Las baterías eléctricas de diversos tipos y formatos se han convertido durante mucho tiempo en una parte integral de la vida de las personas modernas. Se cree que la primera batería se creó hace unos 2000 años. Consistía en una vasija de barro llena de vinagre, una barra de hierro y un cilindro de cobre. Mucho ha cambiado desde entonces en la tecnología de fabricación de estas fuentes de energía. Las baterías modernas se han desarrollado y perfeccionado durante más de dos siglos. La batería, cuya similitud se utiliza en nuestro tiempo, fue creada en 1798 por Alessandro Volta. Además de sus propios conocimientos, Volta utilizó los resultados de los experimentos de Luigi Galvani.
Esta tecnología continúa mejorando, desarrollando y reduciendo el costo de su implementación. Hoy estamos rodeados de electrodomésticos. Además, muchos dispositivos y sistemas son simplemente imposibles sin una fuente de energía autónoma: una batería eléctrica. Desde teléfonos inteligentes y auriculares portátiles hasta automóviles eléctricos, drones, dispositivos médicos y sistemas autónomos de soporte vital para viviendas y hospitales. Al mismo tiempo, el número de dispositivos electrificados, sistemas con una fuente de energía eléctrica autónoma en el mundo moderno está creciendo rápidamente. Las baterías se utilizan en una amplia variedad de dispositivos: hogar, transporte, infraestructura, médico.
Todos los dispositivos digitales, como reproductores, teléfonos inteligentes y otros dispositivos portátiles, así como los automóviles eléctricos, mejoran cada vez más sus capacidades, y estas capacidades están determinadas principalmente por la energía almacenada en las baterías.
La tecnología de las baterías eléctricas se conoce desde hace mucho tiempo, pero su uso completo comenzó en el siglo XX, hubo un proceso continuo de mejora de la tecnología: aumentar la eficiencia, reducir el costo de producción de las baterías, reducir el peso y mucho más.
En los últimos años, la creciente demanda de baterías y acumuladores en el mercado global ha lanzado muchos desarrollos innovadores. Algunos de ellos se están probando activamente actualmente. Se están investigando baterías de metal de litio ultraligeras, baterías de titanato de litio, baterías flexibles para dispositivos portátiles, baterías de aluminio-aire, baterías de carbono con una tasa de carga muy alta, baterías orgánicas económicas y muchas otras. Las baterías mejoradas deben cargarse más rápido, almacenar muchas veces más energía y soportar más ciclos de carga / descarga.
Herramienta de ingeniero
¿Qué herramientas pueden utilizar los ingenieros para diseñar sistemas eléctricos complejos y de alta eficiencia? En el contexto de la metodología de Dassault Systemes, la ingeniería de sistemas ha creado una herramienta especial para el desarrollo de baterías eléctricas - BATTERY LIBRARY sistema de biblioteca de simulación de modelado matemático del comportamiento de sistemas DYMOLA . Es una biblioteca para el modelado matemático del comportamiento, funcionamiento de la batería eléctrica y sus sistemas auxiliares.
Se basa en el lenguaje Modelica y se utiliza para integrar acumuladores eléctricos en sistemas eléctricos complejos con una fuente de alimentación autónoma e independiente. Hay un modelo matemático de la celda: modelo químico, termodinámico, eléctrico, de envejecimiento de elementos químicos, así como una plantilla lista para implementar los requisitos de las normas ISO.
Una característica de esta herramienta es un umbral reducido para ingresar a la tecnología. Un especialista que desarrolla un sistema electrificado no necesita educación especializada y algún tipo de vasta experiencia en esta área. Toda la experiencia mundial en ingeniería en esta área está contenida en las ecuaciones matemáticas de esta biblioteca. El desarrollador puede estar seguro de que con su ayuda creará una batería eléctrica moderna y eficiente que cumpla con todos los estándares internacionales y sus sistemas auxiliares. Esencialmente, es un tesoro de experiencia en ingeniería. Esta herramienta simplifica enormemente la creación de un producto competitivo.
