電気電池、デジタル化および設計ツール

だから、バッテリー、バッテリー、アキュムレーター...私たちはどこでもそれらに出くわします-車の中、スマートフォンの中、時計とポケット懐中電灯、そしてどんなコンピューターでも。そしてもちろん、日常生活だけでなく、航空や天文学から医学まで、さまざまな業界で使用されています。しかし、なぜ今日まさにこれの周りにそのような誇大宣伝があり、決して新しい技術ではないのですか？



さまざまな種類と形式の電池は、長い間現代人の生活に欠かせないものになっています。最初のバッテリーは約2000年前に作成されたと考えられています。それは、酢で満たされた土器の瓶、鉄の棒、そして銅のシリンダーで構成されていました。それ以来、これらのエネルギー源を製造する技術は大きく変化しました。現代のバッテリーは2世紀以上にわたって開発され、完成されてきました。私たちの時代に類似性が使用されているバッテリーは、1798年にAlessandroVoltaによって作成されました。彼自身の知識に加えて、VoltaはLuigiGalvaniの実験結果を使用しました。







このテクノロジーは、その実装のコストを改善、開発、および削減し続けています。今日、私たちは電化された電化製品に囲まれています。さらに、多くのデバイスやシステムは、自律電源、つまり電気バッテリーなしでは不可能です。スマートフォンやポータブルヘッドホンから、電気自動車、ドローン、医療機器、居住区や病院向けの自律型ライフサポートシステムまで。同時に、現代の世界では、電動装置、自律電源を備えたシステムの数が急速に増加しています。バッテリーは、家庭用、輸送用、インフラストラクチャー、医療用など、さまざまなデバイスで使用されています。



プレーヤー、スマートフォン、その他のウェアラブルガジェット、電気自動車などのすべてのデジタルデバイスの機能はますます向上しており、これらの機能は主にバッテリーに蓄えられたエネルギーによって決まります。



電気電池の技術は古くから知られていますが、本格的な使用は20世紀に始まり、効率の向上、電池の製造コストの削減、軽量化など、技術を向上させる継続的なプロセスがありました。



近年、世界市場でのバッテリーとアキュムレーターの需要の高まりにより、多くの革新的な開発が開始されました。それらのいくつかは現在活発にテストされています。超軽量のリチウムメタル、リチウムチタネートバッテリー、ウェアラブルデバイス用のフレキシブルバッテリー、アルミエアバッテリー、非常に高い充電率のカーボンバッテリー、安価な有機バッテリーなど、多くの製品が研究されています。改良されたバッテリーは、より速く充電し、何倍ものエネルギーを蓄え、より多くの充電/放電サイクルに耐える必要があります。

エンジニアツール

エンジニアは、非常に効率的で複雑な電気システムを設計するためにどのようなツールを使用できますか？ Dassault Systemesの方法論のコンテキストで、システムエンジニアリングは、電気電池の開発のための特別なツールを作成しました-システムDYMOLAの動作の数学的モデリングのBATTERYLIBRARYライブラリシステムシミュレーション。これは、電池とその補助システムの動作、動作を数学的にモデル化するためのライブラリです。







これはModelica言語に基づいており、独立した自律電源を備えた複雑な電気システムに蓄電池を統合するために使用されます。セルの数学的モデルがあります。化学要素の化学的、熱力学的、電気的、経年劣化モデル、およびISO標準の要件を実装するための既製のテンプレートです。



このツールの機能は、テクノロジーを入力するためのしきい値が低くなっていることです。電化システムを開発するスペシャリストは、この分野での専門的な教育やある種の豊富な経験を必要としません。この分野での全世界のエンジニアリング経験は、このライブラリの数式に含まれています。開発者は、その助けを借りて、すべての国際基準とその補助システムを満たす効率的で最新の電気バッテリーを作成することを確信できます。本質的に、それはエンジニアリングの専門知識の宝庫です。このようなツールは、競争力のある製品の作成を大幅に簡素化します。

全国の電化

今日、多くの産業で電化の傾向が見られます。たとえば、航空宇宙産業では、2つの主要な領域を区別できます。それは、航空機の機械的および油圧制御システムの一部を電気的なものに置き換えることで、自律性、コンパクト性、および操作の簡素化です。これは、電気システム、特にバッテリーの信頼性と製造性の向上により可能になりました。



自律性の基準が重要な場合、バッテリーは不可欠です。たとえば、外骨格はSkolkovoで開発されており、患者の筋骨格系のリハビリテーションに使用されます。他のアプリケーションは、企業の身体活動を減らすことです。外骨格システムは、バッテリーなしでは、自律電源なしでは不可能でした。それがすべての現代の要件を満たしている場合にのみ、製品は需要があり、競争力があります。



