Guía docente de la asignatura Sistemas de Control Integrados para VPE Titulación: MASTER EN INGENIERÍA INDUSTRIAL Curso 2015-2016
1. Datos de la asignatura Nombre Materia* Módulo* Sistemas de Control Integrados para VPE (Integrated Control Systems for VPE) Electrónica Materias Comunes Código 2223102012 Titulación Master en Ingeniería Industrial Plan de estudios Centro Tipo Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial Optativa Periodo lectivo Cuatrimestral Cuatrimestre 1º Curso 2º Idioma Castellano ECTS 4.5 Horas / ECTS 30 Carga total de trabajo (horas) 135 * Todos los términos marcados con un asterisco están definidos en Referencias para la actividad docente en la UPCT y Glosario de términos: http://repositorio.bib.upct.es/dspace/bitstream/10317/3330/1/isbn8469531360.pdf
2. Datos del profesorado Profesor responsable Departamento Área de conocimiento Ubicación del despacho Correo electrónico Antonio Mateo Aroca Tecnología Electrónica Tecnología Electrónica 1ª Planta del Hospital de Marina - Lado Norte Teléfono 968-325347 Fax 968-325345 URL / WEB Horario de atención / Tutorías Ubicación durante las tutorías antonio.mateo@upct.es Aula Virtual-Electronica Digital WEB: http://dte.upct.es Martes 11:00-14:00, Miercoles 11:00-14:00. Solicitar cita previa por e-mail. Despacho Titulación Vinculación con la UPCT Año de ingreso en la UPCT 1999 Nº de quinquenios (si procede) 3 Líneas de investigación (si procede) Nº de sexenios (si procede) Experiencia profesional (si procede) Otros temas de interés Ingeniero Industrial por la Universidad Politecnica de Cartagena Profesor Titular de Universidad Energía fotovoltaica. Electrónica Potencia VPE. Visión Artificial Diseño de instalaciones de energía solar.
3. Descripción de la asignatura 3.1. Descripción general de la asignatura La asignatura Sistemas de Control Integrados para VPE es de carácter básico dentro del grupo de materias del itinerario Vehículos de Propulsión Eléctrica. Su principal objetivo es introducir al alumno en los conceptos fundamentales para conocer y comprender la tecnología de los vehículos eléctricos e híbridos. En esta asignatura se hace un recorrido por los diferentes tipos de baterías, los sistemas de control de la carga-descarga de baterías para VPE e Híbridos, así como los fundamentos físicos que permiten el dimensionamiento energético de los diferentes sistemas de almacenamiento de energia. 3.2. Aportación de la asignatura al ejercicio profesional Los vehículos con propulsión eléctrica son una realidad muy prometedora en el mundo de la automoción. La mayoría de las marcas ya apuestan por producir vehículos totalmente eléctricos o híbridos e, incluso, algunos carroceros comienzan a requerir ingenieros para dimensionar y equipar chasis y carrocerías con sistemas de propulsión eléctricos. Por este motivo, el objetivo de esta asignatura, de carácter muy práctico es, además de conocer los distintos tipos y arquitecturas de los VPE, que el profesional aprenda a dimensionar el vehículo para dotarle de los componentes necesarios que permitan adquirir unas determinadas prestaciones. Para llevar a cabo este objetivo, y específicamente para la gestion de baterías, es necesario recordar los fenómenos quimicos que influyen en el proceso de carga-descarga de los elementos de almacenamiento de energia, conceptos básicos y generales de los sistema de gestion y control de los elementos de almacenamiento de energía y su esquema de control en función de las diferentes arquitecturas para el diseño y desarrollo de vehículos híbridos. Dada la naturaleza de los componentes que influyen en el dimensionamiento de los vehículos, esta asignatura se adecúa completamente al perfil profesional del Ingeniero Industrial. 