Electrificación de todo el país
La tendencia a la electrificación se observa hoy en muchas industrias. Por ejemplo, en la industria aeroespacial se pueden distinguir dos áreas principales: sustitución de los sistemas de control mecánicos y parte de los hidráulicos de una aeronave por sistemas eléctricos y, con ello, aumentar la autonomía, la compacidad y simplificar la operación. Esto fue posible gracias a la mayor fiabilidad y capacidad de fabricación de los sistemas eléctricos y, en particular, las baterías.
Las baterías son indispensables donde los criterios de autonomía son importantes. Por ejemplo, se desarrolló un exoesqueleto en Skolkovo, que se utiliza en la rehabilitación del sistema musculoesquelético de los pacientes. Su otra aplicación es reducir la actividad física en las empresas. El sistema de exoesqueleto no habría sido posible sin una fuente de energía autónoma, sin una batería. Solo si cumple con todos los requisitos modernos, el producto puede tener demanda y ser competitivo.
Una de las últimas tendencias en aviación es el impulso para reducir el impacto ambiental. Las centrales eléctricas, que, como saben, no emiten nada a la atmósfera, requieren el desarrollo y uso de literalmente todo tipo de baterías eléctricas: iones de litio, hidrógeno, híbridas.
Si hablamos de espacio, entonces todo es obvio incluso sin factores externos: todas las fuentes de electricidad utilizadas, de hecho, baterías: solares, químicas (iones de litio, litio-cadmio, hidrógeno, etc.), así como radioisótopos (RTG ). La única alternativa a ellos es un reactor nuclear.
Las baterías eléctricas se utilizan en sistemas de energía autónomos de reserva (centros de datos, hospitales y otras instalaciones críticas), trenes eléctricos, vehículos eléctricos, drones, ingeniería pesada (excavadoras, cargadoras), construcción naval (motos de agua).
A fines de septiembre, BASF comenzará la producción en masa de nuevas baterías sin litio. Hasta ahora, estas tecnologías son caras, pero la prohibición de los motores diésel clásicos e incluso de los motores de combustión interna estimulará el desarrollo del transporte eléctrico. Por ejemplo, en Suecia, los automóviles nuevos con motores diésel o de gasolina no se venderán después de 2030, Noruega planea prohibir la venta de automóviles con motores de combustión interna a partir de 2025 y Dinamarca, como Suecia, a partir de 2030. Entre los estados que han adoptado normas similares, también hay economías tan grandes como Gran Bretaña y Francia. Estos últimos se inclinan a prohibir los motores de combustión interna para 2040.
En las realidades modernas, el desarrollador de tal o cual sistema con una fuente de energía autónoma le presta gran atención, porque Este subsistema determina en gran medida el éxito del producto que desarrolla.
Una de las áreas más prometedoras son las pilas de combustible de hidrógeno.
Pilas de combustible de hidrógeno
Las pilas de combustible de hidrógeno son una de las tendencias de la ingeniería en el campo de las nuevas fuentes de alimentación para centrales eléctricas de varios sistemas autónomos. La primera pila de combustible de hidrógeno fue diseñada por el científico inglés William Grove en los años 30 del siglo XIX. Se ha demostrado la viabilidad de producir energía en una pila de combustible de hidrógeno-oxígeno utilizando un electrolito ácido. La NASA utilizó las pilas de combustible actualizadas de la nave espacial Apollo como principal fuente de energía.
La celda de combustible de hidrógeno es una tecnología que, si se desarrolla adecuadamente en el futuro, podría desplazar a los combustibles de hidrocarburos. La principal ventaja de las pilas de hidrógeno es el respeto al medio ambiente. Los sistemas de pilas de combustible ya se han diseñado para alimentar sistemas informáticos, iluminación de patios pequeños e incluso automóviles y autobuses. Incluso hay planes para lanzar aviones de pila de combustible de hidrógeno.
