В современном мире электрические батареи играют ключевую роль, являясь неотъемлемой частью различных устройств и систем. Их применение распространяется от бытовой техники, такой как автомобили, смартфоны, разные часы и фонарики, до сложных отраслей промышленности, включая саму. современную авиацию, космонавтику и медицину. Несмотря на то, что электрические батареи существуют уже более двух столетий, интерес к этой технологии сегодня достиг своего пика. Это обусловлено постоянным развитием и совершенствованием аккумуляторных систем, а также снижением стоимости их производства. Первые попытки создания батарей датируются ещё античным периодом (примерно 2000 лет назад), однако настоящую революцию в этой области совершил Алессандро Вольта в 1798 году. Он создал батарею, принцип работы которой используется и по сей день. С тех пор технология продолжала совершенствоваться, опираясь на достижения таких ученых, как Луиджи Гальвани.
Сегодня электрические батареи стали необходимым элементом для функционирования большинства электронных устройств, обеспечивая им автономность и мобильность.
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»
Авторство: DassaultSystemes
Источник: https://habr.com/
