Los vehículos modernos, ya sean autónomos, semiautónomos o eléctricos, consumen más energía, y su evolución hacia un centro de datos sobre ruedas significa que existen muchas oportunidades para hacerlos más eficientes desde el punto de vista energético y sin comprometer sus características inteligentes.
Cuanto más inteligente sea el vehículo, mayor será la necesidad de eficiencia energética. Un desafío constante para los vehículos autónomos es la inmensa cantidad de energía que se requiere para alcanzar la autonomía. Los sensores integrados consumen mucha energía, mientras que la informática del vehículo realiza cálculos de forma constante para respaldar las decisiones de conducción instantáneas.
Los muchos gigabytes de datos por segundo que se generan exigen energía, por lo que, al igual que un servidor o un teléfono inteligente, el vehículo moderno necesita ser inteligente con respecto al consumo de energía porque, a diferencia del servidor o el teléfono, el consumo de energía automotriz afecta la economía del combustible y el rango del vehículo eléctrico.
Todas las funciones automotrices compiten por energía
El automóvil típico consume más energía conforme transcurren las décadas. Los días de una simple radio o quizás una casetera para el entretenimiento a bordo quedaron en el pasado, y las ventanas y las cerraduras eléctricas ahora son el estándar. Incluso en el caso habitual de un sistema avanzado de asistencia al conductor (ADAS) con una cámara de visión trasera, algo que ahora resulta estándar y hasta obligatorio, esto significa que el tablero de mando de un automóvil nuevo pero modesto se parezca más a una consola en el control de misión de la NASA.
Además, si se incorpora GPS, radio satelital y almacenamiento de medios a bordo, los requisitos de energía para un vehículo promedio aumentan rápidamente; y ello ni siquiera incluye niveles más bajos de autonomía, ni mucho menos todo el contenido electrónico y las capacidades informáticas que se requieren para un vehículo autónomo. La arquitectura automotriz está repleta de sistemas electrónicos integrados necesarios para alojar el motor, el chasis, las características de seguridad y el entretenimiento de los pasajeros.
La electrónica del motor en forma de unidades de control del motor (ECU) está distribuida en los automóviles modernos de modo que permita controlar ciertas funciones como emisiones, encendido, enfriamiento, aceleración e inyección de combustible, entre otras. Estas ECU deben comunicarse con los subsistemas electrónicos del chasis que abarcan control de tracción, distribución electrónica de frenado, frenado antibloqueo y asistencia para estacionamiento. Los sistemas de seguridad pasiva también requieren componentes electrónicos para el control y el despliegue de los airbags, el frenado de emergencia y el control del descenso de pendientes en caso de colisión u otro incidente en el camino.
Luego están las funciones automáticas de comodidad para los pasajeros que, si bien resultan menos críticas para la misión, siguen siendo características estándares en los vehículos. Estas incluyen control de temperatura, ajuste electrónico de los asientos, controles ambientales y limpiaparabrisas automáticos, así como cualquier otro sistema de entretenimiento y navegación (todos estos se consideran sistemas de infoentretenimiento).
Todo este contenido electrónico está evolucionando y proliferando a medida que los vehículos se vuelven más inteligentes, mientras que los sistemas como ADAS se tornan aún más dependientes de la electrónica al incorporar pantallas de visualización frontal y reconocimiento de gestos en la cabina. Si se incorporan más dispositivos electrónicos y capacidades, ello no tiene por qué significar más potencia. Es el mismo caso de los teléfonos inteligentes con funciones adicionales y que se vuelven más eficientes desde el punto de vista energético; también pueden hacerlo los automóviles.
Los datos de los automóviles deben trasladarse y almacenarse de manera eficiente
Se pueden encontrar oportunidades para reducir el consumo de energía de los automóviles en muchos de los componentes electrónicos que se requieren para hacer que el vehículo moderno sea más inteligente y autónomo: dispositivos de almacenamiento y memoria, sensores y conectividad, tanto cableados como inalámbricos.
Aunque la autonomía total de Nivel 5 está tardando más en lograrse de manera generalizada, la autonomía de Nivel 2 y Nivel 3 en la forma de sistemas de monitoreo del conductor, control de crucero adaptativo, mantenimiento de carril y frenado automático equivale a más datos, lo que significa más memoria y más almacenamiento de datos. Aquí es donde la memoria de bajo consumo juega un papel fundamental en la reducción del consumo general de energía en el vehículo, incluso cuando los sistemas se vuelven cada vez más complejos y se realizan más tareas de cálculo en el automóvil.
