R0084 : Vehículos eléctricos e híbridos, una propuesta de

R0084 : Vehículos eléctricos e híbridos, una propuesta de

Vehículos Eléctricos e Híbridos, una Propuesta de
Asignatura Optativa
Pere Andrada
Departament d’Enginyeria Elè ctrica
EPS d’Enginyeria de Vilanova i la Geltrú
[email protected]
RESUMEN.
En la revisió n de los contenidos del área de optatividad de accionamientos
eléctricos de la titulació n de Ingeniería Técnica especialidad en Electricidad,
EPS d’Enginyeria de Vilanova i la Geltrú , se planteó la conveniencia de
proponer alguna asignatura que huyera de las etiquetas habituales de las
materias optativas y que tratara sobre un tema atractivo y de actualidad,
dinámico y en evolució n. Fundamentado, claro está, en asignaturas previas de
la titulació n, que permitiera profundizar en aspectos propios de la Ingeniería
Eléctrica y obligara, incluso, a tener en cuenta consideraciones sociales y
medioambientales. Por otra parte, debería fomentar el trabajo en equipo, el
manejo de informació n y ayudar a desarrollar la expresió n oral y escrita de los
estudiantes. Esta asignatura se materializó , finalmente, bajo el título de
Vehículos Eléctricos e Híbridos. En esta comunicació n tras justificar la
adecuació n de los vehículos eléctricos e híbridos a las premisas previamente
planteadas, se expondrán los contenidos de la asignatura, se concretará la
metodología y los criterios de evaluació n adoptados y se intentará, finalmente,
hacer un análisis objetivo de los resultados obtenidos.
1.- INTRODUCCIÓN.
Las asignaturas optativas han de profundizar en aspectos específicos de la
titulació n o bien en las áreas tecnoló gicas más afines con la misma. Aunque
estamos de acuerdo que los estudiantes tienen que elegir las asignaturas
optativas que más les interesen, las Escuelas por su parte han de ofrecer áreas
de optatividad, en definitiva líneas de especializació n o intensificació n,
orientadas a potenciar alguno o algunos de los segmentos tecnoló gicos
específicos de cada titulació n. Un área de optatividad estaría constituida por un
grupo de asignaturas previamente establecidas con unos contenidos
claramente centrados en el ámbito del área de optatividad en cuestió n.
En la EPS de Vilanova i la Geltrú , desde la implantació n de la reforma de los
Planes de estudio de Ingeniería Técnica Industrial en 1995, se han creado,
siguiendo este planteamiento, áreas de optatividad en las distintas titulaciones
que imparte, estableciéndose en cada una de ellas dos áreas de optatividad. La
Escuela expide un diploma de especializació n a los alumnos que han superado
como mínimo 18 créditos en asignaturas del área de optatividad que han
elegido. En concreto en la titulació n de Ingeniería Técnica especialidad en
Electricidad las áreas de optatividad son:
•
•
Á rea de optatividad en Accionamientos eléctricos
Á rea de optatividad en Sistemas Eléctricos de Potencia e Instalaciones
Eléctricas.
En la revisió n del enfoque, estructura y articulació n de los contenidos del área
de optatividad de Accionamientos Eléctricos, se planteó la conveniencia de
proponer alguna asignatura que encajara en el contexto de los accionamientos
eléctricos pero que huyera de las etiquetas habituales de las materias optativas
(“Ampliació n de… ”, “Nuevas o Modernas técnicas de o para… ”, etc.) y que:
•
•
•
•
•
Tratara sobre un tema atractivo y de actualidad
Pudiera basarse en las asignaturas previas de la titulació n
Ampliara conocimientos y/o profundizase en determinados aspectos
propios de la titulació n.
Incluyera consideraciones sociales y medioambientales.
Sus contenidos, o parte de los mismos, pudieran ser ú tiles fuera del
contexto de la asignatura.
