Aulas Teóricas




1. Introdução
Principais marcos da evolução da sociedade nos últimos dois séculos. Onde nos conduziu a espiral energívora iniciada com o uso dos combustíveis fósseis. A emergência de um novo paradigma energético. Primeira e a segunda lei da Termodinâmica. O conceito de EROEI. O incremento na exploração de fontes de energia renovável, a necessidade de tecnologias de armazenamento de energia e a emergência da economia dos eletrões. Razões científicas e técnicas dos porquês de as economia do hidrogénio e dos biocombustíveis não poderem competir com a economia dos eletrões. Considerações sobre a eficiência energética global com tecnologias alternativas de captura, transporte e uso da energia.
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2. Tecnologias de armazenamento de energia
Motivos da necessidade crescente de tecnologias de armazenamento de energia (AE). Requisitos genéricos das tecnologias de AE. Formas intermédias de armazenar energia: Mecânica (com PHES, CAES, Flywheels,…); Térmica (com armazenamento de calor e frio em materiais, ar líquido, azoto líquido, etc.); Eletroquímica (com uso de baterias eletroquímicas, baterias de fluxo e hidrogénio) e Elétricas (com uso de bobinas e supercondensadores). Parâmetros chave: Segurança, densidade de energia, número de ciclos de carga/descarga, densidade de potência, custo, … Sistemas de larga escala, residenciais e pequena dimensão.
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3. Surgimento do automóvel e do veículo elétrico
Breve história sobre a evolução dos meios de transporte utilizados pelo Homem. Surgimento dos primeiros veículos (auto)móveis. Performances alcançadas com os primeiros veículos elétricos (VE´s). Fatores indutores da diminuição do interesse pelos VE´s em 1912. Principais razões para o ressurgimento do interesse pela mobilidade elétrica no final do século XX.
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4. Arquiteturas dos veículos elétricos
Arquitetura do veículo automóvel convencional. O que é um veículo elétrico? Arquitetura BEV (Battery Electric Vehicle); HEV (Hybrid Electric Vehicle); PHEV (Plug-In Hybrid Electric Vehicle) paralela e série e tecnologia Mild-Hybrid. Eficiência real alcançada com cada tecnologia de propulsão.
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5. Cinemática e dinâmica do veículo automóvel
Fatores responsáveis pelo consumo de energia a bordo do veículo automóvel. Estudo das forças de atrito de rolamento, aerodinâmicas, gravíticas e inerciais (lineares e angulares). Estudo das forças propulsoras, do modo como podem ser geradas a bordo e aplicadas às rodas motoras. Estudos da eficiência nos sistemas de transmissão mecânica. Obtenção do modelo matemático (equações diferenciais) do veículo automóvel. Tendências de evolução ao nível de todos os componentes dos sistema propulsor e da carroceria do veículo automóvel. Análise das eficiências reais, em Joules por quilómetro percorrido, para diferentes veículos automóveis convencionais, híbridos e elétricos.
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6. Baterias para uso em veículos elétricos
Células: - A bateria como elemento crucial do veículo elétrico. Principais requisitos a serem cumpridos pelas baterias a bordo dos veículos elétricos. Diferentes tipos de células eletroquímicas utilizados em mobilidade elétrica. Novos tipos de baterias. Comparação de parâmetros críticos entre diferentes tipos de células. Tendência de evolução o nível da segurança, durabilidade, densidade de energia e de potência e custo. BMS: - Função do Sistema de Gestão da Bateria ou Battery Management System (BMS). Parâmetros críticos a controlar por célula (nível de tensão, temperatura e máxima corrente de carga e de descarga). Diferentes arquiteturas de BMS. Formas de balanceamento no período de carga e de descarga. Sistemas de comunicação entre placas de célula e controladores. Sistema de controlo passivo e controlo ativo de temperatura. Interação do BMS com os componentes de potência do VE (carregador e controlador).
