Tração e Veículos Elétricos

Máquinas Elétricas. Eletrónica de Potência

 A metodologia de ensino consiste em:

– Aulas teóricas presenciais, com projeção de apresentações e filmes (Powerpoint e outros) sobre os temas abordados, visitas a páginas web relevantes; apresentação de casos de estudo publicados de projetos de investigação realizados no DEE-ISEC.

– Aulas práticas de realização do trabalho para avaliação, em grupo.

– Visita a laboratórios do DEE com projetos de I&D desenvolvidos em veículos elétricos.

Em primeiro lugar pretende-se ajudar os alunos a tomarem consciência da importância e dos problemas da mobilidade e sensibilizando-os para as possíveis soluções, que passarão inevitavelmente pela tração elétrica (pura e híbrida), incluindo novas estratégias de mobilidade. De seguida são abordados os princípios e as tecnologias utilizadas na tração elétrica rodoviária e ferroviária, de forma a dotar os alunos de conhecimentos e competências técnicas para enfrentar o mercado de trabalho emergente nesta área. São também abordados aspetos da motorização elétrica no meio aquático (barcos elétricos). São ainda fornecidos elementos e pistas para poderem prosseguir o estudo por si próprios e manterem-se atualizados, após a conclusão do curso.

PARTE 1: O PROBLEMA DOS TRANSPORTES E DA MOBILIDADE

1.      IMPORTÂNCIA DOS TRANSPORTES

  1.1. Relação entre transportes e desenvolvimento

  1.2. Volumes de negócios e de pessoas envolvidas no sector

2.      O PROBLEMA

  2.1. Custo do petróleo, dependência energética, aspetos ambientais locais e globais; problema da mobilidade urbana

  2.2. Impactos negativos associados ao crescimento rápido dos transportes: acidentes, ruído, congestionamento das vias, poluição do ar

  2.3. Perspetivas futuras e previsões para o número de veículos em circulação, aumento das emissões de CO2 e das necessidades energéticas

  2.4. Efeitos dos gases emitidos pelos transportes e indústrias no meio ambiente e saúde humana.

  2.5. Protocolo de Quioto e pós-Quioto.

3.      POSSÍVEIS SOLUÇÕES PARA O PROBLEMA energético, ambiental e de mobilidade urbana

  3.1. Desenvolvimento de veículos mais limpos, eficientes e sustentáveis. Comparação de tecnologias

  3.2. Incentivar o uso dos transportes públicos, melhorados em termos energéticos e de poluição e com diversificação de combustíveis. Exemplos

  3.3. Novos conceitos de mobilidade urbana. Exemplos (“car-sharing”, bicicletas e “scooter’s” elétricas, “Segway”, barcos elétricos; outros veículos elétricos)

  3.4. Repensar o ordenamento da cidade (necessidade de corredores específicos, interligação de transportes públicos)

PARTE 2: VEÍCULOS ELÉTRICOS RODOVIÁRIOS

1.      VEÍCULOS ELÉTRICOS RODOVIÁRIOS

  1.1. Tipos de veículos elétricos (VE): a baterias (VEB) e híbridos (VEH); variantes

  1.2. Componentes de um VE; Componentes principais e escolhas a efetuar para um VE

  1.3. História dos VE

  1.4. Vantagens dos VE: comparação da eficiência, poluição e custos de capital e operação. Análises WTW, WTT,TTW. Análises de Ciclo de Vida

  1.5. Previsões e tendências de evolução de vendas de VEs.

2.      MODELO DINÂMICO DO VEÍCULO RODOVIÁRIO

  2.1. Sistema de coordenadas, referencial fixo na terra, referencial no veículo

  2.2. Forças aplicadas no veículo

  2.3. Força total de resistência ao movimento no veículo: Força resistente ao rolamento do pneu; Força de Resistência Aerodinâmica; Força de Inclinação da estrada

 2.4.  Parâmetros a atuar para diminuir potência e energia para a deslocação do veículo. Exemplo de ações levadas a cabo por diversos fabricantes

  2.5. Modelo Global. Equações de movimento: dinâmica roda/motor elétrico; dinâmica do veículo. Exemplos.

3.      BATERIAS (Sistemas de Armazenamento de Energia)

  3.1. Acumuladores eletroquímicos

  3.2. Tipos de baterias principais e características: Chumbo-Ácido; Níquel-Cádmio; Sódio-Enxofre; Níquel-Ferro; Zinco-Ar; Hidretos Metálicos de Níquel; Lítio, …

  3.3. Carregadores de baterias: carga normal; carga rápida; Igualização da carga; Infra-estruturas de carga: Carga normal e carga indutiva; energia necessária.