Por otra parte, el mundo empresarial exige, cada vez más, a los ingenieros
recién titulados, que además de una buena base tecnoló gica tengan
conocimientos y hayan desarrollado habilidades en áreas no estrictamente
tecnoló gicas, aspectos a los que, por lo general, se denomina soft skills. Las
asignaturas troncales debido a su elevada densidad de contenidos no son muy
propicias para trabajar estos aspectos, en cambio las asignaturas optativas por
su propia idiosincrasia, sí son adecuadas para desarrollarlos. La asignatura en
cuestió n, de acuerdo con estos planteamientos, pretendería, además, mejorar:
•
•
•
La capacidad de manejar informació n sobre un tema dinámico y en
constante evolució n.
La capacidad de trabajar en equipo.
La capacidad de comunicació n oral y escrita.
2.- VEHÍCULOS ELÉ CTRICOS E HÍBRIDOS.
Las emisiones de los vehículos de combustió n interna son la mayor fuente de
contaminació n atmosférica en las ciudades y contribuyen de forma importante
al efecto invernadero. El automó vil forma parte del estilo de vida de las
sociedades desarrolladas y, hoy por hoy, es un elemento irrenunciable. En las
pró ximas décadas su nú mero no cesará de crecer lo cual empeorará aú n más
la contaminació n urbana. Los automó viles son dependientes del petró leo, que
consumen, además, de forma muy poco eficiente, como consecuencia del
pobre rendimiento de los motores de combustió n interna. Por lo tanto a la
problemática medioambiental se suman factores econó micos y políticos [1]. La
ú nica alternativa para conseguir reducir las emisiones atmosféricas, mejorar la
eficiencia energética y garantizar la sostenibilidad a corto plazo son los
vehículos híbridos y a medio plazo los vehículos eléctricos.
Los vehículos eléctricos no son una novedad, a principios del siglo XX
competían con los vehículos con motor de combustió n interna de forma
ventajosa. Sin embargo factores como la invenció n del arrancador eléctrico, la
mejora de la producció n en masa que repercutió en unos precios de venta muy
asequibles para los automó viles con motor de combustió n interna, junto con un
limitado acceso a la electricidad en las zonas rurales, hicieron que, después de
1920, los vehículos eléctricos quedaran relegados a usos marginales, como por
ejemplo el sector de los vehículos industriales de manutenció n de interior.
Hacia 1960, debido a la creciente contaminació n atmosférica en las ciudades y
en la siguiente década como consecuencia de la crisis del petró leo hubo un
renovado interés por los vehículos eléctricos. Sin embargo, no fue hasta finales
del siglo veinte, en 1990, con la legislació n por mandato del California Air
Resources Boad (CARB), que impuso cuotas de ventas obligatorias de
vehículos eléctricos1, cuando los fabricantes de automó viles se decidieron a
investigar y a desarrollar vehículos eléctricos, ayudando, a la vez, a crear una
sensibilidad favorable en la opinió n pú blica.
El punto débil de los vehículos eléctricos fue y continú a siendo la fuente de
energía embarcada, que es responsable de las limitaciones de sus
prestaciones y de su autonomía. Tradicionalmente los elementos más
utilizados para el almacenamiento de la energía eléctrica en los vehículos
eléctricos han sido las baterías electroquímicas. En los ú ltimos años se han
hecho grandes progresos y a las baterías tradicionales de plomo/ácido y de
níquel/cadmio se han unido baterías de mejores prestaciones como las de
níquel/metal hidruro y las de litio/ion. Paralelamente investigaciones en otros
ámbitos han supuesto grandes avances en el desarrollo de las pilas de
combustible, especialmente interesantes para los vehículos eléctricos son las
pilas de combustible de intercambio protó nico, en el campo de los
supercondensadores y en el de los volantes de inercia.
