Les batteries électriques de différents types et formats font depuis longtemps partie intégrante de la vie des gens modernes. On pense que la première batterie a été créée il y a environ 2000 ans. Il se composait d'un pot en terre cuite rempli de vinaigre, d'une tige de fer et d'un cylindre en cuivre. Beaucoup de choses ont changé depuis lors dans la technologie de fabrication de ces sources d'énergie. Les batteries modernes se développent et se perfectionnent depuis plus de deux siècles. La batterie, dont la similitude est utilisée à notre époque, a été créée en 1798 par Alessandro Volta. En plus de ses propres connaissances, Volta a utilisé les résultats des expériences de Luigi Galvani.
Cette technologie continue de s'améliorer, de se développer et de réduire le coût de sa mise en œuvre. Aujourd'hui, nous sommes entourés d'appareils électrifiés. De plus, de nombreux appareils et systèmes sont tout simplement impossibles sans une source d'alimentation autonome - une batterie électrique. Des smartphones et écouteurs portables aux voitures électriques, aux drones, aux appareils médicaux et aux systèmes de survie autonomes pour les quartiers d'habitation et les hôpitaux. Dans le même temps, le nombre d'appareils électrifiés, de systèmes avec une source d'énergie électrique autonome dans le monde moderne, augmente rapidement. Les batteries sont utilisées dans une grande variété d'appareils: ménage, transport, infrastructure, médical.
Tous les appareils numériques, tels que les lecteurs, les smartphones et autres gadgets portables, ainsi que les voitures électriques, améliorent de plus en plus leurs capacités, et ces capacités sont principalement déterminées par l'énergie stockée dans les batteries.
La technologie des batteries électriques est connue depuis longtemps, mais leur utilisation à part entière a commencé au 20ème siècle, il y avait un processus continu d'amélioration de la technologie: augmentation de l'efficacité, réduction du coût de production des batteries, réduction du poids et bien plus encore.
Ces dernières années, la demande croissante de piles et d'accumulateurs sur le marché mondial a lancé de nombreux développements innovants. Certains d'entre eux sont actuellement testés activement. Des batteries au lithium métal ultra-légères, au titanate de lithium, des batteries flexibles pour appareils portables, des batteries aluminium-air, des batteries au carbone avec un taux de charge très élevé, des batteries organiques peu coûteuses, et bien d'autres sont à l'étude. Les batteries améliorées doivent se charger plus rapidement, stocker beaucoup plus d'énergie et résister à plus de cycles de charge / décharge.
Outil d'ingénieur
Quels outils les ingénieurs peuvent-ils utiliser pour concevoir des systèmes électriques complexes hautement efficaces? Dans le cadre de la méthodologie de l'ingénierie système de Dassault Systèmes a créé un outil spécial pour le développement de batteries électriques - BATTERY LIBRARY bibliothèque système de simulation de modélisation mathématique du comportement des systèmes DYMOLA . C'est une bibliothèque de modélisation mathématique du comportement, du fonctionnement de la batterie électrique et de ses systèmes auxiliaires.
Il est basé sur le langage Modelica et est utilisé pour intégrer des accumulateurs électriques dans des systèmes électriques complexes avec une alimentation électrique indépendante et autonome. Il existe un modèle mathématique de la cellule: modèle chimique, thermodynamique, électrique, de vieillissement des éléments chimiques, ainsi qu'un modèle prêt à l'emploi pour la mise en œuvre des exigences des normes ISO.
Une caractéristique de cet outil est un seuil réduit pour entrer dans la technologie. Un spécialiste qui développe un système électrifié n'a pas besoin d'une formation spécialisée ni d'une vaste expérience dans ce domaine. L'expérience mondiale de l'ingénierie dans ce domaine est contenue dans les équations mathématiques de cette bibliothèque. Le développeur peut être sûr qu'avec son aide, il créera une batterie électrique efficace et moderne qui répond à toutes les normes internationales et à ses systèmes auxiliaires. C'est essentiellement un trésor d'expertise en ingénierie. Un tel outil simplifie grandement la création d'un produit compétitif.