Las funciones que requieren una memoria de mayor capacidad y un procesamiento rápido pueden emplear LPDDR4X/5X para equilibrar el rendimiento y la potencia a medida que nos acercamos a la concreción de vehículos autónomos de Nivel 4 y Nivel 5 que ejecutan aplicaciones habilitadas para inteligencia artificial que también deben cumplir con altos niveles de seguridad funcional. Las memorias flash NOR resultan ideales para almacenar pequeñas cantidades de datos en los dispositivos del vehículo y admitir los requisitos de "activación instantánea" para que no se consuma energía hasta que se gire la llave en el encendido.
Para el almacenamiento de alta capacidad, los dispositivos basados en flash NAND que se han optimizado en otros casos de uso, como los que emplean eMMC o el almacenamiento flash universal (UFS), pueden almacenar datos de infoentretenimiento. Los SSD incluso pueden implementarse para consolidar un dispositivo de almacenamiento de información con inteligencia integrada que prioriza la disponibilidad y confiabilidad de los datos de misión crítica. Su confiabilidad se debe, en parte, a la falta de piezas móviles, lo que también contribuye a tener un mejor perfil de consumo de energía.
Además de la memoria y el almacenamiento, la conectividad y los sensores son omnipresentes en los vehículos modernos, especialmente si el vehículo es completamente autónomo. No solo se trata de un centro de datos sobre ruedas, sino que también son su propio ecosistema de Internet de las Cosas (IoT) con dispositivos integrados que deben comunicarse entre sí y comunicarse con el entorno que los rodea.
Incluso los pequeños sensores tienen requisitos de energía, y cuando hay muchos, ese consumo de energía puede acumularse. El automóvil moderno está repleto de sensores para monitorear las condiciones del vehículo, detectar obstáculos mientras se conduce y estaciona, e incluso controlar la salud del conductor. Por ejemplo, un sensor de temperatura infrarrojo de baja potencia requiere unos 15 mW de potencia, lo cual no parece mucho. Sin embargo, un desafío clave con el diseño automotriz es que la energía se pierde inevitablemente en forma de calor. Parte de esta energía perdida se puede recuperar mediante la recolección de este calor residual mediante generadores termoeléctricos (TEG), que actúan como fuentes de energía, especialmente en sistemas integrados. Debido a que son de estado sólido, casi no requieren mantenimiento y mejoran el rendimiento general del sistema al ayudar a alimentar los sensores.
La conectividad Ethernet para automóviles también desempeña un rol fundamental en la eficiencia energética, al mismo tiempo que ayuda a trasladar todos los datos del vehículo hacia donde se necesitan. La alimentación a través de Ethernet elimina la necesidad de fuentes de energía adicionales, reduce el cableado en el vehículo y permite la transferencia de datos entre los dispositivos del vehículo a la velocidad habitual. Mientras tanto, las conexiones Ethernet de bajo consumo reducen el consumo de energía al apagar segmentos de red cuando el motor está apagado y emplean Ethernet de consumo eficiente de energía cuando el motor está encendido.
Si no puede disipar el calor, hay que sacarlo del automóvil
Otro camino hacia un mejor consumo de la energía automotriz es a través de los semiconductores de banda prohibida amplia (WBG) que utilizan materiales como el carburo de silicio (SiC) y el nitruro de galio (GaN), los cuales tienen una banda prohibida de energía relativamente extensa. En comparación con el silicio, SiC y GaN pueden ofrecer mejoras significativas en el rendimiento y una mejor eficiencia operativa y confiabilidad en entornos hostiles, incluidos los automóviles.
La tecnología de resistores también desempeña un rol en la eficiencia energética de los automóviles. Por ejemplo, los resistores de terminal ancho tienen una excelente relación potencia-tamaño, ya que disipan gran parte de su calor a través de los terminales anchos del dispositivo, mientras que el diseño de punto caliente reducido de los resistores tolerantes a pulsos equivale a que pueden disipar más energía en estado estable.
Múltiples alternativas para la administración de potencia automotriz
La eficiencia energética en los vehículos modernos ahora es una apuesta sobre la mesa: el consumo de energía siempre debe ser un factor clave al elegir las opciones de cálculo, memoria, almacenamiento o conectividad necesarias para trasladar los datos en el entorno automotriz. Cuanto más inteligente sea el vehículo, más se deberá priorizar y administrar la eficiencia energética a través de la recolección de la energía, un menor consumo energético y una mejor administración térmica.
