Vehículos Eléctricos e Híbridos, una Propuesta de Asignatura Optativa

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1 Vehículos Eléctricos e Híbridos, una Propuesta de Asignatura Optativa Pere Andrada Departament d Enginyeria Elè ctrica EPS d Enginyeria de Vilanova i la Geltrú 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.

2 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 número no cesará de crecer lo cual empeorará aún más la contaminació n urbana. Los automó viles son dependientes del petró leo, que

3 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 eléctricos 1, 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 unidades en California habían de ser de emisión cero (ZEV). Esta iniciativa fue seguida por otros estados. Recientemente se ha aplazado su cumplimiento.

4 sobrecarga, rendimiento, posibilidad de trabajar en un amplio margen de velocidades, opciones de control, rizado de par, ruido, peso y tamaño, 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 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 sólo 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 lógica 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,

5 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 Objetivos. Los objetivos básicos de la asignatura son: Rememorar la historia de los vehículos eléctricos e Clasificar y describir la constitució n de los vehículos eléctricos e Proporcionar unas consideraciones básicas de diseño de los vehículos eléctricos e Describir y estudiar las diferentes fuentes de energía eléctrica para vehículos eléctricos e Estudiar las cadenas de tracció n de los modernos vehículos eléctricos e 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 ECTS 2, 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.

6 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 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 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 públicamente. 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 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

7 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 pública 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 B. H. Chowdhury. Power education at the crossroads. IEEE Spectrum, October 2000, pp M. E. Rizkalla, CH. F. Yokomoto, S. C. Sinha, M. El-Sharkaway, S. Lyshevski, J. Simson. "A new EE curriculum in Electric vehicles applications Midwest Symposium on Circuits and Systems, pp J. Fullea et al. El vehículo eléctrico. Tecnología, desarrollo y perspectivas de futuro. McGraw Hill-EVE-Iberdrola, Serie Electro Tecnologías, Nº 15, ISBN C. C. Chan and K. T. Chau. Modern electric vehicle technology. Oxford University Press ISBN M. H. Westbrook. The electric car. Development and future of battery, hybrid and fuel-cell cars. IEE Power and Energy Series Nº 38, London ISBN I. Hussain. Electric and hybrid vehicles: Design fundamentals. CRC Press, ISBN

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