Los fabricantes de automóviles de hoy están trabajando activamente para reducir el peso de sus vehículos a fin de ayudar a reducir las emisiones de CO2 y mejorar la eficiencia del combustible. Por lo tanto, los ingenieros de diseño buscan nuevas técnicas y técnicas de diseño para ayudar a reducir el peso de los arneses de cables. Para seguir siendo competitivos en el mercado actual, los fabricantes también deben reducir los costos de reparación en garantía y mejorar la satisfacción del usuario. Como resultado, los diseñadores de automóviles enfrentan el desafío de encontrar nuevas formas de reducir el peso del vehículo sin sacrificar la confiabilidad del sistema.
prólogo
Los fabricantes de automóviles de hoy están trabajando activamente para reducir el peso de sus vehículos a fin de ayudar a reducir las emisiones de CO2 y mejorar la eficiencia del combustible. Por lo tanto, los ingenieros de diseño buscan nuevas técnicas y técnicas de diseño para ayudar a reducir el peso de los arneses de cables. Para seguir siendo competitivos en el mercado actual, los fabricantes también deben reducir los costos de reparación en garantía y mejorar la satisfacción del usuario. Como resultado, los diseñadores de automóviles enfrentan el desafío de encontrar nuevas formas de reducir el peso del vehículo sin sacrificar la confiabilidad del sistema.
Estas tendencias de la industria están haciendo que los diseñadores reconsideren su enfoque para proteger las funciones de energía automotriz contra daños por condiciones de falla de alta corriente. A pesar de los beneficios obvios de ahorro de peso del uso de tecnología de arneses distribuidos y dispositivos PPTC (coeficiente de temperatura positiva de polímero) para la protección contra sobrecorriente, muchos todavía usan tecnología de fusibles convencional y, en última instancia, más pesada. Sigo haciéndolo.
Este informe técnico ilustra los beneficios significativos de emplear una arquitectura distribuida y los dispositivos PolySwitch de TE para proteger los arneses de cableado automotriz en comparación con el uso de arquitecturas centralizadas tradicionales con protección de fusibles. También describe las características únicas de los dispositivos PolySwitch y proporciona ejemplos de aplicaciones específicas de cómo se pueden usar estos dispositivos en arquitecturas distribuidas para facilitar el desarrollo de diseños más livianos, flexibles y confiables.
Tendencias en protección de arneses
Un enfoque descentralizado para aprovechar la protección mediante dispositivos PPTC ha estado disponible desde la década de 1990, pero la adopción entre los OEM ha sido lenta. De hecho, a medida que el contenido eléctrico y electrónico continúa agregando funcionalidad, muchos sistemas de cableado en los automóviles de hoy son más grandes, más pesados y más complejos que nunca.
Además de la resistencia a cambiar las prácticas de diseño tradicionales, los beneficios de usar dispositivos PPTC pueden haberse visto obstaculizados por los cables más gruesos que históricamente se usaron en los vehículos. Anteriormente, debido a su resistencia mecánica, el cable más pequeño que se usaba en los vehículos era de 0,35 mm^2 (22 AWG), capaz de transportar 8-10 A de corriente. Esta limitación anula algunos de los beneficios de usar dispositivos PPTC para circuitos de señal de baja corriente (por ejemplo, <8A).
Hoy en día, la nueva tecnología de materiales de alambre permite alambres de diámetro mucho más pequeño con mayor ampacidad, incluidos alambres tan delgados como 0,13 mm^2 (26AWG) con capacidades de hasta 5A. Este avance proporciona un mayor ahorro de peso cuando se utiliza junto con una arquitectura distribuida protegida por PPTC.
