T1. Sistemas y circuitos eléctricos del automóvil

Sistema: Proceso → magnitud física → sensor/transductor → señal eléctrica → acondicionamiento → señal analógica → digitalización/adquisición → bus → almacenamiento/visualización/procesado. El control recibe la medida y la referencia, aplica feedback/feedforward → acondicionamiento de potencia → actuador → proceso.

• Sensor: convierte una magnitud física en señal eléctrica (entrada de información).
• Actuador: convierte una señal eléctrica o de control en una acción física (salida).

Datos: unos 100 sensores en un coche actual; hasta unos 200 en vehículos equipados; el cableado puede llegar a pesar unos 60 kg.

Cableados

Cableado delantero, de motor, de salpicadero, de habitáculo, trasero y auxiliares. Se compone de mazos, cintas, grapas, abrazaderas y conectores. La central de conexiones incluye PCB, interconexión de cableados, soportes de relés y fusibles, y conectores.

Terminales y conectores

• Unen cables y bornes.
• Fabricados en latón o acero (acero recubierto de estaño/plomo).
• Se fijan por crimpado, con lengüetas de retención.
• Carcasas de plástico económicas pero resistentes.
• Identificación por color y número.

Fusible

Protege el circuito al conectarse en serie. Es un conductor calibrado: si la intensidad es excesiva, se produce calor por efecto Joule, el elemento se funde y abre el circuito. Debe sustituirse por otro del mismo amperaje.

Relé

Es un interruptor accionado eléctricamente. La corriente en la bobina genera un campo magnético que mueve la armadura y cambia los contactos. Permite que una señal pequeña controle un circuito de mayor intensidad. Sin corriente, vuelve a su posición inicial.

Señales

• Analógica: amplitud continua.
• Digital: niveles discretos 0/1, con mejor inmunidad al ruido.
• Al aumentar la resolución (bits), disminuye el error de cuantización.
• Teorema de Nyquist: F_s > 2·F_max.

Buses

• Bus A: < 10 kb/s
• Bus B: 10–125 kb/s
• Bus C: > 0,5 Mb/s

CAN (Controller Area Network)

Identificador estándar de 11 bits; extendido de 29 bits. Trama de 7 campos:

1. SOF (inicio): 1 bit dominante; inicia y sincroniza los relojes.
2. ARBITRAJE: ID + RTR. La prioridad depende del ID. RTR 0 (dominante) = dato; RTR 1 (recesivo) = petición remota.
3. CONTROL: IDE + r0 + r1 + DLC (4 bits). IDE indica estándar/extendido; DLC indica el número de bytes de datos.
4. DATOS: de 0 a 8 bytes (0–64 bits).
5. CRC: 15 bits + delimitador recesivo; detecta errores.
6. ACK: 2 bits; acuse de recepción correcta + delimitador.
7. EOF: 7 bits recesivos; después, 3 bits recesivos separan los mensajes.

EMC: Compatibilidad electromagnética

• Emisión electromagnética: campos generados por los circuitos, especialmente los de potencia (bobinas y motor de arranque).
• EMI (interferencia electromagnética): perturbación no deseada en una señal causada por emisiones de otros componentes.
• Fuentes externas: RF y alta tensión.
• Fuentes internas: bobinas de bujía, motor de arranque, sistemas híbridos.

Es importante para la seguridad (airbag, dirección, ABS), el confort y la coexistencia de alta tensión y control de baja tensión en híbridos y vehículos eléctricos.

Mitigación: PCB específica, filtrado de ruido y blindaje de cables. Norma de referencia: UN ECE R10.

T2. Baterías

El sistema eléctrico se compone de: batería (almacena energía), alternador (transforma energía mecánica en eléctrica) y consumidores. La batería arranca el motor; con el motor en marcha, el alternador alimenta las cargas y recarga la batería.

Tabla clave de tipos de batería

• Plomo ácido: vida 4–5 años; DOD máx. < 50–60 %; mantenimiento mínimo.
• AGM/GEL: vida 5–8 años; DOD < 50–60 %; mantenimiento mínimo; muy buena resistencia a vibraciones.
• Litio: vida > 10 años; DOD 95–100 %; mantenimiento anual.
• OPZS/TOPZS: vida 12–15 años; DOD < 50–60 %; mantenimiento cada 2–6 meses; atención a la ventilación.
• OPZV: vida 12–15 años; mantenimiento cada 2–6 meses.
• AGM/Gel estacionaria: descarga constante en entornos de alta vibración.

Tensión por celda, ciclos, tiempo de carga y autodescarga

• Plomo: 2 V, 1000 ciclos, 8–16 h de carga, autodescarga 5 %/mes.
• Ni-Cd: 1,25 V, 500 ciclos, 10–14 h, autodescarga 30 %.
• Ni-MH: 1,25 V, 1000 ciclos, 2–4 h, autodescarga 20 %.
• Li-ion: 3,16 V, 4000 ciclos, 2–4 h, autodescarga 25 %.
• Li-Po: 3,7 V, 5000 ciclos, 1–1,5 h, autodescarga 10 %.
• Zinc-aire: 1,2 V, 500 ciclos.