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7. Sistemas de propulsão dos veículos elétricos
Controlador: Cascata de potência entre a bateria e as rodas propulsoras. A função do controlador (ou inversor) no veículo elétrico. Interdependência entre controlador e motor utilizado em cada arquitetura. Controlo de potência com ponte de IGBT´s e modelação por largura de impulso (PWM – Pulse Width Modulation) atuando na frequência (velocidade de rotação) e amplitude (potência elétrica e mecânica a uma dada velocidade). Dispositivos de eletrónica de potência de elevada eficiência (Carbeto de Silício - SiC). Algoritmos de comando com realimentação de velocidade (Electronic Feedback) ou por controlo vetorial (Vector Control). Razões da limitação da potência máxima de regeneração. Conceito de repartição de binário por roda motriz usando diversos controladores/motores e diferencial eletrónico (Torque Vectoring). Motores: Diferentes motores elétricos utilizados em mobilidade elétrica e a sua interdependência com o sistema controlador. Motores AC de indução trifásicos com rotor em gaiola de esquilo. Motores de magnetes permanentes. Motores BLDC (Brushless DC). Principais parâmetros de cada tipo de motor, vantagens e inconvenientes comparativos. Curvas típicas de binário e potência alcançadas com cada par motor/controlador. Estudo de motores das empresas que disponibilizam a maior densidade de potência na atualidade para uso na aviação elétrica. Análise de casos estudo com base nos veículos atuais de maior performance: Tesla Roadster 2020, Lucid Air, Lightyear One, Rimac, Nio EPV…
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8. Sistemas de recarga dos veículos elétricos
Cablada: Sistemas de recarga cablada. Características vantagens e inconvenientes. Período em que ocorre a carga e conceitos de carga cega, carga inteligente, G2V (Grid to Vehicle), V2G (Vehicle to Grid) e V2H (Vehicle to Home). Velocidade da carga: baixa (modo 1), média (modo 2) e rápida (Fast-Charge). Sistemas de recarga em AC e em DC. Normas de recarga existentes: SAE J1772, IEC 62196-1 (Mennekes), CCS 1, CCS2, CHAdeMO), Tesla, etc. Interdependência entre sistema de alimentação de tensão, carregador a bordo e tensão nominal da bateria do veículo elétrico. Aspetos de segurança no sistema de recarga cablado. Wireless: Componentes de um sistema de recarga indutiva com circuitos ressonantes. Vantagens e desvantagens dos sistemas de recarga indutiva. Normas existentes e em implementação (SAE J2954 Standard). Fornecedores de tecnologia. Caso estudo de um veículo elétrico real com análise de parâmetros de utilização, consumos de energia, impacte da recarga na qualidade da energia, instalação doméstica e na rede, etc.
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9. Determinação da performance ambiental dos veículos automóveis
Determinação da performance ambiental comparativa de diferentes tipos de veículos automóveis. Emissões associadas a produção de cada tipo de energia (diesel, gasolina e eletricidade). O mix energético em Portugal. O conceito de LCA (Life Cycle Acessment) para cada tecnologia e de emissão global do produto ao longo da sua vida útil. Conceitos de eficiência Well to Tank (WTT), Tank to Wheel (TTW) e Well to Wheel (WTW). Cálculo das emissões por quilómetros para cada um dos veículos Nissan Leaf, Toyota Prius, Opel Ampera, VW Golf diesel, Toyota Corola a gasolina, em diferentes países com diferentes mix de geração de eletricidade (China, USA, França e Portugal).
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10. Determinação dos custos totais de posse dos veículos automóveis
Diferentes custos de utilização: capital, manutenção taxas e reparações e energia. Determinação dos custos totais de posse (TCO - Total Costs of Ownership) para as tecnologias com MCI, BEV, HEV e PHEV com RE. Determinação do custo total por quilómetro percorrido para os veículos Nissan Leaf, Toyota Prius, Opel Ampera, VW Golf diesel e Toyota Corola a gasolina.
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11. Integração dos veículos elétricos na rede
O VE como armazenador de energia. O VE como fornecedor de energia. Conceitos de G2V (Grid to Vehicle), V2G (Vehicle to Grid) and V2H (Vehicle to Home). O papel do VE como integrador de geração renovável intermitente, não despachável e excedentária em períodos de baixo consumo, com o uso de algoritmos de Carga Inteligente. Tendências num futuro próximo – Hyundai IoniQ com 64 kWh com suporte ao V2G integrado a bordo. Impacte técnico económico da eletrificação gradual do setor dos transportes em Portugal (resultados de estudo detalhado).
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12. Tendências de evolução nos domínios mais dinâmicos dos VE´s
Sistemas de Navegação Autónoma. Baterias de Estado Sólido. Sistemas de navegação aérea elétricos. Autocarros e transporte de mercadorias elétricos. Evolução dos custos em: - Baterias. - Infraestrutura de recarga. - Combustíveis fósseis. - Preço final dos VE´s. O futuro da mobilidade urbana (elétrica, partilhada, interativa, digital, inteligente, autónoma e aérea) com análise comparativa da performance dinâmica, energética, ambiental e económica de produtos de mobilidade elétrica relativamente à mobilidade convencional.
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13. Conclusão
Principais marcos da evolução da sociedade nos últimos dois séculos. Onde nos conduziu a espiral energívora iniciada com o uso dos combustíveis fósseis. A emergência de um novo paradigma energético. Primeira e a segunda lei da Termodinâmica. O conceito de EROI. O incremento na exploração de fontes de energia renovável, a necessidade de tecnologias de armazenamento de energia e a emergência da economia dos eletrões. Razões científicas e técnicas dos porquês de as economia do hidrogénio e dos biocombustíveis não poderem competir com a economia dos eletrões. Considerações sobre a eficiência energética global com tecnologias alternativas de captura, transporte e uso da energia.
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