Hoy en día, ya hay muchos proyectos terminados: automóviles, suministros de energía ininterrumpida autónomos militares, vehículos aéreos no tripulados y, a mediados del año pasado, Bill Gates se ordenó un yate con pilas de combustible de hidrógeno.
Esta tecnología es bien conocida en la Federación de Rusia, existen desarrollos avanzados. Se utilizan en drones voladores, se ha creado un tren de hidrógeno: el grupo Transmashholding junto con Rosatom planean producir trenes de hidrógeno en Rusia, y Russian Railways está considerando la isla de Sakhalin como campo de pruebas piloto para su lanzamiento.
En el extranjero, BMW y Toyota han desarrollado una transmisión de hidrógeno para automóviles ecológicos. Un tren motriz de pila de combustible de hidrógeno formará la base del Hydrogen Next de BMW. Mercedes-Benz ha presentado su primer automóvil de producción con pilas de combustible de hidrógeno, el GLC F-Cell.
Las pilas de combustible de hidrógeno tienen una alta eficiencia del 60%. Y según este parámetro, la energía del hidrógeno es la fuente de energía más atractiva. Esta tecnología, en comparación con las baterías eléctricas, también ofrece una serie de otras ventajas, como una mayor duración de la batería del producto y una mayor eficiencia energética.
No se necesita tiempo para cargar las pilas de combustible de hidrógeno, solo necesita cargarse con hidrógeno. En particular, las ventajas y características de las pilas de combustible de hidrógeno tienen demanda en la aviación. Por ejemplo, los drones para monitorear petróleo y gas u otros objetos remotos deben tener una reserva de energía significativa: 4-5 horas. No es fácil proporcionar tales indicadores y la TEV es una de las formas más exitosas. En la actualidad, existen varios proyectos prometedores de aviones de pasajeros eléctricos en el mundo. Las baterías de hidrógeno bien pueden ser un elemento clave de estos sistemas.
La principal aplicación en este momento son los proyectos de alta tecnología. Esta es una tendencia mundial y, en el futuro, con una disminución en el costo de implementación del proyecto, el costo de esta tecnología encontrará una amplia aplicación. Y Dassault Systemes tiene varios proyectos exitosos en esta área.
Mientras tanto, en la actualidad, la complejidad y el costo de la tecnología del hidrógeno en el proceso de diseño y producción está deteniendo a muchas comunidades de ingenieros, lo que dificulta su aplicación. Por lo tanto, la compilación de datos de ingeniería es importante: al comprar dichos datos, no tendrá que comenzar con cosas básicas.
Para ayudar a los desarrolladores
Dassault Systemes tiene una herramienta especial para desarrollar sistemas de pilas de combustible de hidrógeno: la biblioteca de hidrógeno en el paquete de software de simulación DYMOLA . La biblioteca, escrita en Modelica, contiene los componentes clave de los sistemas de pilas de combustible de hidrógeno PEM para su integración en varios sistemas de energía y plantas de energía.
Se ha creado un modelo detallado de pilas de pilas de combustible, un modelo de dependencia de la temperatura y la presión de varios gases: oxígeno, hidrógeno y vapor de agua, y mucho más. El diseñador puede diseñar un sistema de pila de combustible de hidrógeno eficiente, moderno y de clase mundial y sus subsistemas auxiliares.
Dassault Systemes está involucrado en muchos proyectos como consultor metodológico y proveedor de software para modelado, análisis, comparación e integración de datos.
Estándar FMI
FMI (Functional Mock-up Interface) también ayuda a los ingenieros y desarrolladores, una interfaz estandarizada que se utiliza en la simulación por computadora para crear sistemas ciberfísicos complejos. FMI es un estándar abierto desarrollado para transferir modelos de sistemas dinámicos entre diferentes entornos de modelado de múltiples proveedores, así como para experimentos computacionales colaborativos. Resuelve uno de los problemas más dolorosos de la ingeniería de sistemas: la capacidad de transferir modelos entre herramientas. Hoy en día, el estándar FMI es compatible con muchos sistemas de simulación.