3.3. Relación con otras asignaturas del plan de estudios La asignatura se imparte en el primer cuatrimestre del segundo curso del Master y presenta una continuación y complemento muy claros con el resto de las asignaturas del itinerario: las asignaturas Electrónica de potencia para VPE, Sistemas eléctricos para VPE y sistemas de control integrados para VPE que se imparte en el mismo cuatrimestre de ese mismo curso. El carácter transversal de la misma hace necesario que el alumno haya alcanzado ciertas competencias necesarias superando asignaturas como Matemáticas, Física, Tecnología Eléctrica, Termodinámica Aplicada, Mecánica. 3.4. Incompatibilidades de la asignatura definidas en el plan de estudios No existen 3.5. Recomendaciones para cursar la asignatura No existen condiciones previas excluyentes para cursar esta asignatura, aunque sí recomendaciones lógicas que el alumno debería tener en cuenta, así es recomendable haber cursado la materia Fundamentos de Electrónica Industrial y Diseño y simulación electrónica, asignaturas que se imparten en el primer y segundo cuatrimestre, respectivamente, de segundo curso del Grado de Ingeniero en Electronica Industrial y
Automatica. Finalmente, se recomienda también que el alumno tenga un conocimiento fluido del idioma Inglés a nivel de estudio de documentación, así como de informática a nivel de usuario. 3.6. Medidas especiales previstas Los alumnos que se encuentren en circunstancias especiales deben comunicarlo al profesor/a responsable de la asignatura al principio del cuatrimestre con el fin de adoptar las medidas necesarias para permitir su integración. Para los alumnos con discapacidad se buscará la manera de adaptar los materiales y recursos utilizados a las necesidades específicas. Respecto a los alumnos extranjeros, las clases de la asignatura serán impartidas en castellano y el material confeccionado específicamente para el desarrollo de la misma está en este mismo idioma. No obstante, y aunque la bibliografía recomendada está en castellano, se le facilitará al alumno una bibliografía en inglés, y los profesores de la asignatura podrán emplear el inglés en las tutorías con aquellos alumnos que lo requieran.
4. Competencias y resultados del aprendizaje 4.1. Competencias básicas* del plan de estudios asociadas a la asignatura Poseer y comprender conocimientos que aporten una base u oportunidad de ser originales en el desarrollo y/o aplicación de ideas, a menudo en un contexto de investigación. Que los estudiantes sepan aplicar los conocimientos adquiridos y su capacidad de resolución de problemas en entornos nuevos o poco conocidos dentro de contextos más amplios (o multidisciplinares) relacionados con su área de estudio. Que los estudiantes sean capaces de integrar conocimientos y enfrentarse a la complejidad de formular juicios a partir de una información que, siendo incompleta o limitada, incluya reflexiones sobre las responsabilidades sociales y éticas vinculadas a la aplicación de sus conocimientos y juicios. Que los estudiantes sepan comunicar sus conclusiones y los conocimientos y razones últimas que las sustentan a públicos especializados y no especializados de un modo claro y sin ambigüedades Que los estudiantes posean las habilidades de aprendizaje que les permitan continuar estudiando de un modo que habrá de ser en gran medida autodirigido o autónomo. 4.2. Competencias generales del plan de estudios asociadas a la asignatura Tener conocimientos adecuados de los aspectos científicos y tecnológicos de: métodos matemáticos, analíticos y numéricos en la ingeniería, ingeniería eléctrica, ingeniería energética, ingeniería química, ingeniería mecánica, mecánica de medios continuos, electrónica industrial, automática, fabricación, materiales, métodos cuantitativos de gestión, informática industrial, urbanismo e infraestructuras. Proyectar, calcular y diseñar productos, procesos, instalaciones y plantas. Realizar investigación, desarrollo e innovación en productos, procesos y métodos. Conocimiento, comprensión y capacidad para aplicar la legislación necesaria en el ejercicio de la profesión de Ingeniero Industrial. 4.3. Competencias específicas* del plan de estudios asociadas a la asignatura 4.4. Competencias transversales del plan de estudios asociadas a la asignatura 4.5. Resultados** del aprendizaje de la asignatura Al finalizar la asignatura el alumno deberá ser capaz de: 1. Identificar y describir los sistemas actuales de almacenamiento de energía destinados a propulsión y su impacto en el medioambiente. 2. Identificar los diferentes sistemas de control de vehículos eléctricos basados en su arquitectura, (EV, HEV, PHEV). 3. Modelar matemáticamente sistemas de control y almacenamiento de energía de
