لطالما أصبحت البطاريات الكهربائية بمختلف أنواعها وأشكالها جزءًا لا يتجزأ من حياة الإنسان الحديث. يُعتقد أن أول بطارية تم إنشاؤها منذ حوالي 2000 عام. وتتكون من جرة خزفية مملوءة بالخل وقضيب حديدي واسطوانة نحاسية. لقد تغير الكثير منذ ذلك الحين في تكنولوجيا تصنيع مصادر الطاقة هذه. تطورت البطاريات الحديثة وتتقن لأكثر من قرنين من الزمان. تم إنشاء البطارية ، التي يتم استخدام تشابهها في عصرنا ، في عام 1798 بواسطة أليساندرو فولتا. بالإضافة إلى معرفته الخاصة ، استخدم فولتا نتائج تجارب لويجي جالفاني.
تستمر هذه التقنية في تحسين وتطوير وتقليل تكلفة تنفيذها. اليوم نحن محاطون بالأجهزة الكهربائية. علاوة على ذلك ، فإن العديد من الأجهزة والأنظمة مستحيل ببساطة بدون مصدر طاقة مستقل - بطارية كهربائية. من الهواتف الذكية وسماعات الرأس المحمولة إلى السيارات الكهربائية والطائرات بدون طيار والأجهزة الطبية وأنظمة دعم الحياة المستقلة لأماكن المعيشة والمستشفيات. في الوقت نفسه ، يتزايد عدد الأجهزة المكهربة والأنظمة ذات مصدر الطاقة الكهربائية المستقل في العالم الحديث بسرعة. تستخدم البطاريات في مجموعة متنوعة من الأجهزة: المنزلية ، والنقل ، والبنية التحتية ، والطبية.
جميع الأجهزة الرقمية ، مثل المشغلات والهواتف الذكية والأدوات الأخرى القابلة للارتداء ، وكذلك السيارات الكهربائية ، تتحسن بشكل متزايد في قدراتها ، ويتم تحديد هذه القدرات بشكل أساسي من خلال الطاقة المخزنة في البطاريات.
كانت تقنية البطاريات الكهربائية معروفة منذ فترة طويلة ، ولكن بدأ استخدامها الكامل في القرن العشرين ، وكانت هناك عملية مستمرة لتحسين التكنولوجيا: زيادة الكفاءة ، وتقليل تكلفة إنتاج البطاريات ، وتقليل الوزن وغير ذلك الكثير.
في السنوات الأخيرة ، أدى الطلب المتزايد على البطاريات والمراكم في السوق العالمية إلى إطلاق العديد من التطورات المبتكرة. يتم حاليًا اختبار بعض منهم بنشاط. يتم فحص بطاريات الليثيوم المعدنية فائقة الخفة وبطاريات تيتانات الليثيوم والبطاريات المرنة للأجهزة القابلة للارتداء وبطاريات الألومنيوم الهوائية وبطاريات الكربون ذات معدل الشحن المرتفع للغاية والبطاريات العضوية غير المكلفة والعديد من البطاريات الأخرى. يجب شحن البطاريات المحسّنة بشكل أسرع ، وتخزين طاقة أكبر بعدة مرات ، وتحمل المزيد من دورات الشحن / التفريغ.
أداة المهندس
ما الأدوات التي يمكن للمهندسين استخدامها لتصميم أنظمة كهربائية معقدة عالية الكفاءة؟ في سياق منهجية أنظمة Dassault Systemes ، أنشأت هندسة النظام أداة خاصة لتطوير البطاريات الكهربائية - BATTERY LIBRARY Library System محاكاة النمذجة الرياضية لسلوك أنظمة DYMOLA . إنها مكتبة للنمذجة الرياضية لسلوك وتشغيل البطارية الكهربائية وأنظمتها المساعدة.
يعتمد على لغة Modelica ويستخدم لدمج بطاريات التخزين الكهربائية في أنظمة كهربائية معقدة مع مصدر طاقة مستقل ومستقل. يوجد نموذج رياضي للخلية: نموذج كيميائي ، ديناميكي حراري ، كهربائي ، تقادم للعناصر الكيميائية ، بالإضافة إلى نموذج جاهز لتنفيذ متطلبات معايير ISO.