航空業界の最新のトレンドの1つは、環境への影響を減らすための取り組みです。ご存知のように、大気中に何も放出しない発電所では、文字通りすべてのタイプの電池（リチウムイオン、水素、ハイブリッド）の開発と使用が必要です。



宇宙について言えば、外部要因がなくてもすべてがここで明らかです：実際にはすべての使用済み電源-バッテリー：太陽、化学物質（リチウムイオン、リチウムカドミウム、水素など）、および放射性同位元素（RTG ）。それらに代わる唯一の方法は原子炉です。



電池は、スタンバイ自律電源システム（データセンター、病院、その他の重要な施設）、電車、電気自動車、ドローン、重工業（掘削機、ローダー）、造船（ジェットスキー）で使用されます。



9月末に、BASFは新しいリチウムフリーバッテリーの量産を開始します。これまでのところ、そのような技術は高価ですが、古典的なディーゼルエンジンや内燃エンジンの禁止は、電気輸送の開発に拍車をかけます。たとえば、スウェーデンでは、ディーゼルまたはガソリンエンジンを搭載した新車は、2030年以降は販売されません。ノルウェーは、2025年から内燃焼エンジンを搭載した車の販売を禁止し、デンマークは、スウェーデンのように2030年から販売を禁止する予定です。同様の規範を採用している州の中には、イギリスやフランスなどの大国もあります。後者は、2040年までに内燃焼エンジンを禁止する傾向があります。



現代の現実では、自律電源を備えたこのシステムまたはそのシステムの開発者は、それに大きな注意を払っています。このサブシステムは、開発する製品がどれだけ成功するかを主に決定します。



最も有望な分野の1つは水素燃料電池です。

水素燃料電池

さまざまな自律システムの発電所用の新しい電源の分野における工学的傾向の1つは、水素燃料電池です。最初の水素燃料電池は、XIX世紀の30年代に英国の科学者ウィリアムグローブによって設計されました。酸性電解質を使用して水素-酸素燃料電池でエネルギーを生成することの実現可能性が実証された。 NASAは、アポロ宇宙船の最新の燃料セルを主なエネルギー源として使用しました。







水素燃料電池は、将来適切に開発された場合、炭化水素燃料に取って代わる可能性のある技術です。水素電池の主な利点は、環境への配慮です。燃料電池システムは、コンピュータシステム、小さな中庭の照明、さらには車やバスに電力を供給するようにすでに設計されています。水素燃料電池航空機を発売する計画さえあります。



今日、すでに多くの完了したプロジェクトがあります：自動車、軍用自律無停止電源、無人航空機、そして昨年の半ばに、ビル・ゲイツは水素燃料電池のヨットを注文しました。



この技術はロシア連邦でよく知られており、高度な開発が行われています。それらは飛行ドローンで使用され、水素列車が作成されました。TransmashholdingグループはRosatomと一緒にロシアで水素燃料列車を生産することを計画しており、ロシア鉄道はサハリン島を打ち上げのパイロット試験場として検討しています。



海外では、BMWとトヨタがグリーンカー用の水素トランスミッションを開発しました。水素燃料セルパワートレインは、BMWのHydrogenNextの基礎を形成します。 Mercedes-Benzは、水素燃料セルを搭載した最初の量産車であるGLCF-Cellを発表しました。







水素燃料電池は60％の高効率を持っています。そして、このパラメーターによれば、水素エネルギーは最も魅力的なエネルギー源です。この技術は、電気電池と比較して、製品の電池寿命の延長、エネルギー効率の向上など、他の多くの利点も提供します。



水素燃料電池の充電には時間がかからず、水素を充電するだけです。特に、水素燃料電池の利点と特徴は、航空業界で求められています。たとえば、リモートの石油やガス、またはその他のオブジェクトを監視するためのドローンには、4〜5時間のかなりの電力予備力が必要です。このような指標を提供することは容易ではなく、VTEは最も成功した方法の1つです。今日、世界にはいくつかの有望な電動旅客機プロジェクトがあります。水素電池は、これらのシステムの重要な要素である可能性があります。



現在の主な用途はハイテクプロジェクトです。これは世界的な傾向であり、将来的には、プロジェクトの実施コスト、このテクノロジーのコストが減少することで、幅広い用途が見出されるでしょう。そして、Dassault Systemesは、この分野で多くの成功したプロジェクトを持っています。



一方、現在、設計および製造プロセスにおける水素技術の複雑さとコストにより、多くのエンジニアリングコミュニティが停止しており、適用が困難になっています。したがって、エンジニアリングデータのコンパイルは重要です。そのようなデータを購入するときは、基本的なことから始める必要はありません。