los vehículos. 4. Analizar y diseñar sistemas de gestion de baterías en función del tipo de vehiculo eléctrico y los escenarios de uso de cada uno de ellos. 5. Utilizar herramientas informáticas como para describir el comportamiento de los sistemas de almacenamiento de energía y optimizar su funcionamiento. ** Véase también la Guía de apoyo para la redacción, puesta en práctica y evaluación de los resultados del aprendizaje, de ANECA: http://www.aneca.es/content/download/12765/158329/file/learningoutcomes_v02.pdf
5. Contenidos 5.1. Contenidos del plan de estudios asociados a la asignatura Introducción a los sistemas digitales. Lógica combinacional: diseño a nivel de puerta y a nivel de subsistema. Lógica secuencial: diseño a nivel de puerta y a nivel de subsistema. Dispositivos lógicos programables y memorias. Tecnologías de los circuitos integrados, familias lógicas. Diseño de aplicaciones. 5.2. Programa de teoría (unidades didácticas y temas) UD1. INTRODUCCION A LA ARQUITECTURA DE VPE TEMA 0. INTRODUCCION A LA ARQUITECTURA DE LOS VPE. TEMA 1. DIMENSIONADO DE LOS SISTEMAS DE ALMACENAMIENTO DE ENERGIA TEMA 2. ESTRATEGIAS DE CARGA-DESCARGA. UD2. SISTEMAS DE ALMACENAMIENTO DE ENERGIA (BATERIAS) TEMA 3. DESCRIPCION ELECTROQUIMICA DE BATERIAS TEMA 4. TECNOLOGIAS DE BATERIAS TEMA 5. MODELO ELECTRICO DE BATERIAS TEMA 6. CONTRUCCION DE BATERIAS Y MODELADO PARA SIMULACION. UD3. SISTEMAS DE CONTROL ENERGETICO PARA VPE TEMA 7. TIPOLOGIAS DE CONTROL TEMA 8. MODOS DE OPERACION UD4. SISTEMAS DE GESTION DE BATERIAS (BMS) TEMA 9. FUNDAMENTOS DE LOS BMS: FUNCIONES Y DISEÑO. TEMA 10. SISTEMAS DE COMUNICACIÓN PARA LA GESTION DEL VE: BUSES 5.3. Programa de prácticas (nombre y descripción de cada práctica) Práctica 1. Introduccion al modelado de baterías con software de simulación. Práctica 2. Diseño de modelos eléctricos para diferentes tecnologías de baterías. Práctica 3. Simulacion de procesos y gestion de baterías. Práctica 4. Trabajos en campo sobre control de baterías. 5.4. Programa de teoría en inglés (unidades didácticas y temas) UD1. INTRODUCTION TO VPE ARCHITECTURE Topic 0. Introduction to architecture vpe. Topic 1. Architecture and control of energy storage systems Topic 2. Sizing of energy storage systems Topic 3. Charge-Discharge Strategies. UD2. ENERGY STORAGE SYSTEMS (BATTERY) TOPIC 4. Electrochemical battery description
TOPIC 5. Battery technologies TOPIC 6. Battery electric model TOPIC 7. Battery construction and modeling for simulation. UD3. ENERGY CONTROL SYSTEMS FOR VPE TOPIC 8. Types of control TOPIC 9. Modes of operation UD4. BATTERY MANAGEMENT SYSTEMS (BMS) TOPIC 10. Fundamentals of bms: features and design. TOPIC 11. Communication systems for management ve: buses 5.5. Objetivos del aprendizaje detallados por unidades didácticas UD1. INTRODUCCION A LA ARQUITECTURA DE VPE. En esta unidad se abordaran los contenidos y las acciones formativas que permiten alcanzar los siguientes resultados de aprendizaje. 1.- Conocer las arquitecturas típicas de un VPE relacionadas con el sistema de almacenamiento de energia. 2.- Conocer y entender como se establece el dimensionamiento de los sistemas de almacenamiento de energía y las técnicas de los procesos de carga/descarga. UD2. SISTEMAS DE ALMACENAMIENTO DE ENERGIA(BATERIAS) En esta unidad se abordaran los contenidos y las acciones formativas que permiten alcanzar los siguientes resultados de aprendizaje. 1.- Conocer el comportamiento electroquímico de las baterías y las diferentes tecnologías existentes. 