Électrification de tout le pays
La tendance à l'électrification s'observe aujourd'hui dans de nombreuses industries. Par exemple, dans l'industrie aérospatiale, deux domaines principaux peuvent être distingués: le remplacement des systèmes de commande mécaniques et d'une partie des systèmes hydrauliques d'un avion par des systèmes électriques et, par conséquent, l'augmentation de l'autonomie, la compacité et la simplification de l'exploitation. Cela est devenu possible grâce à la fiabilité et à la fabricabilité accrues des systèmes électriques et, en particulier, des batteries.
Les batteries sont indispensables là où les critères d'autonomie sont importants. Par exemple, un exosquelette a été développé à Skolkovo, qui est utilisé dans la rééducation du système musculo-squelettique des patients. Son autre application est de réduire l'activité physique dans les entreprises. Le système d'exosquelette n'aurait pas été possible sans une source d'alimentation autonome, sans batterie. Ce n'est que s'il répond à toutes les exigences modernes que le produit peut être demandé et compétitif.
L'une des dernières tendances de l'aviation est la volonté de réduire l'impact environnemental. Les centrales électriques, qui, comme vous le savez, n'émettent rien dans l'atmosphère, nécessitent le développement et l'utilisation de littéralement tous les types de batteries électriques - lithium-ion, hydrogène, hybride.
Si on parle d'espace, alors tout est évident même sans facteurs externes: toutes les sources d'électricité utilisées, en fait - les batteries: solaires, chimiques (lithium-ion, lithium-cadmium, hydrogène, etc.), ainsi que les radio-isotopes (RTG ). La seule alternative à eux est un réacteur nucléaire.
Les batteries électriques sont utilisées dans les systèmes d'alimentation autonomes de secours (centres de données, hôpitaux et autres installations critiques), les trains électriques, les véhicules électriques, les drones, l'ingénierie lourde (pelles, chargeurs), la construction navale (jet-skis).
Fin septembre, BASF démarrera la production en série de nouvelles batteries sans lithium. Jusqu'à présent, ces technologies sont coûteuses, mais l'interdiction des moteurs diesel classiques et même des moteurs à combustion interne stimulera le développement du transport électrique. Par exemple, en Suède, les voitures neuves à moteur diesel ou à essence ne seront plus vendues après 2030, la Norvège prévoit d'interdire la vente de voitures à moteur à combustion interne à partir de 2025 et le Danemark, comme la Suède, à partir de 2030. Parmi les États qui ont adopté des normes similaires, il existe également de grandes économies telles que la Grande-Bretagne et la France. Ces derniers sont enclins à interdire les moteurs à combustion interne d'ici 2040.
Dans les réalités modernes, le développeur de tel ou tel système avec une source d'alimentation autonome y prête une grande attention, car Ce sous-système détermine en grande partie le succès du produit qu'il développe.
L'un des domaines les plus prometteurs est celui des piles à hydrogène.
Piles à hydrogène
L'une des tendances techniques dans le domaine des nouvelles alimentations électriques pour les centrales électriques de divers systèmes autonomes est la pile à hydrogène. La première pile à hydrogène a été conçue par le scientifique anglais William Grove dans les années 1830. La faisabilité de produire de l'énergie dans une pile à combustible hydrogène-oxygène à l'aide d'un électrolyte acide a été démontrée. La NASA a utilisé les piles à combustible mises à jour du vaisseau spatial Apollo comme principale source d'énergie.
Une pile à hydrogène est une technologie qui, si elle est correctement développée à l'avenir, pourrait remplacer les hydrocarbures. Le principal avantage des cellules à hydrogène est le respect de l'environnement. Les systèmes de piles à combustible ont déjà été conçus pour alimenter les systèmes informatiques, l'éclairage des petites cours intérieures et même les voitures et les bus. Il est même prévu de lancer des avions à pile à hydrogène.