Los vehículos eléctricos han de diseñarse para optimizar su rendimiento y el
frenado regenerativo. Con los avances de la Electró nica de Potencia y de la
Automática la operació n con elevado rendimiento en diferentes condiciones de
carga puede conseguirse fácilmente de forma electró nica mejor que de la forma
mecánica tradicional por lo tanto puede recurrirse a una relació n de transmisió n
fija entre el motor de propulsió n y las ruedas. También cabe la posibilidad de
utilizar un motor de tracció n directa en cada una de ellas. La selecció n de un
accionamiento eléctrico como grupo tractor de un vehículo eléctrico ha de
considerar los siguientes aspectos: densidad de potencia, capacidad de
1
En el añ o 2003 un 10% de los automóviles de los fabricantes que vendieran más de 35000 unidades en
California habían de ser de emisión cero (ZEV). Esta iniciativa fue seguida por otros estados.
Recientemente se ha aplazado su cumplimiento.
sobrecarga, rendimiento, posibilidad de trabajar en un amplio margen de
velocidades, opciones de control, rizado de par, ruido, peso y tama ño,
robustez, mantenimiento, facilidad de manufactura y coste. Hoy en día hay
distintas alternativas de accionamientos eléctricos que cumplen estos
requisitos: accionamientos con motores de c.c. sin escobillas, accionamientos
con motores síncronos con imanes, accionamientos con motores de reluctancia
autoconmutados y accionamientos con motores de inducció n. De entre todos
ellos los dos ú ltimos son las opciones mas interesantes para los vehículos
eléctricos mientras que los motores de c.c. sin escobillas seguramente lo son
para los vehículos híbridos.
El almacenamiento de energía eléctrica es esencial para el funcionamiento de
los vehículos eléctricos. En el caso de que el sistema adoptado sea el de
baterías estas han de recargarse perió dicamente. Esto requiere no só lo
disponer cargadores de batería eficientes sino crear una infraestructura de
estaciones de recarga distribuidas por el territorio y estudiar el impacto que
éstas puedan tener en el sistema eléctrico de potencia. Si la fuente de energía
es la pila de combustible también debe crearse una red de estaciones de
servicio o adaptar las gasolineras actuales para que suministren el combustible,
hidrogeno, así como toda una infraestructura de transporte y distribució n. En el
caso de recurrir a pilas de combustible con procesador químico de combustible
(reformer), el combustible a utilizar podría ser metanol o incluso gasolina con lo
cual se simplificaría algo el problema.
Los vehículos eléctricos e híbridos son en la actualidad objeto de gran atenció n
y en ellos se han depositado grandes esperanzas. Sin embargo han de
competir con un sector bien establecido (automó viles con motor de combustió n
interno) y su futuro depende de un difícil equilibrio entre decisiones
gubernamentales, (preservació n ambiental, economía y estrategia energética,
impacto social), intereses de la industria del automó vil (beneficios, imagen, de
marca, liderazgo tecnoló gico) y de la ló gica del mercado (especificaciones,
confort, coste en definitiva ventajas competitivas).
3.- ASIGNATURA OPTATIVA: VEHÍCULOS ELÉ CTRICOS E HÍBRIDOS,
JUSTIFICACIÓN.
Después de barajar diversas opciones se eligió como temática de la asignatura
optativa los vehículos eléctricos e híbridos por que era un tema que encajaba
con los objetivos planteados. Los vehículos eléctricos e híbridos son un tema
de actualidad, a diario hay presentaciones de nuevos vehículos eléctricos e
híbridos y noticias de nuevos avances en baterías y pilas de combustible,
además es un tema que goza de una buena acogida en la opinió n pú blica. Los
conocimientos de electrotecnia en que se basan los vehículos eléctricos los
estudiantes los han ido adquiriendo durante los primeros cursos de la titulació n.
Los vehículos eléctricos e híbridos son una encrucijada de nuevas tecnologías.
