Электрические батареи разного типа и формата уже давно стали неотъемлемой частью жизни современных людей. Считается, что первая батарея была создана около 2000 лет назад. Она состояла из глиняной банки, заполненной уксусом, железного стержня и медного цилиндра. С тех пор в технологии изготовления этих источников энергии многое изменилось. Современные батареи развиваются и совершнствуются более двух столетий. Батарею, подобие которой используется в наше время, в 1798 году создал Алессандро Вольта. Помимо собственных знаний Вольта использовал результаты опытов Луиджи Гальвани.
Эта технология продолжает улучшаться, развиваться, снижается стоимость ее внедрения. Сегодня нас окружают электрифицированные приборы. Более того, многие устройства и системы просто невозможны без автономного источника питания – электрической батареи. Начиная от смартфона и портативных наушников и заканчивая электрическими автомобилями, беспилотными летательными аппаратами, медицинскими устройствами и автономными энергоустановками жизнеобеспечения жилых помещений и больниц. При этом количество электрифицированных устройств, систем с автономным электрическим источником питания в современном мире стремительно растет. Батареи находят применение в самых разных устройствах: бытовых, транспортных, инфраструктурных, медицинских.
Все цифровые устройства, такие как плееры, смартфоны и другие носимые гаджеты, а также электромобили — все более совершенствуются в своих возможностях, а определяются эти возможности главным образом запасаемой в аккумуляторах энергией.
Технология электрических батарей известна давно, но полноценное их применение началось в 20-ом веке, шел непрерывный процесс усовершенствования технологии: повышение эффективности, снижение стоимости производства батарей, уменьшение веса и многое другое.
В последние годы рост востребованности батарей и аккумуляторов на мировом рынке запустил множество инновационных разработок. Некоторые из них сейчас активно тестируются. Исследуются сверхлёгкие литий-металлические, литий-титанатные аккумуляторы, гибкие аккумуляторы для носимых устройств, алюминий-воздушные аккумуляторы, углеродные с очень высокой скоростью зарядки, недорогие в производстве органические и многие другие. Усовершенствованные батареи должны быстрее заряжаться, хранить в разы больше энергии и выдерживать большее количество циклов зарядки-разрядки.
Инструмент для инженера
С помощью каких инструментов инженеры могут проектировать высокоэффективные, сложные электрические системы? В контексте методологии системного инжиниринга компания Dassault Systemes создала специальный инструмент для разработки электрических батарей – библиотеку BATTERY LIBRARY в системе имитационного математического моделирования поведения систем DYMOLA. Это библиотека математического моделирования поведения, работы электрической батареи и ее вспомогательных систем.
Она основывается на языке Modelica, применяется для интеграции электрических аккумуляторных батарей в сложные электрические системы с независимым, автономным энергоснабжением. Имеется математическая модель ячейки: химическая, термодинамическая, электрическая, модель старения химических элементов, а также готовый шаблон реализации требований стандартов ISO.
Особенность данного инструмента — сниженный порог вхождения в технологии. Специалисту, разрабатывающему электрифицированную систему, не требуется профильное образование и какой-то огромный опыт в данной области. Весь мировой, инженерный опыт в этой сфере заключен в математических уравнениях данной библиотеки. Разработчик может быть уверен, что с ее помощью он создаст эффективную, современную, отвечающую всем мировым стандартам электрическую батарею и её вспомогательные системы. По сути, это кладезь инженерного опыта. Такой инструмент значительно упрощает создание конкурентоспособного изделия.
Электрофикация всей страны
Тренд электрофикации сегодня наблюдается во многих отраслях. Например, в аэрокосмической отрасли можно выделить два основных направления: замену механических и части гидравлических систем управления летательным аппаратом на электрические и, тем самым повышение автономности, компактности, упрощение эксплуатации. Это стало возможным благодаря возросшей надёжности и технологичности электрических систем и в частности аккумуляторных батарей.
Батареи незаменимы там, где важен критерии автономности. Например, в Сколково разработали экзоскелет, который применяется при реабилитации опорно-двигательного аппарата пациентов. Другое его применение -снижение физической нагрузки на предприятиях. Система экзоскелета была бы невозможна без автономного источника питания, без батареи. Только если она будет отвечать всем современным требованиям, продукт может быть востребованным и конкурентоспособным.
Один из последних трендов в авиации — это стремление снизить воздействие на окружающую среду. Электрические силовые установки, которые, как известно, ничего не выбрасывают в атмосферу, требуют развития и применения буквально всех типов электробатарей – литий-йонных, водородных, гибридных.