Hoy en día, el estándar FMI, una interfaz para transferir y compartir modelos en varios entornos de modelado, es un estándar que se está volviendo cada vez más popular.
La exportación de modelos en formato Functional Mock-up Unit (FMU) tiene diferentes aplicaciones. En primer lugar, FMU se puede utilizar en diferentes entornos y lenguajes de programación. FMU también protege la propiedad intelectual compilando el código del modelo en un archivo binario, lo que puede ser útil al intercambiar modelos con clientes y colegas.
FMI cuenta con el respaldo de muchas herramientas de desarrollo y se utiliza en muchas industrias de ingeniería en Europa, Asia y América del Norte. Se ha convertido en el estándar industrial de facto para el intercambio de modelos matemáticos de simulación.
Si a finales del siglo XX en la comunidad de ingenieros el estándar para el desarrollo de un modelo sólido de un producto era el formato STEP, STL o cualquier otro formato, entonces el formato FMI se convierte en el siguiente hito en el desarrollo de herramientas de intercambio de datos de ingeniería. Describe no solo las dependencias geométricas del producto futuro, el modelo sólido, sino también su comportamiento, es decir, cómo funciona el producto en un modo de operación particular.
En 2008, de acuerdo con los términos de referencia de Daimler AG, Dassault Systemes creó un consorcio europeo llamado MODELISAR, que, después de una serie de estudios tecnológicos, definió la especificación de la tecnología futura y el estándar FMI. Su tarea consistió en definir las características de FMI, realizar estudios de tecnología que prueben los conceptos de FMI a través de casos de uso desarrollados.
El concepto principal en la creación de FMI fue apoyar un enfoque específico. Se basa en el hecho de que un producto real consta de una amplia gama de sistemas, subsistemas y componentes que interactúan entre sí de manera compleja: están controlados, regidos por numerosas leyes de la física que describen el funcionamiento y comportamiento de un subsistema o componente en particular.
Se propuso lo siguiente: dar la oportunidad de crear un producto virtual donde se pueda recolectar un conjunto de modelos de sistemas y subsistemas, cada uno de los cuales es un modelo de leyes físicas. Y también incluir allí un modelo de sistemas de control (utilizando elementos de microelectrónica y software). Todo esto se recoge en un único modelo matemático de simulación digital en forma de FMI.
Esta tecnología es la más utilizada en la industria automotriz. Por ejemplo, un diseñador de vehículos principal crea un modelo matemático en el nivel superior, genera un archivo y se lo entrega a sus contratistas. El contratista recibe un archivo en forma de especificación técnica y desarrolla su propio subsistema o algún tipo de componente.
Luego, el desarrollador principal recopila modelos matemáticos de todos los componentes y subsistemas, realiza la certificación, validación y verificación integrales de ciertas soluciones de ingeniería, lo que, a su vez, mejora la comunicación entre diferentes empresas de ingeniería y organizaciones con contratistas. Para la empresa matriz, esto también reduce los riesgos: puede cambiar de contratista en cualquier momento, cambiar a otro relativamente rápido. Además, se reducen el tiempo y los ciclos de desarrollo de nuevos sistemas.
Este enfoque se ha utilizado durante más de 10 años en otras industrias: aviación, instrumentación, construcción naval, desarrollo de equipos médicos y muchas otras áreas.
Dassault está trabajando activamente en la implementación de FMI. El modelado matemático como tal, y el formato FMI en particular, se han convertido en una parte integral del proceso de diseño moderno.
Continuando con nuestro artículo, lo invitamos a ver 3 podcasts de video de Dassault Systemes que cubren los temas "Baterías eléctricas" , "Celdas de combustible de hidrógeno" y "Interfaz funcional de maqueta - FMI".
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