ميزة هذه الأداة هي الحد الأدنى لإدخال التكنولوجيا. المتخصص في تطوير نظام كهربائي لا يحتاج إلى تعليم متخصص ونوع من الخبرة الواسعة في هذا المجال. تم تضمين الخبرة الهندسية العالمية بأكملها في هذا المجال في المعادلات الرياضية لهذه المكتبة. يمكن للمطور التأكد من أنه بمساعدته سيخلق بطارية كهربائية حديثة وفعالة تلبي جميع المعايير الدولية وأنظمتها المساعدة. في الأساس ، إنها كنز دفين من الخبرة الهندسية. تبسط هذه الأداة بشكل كبير إنشاء منتج تنافسي.
كهربة البلد كله
يمكن رؤية اتجاه الكهربة في العديد من الصناعات اليوم. على سبيل المثال ، في صناعة الطيران ، يمكن التمييز بين اتجاهين رئيسيين: استبدال أنظمة التحكم الميكانيكية وجزء من أنظمة التحكم الهيدروليكية للطائرة بأخرى كهربائية ، وبالتالي زيادة الاستقلالية ، والاكتناز ، وتبسيط التشغيل. أصبح هذا ممكنًا بسبب زيادة الموثوقية والقدرة على التصنيع للأنظمة الكهربائية ، وعلى وجه الخصوص ، البطاريات.
البطاريات لا غنى عنها حيث تكون معايير الاستقلالية مهمة. على سبيل المثال ، تم تطوير الهيكل الخارجي في Skolkovo ، والذي يستخدم في إعادة تأهيل الجهاز العضلي الهيكلي للمرضى. تطبيقه الآخر هو تقليل النشاط البدني في المؤسسات. لم يكن نظام الهيكل الخارجي ممكنًا بدون مصدر طاقة مستقل ، بدون بطارية. فقط إذا كان يلبي جميع المتطلبات الحديثة ، يمكن أن يكون المنتج مطلوبًا وتنافسيًا.
أحد أحدث الاتجاهات في مجال الطيران هو الدافع لتقليل الأثر البيئي. تتطلب محطات الطاقة الكهربائية ، التي ، كما تعلم ، لا تنبعث منها أي شيء في الغلاف الجوي ، تطوير واستخدام جميع أنواع البطاريات الكهربائية - ليثيوم أيون ، هيدروجين ، هجين.
إذا تحدثنا عن الفضاء ، فكل شيء واضح حتى بدون عوامل خارجية: جميع مصادر الكهرباء المستخدمة ، في الواقع - البطاريات: الشمسية ، والكيميائية (ليثيوم أيون ، الليثيوم الكادميوم ، الهيدروجين ، إلخ) ، وكذلك النظائر المشعة (RTG) ). البديل الوحيد لهم هو مفاعل نووي.
تُستخدم البطاريات الكهربائية في أنظمة الطاقة الذاتية الاحتياطية (مراكز البيانات والمستشفيات والمرافق الحيوية الأخرى) والقطارات الكهربائية والمركبات الكهربائية والطائرات بدون طيار والهندسة الثقيلة (الحفارات واللوادر) وبناء السفن (الزلاجات النفاثة).
في نهاية سبتمبر ، ستبدأ BASF الإنتاج الضخم لبطاريات جديدة خالية من الليثيوم. في حين أن هذه التقنيات باهظة الثمن ، إلا أن الحظر المفروض على محركات الديزل الكلاسيكية وحتى على محركات الاحتراق الداخلي سيحفز تطوير النقل الكهربائي. على سبيل المثال ، في السويد ، لن يتم بيع السيارات الجديدة التي تعمل بمحركات الديزل أو البنزين بعد عام 2030 ، وتخطط النرويج لحظر بيع السيارات ذات محركات الاحتراق الداخلي اعتبارًا من عام 2025 ، والدنمارك ، مثل السويد ، اعتبارًا من عام 2030. من بين الدول التي تبنت معايير مماثلة ، هناك أيضًا اقتصادات كبيرة مثل بريطانيا العظمى وفرنسا. هذا الأخير يميل إلى حظر محركات الاحتراق الداخلي بحلول عام 2040.