Если же говорить про космос, то тут и без внешних факторов всё очевидно: все применяемые источники электроэнергии, по сути — батареи: солнечные, химические (литий-йонные, литий-кадмиевые, водородные и т.д.), а также радиоизотопные (РИТЭГ). Единственная альтернатива им – ядерный реактор.
Электрические батареи используются в резервных системах автономного питания (центрах обработки данных, больницах и других критических объектах), электропоездах, электромобилях, дронах, в тяжёлом машиностроении (экскаваторы, погрузчики), судостроении (гидроциклы).
В конце сентября концерн BASF начинает серийное производство новых батарей без лития. Пока такие технологии дороги, но запрет на классические дизели и даже на двигатели внутреннего сгорания подстегнет развитие электротранспорта. Например, в Швеции новые автомобили с дизельными или бензиновыми двигателями не будут продаваться после 2030 года, Норвегия планирует ввести запрет на продажу автомобилей с ДВС с 2025 года, а Дания, как и Швеция — с 2030 года. Среди государств, принявших аналогичные нормы, есть и такие крупные экономики, как Великобритания и Франция. Последние склоняются к запрету ДВС к 2040 году.
В современных реалиях разработчик той или иной системы с автономным источником электрического питания уделяет ей огромное внимание, т.к. от этой подсистемы во многом зависит, насколько будет успешным разрабатываемый им продукт.
Одно из наиболее перспективных направлений — водородные топливные элементы.
Водородные топливные элементы
Одним из инженерных трендов в области новых источников питания для силовых установок различных автономных систем являются водородные топливные элементы. Первый водородный топливный элемент сконструирован английским ученым Уильямом Гроувом в 30-х годах XIX века. Была продемонстрирована возможность производства энергии в водородно-кислородном топливном элементе с использованием кислотного электролита. NASA использовало обновленный топливные элементы на космических аппаратах «Аполлон» в качестве главного источника энергии.
Водородный топливный элемент — технология, которая при должном развитии в будущем может вытеснить углеводородное топливо. Главное преимущество водородных элементов – экологичность. Уже сконструированы системы топливных элементов, которые питают компьютерные системы, освещение небольших дворов и даже легковые автомобили и автобусы. Планируется даже запуск самолетов на водородных топливных элементах.
На сегодня существует уже немало реализованных проектов: легковые автомобили, военные автономные источники бесперебойного питания, беспилотные летательные аппараты, а в середине прошлого года Билл Гейтс заказал себе яхту на водородных топливных элементах.
В РФ данная технология хорошо известна, есть передовые разработки. Они применяются в летающих беспилотниках, создан поезд на водороде: группа «Трансмашхолдинг» вместе с «Росатомом» планируют выпускать в России поезда на водородном топливе, а РЖД рассматривают остров Сахалин как пилотный полигон для их запуска.
За рубежом BMW и Toyota разработали водородную трансмиссию для экологичных автомобилей. Трансмиссия на водородных топливных элементах ляжет в основу автомобиля Hydrogen Next от BMW. Компания Mercedes-Benz представила свой первый серийный автомобиль на водородных топливных элементах — GLC F-Cell.
У водородных топливных элементов высокий КПД — 60%. И по этому параметру водородная энергетика является наиболее привлекательным источником энергии. Данная технология в сравнении с электрическими батареями дает также ряд других преимуществ, таких как увеличенное время автономности изделия, более высокая энергоотдача.
Не требуется время для зарядки водородных топливных элементов, просто необходимо заправить их водородом. В частности, преимущества и особенности водородных топливных элементов востребованы в авиации. Например, беспилотники для мониторинга удалённых нефтегазовых или иных объектов должны обладать существенным запасом хода – 4-5 часов. Обеспечить такие показатели не просто, и ВТЭ – один из удачных способов. Сегодня в мире существует несколько перспективных проектов пассажирских самолётов на электрической тяге. Водородные батареи вполне могут стать ключевым элементом этих систем.
Основное применение на текущий момент – высокотехнологичные проекты. Это общемировой тренд, и в будущем, при снижении стоимости реализации проектов, стоимости данной технологии она найдет широкое применение. И у Dassault Systemes имеется ряд успешно реализованных проектов в данной области.
Между тем, в настоящее время сложность и стоимость водородной технологии в процессе проектирования и производства останавливает многие инженерные сообщества, затрудняет ее применение. Поэтому важна компиляция инженерных данных – покупая такие данные, не надо будет начинать с базовых вещей.
В помощь разработчикам
У компании Dassault Systemes имеется специальный инструмент для разработки систем на водородных топливных элементах – библиотека Hydrogen Library в пакете имитационного математического моделирования поведения систем DYMOLA. Библиотека написана на языке Modelica, содержит ключевые компоненты систем на водородных топливных элементах PEM для интеграции в различные энергетические системы и силовые установки.