Errores frecuentes en la carga

• Descargar nominalmente más del 50 % y nunca más del 80 %.
• La intensidad de carga nunca debe superar el 15 % de la capacidad nominal.
• Carga insuficiente.
• Tensión de carga alta: hasta 14,5 V y, puntualmente, 15 V para ecualizar, lo que provoca burbujeo.
• Almacenar la batería poco cargada provoca sulfatación.
• Conectar en paralelo puede causar ciclado/desequilibrio.
• En serie, un desequilibrio es corregible en plomo abierto, pero no en GEL/AGM.
• No omitir el mantenimiento.

Fallos internos

• Sulfatación: no alcanza la tensión nominal; carga rápido pero descarga rápido.
• Cortocircuito en una celda: 10–11 V en reposo; no sostiene el arranque.
• Placas deformadas o rotas por golpes o vibración, con cortocircuitos.
• Estratificación: el ácido se acumula abajo; parece cargada pero rinde poco.

Fallos externos y ambientales

• Bornes sulfatados o flojos: caída de tensión.
• Cables dañados: aumento de resistencia y disminución de intensidad.
• Pérdida de electrolito.
• Sobrecarga: hinchazón, calor, olor a azufre.
• Descargas profundas repetidas: daño.
• Calor: corrosión y evaporación. Frío: aumenta la resistencia interna y empeora el arranque. Vibración: daña las placas.

Electrolito

Sustancia con iones libres que la hace conductora. En el caso del plomo, H₂SO₄ en agua se disocia en 2H⁺ + SO₄²⁻; el conjunto es eléctricamente neutro.

Tecnologías nuevas

• DBE: electrodo seco sin NMP, electrodos más gruesos; reto: estabilidad del cátodo.
• LFP rápida: segura, larga vida, baja impedancia, refrigeración líquida; 4–12 C.
• Na-ion: materias primas baratas, buen rendimiento en frío, sin Li/Ni/Co; reto: densidad energética.
• LMFP: LFP + Mn; aumenta la tensión y la densidad un 15–30 %; reto: conductividad y disolución del Mn.
• Semisólidas y sólidas: mayor densidad y seguridad térmica.

T3. Sistema de carga: alternador

Cargas típicas: arranque 100–300 A; bomba de combustible 5–15 A; electroventiladores 0,5–30 A; aire acondicionado 5–20 A. La batería sola no mantiene el vehículo funcionando durante mucho tiempo.

Ley de Faraday

Al mover un conductor respecto a un campo magnético se induce una tensión. Esta depende de la velocidad, la intensidad del campo y el número de conductores.

Funcionamiento del alternador

La energía mecánica del motor hace girar el rotor, que mueve el campo magnético. El estátor fijo (bobinas) induce corriente alterna (CA). El puente rectificador (diodos) convierte la CA en corriente continua (CC) para alimentar las cargas y la batería.

Componentes

• Rotor: eje, bobina, placas o polos magnéticos y escobillas; las escobillas alimentan la bobina.
• Estátor: 3 devanados; las señales están desfasadas 120°. En estrella, las corrientes suelen ser bajas; en triángulo, de alto amperaje.
• Rectificador: invierte los semiciclos negativos y aproxima la CC.
• Otros: escobillas, carcasa y ventilador.

Fallos

Batería; alternador (rodamientos, bobinas); regulador de tensión (sobretensión o infratensión, puede fundir bombillas); correa; conexiones; fusibles.

Síntomas: testigo de batería encendido, arranque difícil, luces débiles, descarga de la batería, ruidos de correa o alternador, diferencia de tensión con motor parado y en marcha, consumos parásitos.

T4. Sistema de arranque

El motor de combustión necesita un sistema auxiliar para vencer el rozamiento y la compresión y alcanzar unas 100–150 rpm. El motor de arranque típico es de corriente continua con excitación serie; en turismos, potencia < 2 kW y par de hasta ~30 Nm.

Principio: un conductor con corriente dentro de un campo magnético experimenta una fuerza que genera par y giro.

Componentes del sistema (6)

1. Batería.
2. Interruptor de encendido.
3. Solenoide/relé de arranque.
4. Motor de arranque.
5. Mecanismo de accionamiento y corona del volante.
6. Interruptor de seguridad.

Secuencia de funcionamiento

1. Al girar la llave (start), la batería activa el solenoide.
2. El núcleo/horquilla desplaza el piñón y lo engrana con la corona.
3. Los contactos de potencia alimentan el motor de arranque.
4. El piñón hace girar la corona y el motor térmico arranca.
5. Al arrancar, el solenoide se desactiva y la horquilla retira el piñón.

El embrague del piñón impide que el motor térmico arrastre al motor de arranque.

Relación de transmisión: el piñón es entre 10 y 16 veces menor que la corona. Un régimen de 2000–3000 rpm del motor eléctrico equivale aproximadamente a 200 rpm del motor de combustión.