في الواقع الحديث ، يولى مطور هذا النظام أو ذاك بمصدر طاقة مستقل اهتمامًا كبيرًا به ، لأنه يحدد هذا النظام الفرعي إلى حد كبير مدى نجاح المنتج الذي يطوره.
واحدة من أكثر المجالات الواعدة هي خلايا وقود الهيدروجين.
خلايا وقود الهيدروجين
تعد خلايا وقود الهيدروجين أحد الاتجاهات الهندسية في مجال مصادر الطاقة الجديدة لمحطات الطاقة لأنظمة مستقلة مختلفة. تم تصميم أول خلية وقود هيدروجين بواسطة العالم الإنجليزي ويليام جروف في ثلاثينيات القرن التاسع عشر. تم إثبات إمكانية توليد الطاقة في خلية وقود الهيدروجين والأكسجين باستخدام إلكتروليت حمضي. استخدمت ناسا خلايا الوقود المحدثة على مركبة الفضاء أبولو كمصدر رئيسي للطاقة.
خلية وقود الهيدروجين هي تقنية ، إذا تم تطويرها بشكل صحيح في المستقبل ، يمكن أن تحل محل الوقود الهيدروكربوني. الميزة الرئيسية لخلايا الهيدروجين هي الود البيئي. تم تصميم أنظمة خلايا الوقود بالفعل لتشغيل أنظمة الكمبيوتر ، وإضاءة الفناء الصغير ، وحتى السيارات والحافلات. حتى أن هناك خططًا لإطلاق طائرات تعمل بخلايا وقود الهيدروجين.
اليوم ، هناك بالفعل العديد من المشاريع المكتملة: السيارات ، وإمدادات الطاقة العسكرية المستقلة غير المنقطعة ، والمركبات الجوية غير المأهولة ، وفي منتصف العام الماضي ، طلب بيل جيتس لنفسه يختًا على خلايا وقود الهيدروجين.
هذه التكنولوجيا معروفة جيدًا في الاتحاد الروسي ، وهناك تطورات متقدمة. يتم استخدامها في تحليق الطائرات بدون طيار ، وقد تم إنشاء قطار هيدروجين: تخطط مجموعة ترانسمشولد مع روساتوم لإنتاج قطارات تعمل بالوقود الهيدروجين في روسيا ، وتنظر السكك الحديدية الروسية في جزيرة سخالين كأرض اختبار تجريبية لإطلاقها.
في الخارج ، طورت BMW و Toyota ناقل حركة هيدروجين للسيارات الخضراء. ستشكل مجموعة نقل الحركة لخلية وقود الهيدروجين أساس برنامج Hydrogen Next من BMW. كشفت مرسيدس-بنز النقاب عن أول سيارة إنتاج بها خلايا وقود الهيدروجين ، GLC F-Cell.
تتمتع خلايا وقود الهيدروجين بكفاءة عالية تصل إلى 60٪. ووفقًا لهذه المعلمة ، تعد طاقة الهيدروجين أكثر مصادر الطاقة جاذبية. توفر هذه التقنية ، مقارنة بالبطاريات الكهربائية ، عددًا من المزايا الأخرى ، مثل زيادة عمر بطارية المنتج ، وزيادة كفاءة الطاقة.
لا يستغرق شحن خلايا وقود الهيدروجين وقتًا ، بل يحتاج فقط إلى شحنه بالهيدروجين. على وجه الخصوص ، هناك طلب على مزايا وخلايا وقود الهيدروجين في مجال الطيران. على سبيل المثال ، يجب أن يكون للطائرات بدون طيار لمراقبة النفط والغاز عن بُعد أو أشياء أخرى احتياطي طاقة كبير - 4-5 ساعات. ليس من السهل تقديم مثل هذه المؤشرات ، و VTE هو أحد أكثر الطرق نجاحًا. اليوم ، هناك العديد من مشاريع طائرات الركاب الكهربائية الواعدة في العالم. قد تكون بطاريات الهيدروجين عنصرًا أساسيًا في هذه الأنظمة.