Aujourd'hui, il y a déjà de nombreux projets achevés: voitures, alimentations sans coupure autonomes militaires, véhicules aériens sans pilote, et au milieu de l'année dernière, Bill Gates a commandé un yacht sur piles à hydrogène.
Cette technologie est bien connue dans la Fédération de Russie, il y a des développements avancés. Ils sont utilisés dans des drones volants, un train à hydrogène a été créé: le groupe Transmashholding et Rosatom envisagent de produire des trains à hydrogène en Russie et les chemins de fer russes envisagent l'île de Sakhaline comme un terrain d'essai pilote pour leur lancement.
A l'étranger, BMW et Toyota ont développé une transmission à hydrogène pour les voitures vertes. Un groupe motopropulseur à pile à hydrogène constituera la base de BMW Hydrogen Next. Mercedes-Benz a dévoilé sa première voiture de série équipée de piles à hydrogène, la GLC F-Cell.
Les piles à hydrogène ont un rendement élevé de 60%. Et selon ce paramètre, l'énergie hydrogène est la source d'énergie la plus attractive. Cette technologie, par rapport aux batteries électriques, offre également un certain nombre d'autres avantages, tels qu'une durée de vie accrue de la batterie du produit, une efficacité énergétique plus élevée.
Le chargement des piles à hydrogène ne prend pas de temps, il suffit de le recharger en hydrogène. En particulier, les avantages et les caractéristiques des piles à hydrogène sont recherchés dans l'aviation. Par exemple, les drones pour surveiller à distance le pétrole et le gaz ou d'autres objets doivent avoir une réserve de marche importante - 4-5 heures. Il n'est pas facile de fournir de tels indicateurs et la TEV est l'un des moyens les plus efficaces. Aujourd'hui, il existe plusieurs projets d'avions de passagers électriques prometteurs dans le monde. Les batteries à hydrogène pourraient bien devenir un élément clé de ces systèmes.
Les projets de haute technologie sont actuellement la principale application. Il s'agit d'une tendance mondiale, et à l'avenir, avec une diminution du coût de mise en œuvre du projet, le coût de cette technologie, elle trouvera une large application. Et Dassault Systèmes a un certain nombre de projets réussis dans ce domaine.
Pendant ce temps, à l'heure actuelle, la complexité et le coût de la technologie de l'hydrogène dans le processus de conception et de production stoppent de nombreuses communautés d'ingénieurs, ce qui rend son application difficile. Par conséquent, la compilation de données d'ingénierie est importante - lors de l'achat de telles données, vous n'aurez pas à commencer par des choses de base.
Pour aider les développeurs
Dassault Systemes dispose d'un outil spécial pour le développement de systèmes de piles à hydrogène: la bibliothèque d'hydrogène du progiciel de simulation DYMOLA . La bibliothèque, écrite en Modelica, contient les composants clés des systèmes de piles à hydrogène PEM à intégrer dans divers systèmes énergétiques et centrales électriques.
Un modèle détaillé de piles à combustible, un modèle de dépendance à la température et à la pression de divers gaz: oxygène, hydrogène et vapeur d'eau, et bien d'autres encore ont été créés. Le concepteur peut concevoir un système de pile à hydrogène efficace, moderne et de classe mondiale et ses sous-systèmes auxiliaires.
Dassault Systèmes est impliqué dans de nombreux projets en tant que consultant méthodologique et fournisseur de logiciels de modélisation, d'analyse, de comparaison et d'intégration de données.
Norme FMI
FMI (Functional Mock-up Interface) vient également à l'aide des ingénieurs et des développeurs - une interface standardisée utilisée dans la simulation informatique pour créer des systèmes cyber-physiques complexes. FMI est une norme ouverte développée pour le portage de modèles de systèmes dynamiques entre différents environnements de modélisation multifournisseurs, ainsi que pour des expériences de calcul collaboratives. Il résout l'un des problèmes les plus douloureux de l'ingénierie des systèmes: la capacité de transférer des modèles entre les outils. Aujourd'hui, la norme FMI est prise en charge sur de nombreux systèmes de simulation.