開発者を支援するため

Dassault Systemesには、水素燃料セルシステムを開発するための特別なツールがあります。DYMOLAシミュレーションソフトウェアパッケージの水素ライブラリです。 Modelicaで作成されたライブラリには、さまざまなエネルギーシステムや発電所に統合するためのPEM水素燃料セルシステムの主要コンポーネントが含まれています。







燃料電池スタックの詳細なモデル、さまざまなガス（酸素、水素、水蒸気など）の温度および圧力依存性のモデルが作成されています。設計者は、効率的で最新の世界クラスの水素燃料電池システムとその補助サブシステムを設計できます。



Dassault Systemesは、モデリング、分析、比較、およびデータ統合のための方法論コンサルタントおよびソフトウェアプロバイダーとして多くのプロジェクトに関与しています。

FMI標準

FMI（Functional Mock-up Interface）は、エンジニアや開発者の助けにもなります。これは、複雑なサイバー物理システムを作成するためにコンピューターシミュレーションで使用される標準化されたインターフェイスです。 FMIは、さまざまなマルチベンダーモデリング環境間で動的システムモデルを移植するため、および共同計算実験のために開発されたオープンスタンダードです。これは、システムエンジニアリングで最も厄介な問題の1つである、ツール間でモデルを転送する機能を解決します。現在、FMI標準は多くのシミュレーションシステムでサポートされています。







今日、FMI標準（さまざまなモデリング環境でモデルを転送および共有するためのインターフェイス）は、ますます普及している標準です。



機能モックアップユニット（FMU）形式でモデルをエクスポートするには、さまざまなアプリケーションがあります。まず第一に、FMUはさまざまな環境やプログラミング言語で使用できます。 FMUは、モデルコードをバイナリファイルにコンパイルすることで知的財産を保護します。これは、クライアントや同僚とモデルを交換するときに役立ちます。







FMIは多くの開発ツールによってサポートされており、ヨーロッパ、アジア、および北米の多くのエンジニアリング業界で使用されています。これは、シミュレーション数学モデルを交換するための事実上の業界標準になっています。



20世紀の終わりにエンジニアリングコミュニティで製品のソリッドモデルの開発の標準がSTEP、STL形式、またはその他の形式であった場合、FMI形式はエンジニアリングデータ交換ツールの開発における次のマイルストーンになります。将来の製品であるソリッドモデルの幾何学的依存性だけでなく、その動作、つまり特定の動作モードで製品がどのように機能するかについても説明します。



2008年に、Daimler AGの委託条件に従って、Dassault SystemesはMODELISARと呼ばれるヨーロッパのコンソーシアムを設立しました。このコンソーシアムは、一連の技術研究の後に、将来の技術とFMI標準の仕様を定義しました。彼の仕事は、FMIの特性を定義し、開発されたユースケースを通じてFMIの概念を証明する技術研究を実施することでした。



FMIの作成における主な概念は、特定のアプローチをサポートすることでした。これは、実際の製品が、特定のサブシステムまたはコンポーネントの操作、動作を説明する多数の物理法則によって制御、管理される、複雑な方法で相互作用するさまざまなシステム、サブシステム、およびコンポーネントで構成されているという事実に基づいています。



以下が提案されました：それぞれが物理法則のモデルであるシステムとサブシステムのモデルのセットを収集できる仮想製品を作成する機会を与えること。また、制御システムのモデル（マイクロエレクトロニクスとソフトウェアの要素を使用）も含まれます。これらはすべて、FMIの形式で単一のデジタルシミュレーション数学モデルに収集されます。



この技術は、自動車業界で最も広く使用されています。たとえば、親車両の設計者は、トップレベルで数学モデルを作成し、ファイルを生成して、請負業者に渡します。請負業者は、技術仕様の形式でファイルを受け取り、独自のサブシステムまたはある種のコンポーネントを開発します。



次に、開発責任者はすべてのコンポーネントとサブシステムの数学モデルを収集し、特定のエンジニアリングソリューションの包括的な認証、検証、検証を実施します。これにより、さまざまなエンジニアリング企業や組織と請負業者との間のコミュニケーションが改善されます。親会社の場合、これによりリスクも軽減されます。請負業者はいつでも変更でき、比較的迅速に別の請負業者に切り替えることができます。さらに、新しいシステムの時間と開発サイクルが短縮されます。



このアプローチは、航空、計装、造船、医療機器開発、その他多くの分野で10年以上使用されています。



DassaultはFMIの実装に積極的に取り組んでいます。数学的モデリング自体、特にFMI形式は、現代の設計プロセスの不可欠な部分になっています。



記事を続けて、「電気電池」、「水素燃料電池」、「機能的なモックアップインターフェース-FMI」のトピックをカバーするDassaultSystemesによる3つのビデオポッドキャストをご覧ください。









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