التطبيق الرئيسي في الوقت الحالي هو مشاريع عالية التقنية. هذا اتجاه عالمي ، وفي المستقبل ، مع انخفاض تكلفة تنفيذ المشروع ، فإن تكلفة هذه التقنية ، ستجد تطبيقًا واسعًا. و Dassault Systemes لديها عدد من المشاريع الناجحة في هذا المجال.
وفي الوقت نفسه ، في الوقت الحالي ، يؤدي تعقيد وتكلفة تكنولوجيا الهيدروجين في عملية التصميم والإنتاج إلى إيقاف العديد من المجتمعات الهندسية ، مما يجعل من الصعب تطبيقها. لذلك ، يعد تجميع البيانات الهندسية أمرًا مهمًا - عند شراء مثل هذه البيانات ، لن تضطر إلى البدء بالأشياء الأساسية.
لمساعدة المطورين
تمتلك أنظمة داسو أداة خاصة لتطوير أنظمة خلايا وقود الهيدروجين - مكتبة الهيدروجين في حزمة برامج محاكاة DYMOLA . تحتوي المكتبة ، المكتوبة في Modelica ، على المكونات الرئيسية لأنظمة خلايا وقود الهيدروجين PEM للاندماج في أنظمة الطاقة المختلفة ومحطات الطاقة.
تم إنشاء نموذج مفصل لمداخن خلايا الوقود ، ونموذج للاعتماد على درجة الحرارة والضغط للغازات المختلفة: الأكسجين والهيدروجين وبخار الماء ، وغير ذلك الكثير. يمكن للمصمم تصميم نظام خلايا وقود هيدروجين فعال وحديث وعالمي المستوى وأنظمته الفرعية المساعدة.
تشارك Dassault Systemes في العديد من المشاريع كمستشار منهجي ومزود برامج للنمذجة والتحليل والمقارنة وتكامل البيانات.
معيار FMI
تأتي FMI (واجهة Mock-up الوظيفية) أيضًا لمساعدة المهندسين والمطورين - وهي واجهة قياسية تستخدم في محاكاة الكمبيوتر لإنشاء أنظمة إلكترونية فيزيائية معقدة. FMI هو معيار مفتوح تم تطويره لنقل نماذج الأنظمة الديناميكية بين بيئات النمذجة متعددة البائعين المختلفة ، وكذلك للتجارب الحسابية التعاونية. إنه يحل واحدة من أكثر المشاكل إيلامًا في هندسة الأنظمة - القدرة على نقل النماذج بين الأدوات. اليوم يتم دعم معيار FMI في العديد من أنظمة المحاكاة.
اليوم ، يعد معيار FMI ، وهو واجهة لنقل النماذج ومشاركتها في بيئات النمذجة المختلفة ، معيارًا أصبح أكثر شيوعًا.
تصدير النماذج بتنسيق وحدة النموذج الوظيفي (FMU) لها تطبيقات مختلفة. بادئ ذي بدء ، يمكن استخدام FMU في بيئات ولغات برمجة مختلفة. تحمي FMU أيضًا الملكية الفكرية عن طريق تجميع كود النموذج في ملف ثنائي ، والذي يمكن أن يكون مفيدًا عند تبادل النماذج مع العملاء والزملاء.
يدعم FMI العديد من أدوات التطوير ويستخدم في العديد من الصناعات الهندسية في جميع أنحاء أوروبا وآسيا وأمريكا الشمالية. لقد أصبح المعيار الصناعي الفعلي لتبادل نماذج محاكاة الرياضيات.
إذا كان المعيار لتطوير نموذج صلب للمنتج في نهاية القرن العشرين في المجتمع الهندسي هو STEP أو تنسيق STL أو أي تنسيق آخر ، فإن تنسيق FMI يصبح المعلم التالي في تطوير أدوات تبادل البيانات الهندسية. لا يصف فقط التبعيات الهندسية للمنتج المستقبلي ، النموذج الصلب ، ولكن أيضًا سلوكه ، أي كيفية عمل المنتج في وضع تشغيل معين.
بالعودة إلى عام 2008 ، وفقًا لشروط مرجعية Daimler AG ، أنشأت Dassault Systemes اتحادًا أوروبيًا يسمى MODELISAR ، والذي حدد ، بعد سلسلة من الدراسات التكنولوجية ، مواصفات التكنولوجيا المستقبلية ومعيار FMI. كانت مهمته تحديد خصائص FMI ، وإجراء الدراسات التكنولوجية التي تثبت مفاهيم FMI من خلال حالات الاستخدام المتقدمة.
كان المفهوم الرئيسي في إنشاء FMI هو دعم نهج محدد. يعتمد على حقيقة أن المنتج الحقيقي يتكون من مجموعة واسعة من الأنظمة والأنظمة الفرعية والمكونات التي تتفاعل مع بعضها البعض بطريقة معقدة: يتم التحكم فيها ، وتحكمها العديد من قوانين الفيزياء التي تصف تشغيل وسلوك نظام فرعي أو مكون معين.
تم اقتراح ما يلي: لإعطاء فرصة لإنشاء منتج افتراضي ، حيث يمكنك تجميع مجموعة من نماذج الأنظمة والأنظمة الفرعية ، كل منها نموذج للقوانين الفيزيائية. وأيضا هناك نموذج لأنظمة التحكم (باستخدام عناصر الإلكترونيات الدقيقة والبرمجيات). يتم جمع كل هذا في نموذج رياضي محاكاة رقمي واحد في شكل FMI.
تستخدم هذه التكنولوجيا على نطاق واسع في صناعة السيارات. على سبيل المثال ، ينشئ مصمم السيارة الأصل نموذجًا رياضيًا في المستوى الأعلى ، وينشئ ملفًا ويسلمه إلى المقاولين. يتلقى المقاول ملفًا في شكل مواصفات فنية ويطور نظامه الفرعي أو نوعًا من المكونات.
ثم يقوم المطور الرئيسي بجمع النماذج الرياضية لجميع المكونات والأنظمة الفرعية ، وإجراء الشهادات الشاملة والتحقق من الصحة والتحقق من حلول هندسية معينة ، والتي بدورها تعمل على تحسين التواصل بين المؤسسات والمنظمات الهندسية المختلفة مع المقاولين. بالنسبة للشركة الأم ، فإن هذا يقلل أيضًا من المخاطر: يمكنك تغيير المقاول في أي وقت ، والتبديل إلى مقاول آخر بسرعة نسبيًا. بالإضافة إلى ذلك ، يتم تقليل الوقت ودورات التطوير للأنظمة الجديدة.
تم استخدام هذا النهج لأكثر من 10 سنوات في صناعات أخرى: الطيران ، والأجهزة ، وبناء السفن ، وتطوير المعدات الطبية والعديد من المجالات الأخرى.
تعمل Dassault بنشاط على تطبيق FMI. أصبحت النمذجة الرياضية على هذا النحو ، وتنسيق FMI على وجه الخصوص ، جزءًا لا يتجزأ من عملية التصميم الحديثة.
استمرارًا لمقالنا ، ندعوك لمشاهدة 3 ملفات فيديو بودكاست بواسطة أنظمة Dassault تغطي موضوعات "البطاريات الكهربائية" و "خلايا الوقود الهيدروجينية" و "الواجهة الوظيفية النموذجية - FMI"
اشترك في أخبار Dassault Systèmes وابق على اطلاع دائم على الابتكار والتكنولوجيا.
صفحة Dassault Systèmes الرسمية على
Vkontakte
3DS Blog WordPress
3DS Blog on Render
3DS Blog on Habr