Aujourd'hui, la norme FMI - une interface de transfert et de partage de modèles dans divers environnements de modélisation - est une norme de plus en plus populaire.
L'exportation de modèles au format FMU (Functional Mock-up Unit) a différentes applications. Tout d'abord, FMU peut être utilisé dans différents environnements et langages de programmation. FMU protège également la propriété intellectuelle en compilant le code du modèle dans un fichier binaire, ce qui peut être utile lors de l'échange de modèles avec des clients et des collègues.
FMI est pris en charge par de nombreux outils de développement et est utilisé dans de nombreuses industries d'ingénierie en Europe, en Asie et en Amérique du Nord. Il est devenu la norme de facto de l'industrie pour l'échange de modèles mathématiques de simulation.
Si à la fin du 20e siècle dans la communauté des ingénieurs, la norme pour le développement d'un modèle solide d'un produit était le format STEP, STL ou tout autre format, alors le format FMI devient la prochaine étape importante dans le développement d'outils d'échange de données d'ingénierie. Il décrit non seulement les dépendances géométriques du futur produit, le modèle solide, mais aussi son comportement, c'est-à-dire comment le produit fonctionne dans un mode de fonctionnement particulier.
En 2008, selon les termes de référence de Daimler AG, Dassault Systèmes a créé un consortium européen appelé MODELISAR, qui, après une série d'études technologiques, a défini la spécification de la future technologie et la norme FMI. Sa tâche était de définir les caractéristiques de FMI, de mener des études technologiques qui prouvent les concepts FMI à travers des cas d'utilisation développés.
Le concept principal dans la création de FMI était de soutenir une approche spécifique. Il est basé sur le fait qu'un produit réel se compose d'un large éventail de systèmes, de sous-systèmes et de composants qui interagissent les uns avec les autres de manière complexe: ils sont contrôlés, régis par de nombreuses lois de la physique qui décrivent le fonctionnement et le comportement d'un sous-système ou d'un composant particulier.
Ce qui suit a été proposé: pour donner la possibilité de créer un produit virtuel, où vous pouvez collecter un ensemble de modèles de systèmes et de sous-systèmes, dont chacun est un modèle de lois physiques. Et y inclure également un modèle de systèmes de contrôle (utilisant des éléments de microélectronique et de logiciel). Tout cela est rassemblé dans un seul modèle mathématique de simulation numérique sous la forme de FMI.
Cette technologie est la plus largement utilisée dans l'industrie automobile. Par exemple, un concepteur de véhicule parent crée un modèle mathématique au niveau supérieur, génère un fichier et le remet à ses sous-traitants. L'entrepreneur reçoit un dossier sous la forme d'une spécification technique et développe son propre sous-système ou une sorte de composant.
Ensuite, le développeur en chef recueille des modèles mathématiques de tous les composants et sous-systèmes, procède à une certification complète, à la validation et à la vérification de certaines solutions d'ingénierie, ce qui, à son tour, améliore la communication entre différentes entreprises d'ingénierie et organisations avec les entrepreneurs. Pour la société mère, cela réduit également les risques: vous pouvez changer d'entreprise à tout moment, passer à un autre relativement rapidement. De plus, le temps et les cycles de développement des nouveaux systèmes sont réduits.
Cette approche est utilisée depuis plus de 10 ans dans d'autres industries: l'aviation, l'instrumentation, la construction navale, le développement d'équipements médicaux et bien d'autres domaines.
Dassault travaille activement à la mise en œuvre de FMI. La modélisation mathématique en tant que telle, et le format FMI en particulier, font désormais partie intégrante du processus de conception moderne.
Poursuivant notre article, nous vous invitons à visionner 3 podcasts vidéo de Dassault Systèmes sur les thèmes "Batteries électriques" , "Piles à hydrogène" et "Interface de maquette fonctionnelle - FMI"
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