Un estudio, que empleó una arquitectura distribuida y los dispositivos PolySwitch de TE, mostró y estimó una reducción de peso del 50 % con solo el cobre en vehículos de pasajeros de gama media a alta. Además, el uso de una arquitectura distribuida y el reemplazo de fusibles con dispositivos PolySwitch reiniciables mejora en gran medida la confiabilidad del sistema y la flexibilidad del diseño.
protección de arnés automotriz
Dentro del vehículo, la corriente fluye hacia varias cargas eléctricas a través de múltiples conjuntos de cables grandes y pequeños distribuidos por todo el vehículo. El circuito generalmente consume de 0,10 A a 30 A a un voltaje del sistema de 14 V para un sistema de batería de 12 V (28 V para el sistema de batería de 24 V que se encuentra en la mayoría de los camiones y autobuses). Los arneses de cableado deben estar protegidos contra daños causados por eventos térmicos catastróficos, como cortocircuitos.
El desafío para los diseñadores es reducir el costo y el peso generales al tiempo que agregan dispositivos de protección de circuitos que ayudan a proteger contra posibles condiciones de sobrecarga en los sistemas eléctricos. Dado que un vehículo típico puede contener cientos de circuitos eléctricos y más de un kilómetro de cableado, la complejidad del sistema de cableado dificulta el uso de técnicas tradicionales de diseño de circuitos y conduce a un diseño excesivo innecesario.
Enfoque tradicional: arquitectura centralizada y fusible
La solución tradicional para proteger los sistemas de cableado automotriz ha sido utilizar fusibles de carga múltiple centralizados y distribuidos, como se muestra en la Figura 1a. Este tipo de arquitectura centralizada (o “estrella”) requiere cables separados para cada función. Si un cable admite múltiples funciones, tanto el cable como su fusible también deben admitir la suma de las corrientes de esas funciones.
Con tantos circuitos radiando desde el centro eléctrico, es casi imposible pasar todos los cables dentro y fuera de una caja de conexiones y colocar la caja donde el conductor pueda acceder a ella. Como resultado, los diseñadores de sistemas han recurrido a aprovechar las soluciones de diseño que anulan algunos de los beneficios finales deseados, como:
- La combinación de cargas en un solo circuito sacrifica la optimización del tamaño del cable y el aislamiento de fallas.
- Ubique el centro eléctrico en un lugar al que solo pueda acceder personal de servicio capacitado, pero a un costo mayor.y
- Atravesar entre varios sistemas funcionales aumenta la longitud, el tamaño y el costo del cableado. Por ejemplo, debido a que se requiere acceso a los fusibles, los módulos de puerta convencionales pueden proporcionar fuentes de alimentación separadas para las funciones de ventana, cerradura, LED y espejo, cada una protegida por fusibles separados en la caja de conexiones. Existe una posibilidad.
Los enfoques centralizados tradicionales para la arquitectura del cableado del vehículo se basan en una cantidad limitada de fusibles grandes para proteger múltiples circuitos contra daños debido a condiciones de falla de alta corriente. Los fusibles son relativamente económicos, pero son dispositivos desechables y deben reemplazarse cuando se queman. Esta característica significa que el fusible está instalado en una caja de fusibles accesible. Este es un requisito que dicta la arquitectura del sistema y obliga a comprometer el diseño del sistema y el empaquetado. Los fusibles también tienen una clasificación de corriente nominal de 2 A a 30 A en el mismo factor de forma y, a menudo, se reemplazan con valores más grandes que los diseñados o se queman fuera del circuito cuando se usan en módulos deslocalizados.
Otro enfoque: arquitectura distribuida mediante dispositivos PolySwitch
El esquema de arnés optimizado tiene una estructura jerárquica en forma de árbol en la que el “tronco” de la red se divide en “ramas” más pequeñas con protección contra sobrecorriente en cada nodo. Esta arquitectura permite el uso de cables más pequeños que ahorran espacio, lo que reduce el peso y el costo. También mejora la protección del sistema y proporciona aislamiento de fallas, lo que finalmente aumenta la confiabilidad. La figura 1B muestra una arquitectura distribuida en la que un bus de alimentación alimenta varias cajas de conexiones (que se muestran en amarillo). Cada cable que sale de la caja de conexiones para alimentar las diversas funciones puede protegerse mediante un dispositivo de protección de circuito reiniciable.