch Automotive Electrics and Automotive Electronics. Systems and Components, Networking and Hybrid Drive (5ªed.). Alemania: Springer.

El término “mecatrónica” surgió como una palabra inventada combinando las palabras mecánica y electrónica para sugerir la conmistión entre conceptos típicos de las dos áreas. Se entiende por medios electrónicos los componentes “hardware” (alcance típico de la electrónica) y el “software” (objeto de la informática). Con mecánica se entiende el término genérico para las disciplinas de “ingeniería mecánica” e “hidráulica”.

Hay que tener presente que con mecatrónica no se entiende la sustitución de la ingeniería mecánica por “electronificación”, sino que comprende un enfoque sinérgico y una metodología de diseño conjunto. El objetivo es lograr una optimización entre la ingeniería mecánica y la electrónica con el fin de proyectar más funciones a un costo más bajo, con menos espacio y peso y mejor calidad.

Los sistemas y componentes mecatrónicos ahora están presentes a lo largo de casi todo el vehículo, a partir de:

• los sistemas de gestión del motor
• los sistemas de inyección para motores de gasolina y diésel
• los sistemas de control de la transmisión
• los sistemas de gestión de la energía eléctrica y térmica, entre otros

Además de los sistemas y componentes ya mencionados, la mecatrónica también está desempeñando un papel cada vez más importante en el campo de la micromecánica.

Una tendencia general consiste en convertir la mayoría de los sistemas para el manejo del vehículo de sistemas totalmente mecánicos a sistemas mecatrónicos. Es decir, sistemas totalmente automáticos denominados sistemas X by wire. Un sistema que se implementó hace mucho tiempo es el “Drive by wire”, es decir, el control electrónico de aceleración.

Otro sistema “X by wire” hoy en día muy común es el “Brake by wire”. Este sistema reemplaza la conexión hidromecánica entre el pedal del freno y el freno de la rueda. Los sensores registran la solicitud de frenado del conductor y transmiten esta información a una unidad de control electrónico denominada ECU por sus siglas en inglés (Electronic Control Unit). La ECU genera la acción de frenado necesaria en las ruedas por medio de actuadores.

Figura 4. Esquema general de un sistema mecatrónico. De: Bosch, R. (2013). Bosch Automotive Electrics and Automotive Electronics. Systems and Components, Networking and Hybrid Drive (5ªed.). Alemania: Springer.

Una de las opciones de implementación de “Brake-by-wire” es el freno electrohidráulico (SBC, Control de Frenado en Sensotronic). Cuando se acciona el freno o en el caso de la intervención de estabilización de frenado por el programa electrónico de estabilidad (ESP), la ECU del SBC calcula los puntos de ajuste de presión de frenado necesaria para cada rueda. Los cuatro moduladores de presión se componen cada uno de una entrada y una válvula de salida controlada por etapas de salida electrónicos que en conjunto producen una regulación de la presión finamente dosificada.

El sistema SBC, así como la totalidad de los sistemas mecatrónicos presentes en un vehículo se puede esquematizar según el esquema de la Figura 4.

Cada sistema mecatrónico presente en el vehículo incluye un procesador, es decir, un dispositivo encargado del control del sistema mecatrónico en sí. En el contexto automotriz este procesador se denomina unidad de control electrónico o ECU por sus siglas en inglés.

La tecnología digital proporciona una amplia gama de opciones para el control abierto y en lazo cerrado de los sistemas electrónicos de automoción. Un gran número de parámetros puede ser incluido en el proceso para apoyar el funcionamiento óptimo de los diversos sistemas. La unidad de control recibe las señales eléctricas de los sensores, las evalúa y luego calcula las señales de activación para los actuadores. El programa de control, el software, se almacena en una memoria especial e implementada por un microcontrolador. La unidad de control y sus componentes se denominan como hardware.

Un ejemplo de ECU es la unidad de control Motronic (figura 5), la cual contiene todos los algoritmos de control en bucle abierto y cerrado necesarios para gobernar los procesos de gestión del motor (encendido, inducción y formación de mezcla, entre otros.), los cuales se enlistan enseguida:

• Cartucho de carbón activado
• Sensor de masa de aire a película caliente
• Acelerador
• Válvula de purga
• Sensor de presión
• Válvula de control
• Bomba de alta presión
• Rail con inyección de combustible de alta presión
• Árbol de levas de ajuste
• Bobina de encendido con bujía
• Sensor de fase del árbol de levas
• Sonda lambda (LSU)
• ECU Motronic
• Válvula de EGR
• Sensor de velocidad

• Sensor de detonación
• Sensor de temperatura del motor
• Convertidor catalítico primario
• Sensor de oxígeno lambda
• Convertidor catalítico primario
• Interfaz CAN
• Lámpara de Diagnóstico
• Interfaz de diagnóstico
• Interfaz con la unidad de control del inmovilizador
• Módulo del pedal del acelerador
• Tanque de combustible
• Módulo de suministro de combustible con bomba eléctrica

Figura 5. Diagrama de conexión del sistema mecatrónico administrado por la ECU Motronic. De: Bosch, R. (2013). Bosch Automotive Electrics and Automotive Electronics. Systems and Components, Networking and Hybrid Drive (5ªed.). Alemania: Springer.

Revisa a continuación el Checkpoint: