Elektrische Batterien verschiedener Typen und Formate sind seit langem ein wesentlicher Bestandteil des Lebens moderner Menschen. Es wird angenommen, dass die erste Batterie vor etwa 2000 Jahren hergestellt wurde. Es bestand aus einem mit Essig gefüllten Steingutglas, einem Eisenstab und einem Kupferzylinder. Seitdem hat sich an der Technologie zur Herstellung dieser Energiequellen viel geändert. Moderne Batterien entwickeln und perfektionieren sich seit über zwei Jahrhunderten. Die Batterie, deren Ähnlichkeit in unserer Zeit verwendet wird, wurde 1798 von Alessandro Volta hergestellt. Zusätzlich zu seinem eigenen Wissen verwendete Volta die Ergebnisse der Experimente von Luigi Galvani.
Diese Technologie verbessert, entwickelt und senkt die Kosten ihrer Implementierung weiter. Heute sind wir von elektrifizierten Geräten umgeben. Darüber hinaus sind viele Geräte und Systeme ohne eine autonome Stromquelle - eine elektrische Batterie - einfach nicht möglich. Von Smartphones und tragbaren Kopfhörern bis hin zu Elektroautos, Drohnen, medizinischen Geräten und autonomen Lebenserhaltungssystemen für Wohnräume und Krankenhäuser. Gleichzeitig wächst die Zahl der elektrifizierten Geräte, Systeme mit einer autonomen Stromquelle in der modernen Welt, rasant. Batterien werden in einer Vielzahl von Geräten verwendet: Haushalt, Transport, Infrastruktur, Medizin.
Alle digitalen Geräte wie Player, Smartphones und andere tragbare Geräte sowie Elektroautos verbessern zunehmend ihre Fähigkeiten, und diese Fähigkeiten werden hauptsächlich durch die in Batterien gespeicherte Energie bestimmt.
Die Technologie der elektrischen Batterien ist seit langem bekannt, aber ihre vollständige Nutzung begann im 20. Jahrhundert. Es gab einen kontinuierlichen Prozess zur Verbesserung der Technologie: Steigerung der Effizienz, Senkung der Kosten für die Herstellung von Batterien, Reduzierung des Gewichts und vieles mehr.
In den letzten Jahren hat die wachsende Nachfrage nach Batterien und Akkus auf dem Weltmarkt viele innovative Entwicklungen ausgelöst. Einige von ihnen werden derzeit aktiv getestet. Es werden ultraleichte Lithiummetall-, Lithiumtitanat-Batterien, flexible Batterien für tragbare Geräte, Aluminium-Luft-Batterien, Kohlenstoffbatterien mit sehr hoher Laderate, kostengünstige organische Batterien und viele andere untersucht. Verbesserte Batterien müssen schneller aufgeladen werden, viel mehr Energie speichern und mehr Lade- / Entladezyklen standhalten.
Ingenieurwerkzeug
Mit welchen Werkzeugen können Ingenieure hocheffiziente, komplexe elektrische Systeme entwerfen? Im Rahmen der Methodik von Dassault Systemes hat die Systemtechnik ein spezielles Werkzeug für die Entwicklung elektrischer Batterien entwickelt - BATTERY LIBRARY Bibliothekssystemsimulation zur mathematischen Modellierung des Verhaltens von Systemen DYMOLA . Es ist eine Bibliothek zur mathematischen Modellierung des Verhaltens, des Betriebs einer elektrischen Batterie und ihrer Hilfssysteme.
Es basiert auf der Sprache Modelica und dient zur Integration elektrischer Speicherbatterien in komplexe elektrische Systeme mit einer unabhängigen, autonomen Stromversorgung. Es gibt ein mathematisches Modell der Zelle: ein chemisches, thermodynamisches, elektrisches Alterungsmodell chemischer Elemente sowie eine vorgefertigte Vorlage zur Umsetzung der Anforderungen der ISO-Normen.
Ein Merkmal dieses Tools ist ein reduzierter Schwellenwert für die Eingabe von Technologie. Ein Spezialist, der ein elektrifiziertes System entwickelt, benötigt keine spezielle Ausbildung und keine große Erfahrung auf diesem Gebiet. Die gesamte weltweite Ingenieurerfahrung auf diesem Gebiet ist in den mathematischen Gleichungen dieser Bibliothek enthalten. Der Entwickler kann sicher sein, dass er mit seiner Hilfe eine effiziente, moderne elektrische Batterie schaffen wird, die alle internationalen Standards und deren Hilfssysteme erfüllt. Im Wesentlichen ist es eine Fundgrube an technischem Fachwissen. Ein solches Tool vereinfacht die Erstellung eines wettbewerbsfähigen Produkts erheblich.
Elektrifizierung des ganzen Landes
Der Elektrifizierungstrend ist heute in vielen Branchen zu beobachten. In der Luft- und Raumfahrtindustrie können beispielsweise zwei Hauptbereiche unterschieden werden: Ersetzen von mechanischen und Teilen von hydraulischen Steuerungssystemen eines Flugzeugs durch elektrische und dadurch Erhöhen der Autonomie, Kompaktheit und Vereinfachung des Betriebs. Dies wurde aufgrund der erhöhten Zuverlässigkeit und Herstellbarkeit elektrischer Systeme und insbesondere von Batterien möglich.
Batterien sind unverzichtbar, wenn Autonomiekriterien wichtig sind. Zum Beispiel hat Skolkovo ein Exoskelett entwickelt, das zur Rehabilitation des Bewegungsapparates von Patienten verwendet wird. Die andere Anwendung besteht darin, die körperliche Aktivität in Unternehmen zu reduzieren. Das Exoskelettsystem wäre ohne eine autonome Stromquelle ohne Batterie nicht möglich gewesen. Nur wenn es alle modernen Anforderungen erfüllt, kann das Produkt gefragt und wettbewerbsfähig sein.
Einer der neuesten Trends in der Luftfahrt ist das Bestreben, die Umweltbelastung zu verringern. Elektrische Kraftwerke, die, wie Sie wissen, nichts in die Atmosphäre abgeben, erfordern die Entwicklung und Verwendung buchstäblich aller Arten von elektrischen Batterien - Lithium-Ionen, Wasserstoff, Hybrid.
Wenn wir über den Weltraum sprechen, ist alles auch ohne externe Faktoren offensichtlich: alle verwendeten Stromquellen - Batterien - Solar: chemisch (Lithium-Ionen, Lithium-Cadmium, Wasserstoff usw.) sowie Radioisotop (RTG) ). Die einzige Alternative zu ihnen ist ein Kernreaktor.
Elektrobatterien werden in autonomen Standby-Stromversorgungssystemen (Rechenzentren, Krankenhäuser und andere kritische Einrichtungen), elektrischen Zügen, Elektrofahrzeugen, Drohnen, Schwermaschinenbau (Bagger, Lader) und im Schiffbau (Jetskis) eingesetzt.
Ende September wird die BASF mit der Massenproduktion neuer lithiumfreier Batterien beginnen. Bisher sind solche Technologien teuer, aber das Verbot klassischer Dieselmotoren und sogar von Verbrennungsmotoren wird die Entwicklung des elektrischen Verkehrs vorantreiben. In Schweden werden beispielsweise Neuwagen mit Diesel- oder Benzinmotoren nach 2030 nicht mehr verkauft, Norwegen plant, den Verkauf von Autos mit Verbrennungsmotoren ab 2025 und Dänemark wie Schweden ab 2030 zu verbieten. Unter den Staaten, die ähnliche Normen eingeführt haben, gibt es auch so große Volkswirtschaften wie Großbritannien und Frankreich. Letztere neigen dazu, Verbrennungsmotoren bis 2040 zu verbieten.
In der modernen Realität schenkt der Entwickler dieses oder jenes Systems mit einer autonomen Stromquelle dem große Aufmerksamkeit, weil Dieses Subsystem bestimmt maßgeblich, wie erfolgreich das von ihm entwickelte Produkt sein wird.
Eines der vielversprechendsten Gebiete sind Wasserstoffbrennstoffzellen.
Wasserstoff-Brennstoffzellen
Wasserstoffbrennstoffzellen sind einer der technischen Trends auf dem Gebiet neuer Stromversorgungen für Kraftwerke verschiedener autonomer Systeme. Die erste Wasserstoffbrennstoffzelle wurde in den 1830er Jahren vom englischen Wissenschaftler William Grove entworfen. Die Machbarkeit der Energieerzeugung in einer Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle unter Verwendung eines sauren Elektrolyten wurde demonstriert. Die NASA nutzte die aktualisierten Brennstoffzellen des Apollo-Raumfahrzeugs als Hauptenergiequelle.
Eine Wasserstoffbrennstoffzelle ist eine Technologie, die, wenn sie in Zukunft richtig entwickelt wird, Kohlenwasserstoffbrennstoffe verdrängen könnte. Der Hauptvorteil von Wasserstoffzellen ist die Umweltfreundlichkeit. Brennstoffzellensysteme wurden bereits für die Stromversorgung von Computersystemen, die Beleuchtung in kleinen Innenhöfen und sogar für Autos und Busse entwickelt. Es gibt sogar Pläne, Wasserstoff-Brennstoffzellenflugzeuge zu starten.
Heute gibt es bereits viele abgeschlossene Projekte: Autos, militärisch autonome unterbrechungsfreie Stromversorgungen, unbemannte Luftfahrzeuge und Mitte letzten Jahres bestellte sich Bill Gates eine Yacht mit Wasserstoffbrennstoffzellen.
Diese Technologie ist in der Russischen Föderation bekannt, es gibt fortgeschrittene Entwicklungen. Sie werden in fliegenden Drohnen eingesetzt, ein Wasserstoffzug wurde geschaffen: Die Transmashholding-Gruppe plant zusammen mit Rosatom die Herstellung von wasserstoffbetriebenen Zügen in Russland, und die Russische Eisenbahn erwägt die Insel Sachalin als Pilotversuchsgelände für ihren Start.
In Übersee haben BMW und Toyota ein Wasserstoffgetriebe für umweltfreundliche Autos entwickelt. Ein Wasserstoff-Brennstoffzellen-Antriebsstrang wird die Basis des BMW Hydrogen Next bilden. Mercedes-Benz hat mit der GLC F-Cell sein erstes Serienauto mit Wasserstoffbrennstoffzellen vorgestellt.
Wasserstoffbrennstoffzellen haben einen hohen Wirkungsgrad von 60%. Und nach diesem Parameter ist Wasserstoff die attraktivste Energiequelle. Diese Technologie bietet im Vergleich zu elektrischen Batterien auch eine Reihe anderer Vorteile, wie z. B. eine längere Batterielebensdauer des Produkts und eine höhere Energieeffizienz.
Das Laden von Wasserstoffbrennstoffzellen dauert nicht lange, es muss nur mit Wasserstoff geladen werden. Insbesondere die Vorteile und Merkmale von Wasserstoffbrennstoffzellen sind in der Luftfahrt gefragt. Zum Beispiel müssen Drohnen zur Überwachung von ferngesteuertem Öl und Gas oder anderen Objekten eine erhebliche Gangreserve haben - 4-5 Stunden. Es ist nicht einfach, solche Indikatoren bereitzustellen, und VTE ist einer der erfolgreichsten Wege. Heute gibt es weltweit mehrere vielversprechende Projekte für elektrische Passagierflugzeuge. Wasserstoffbatterien können durchaus ein Schlüsselelement dieser Systeme sein.
Die Hauptanwendung im Moment sind High-Tech-Projekte. Dies ist ein globaler Trend, und in Zukunft, mit einem Rückgang der Kosten für die Projektimplementierung und der Kosten für diese Technologie, wird sie breite Anwendung finden. Und Dassault Systemes hat eine Reihe erfolgreicher Projekte in diesem Bereich.
Gegenwärtig halten die Komplexität und die Kosten der Wasserstofftechnologie im Entwurfs- und Produktionsprozess viele Ingenieurgemeinschaften auf, was die Anwendung schwierig macht. Daher ist das Zusammenstellen von technischen Daten wichtig - beim Kauf solcher Daten müssen Sie nicht mit grundlegenden Dingen beginnen.
Um Entwicklern zu helfen
Dassault Systemes verfügt über ein spezielles Tool zur Entwicklung von Wasserstoff-Brennstoffzellensystemen - die Wasserstoffbibliothek im DYMOLA- Simulationssoftwarepaket . Die in Modelica geschriebene Bibliothek enthält die Schlüsselkomponenten von PEM-Wasserstoff-Brennstoffzellensystemen zur Integration in verschiedene Energiesysteme und Kraftwerke.
Ein detailliertes Modell von Brennstoffzellenstapeln, ein Modell der Temperatur- und Druckabhängigkeit verschiedener Gase: Sauerstoff, Wasserstoff und Wasserdampf und vieles mehr wurden erstellt. Der Konstrukteur kann ein effizientes, modernes Wasserstoff-Brennstoffzellensystem von Weltklasse und seine Hilfssubsysteme entwerfen.
Dassault Systemes ist an vielen Projekten als methodischer Berater und Softwareanbieter für Modellierung, Analyse, Vergleich und Datenintegration beteiligt.
FMI-Standard
FMI (Functional Mock-up Interface) hilft auch Ingenieuren und Entwicklern - eine standardisierte Schnittstelle, die in der Computersimulation zur Erstellung komplexer cyber-physischer Systeme verwendet wird. FMI ist ein offener Standard, der für die Portierung dynamischer Systemmodelle zwischen verschiedenen Modellierungsumgebungen mehrerer Anbieter sowie für kollaborative Computerexperimente entwickelt wurde. Es löst eines der schmerzhaftesten Probleme in der Systemtechnik - die Fähigkeit, Modelle zwischen Werkzeugen zu übertragen. Heute wird der FMI-Standard auf vielen Simulationssystemen unterstützt.
Heute ist der FMI-Standard - eine Schnittstelle zum Übertragen und Freigeben von Modellen in verschiedenen Modellierungsumgebungen - ein Standard, der immer beliebter wird.
Das Exportieren von Modellen im FMU-Format (Functional Mock-up Unit) hat unterschiedliche Anwendungen. Erstens kann FMU in verschiedenen Umgebungen und Programmiersprachen verwendet werden. Die FMU schützt auch das geistige Eigentum, indem sie den Modellcode in eine Binärdatei kompiliert. Dies kann beim Austausch von Modellen mit Kunden und Kollegen hilfreich sein.
FMI wird von vielen Entwicklungswerkzeugen unterstützt und in vielen Maschinenbauindustrien in Europa, Asien und Nordamerika eingesetzt. Es ist zum De-facto-Industriestandard für den Austausch von mathematischen Simulationsmodellen geworden.
Wenn Ende des 20. Jahrhunderts in der Ingenieurbranche der Standard für die Entwicklung eines soliden Modells eines Produkts das STEP-, STL-Format oder ein anderes Format war, wird das FMI-Format zum nächsten Meilenstein bei der Entwicklung von Werkzeugen für den technischen Datenaustausch. Es beschreibt nicht nur die geometrischen Abhängigkeiten des zukünftigen Produkts, des Volumenmodells, sondern auch sein Verhalten, dh wie das Produkt in einer bestimmten Betriebsart funktioniert.
Bereits 2008 gründete Dassault Systemes gemäß den Bestimmungen der Daimler AG ein europäisches Konsortium namens MODELISAR, das nach einer Reihe von technologischen Studien die Spezifikation der zukünftigen Technologie und des FMI-Standards definierte. Seine Aufgabe war es, die Eigenschaften von FMI zu definieren und Technologiestudien durchzuführen, die FMI-Konzepte durch entwickelte Anwendungsfälle belegen.
Das Hauptkonzept bei der Schaffung von FMI bestand darin, einen bestimmten Ansatz zu unterstützen. Es basiert auf der Tatsache, dass ein reales Produkt aus einer Vielzahl von Systemen, Subsystemen und Komponenten besteht, die auf komplexe Weise miteinander interagieren: Sie werden gesteuert und unterliegen zahlreichen Gesetzen der Physik, die den Betrieb und das Verhalten eines bestimmten Subsystems oder einer bestimmten Komponente beschreiben.
Folgendes wurde vorgeschlagen: um die Möglichkeit zu geben, ein virtuelles Produkt zu erstellen, in dem Sie eine Reihe von Modellen von Systemen und Subsystemen sammeln können, von denen jedes ein Modell physikalischer Gesetze ist. Dazu gehört auch ein Modell von Steuerungssystemen (unter Verwendung von Elementen der Mikroelektronik und Software). All dies wird in einem einzigen mathematischen Modell für die digitale Simulation in Form von FMI zusammengefasst.
Diese Technologie wird am häufigsten in der Automobilindustrie eingesetzt. Beispielsweise erstellt ein übergeordneter Fahrzeugkonstrukteur auf oberster Ebene ein mathematisches Modell, generiert eine Datei und übergibt sie ihren Auftragnehmern. Der Auftragnehmer erhält eine Datei in Form einer technischen Spezifikation und entwickelt sein eigenes Subsystem oder eine Komponente.
Anschließend sammelt der Hauptentwickler mathematische Modelle aller Komponenten und Subsysteme, führt eine umfassende Zertifizierung, Validierung und Verifizierung bestimmter technischer Lösungen durch, was wiederum die Kommunikation zwischen verschiedenen technischen Unternehmen und Organisationen mit Auftragnehmern verbessert. Für die Muttergesellschaft reduziert dies auch die Risiken: Sie können den Auftragnehmer jederzeit wechseln und relativ schnell zu einem anderen wechseln. Darüber hinaus werden Zeit und Entwicklungszyklen für neue Systeme verkürzt.
Dieser Ansatz wird seit mehr als 10 Jahren in anderen Branchen angewendet: Luftfahrt, Instrumentierung, Schiffbau, Entwicklung medizinischer Geräte und vielen anderen Bereichen.
Dassault arbeitet aktiv an der FMI-Implementierung. Die mathematische Modellierung als solche und insbesondere das FMI-Format sind ein wesentlicher Bestandteil des modernen Entwurfsprozesses geworden.
In Fortsetzung unseres Artikels laden wir Sie ein, 3 Video-Podcasts von Dassault Systemes zu den Themen "Elektrische Batterien" , "Wasserstoff-Brennstoffzellen" und "Funktionale Modellschnittstelle - FMI" anzusehen.
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