2.- Estudiar los modelos eléctricos de baterías que permitan realizar simulaciones y estudios previos que permitan prever y evaluar el estado energético de una batería en función del sistema de gestion y control aplicado al VPE. UD3. SISTEMAS DE CONTROL ENERGETICO PARA VPE En esta unidad se abordaran los contenidos y las acciones formativas que permiten alcanzar los siguientes resultados de aprendizaje. 1.- Conocer los sistemas y tipologías de control en función del tipo de VPE. 2.- Analizar e implementar los diferentes sistemas de control y su aplicación en función de la tipología del VPE. 6.- Aprender a realizar el análisis del estado de los sistemas de almacenamiento de energía (baterías) en función de las técnica de gestion utilizada. UD4. SISTEMAS DE GESTION DE BATERIAS. En esta última unidad se abordan las acciones formativas que permiten alcanzar los siguientes resultados de aprendizaje. 1.- Conocer y entender los fundamentos de los sistemas de gestion de energía de las baterías. 2.- Estudiar el conjunto de funciones que realizan estos BMS, asi como el proceso de diseño de los diferentes elementos de un BMS. 3.- Conocer los diferentes sistemas de comunicación integrados para la gestion del sistema de almacenamiento de energía (baterías) y su enlace con los demás sistemas del VPE.
6. Metodología docente 6.1. Metodología docente* Actividad* Técnicas docentes Trabajo del estudiante Horas Clase de Teoría Clase expositiva empleando el método de la lección. Resolución de dudas planteadas por los estudiantes en función de los casos de estudio planteados por el profesor. Presencial: Toma de apuntes, planteamiento de dudas. 21 No presencial: Estudio de la materia. 30 Clase de Problema Se plantea cada ejercicio y se da un tiempo para que el estudiante intente resolverlo. Se resuelve con ayuda de la pizarra y, en ocasiones, con la participación de estudiantes en debates con las ideas expuestas. Presencial: Participación activa. Resolución de ejercicios. Planteamiento de dudas 9 No presencial: Estudio de la materia. Resolución de ejercicios propuestos por el profesor. 24 Clase de Prácticas Las sesiones prácticas de laboratorio son fundamentales para acercar el entorno de trabajo industrial al docente y permiten enlazar contenidos teóricos y prácticos de forma directa. Mediante las sesiones se pretende que los alumnos manejen los instrumentos del laboratorio. Presencial Realización de las actividades y ejercicios planteadas en el boletín de prácticas 8 No presencial: Simulación de la práctica a realizar en el laboratorio. Elaboración de los informes de prácticas. 13 Seminarios y trabajo cooperativo Estudio intensivo de un tema en sesiones planificadas. Los alumnos trabajan en grupo para resolver un conjunto de problemas o realizar un trabajo cooperativamente. Resolver dudas y aclarar conceptos Presencial Toma de apuntes, planteamiento de dudas. Participación activa. Resolución de ejercicios. Planteamiento de dudas. No presencial: estudio de la materia a tratar en las sesiones de trabajo cooperativo. Preparación de la actividad. 3 21 Tutorías Resolución de dudas sobre teoría, problemas y prácticas. Presencial: Planteamiento de dudas en horarios de tutorías. No presencial: Planteamiento de dudas vía correo electrónico. 3 Exámenes Evaluación escrita (examen oficial). Presencial: Asistencia al examen oficial. 3 135
6.2. Resultados (4.5) / actividades formativas (6.1) Resultados del aprendizaje (4.5) Actividades formativas (6.1) 1 2 3 4 5 Clase de teoría X X Clase de problemas X X X X Clase de practicas de laboratorio X X X X Seminarios problemas / otras actividades de trabajo cooperativo X X X
