Por Andreas Laute, Raik Frost, Melexis
Desde los inicios de la industria automovilística, la seguridad ha sido un aspecto fundamental del diseño de los vehículos. Los sistemas de los vehículos que interactúan directamente con los pasajeros, como los airbags y los cinturones de seguridad, son increíblemente importantes para garantizar nuestra seguridad cuando viajamos en ellos. Pero los sistemas de seguridad de los vehículos van mucho más allá de estas medidas directas y obvias. Las pantallas y los indicadores de la instrumentación proporcionan información clave sobre el estado del vehículo, así como si hay algún fallo.
Con la transición de toda la industria a los vehículos eléctricos (VE), se ha producido un importante rediseño de la fuente de combustible y la cadena cinemática del vehículo. Este rediseño trae consigo un amplio conjunto de nuevos requisitos de instrumentación del vehículo para los sistemas de indicación de estado y seguridad, que son imprescindibles para mantener al conductor seguro e informado de información vital, como el estado de carga y la autonomía restante del vehículo.
En consecuencia, los fabricantes están rediseñando los sistemas de los vehículos que han permanecido prácticamente inalterados durante décadas. Su objetivo es integrar nuevas funciones para garantizar la seguridad funcional y mejorar la experiencia del usuario final, todo ello minimizando el posible aumento de la complejidad de los sistemas electrónicos.
Del surtidor al punto de carga
Para un vehículo propulsado por un motor de combustión interna (ICE), la boca del depósito de combustible ha sido un elemento de diseño constante y necesario. Incluso la ubicación de la boca del depósito de combustible en el vehículo es en gran medida constante debido a que el depósito de combustible del vehículo y los requisitos de distribución del peso dictan efectivamente su posición.
En el caso de los vehículos eléctricos, la distribución del peso y las limitaciones de espacio son muy diferentes, y disponer de un tramo más largo entre el puerto de carga y el paquete de baterías es relativamente fácil en comparación con tener una manguera de combustible larga entre la tapa del depósito y el depósito.
Este desarrollo ha proporcionado a los diseñadores una mayor libertad, permitiéndoles reubicar el punto de carga en una posición ergonómicamente más favorable, como la parte delantera del vehículo. Esta ubicación se adapta perfectamente a las estaciones de recarga de vehículos eléctricos situadas en la parte delantera de los aparcamientos.
Un nuevo elemento del diseño de vehículos
Los puntos de carga desempeñan un papel vital en la funcionalidad de los vehículos eléctricos. Se utilizan con frecuencia y deben tener tanto fiabilidad operativa como la capacidad de transmitir el estado de carga al usuario. Para cumplir este requisito, cada vez más fabricantes de automóviles han empezado a utilizar LED cerca o alrededor del punto de carga (Figura 1).
Figura 1: Punto de carga de vehículo eléctrico con iluminación LED (imagen de la cabecera)
Estas luces se utilizan para indicar el estado de carga y mostrar cualquier posible estado de error mediante iluminación estática o dinámica básica. Esto proporciona una indicación clara en el punto de conexión para el usuario final, permitiéndole ver rápidamente el nivel de carga de la batería o si existe algún riesgo.
La electrificación de la cadena cinemática ha incrementado significativamente la complejidad del diseño de los vehículos, lo que requiere funciones adicionales en los últimos diseños de puntos de carga. Esto incluye la supervisión de la posición de la tapa del punto de carga y la detección de la temperatura de los conectores de alto voltaje.
Respuesta a las demandas de los últimos diseños de puntos de carga
Melexis goza de una sólida reputación en el mercado de los controladores LED para automoción, con una considerable experiencia y una amplia oferta de productos. Los puntos de carga de vehículos eléctricos se encuentran entre las aplicaciones a las que se dirige una de sus últimas soluciones.
El nuevo MLX81118 es un controlador LED inteligente de circuito integrado (CI) de 24 canales con una interfaz de red de interconexión local (LIN). Cumple la norma ASIL (ISO 26262) y admite la integración de sistemas hasta ASIL B, con lo que satisface los requisitos de seguridad funcional de los puntos de carga de vehículos eléctricos.
Con su unidad de microcontrolador inteligente (MCU) y memoria flash integrada, el MLX81118 ofrece un diseño de sistema flexible y cómodas actualizaciones de funciones. El papel principal del circuito integrado es funcionar como controlador de LED, ofreciendo fuentes de corriente programables con hasta 60 mA por canal del lado bajo (corriente LED máxima de 1 A) y un PWM de 16 bits (500 Hz) para el control del brillo. El sistema admite iluminación estática y animación básica de LED. Además, cada LED es totalmente diagnosticable, y su temperatura puede determinarse midiendo el voltaje límite del LED (consulte la Figura 2).