  3.4. Carga e descarga de baterias: classificação (“ratting”) das baterias, consoante a capacidade e tempo de descarga. Capacidade da bateria como função da velocidade de descarga. Ciclos ideais de carga (e descarga); Capacidade da bateria ao longo do tempo de vida útil; relação entre tensão, carga e densidade do eletrólito; Carregamento a corrente e a tensão constante. Carregamento ideal e carregamento comum. Cuidados a ter na carga inicial e final. Problema e necessidade da equalização

  3.5. Exemplos de catálogos de fabricante para baterias de Chumbo-Ácido, Ni-Cd, Ni-MH e Iões de Lítio. Características técnicas. Iões de Lítio: diferenças entre pilha/célula isolada e bateria (módulo com agrupamento de células)

  3.6. Massa de baterias necessárias para determinadas autonomias dos VE.

  3.7. Evolução de produção mundial e preços de baterias para VE

4.      CÉLULAS E PILHAS DE COMBUSTÍVEL (Sistemas de Armazenamento de Energia)

  4.1. Princípio de funcionamento: Constituição

  4.2. O sistema “Pilha de Combustível”: reformador, combustíveis primários, inversor de corrente

  4.3. Parâmetros: eletrólito, elétrodos, combustível

  4.4. Tipos de pilhas de combustível

  4.5. O combustível: problema da produção, transporte e distribuição do hidrogénio. Outros tipos de combustíveis

  4.6. Aplicações: veículos automóveis

  4.7. Rendimentos: comparação com VEB e VMCI (Veículos com Motor de Combustão Interna)

5.      SUPERCONDENSADORES e VOLANTES DE INÉRCIA (Sistemas de Armazenamento de Energia): Perspetivas.

6.      VE HÍBRÍDOS

  6.1. O que são; estrutura e componentes. Modelos existentes, características, série e paralelo

  6.2. Funcionamento. Estratégias para aumento de eficiência. Diferenças de funcionamento entre diversos modelos (Hondas Civic IMA e Insight, Toyota Prius, etc.). Demonstração dos modos de funcionamento

  6.3. Híbridos “Plug-in”

7.      MOTORES E “DRIVES”

  7.1. Componentes da “drive”: conversores de potência e seu controlador. Semicondutores de potência mais utilizados na tração elétrica

  7.2. Corrente contínua: motores (série, excitação separada, imanes permanentes) e “drives”

  7.3. Corrente alternada: motores (indução, síncronos de ímanes permanentes, motores CC sem escovas – BLDCM, motores de relutância comutada) e “drives”. Métodos de controlo de velocidade e binário. Travagem regenerativa

8.      NORMALIZAÇÃO EM VEs RODOVIÁRIOS

PARTE 3: TRAÇÃO ELÉTRICA FERROVIÁRIA

1.      BREVE HISTÓRIA DA TRAÇÃO ELÉTRICA: problemas e evolução tecnológica

2.      EVOLUÇÃO DA TRAÇÃO ELÉTRICA EM PORTUGAL

  2.1. O elétrico

  2.2. Metropolitano de Lisboa

  2.3. Caminhos de Ferro Portugueses: generalidades; material circulante da CP

  2.4. Projeto Metro Mondego

3.      GENERALIDADE DE TRAÇÃO ELÉTRICA

  3.1. Tensões e frequências; tipos de catenárias

  3.2. Esquema elétrico de uma linha férrea urbana

  3.3. Escolha do tipo de corrente

  3.4. Escolha do valor da tensão da linha de contacto; cálculo da queda de tensão

  3.5. Esquema de alimentação dos “feeder”

  3.6. Cálculo da potência dos transformadores

  3.7. Cálculo da secção do condutor de cobre da linha de contacto

  3.8. Cálculo do ângulo de inclinação da linha de contacto em relação ao eixo da via

  3.9. Pantógrafo

  3.10.    Catenária

4.      ESQUEMA DE LIGAÇÃO MECÂNICA ELÁSTICA do motor de tração ao eixo das rodas do bogie

  4.1. Cálculo da razão de transmissão

  4.2. Cálculo da força roda carril

5.      DISPOSIÇÃO DOS EIXOS E DESIGNAÇÃO dos eixos motores

6.      EQUAÇÃO DO MOVIMENTO. Resistências ao avanço: força devida ao movimento; força devida ao declive, força devida às curvas; força devida aos túneis