La asignatura aporta nuevos conocimientos en dinámica del vehículo, fuentes
de energía, baterías, y fuentes alternativas como pilas de combustible y en
accionamientos eléctricos avanzados para cadenas de tracció n. Todos estos
conocimientos, excepto la dinámica del vehículo, pueden ser ú tiles en otros
contextos y áreas tecnoló gicas. Por otro lado, los aspectos medioambientales,
energéticos y los condicionamientos sociales relacionados con los vehículos
eléctricos e híbridos son consideraciones muy relevantes en las sociedades
desarrolladas y pueden favorecer el debate y el intercambio de ideas. Todas
estas circunstancias unidas a una continua y vigorosa generació n de
informació n hacen que sea fácil encontrar temas para proponer trabajos en
grupo y promover forums de debate.
A parte de estos argumentos, es interesante añadir que recientemente se han
introducido cursos sobre vehículos eléctricos e híbridos en numerosas
Universidades en los Estados Unidos en un intento de revitalizar los estudios
de Ingeniería Eléctrica de Potencia (Power Engineering) [2], e incluso un
programa específico, entiéndase titulació n, en Aplicaciones en Vehículos
Eléctricos en la Universidad de Purdue [3]. Como consecuencia en los ú ltimos
dos años han aparecido varios libros de texto sobre el tema [4], [5], [6], [7].
4.- TRATAMIENTO DE LA ASIGNATURA VEHÍCULOS ELÉ CTRICOS E
HÍBRIDOS.
4.1.- Objetivos.
Los objetivos básicos de la asignatura son:
•
•
•
•
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Rememorar la historia de los vehículos eléctricos e híbridos.
Clasificar y describir la constitució n de los vehículos eléctricos e
híbridos.
Proporcionar unas consideraciones básicas de diseño de los vehículos
eléctricos e híbridos.
Describir y estudiar las diferentes fuentes de energía eléctrica para
vehículos eléctricos e híbridos.
Estudiar las cadenas de tracció n de los modernos vehículos eléctricos e
híbridos.
4.2.- Estructura y metodología.
La asignatura se concretó finalmente con una carga lectiva de 4,5 créditos, 3
horas semana de clase, durante un cuatrimestre (15 semanas), cuatro créditos
en el nuevo sistema europeo de asignació n de créditos ECTS2, y se imparte en
el 5º o 6º cuatrimestre de la titulació n de Ingeniería Técnica Industrial
especialidad en Electricidad. Como requisito previo se aconseja haber cursado
la asignatura de Regulació n y Control de Máquinas Eléctricas o en el peor de
los casos hacerlo simultáneamente.
Dadas las características de la asignatura se pretende fomentar la participació n
de los estudiantes promoviendo forums de debate y trabajos en grupo.
2
ECTS (European credit transfer system). Un crédito ECTS aproximadamente 25 horas de trabajo del
estudiante.
4.3.-Temario genérico.
Los contenidos de la asignatura se han clasificado en los siguientes temas:
1. Consideraciones energéticas, sociales y medioambientales del sector
transporte.
2. Vehículos eléctricos y híbridos, una perspectiva histó rica
3. Clasificació n y constitució n de los vehículos eléctricos y híbridos
4. Consideraciones básicas de diseño de los vehículos eléctricos y
híbridos.
5. Fuentes de energía: Baterías
6. Fuentes de energía: Pilas de combustible, Supercondensadores y
Volantes de inercia.
7. Cadenas de tracció n: Accionamientos para vehículos eléctricos y
híbridos.
8. Vehículos eléctricos y híbridos: ¿utopía o esperanza?
4.4. Trabajos en grupo y forums de debate.
El trabajo en grupo versará sobre aspectos relacionados con los vehículos
eléctricos i/o híbridos o sobre la aplicació n de la Ingeniería Eléctrica en el
automó vil. El trabajo se realizará en grupos de 4 estudiantes como máximo y
deberá defenderse pú blicamente. En el curso pasado cada grupo tuvo que
escoger el tema del trabajo entre las siguientes alternativas:
•
•
•
•
•
•
•
•
Motores con imanes permanentes de flujo axial para tracció n eléctrica
Drive by wire.
Pilas de combustible para vehículos eléctricos.
Infraestructuras de recarga rápida para vehículos eléctricos.
Vehículos eléctricos industriales.
