Evolución del Sistema Eléctrico Automotriz

El desarrollo de vehículos automotrices desde sus orígenes ha estado fuertemente ligado con su sistema eléctrico.  Si  bien el primer prototipo de este vehículo, construido por Cougnot en 1769 y otros posteriores desarrollados a finales del siglo XVIII y principios del siglo XIX, estaba basado exclusivamente en vapor.  Posteriormente a un vehículo propulsado por un motor de gasolina fue necesario incorporar una forma de encendido eléctrico. Inicialmente se utilizó un sistema basado en bobinas y baterías, pero no fue sino hasta finales del siglo XIX, cuando Robert Bosch y Fredrich Simms producirian el primer generador en baja tensión para aplicaciones automotrices. 

A partir de este punto, el uso de la electricidad en los automóviles comienza a incrementarse, teniendo el generador eléctrico un alto uso en los diseños europeos, a diferencia de los americanos con sistemas de encendido por bobina y batería.  Es interesante observar en los modelos clásicos de la segunda década del siglo XX, el uso de sistemas de encendido, arranque, iluminación y claxon, incluyendo el primero ya con un sistema de regulación de voltaje basado en mercurio. 

A finales de la década de los cuarentas, se generalizó el uso del voltaje de 12 V y en la década de los cincuentas se iniciaría el desarrollo de sistemas eléctricos múltiples que llega hasta nuestros días. En las décadas de los sesentas y setentas del siglo pasado, se incorporan al automóvil sistemas eléctricos tales como calefacción, radio, limpiadores de parabrisas, limpiadores dobles e inclusive encendedores de cigarros. Los modelos de gran lujo incorporaron aire acondicionado y temporizadores para faros.

Un desarrollo importante que impactó directamente al desarrollo del sistema eléctrico automotriz fue la invención del transistor en 1947, con el que se inicia la era de los dispositivos de estado sólido.  A partir de los años sesentas, el alternador utilizando un puente rectificador basado en diodos, comienza a reemplazar al dínamo o generador.  Será hasta la década de los setentas cuando los costos de fabricación y el desarrollo de los componentes electrónicos de rectificación y regulación llevarian a sustituir a los componentes electromagnéticos. Adicionalmente, la eficiencia de un alternador de automóvil es muy superior a la de un dínamo clásico.  En cuanto al sistema de encendido, en 1974 se introduce el primer encendido electrónico sin interruptores y en 1979 Bosch inicia la producción en serie de los sistemas electrónicos de inyección de gasolina denominado Motronic. Será hasta l981 cuando BMW introduce la computadora a bordo y se inicia de manera comercial el uso de frenos antibloqueo que incorporan componentes electrónicos.

El aumento de dispositivos eléctrico-electrónicos en los automóviles llevará, a partir de l989, a la construcción de alternadores que superan el manejo de corrientes mayores a 100 Amperios pero con tamaños inclusive menores a los antiguos generadores. Las cargas eléctrico-electrónicas se han incrementando constantemente, y a partir del año 2001 los sistemas de posicionamiento global aparecen en los automóviles como una opción adicional. 

En la actualidad, los sistemas electrónicos siguen en continuo crecimiento utilizándose en aplicaciones automotrices tales como en la operación óptima del motor, frenos antibloqueo, control de tracción, tiempo variable de válvulas, control de transmisión, suspensión activa, comunicación activa y multimedia, entre otros.  La complejidad de los sistemas de cableado; por lo tanto, también se incrementaron.  La cantidad de cables por separado en automoviles de lujo puede llegar hasta mil quinientos.  Un ejemplo son los aproximadamente cincuenta cables requeridos para controlar las funciones dentro o fuera de la puerta del conductor, o los alrededor de cien cables y conexiones utilizadas en el área del tablero de un automóvil.  

Esta situación ha llegado a ser un problema, ya que se estima que la longitud promedio de cable es de alrededor de dos kilómetros lo que es equivalente a un peso aproximado a 30 kilogramos, dependiendo del modelo del automóvil. Esto conlleva a la presencia de diversos problemas en el funcionamiento y rendimiento del automóvil, tales como perdidas de potencia, un mayor gasto de combustible, y mayores tiempos de respuesta debido a la larga trayectoria del cableado. 

Adicionalmente, la cantidad de conexiones y cables aumenta la posibilidad del desarrollo de fallas.  Estos cables van colocados en conjuntos denominados arneses, que en ocasiones llegan a constar de hasta mil cables diferentes, algunos enrollados en espiral y envueltos por cinta de PVC, otros envueltos en plástico y otros colocados dentro de tubos de PVC. Es interesante saber que se ha estimado que la complejidad del sistema de cableado del vehículo se está duplicando cada diez años. 

Las condiciones antes indicadas presentan retos múltiples tanto para la transmisión de información, dentro de los diversos sistemas que forman el automóvil, -- como para el manejo de la energía eléctrica necesaria en cada uno de estos sistemas.  Este reto se vuelve aún mayor ya que a partir del año 2008, la Agencia Internacional de Energía plantea estrategias en las cuales se tiene como uno de los principales retos el disminuir las emisiones de dióxido de carbono provocadas por vehículos automotrices.  Se estima que en la actualidad estas emisiones provocan el 25% de las mismas. Debido a que en un futuro cercano seguirá basado en combustibles fósiles, la reducción del peso de los vehículos se vuelve un tema de vital importancia, ya que está reducción puede llevar a reducir el uso de energía por kilómetro hasta en un 30%, llevando así a la disminución de contaminantes y del uso de combustibles fósiles.  

Adicionalmente, y dada la alta eficiencia de los sistemas eléctrico-electrónicos, la energía proveniente de combustibles deberá ser también mejor utilizada. Entre las múltiples estrategias que se desarrollan en la actualidad para disminuir el peso de vehículos se encuentra el uso de materiales de nueva generación más ligeros, la sustitución de arneses de cableados por buses de campo en los cuales se sustituyen una gran cantidad de cables para el de manejo de datos de los sistemas automotrices a un solo cable y también el desarrollo de nuevos sistemas basados en electrónica de potencia para el manejo de la energía dentro del vehículo. Lo anterior es claro con el desarrollo de vehículos eléctricos.

A partir de los noventas del siglo pasado, se han propuesto sistemas que manejan un voltaje de alimentación superior al tradicional de 12 V, con objeto de disminuir la corriente que circula por el mismo.  Una primera propuesta, que no tuvo éxito, fue el uso de un voltaje de 42 V.  Posteriormente, este voltaje se modificó a 48 V, dando origen a un sistema dual de voltaje 48V/12 V que incluye tanto a un alternador como a un banco de baterías ion-litio. 

Actualmente en el Laboratorio de Procesamiento Eficiente de la Energía del Instituto Potosino de Investigación Científica y Tecnológica se estudian nuevas configuraciones de convertidores CD-CD y sus estrategias de control para aplicaciones automotrices, y en particular con la aplicación de baterias de ion-litio que sin duda tendrán un gran impacto en el futuro.  

El Dr. Jesús Leyva Ramos es investigador Titular C de la 

División de Control y Sistemas Dinámicos del IPICYT.

La Dra. Ma Guadalupe Ortiz López es Profesora 

en la Universidad Politécnica de San Luis Potosí.

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