Создана детализированная модель стеков топливных элементов, модель зависимости температуры и давления различных газов: кислорода, водорода и водяного пара и многое другое. Разработчик может спроектировать эффективную, современную, отвечающую мировым стандартам систему на водородных топливных элементах и её вспомогательные подсистемы.
Dassault Systemes участвует во многих проектах как методологический консультант и поставщик ПО для моделирования, анализа, сравнения и интеграции данных.
Стандарт FMI
На помощь инженерам и разработчикам также приходит FMI (Functional Mock-up Interface) — стандартизованный интерфейс, используемый в компьютерной симуляции при создании сложных кибер-физических систем. FMI — открытый стандарт, разработанный для переноса моделей динамических систем между разными мультивендорными средами моделирования, а также для проведения совместных вычислительных экспериментов. Он позволяет решить одну из наиболее болезненных проблем в области системного проектирования — обеспечить возможность переноса моделей между инструментами. На сегодняшний день стандарт FMI поддерживается о многих системах моделирования.
На сегодня стандарт FMI — интерфейс для переноса и совместного использования моделей в различных средах моделирования — стандарт, который становится всё более популярным.
Экспорт моделей в формате Functional Mock-up Unit (FMU) имеет разные приложения. Прежде всего, FMU может использоваться в разных средах и языках программирования. FMU также защищает интеллектуальную собственность, компилируя код модели в двоичный файл, что может быть полезно при обмене моделями с клиентами и коллегами.
FMI поддерживается многими инструментами разработки и используется во многих машиностроительных отраслях по всей Европе, Азии и Северной Америке. Он стал де-факто отраслевым стандартом для обмена имитационными математическими моделями.
Если в конце 20-го века в инженерном сообществе стандартом при разработке твердотельного макета изделия был формат STEP, STL или любой другой формат, то следующей вехой в развитии инструментов обмена инженерными данным становится формат FMI. Он описывает не только геометрические зависимости будущего изделия, твердотельную модель, но и его поведение, то есть как функционирует изделие в том или ином режиме работы.
Еще в 2008 году по техническому заданию Daimler AG компания Dassault Systemes создала европейский консорциум под названием MODELISAR, который после ряда технологических исследований и определил спецификацию будущей технологии и стандарта FMI. Его задачей было определить характеристики FMI, провести технологические исследования, доказывающие концепции FMI через разработанные сценарии использования.
Основная концепция при создании FMI состояла в том, чтобы поддержать определенный подход. Она основывается на том, что реальный продукт состоит из широкого спектра систем, подсистем и компонентов, которые взаимодействуют между собой сложным образом: контролируются, управляются многочисленными законами физики, описывающими работу, поведение той или иной подсистемы или компонента.
Было предложено следующее: дать возможность создать виртуальный продукт, куда можно собрать набор моделей систем и подсистем, каждая из которых — модель физических законов. А также включить туда модель систем управления (с использованием элементов микроэлектроники и программного обеспечения). Все это собрано в единую цифровую имитационную математическую модель в виде FMI.
Наиболее широкое применение данная технология нашла в автомобильной промышленности. Например, головной разработчик транспортного средства создает математическую модель на верхнем уровне, генерирует файл и передает своим подрядчикам. Подрядчик получает файл в виде ТЗ и разрабатывает свою подсистему или какой-то компонент.
Затем головной разработчик собирает математические модели всех компонентов и подсистем, проводит комплексную сертификацию, валидацию, верификацию тех или иных инженерных решений, что, в свою очередь, улучшает коммуникации между разными инженерными предприятиями и организациями с подрядчиками. Для головного предприятия это также снижает риски: можно в любой момент поменять подрядчика, относительно быстро переключиться на другого. Кроме того, сокращаются сроки и циклы разработки новых систем.
Данный подход уже больше 10 лет находит применение и в других отраслях: авиации, приборостроении, судостроении, в разработке медицинского оборудования и многих других сферах.
Dassault активно работает над внедрением FMI. Математическое моделирование, как таковое, и формат FMI, в частности, стали неотъемлемой частью современного процесса проектирования.
В продолжение нашей статьи предлагаем вам посмотреть 3 видеоподкаста Dassault Systemes, раскрывающие темы «Электрические батареи», «Водородные топливные элементы» и «Functional Mock-up Interface — FMI»
Подписывайтесь на новости Dassault Systèmes и всегда будьте в курсе инноваций и современных технологий.
Dassault Systèmes официальная страница
Facebook
Vkontakte
Linkedin
3DS Blog WordPress
3DS Blog on Render
3DS Blog on Habr