7. Metodología de evaluación 7.1. Metodología de evaluación* Actividad Tipo Sumativa* Formativa* Sistema y criterios de evaluación* Peso (%) Resultados (4.5) evaluados Actividades periódicas durante el curso: Teoria/Problemas/Ejercicios Asistencia a las sesiones de prácticas obligatorias en el laboratorio Memoria del trabajo de prácticas Actividad final propuesta por el profesor X X X x X X Preguntas cortas y ejercicios similares a los planteados en clase en los que el alumno expondrá las conclusiones obtenidas. El alumno dispondrá del material desarrollado durante las prácticas y el ordenador para comprobar los resultados obtenidos. (ver Nota1) El alumno deberá presentar una memoria con los resultados de los trabajos realizados en prácticas. Así mismo se comprobará en cada sesión de prácticas la correcta realización de la misma en el laboratorio. Ejercicios de diseño de sistemas reales, pruebas tipo test. Permiten evaluar tanto la evolución del aprendizaje como ciertas habilidades, en particular, las relacionadas con la búsqueda de información utilizando distintos tipos de fuentes, el uso de un entorno integrado de aprendizaje, trabajo y comunicación como Moodle, etc 20% APTO O NO APTO Hasta 20% 1,2,3,4 1,2,3,5 60% 1 a 5 NOTA1: Para poder aprobar la asignatura es necesario haber obtenido una calificación de APTO en la asistencia a las prácticas obligatorias. Esto supone no faltar a ninguna de las sesiones de prácticas planificadas salvo por un motivo suficientemente justificado. De ser así, deberá ponerse en contacto con su profesor de prácticas a la máxima brevedad posible para tratar de recuperar la sesión en cuanto sea posible, aunque sea asistiendo excepcionalmente a otro de los grupos de prácticas. Además el alumno deberá entregar el estudio previo a la práctica. NOTA2: Aquellos alumnos que, por motivos debidamente justificados, no puedan realizar evaluación continua, pueden realizar una única prueba final de carácter global, que supondrá el 100% de la nota. Para ello, se realizará tanto un examen de teoría problemas como un examen de prácticas de laboratorio, exigiéndose el mismo nivel de aprendizaje que a los alumnos que han asistido a las clases de teoría y prácticas de la asignatura. El alumno deberá, asimismo, presentar los trabajos que se exijan para superar la misma. Para poder acogerse a esta modalidad de evaluación, el alumno deberá presentar la solicitud correspondiente al Departamento de Tecnología Electrónica, en plazo y forma según determine el citado departamento.
7.2. Mecanismos de control y seguimiento (opcional) A lo largo del curso, a los alumnos se les plantean diversas actividades (resolución de ejercicios prácticos, búsqueda de información, preparación de trabajo en grupo, etc.). Algunas de estas actividades se realizan durante el transcurso de las clases, tanto teóricas como prácticas, mientras que otras están programadas para ser realizadas fuera del horario de clases a través del Aula Virtual, en seminarios o como trabajo grupal. La realización y entrega de estas actividades es parte de la evaluación de la asignatura. La resolución de estas actividades permitirá conocer al profesor y al alumno los progresos de éste y saber en qué aspectos necesita esforzarse más. Se promueve la utilización de tutorías individuales y grupales, que son utilizadas no sólo para resolver dudas puntuales del estudiante, sino para realizar un seguimiento de la evolución del estudiante.
8 Bibliografía y recursos 8.1. Bibliografía básica* R. Erickson, D. Maksimovic, Fundamentals of Power Electronics, Springer 2001 http://ecee.colorado.edu/~ecen5017 Introduction to simulation in PSPICE. 8.2. Bibliografía complementaria* N.Kularatna, Energy Storage Devices for Electronic Systems: Rechargeable batteries and Supercapacitors. Modern Electric, Hybrid Electric, and Fuel Cell Vehicles: Fundamentals, Theory, and Design, Second Edition. Mehrdad Ehsani, Yimin Gao, Ali Emadi 8.3. Recursos en red y otros recursos http://aulavirtual.upct.es/ Contenidos: Colecciones de cuestiones y problemas de cada uno de los temas de la asignatura. Cuestiones y problemas resueltos. Manuales utilizados en las prácticas de la asignatura. Introducción de las prácticas de laboratorio a desarrollar durante el curso. http://www.dte.upct.es/