7.      TRANSMISSÃO DO MOVIMENTO

8.      DIMENSIONAMENTO DA POTÊNCIA dos veículos motores

9.      TRAÇÃO TERMOELÉTRICA

10.    PESO DAS PARTES MECÂNICAS E ELÉTRICA

11.    TRAVAGEM MECÂNICA: generalidades; calços sobre rodas; travão de disco

12.    TRAVAGEM ELÉTRICA COM RECUPERAÇÃO

13.    SISTEMAS DE TRAÇÃO em corrente contínua e corrente alternada: motores e drives para comboios

14.    COMBOIOS DE ALTA VELOCIDADE

Parte 4: BARCOS ELÉTRICOS

NAO

Bibliografia Principal/Obrigatória (Disponibilizada no Moodle do ISEC)

– Apresentações das aulas com ligações para documentos e páginas de internet relevantes;

– Diversos documentos e artigos selecionados de revistas e conferências (lista completa no moodle): 

– Ferreira, F. J. T. E., Almeida, A. T., & Moreira, L. (2004). Impacto energético e ambiental associado à aplicação das células de combustível nos veículos eléctricos. Actas das II Jornadas de Engenharia Electrotécnica, Tecnologia em Movimento (20-22 de Abril de 2004). Tomar: Instituto Politécnico de Tomar. pp. 81-138.

– Granchinho, P. (2004). Sebenta de Tracção Eléctrica (capítulos II e III). Tomar: Escola Superior de Tecnologia de Tomar, Instituto Politécnico de Tomar. 

 – Trovão, J. P. (2012). Optimização e Gestão de Múltiplas Fontes de Energia em Veículos Eléctricos (Tese de Doutoramento). Universidade de Coimbra. (cap.1-3). 

– Cabrita, C. P. (2000). Princípios fundamentais da Tracção Ferroviária. Electricidade, 375.

– The Railway Technical Website, A window on the world of railway systems, technologies and operations. (2019). Disponível em: www.railway-technical.com 

Bibliografia complementar (existente na biblioteca do ISEC, seccão 1-4)

– Ehsani, M., Gao, Y., Longo, S., & Ebrahimi, K. (2018). Modern electric, hybrid electric, and fuel cell vehicles (3rd ed.). Boca Raton: CRC Press.

– Hayes, J. G. & Goodarzi, G. A. (2018). Electric Powertrain: Energy Systems, Power Electronics and Drives for Hybrid, Electric and Fuel Cell Vehicles (1st ed.): Wiley. ISBN-13: 978-1119063643

– Mi, C., & Masrur, M. A. (2018). Hybrid Electric Vehicles: Principles and Applications with Practical Perspectives (Automotive Series) (2nd ed): Wiley. ISBN 978-1-118-97056-0.

– Pistoia, G., & Liaw, B. (Editors) (2018). Behaviour of Lithium-Ion Batteries in Electric Vehicles: Battery Health, Performance, Safety, and Cost (1st ed.): Springer. ISBN 978-3-319-88866-8.

– Denton, T. (2016). Electric and hybrid vehicles. Abingdon: Routledge. ISBN 978-1-138-84237-3

– Chau, K. T. (2015). Electric vehicle machines and drives : design, analysis and application. Singapore: IEEE Wiley. ISBN 978-1-118-75252-4.

– Nam, K. H. (2019). AC motor control and electrical vehicle applications (2nd ed). Boca Raton: CRC Press. ISBN 978-1-138-71249-2.

– Weicker, P. (2014). A systems approach to lithium-ion battery management. Boston:  Artech House. ISBN 978-1-60807-659-8.

– Toll, M. (2017). DIY lithium batteries: how to build your own battery packs: Toll Publications. ISBN 978-0-9899067-0-8.

– Beck, L. J. (2009). V2G-101: A text about Vehicle-to-Grid, the technology which enables a future of clean and efficient electric-powered transportation: BookSurge Publishing.

– Husain, I. (2010). Electric and Hybrid Vehicles: Design Fundamentals (2nd ed.). Boca Raton: CRC Press.

– Leitman, S., & Brant, B. (2013). Build Your Own Electric Vehicle (3rd ed.): McGraw-Hill Education. ISBN 978-0-07-177056-9. 

– Larminie, J., & Lowry, J. (2012). Electric Vehicle Technology Explained (2nd ed.). New York:  John Wiley & Sons.

– Steimel, A (2014). Electric Traction – Motive Power and Energy Supply: Basics and Practical Experience (2nd ed). Munchen: DIV Deutscher Industrieverlag, 

– Kaller, R., & Allenbach, J.-M. (2008). Traction électrique, Vol. I  (2nd ed.), Vol. II (1995): Presses Polytechniques et Universitaires Romandes.