Componentes del motor de arranque

1. Cojinete del eje del piñón.
2. Carcasa del piñón.
3. Rodamiento del embrague.
4. Brida de fricción.
5. Bobina magnética.
6. Pistón.
7. Solenoide.
8. Puente de contacto.
9. Borne de batería (30).
10. Conmutador.
11. Escobilla de carbón.
12. Inducido/anclaje.
13. Bobinado de polo.
14. Transmisión reductora.
15. Horquilla del embrague.
16. Hélice/rosca de paso grande.
17. Muelle del engranaje.
18. Embrague.
19. Piñón.
20. Anillo tope.

Gráfica característica

Al aumentar la carga y la intensidad, el par aumenta y la velocidad disminuye. La potencia presenta un máximo intermedio.

Fallos clave

• Dientes del piñón rotos: sobrecarga mecánica, encendidos fallidos, el motor arranca y se para, batería excesivamente solicitada.
• Conexiones flojas: aumento de resistencia, arco eléctrico y fundidos.
• Mala masa, corrosión o cable suelto: problemas en el solenoide y en el engrane.

T5. Sistema de encendido

Objetivo: generar y controlar la chispa para iniciar la combustión de la gasolina en el instante correcto y con energía suficiente. El motor necesita combustible + aire + chispa + compresión + sincronización.

La combustión no es instantánea: el frente de llama avanza progresivamente. Por ello, la chispa debe producirse antes del PMS (BTDC, before top dead center).

Avance del encendido

Depende sobre todo de las rpm y de la carga. No existe una fórmula única; se calibra en banco buscando la potencia máxima y vigilando la detonación.

• Avance excesivo: picado/detonación (knocking); combustión cuando el pistón aún sube; focos de llama anómalos.
• Avance insuficiente: la presión máxima se alcanza cuando el pistón ya baja, lo que implica menos trabajo útil y sobrecalentamiento.

Delco / distribuidor

Recibe la alta tensión de la bobina y la distribuye mecánicamente. Es un sistema antiguo con problemas típicos: desgaste de escobillas y contactos, suciedad en los platinos, ajuste manual, y la inercia limita las altas rpm. El encendido electrónico sustituye los contactos mecánicos por sensores.

Tipos: con distribuidor (directo) o sin distribuidor (programado). El programado es el más común; la ECU utiliza mapas y correcciones.

Sensores CKP y CMP

• CKP: velocidad y posición exacta del cigüeñal.
• CMP: posición del árbol de levas.
• Señal analógica: inducción electromagnética.
• Señal digital: efecto Hall con rueda reluctora.

Sistemas DIS, COP y bujías

• DIS: sin delco; conecta directamente las bujías, con menos pérdidas y fallos. Chispa pareada: una útil y otra»perdid»; las bujías trabajan por duplicado.
• COP: una bobina por cilindro montada sobre la bujía; sin distribuidor ni cables largos de alta tensión. La ECU decide la carga y el disparo.
• Elementos del sistema: ECU, bobinas COP, bujías, sensores CKP/CMP/MAP/temperatura/lambda/knock y batería.

Bujía

Con alta tensión genera un arco entre el electrodo central y la masa. Partes: terminal, aislador cerámico, resistencia interna (reduce la EMI), cuerpo metálico con rosca y masa, y electrodos central y de masa.

• Gap (separación de electrodos) mayor: llama inicial mayor, necesita más kV, más sensible a alta presión.
• Gap menor: menos tensión necesaria, más robusto con presión, llama inicial menor.
• Los sistemas modernos toleran gaps mayores.

Grado térmico

• Bujía caliente: retiene calor y se autolimpia, pero con riesgo de preignición a alta carga.
• Bujía fría: evacúa más calor y es segura a alta carga, pero puede ensuciarse.

Reach: longitud de la rosca efectiva. Asiento: plano con arandela, o cónico de 45° sin arandela.

Sistemas avanzados

• CDI: condensador de descarga rápida; chispa breve e intensa, útil a altas rpm.
• MSD: varias chispas sucesivas a baja carga o régimen.
• COP inteligente: drivers, diagnóstico, control de dwell y energía.
• Ion-sense: mide la conductividad del plasma tras la chispa para detectar detonación o fallo de encendido (misfire).

Prioridades del parcial anterior

• T2: mayor DOD = litio; mayor vida = OPZS; resistencia a vibraciones = GEL/AGM; mayor mantenimiento = OPZS; mayor tensión por celda = Li-Po (3,7 V).
• Desarrollo: fusible; relé; los 7 campos del CAN; alternador (funcionamiento y componentes); arranque (funcionamiento y componentes); explicar el esquema proceso → sensor → acondicionamiento → A/D → bus/procesado/control → potencia → actuador → proceso; diferencia entre sensor y actuador; describir un sensor de automoción (el CKP es un buen ejemplo: magnético, mide posición y rpm del cigüeñal, con salida analógica inductiva o digital Hall).