Seguridad del circuito eléctrico de potencia y del sistema de control de
los vehículos eléctricos y híbridos
Vehículos electro-solares
Bicicletas y motocicletas eléctricas.
Durante el curso se dedicarán algunas horas a realizar forums de debate, en
los cuales los estudiantes, con el profesor como moderador, discutirán en clase
sobre un tema relacionado con la asignatura, basándose en un artículo
conocido por todos con suficiente antelació n, como por ejemplo: “Nuevos
combustibles en la automoció n” o “Expectativas de los supercondensadores en
los vehículos eléctricos”.
4.5. Evaluación.
La asignatura se evaluará mediante las notas de dos exámenes, el primero a
mitad de cuatrimestre con un peso del 25% y el segundo al final del curso con
un peso de 50%. El trabajo en grupo, en el que se evaluará tanto la calidad del
trabajo como su exposició n, tiene un peso del 25%. Los exámenes constarán
de dos partes la primera mediante preguntas con opciones multirrespuesta y la
segunda a base de problemas de aplicació n.
CONCLUSIONES
La asignatura Vehículos Eléctricos e Híbridos es una asignatura optativa que
se ofrece a los estudiantes de Ingeniería Técnica Industrial en el área de
optatividad de Accionamientos Eléctricos. Es una asignatura sobre un tema
innovador que a la vez permite profundizar en aspectos específicos
relacionados con la Ingeniería Eléctrica que pueden ser ú tiles incluso fuera del
contexto de la asignatura. Por otra parte se intenta promover la participació n
del estudiante, para ayudarle a desarrollar algunas capacidades relacionadas
con el manejo de la informació n y la expresió n oral y escrita. La asignatura se
ha impartido hasta la fecha, en los cuatrimestres de otoño del curso 2001/2002
y 2002/2003, con 24 y 20 estudiantes matriculados. La asignatura ha sido bien
acogida, demostrando los estudiantes bastante interés por algunos temas,
curiosamente, los más alejados de la Ingeniería Eléctrica como dinámica del
vehículo. El aprovechamiento de acuerdo al nivel exigido y atendiendo a las
calificaciones obtenidas ha sido satisfactorio. En los trabajos en grupo la
calidad y el esfuerzo realizado ha sido muy desigual, observándose una débil
estructuració n de los contenidos y cierta falta de rigor tanto en el uso del
lenguaje técnico como en muchas de las afirmaciones realizadas. La
exposició n pú blica de los trabajos, en cambio, ha tenido, en general, un nivel
bastante aceptable. Para el profesor la experiencia, hasta el momento, ha sido
positiva, bastante mejor que en otras optativas más convencionales.
REFERENCIAS.
1. B. K. Bose. “ Energy, environment, and advances in power electronics” .
IEEE Transactions on Power Electronics, Vol 15, July 2000, pp. 688-701.
2. B. H. Chowdhury. “ Power education at the crossroads” . IEEE Spectrum,
October 2000, pp. 64-68.
3. M. E. Rizkalla, CH. F. Yokomoto, S. C. Sinha, M. El-Sharkaway, S.
Lyshevski, J. Simson. "A new EE curriculum in Electric vehicles
applications” . 1998 Midwest Symposium on Circuits and Systems, pp.186189.
4. J. Fullea et al. El vehículo eléctrico. Tecnología, desarrollo y
perspectivas de futuro. McGraw Hill-EVE-Iberdrola, Serie Electro
Tecnologías, Nº 15, 1997. ISBN 84-481-1201-6
5. C. C. Chan and K. T. Chau. Modern electric vehicle technology. Oxford
University Press 2001. ISBN 0 19 850416 0
6. M. H. Westbrook. The electric car. Development and future of battery,
hybrid and fuel-cell cars. IEE Power and Energy Series Nº 38, London
2001. ISBN 0 85296 013 1
7. I. Hussain. Electric and hybrid vehicles: Design fundamentals. CRC
Press, 2003. ISBN 0-8493-1466-6