Figura 2: Diagrama de bloques del Melexis MLX81118 con funciones GPIO alternativas (Fuente: Melexis)
La versatilidad del producto es lo que lo diferencia de los productos existentes. Ofrece 24 canales capaces de controlar un LED RGB y/o de un solo color, más que la mayoría de los controladores LED típicos de automoción diseñados para puntos de carga. Además, estos canales también pueden configurarse como canales de entrada/salida de propósito general (GPIO). La funcionalidad GPIO incluye características como salida de alimentación de 5 V a 20 mA, soporte para comunicación SPI/I2C, capacidad de activación externa y la posibilidad de configurar los GPIO con el convertidor analógico-digital (ADC)integrado.
La presencia de esta facilidad permite una gama más amplia de aplicaciones con funcionalidad avanzada y capacidades de control localizado, superando la funcionalidad convencional de un CI LED.
Desarrollo de puntos de carga más inteligentes
Dentro de un vehículo, los ingenieros pueden aprovechar la flexibilidad del MLX81118 de Melexis para construir puntos de carga más inteligentes, sin aumentar significativamente el número de componentes de la lista de materiales (BoM).
En una instalación de punto de carga, el ADC de 10 bits integrado puede configurarse en los GPIO, por ejemplo, para medir la temperatura de los sensores en uno o varios de los conectores de alta tensión del punto de carga. En un entorno de seguridad funcional, es imprescindible conocer la temperatura de los conectores de carga. Además, el CI controlador está equipado con un sensor de temperatura interno que complementa cualquier medición externa y ofrece información precisa sobre la temperatura ambiente del punto de carga.
En esta configuración, el MLX81118 puede supervisar con precisión la información de los sensores de temperatura externos y transmitirla. Por ejemplo, en el caso de un error de sobre-temperatura, la programación inteligente del CI puede utilizarse para alertar al conductor del calor excesivo en el punto, potencialmente mediante el uso de LED rojos parpadeantes en las proximidades. Al mismo tiempo, esta información puede enviarse a otros componentes y controladores más amplios a través de la interfaz LIN o de canales GPIO configurados como interfaz SPI o I2C.
Más allá de la funcionalidad relacionada con la temperatura, la flexibilidad del MLX81118 puede ayudar a los diseños a mejorar otras áreas de la seguridad de los puntos de carga, así como la experiencia del usuario final (Figura 3).
Figura 3: Iluminación del punto de carga Melexis MLX81118, el circuito de ejemplo con sensores de temperatura y supervisión de la posición de la tapa (Fuente: Melexis)
Un enfoque conveniente para monitorizar el estado abierto o cerrado de la tapa de carga es la incorporación de un sensor Hall con un imán. Por ejemplo, se podría utilizar el sensor de interruptor y pestillo de efecto Hall MLX92292 de Melexis. La salida del CI del sensor Hall se conecta a los GPIO del MLX81118, lo que permite monitorizar la posición de la tapa mediante un controlador BDC (Body Domain Ccontroller) del vehículo a través de la interfaz LIN del controlador LED. Esta integración inteligente puede ayudar a reducir el número de conexiones a los BDC del vehículo, así como permitir que los cambios en la posición de la tapa activen los LED directamente.
Esta integración inteligente y la conexión directa entre la posición de la tapa y el controlador LED también pueden utilizarse para implementar funciones que mejoren la experiencia del usuario final. Por ejemplo, en condiciones de oscuridad, el MLX81118 podría configurarse para que, una vez abierta la tapa y detectado un cambio en el circuito debido al estado de conmutación del MLX92292, se iluminaran los LED controlados alrededor del punto de carga. Igualmente, los diseñadores tienen la opción de incorporar funcionalidades inteligentes adicionales, como el parpadeo de los LED del punto de forma distinguible cuando la tapa del punto de carga permanece abierta después de desconectar el cargador, minimizando así la probabilidad de daños durante la conducción. Otra posibilidad es transmitir el estado de carga mediante un número variable de LED iluminados o cambios de color.
En comparación con las instalaciones convencionales necesarias para implementar dicha funcionalidad, con el MLX81118, toda la lógica y el control se gestionan en los componentes del punto de carga, lo que reduce la carga de procesamiento de los sistemas de control de vehículos centrales o zonales.
Conclusión
Los diseñadores de automóviles siempre están buscando soluciones inteligentes que puedan tomar decisiones localizadas y realizar tareas críticas para la seguridad sin aumentar significativamente el número de componentes o la carga de procesamiento. Los LED también se han convertido en un aspecto importante del diseño de automóviles, ya que permiten a los fabricantes de equipos originales distinguir visualmente sus modelos y transmitir información importante al usuario. El MLX81118 está en línea con estas tendencias, ofreciendo un nuevo enfoque innovador para las instalaciones de LED en puntos de carga de vehículos eléctricos y más allá, con la flexibilidad de la solución también beneficiosa para otras áreas de diseño de vehículos y mercados más amplios.
