Плотность аккумулятора: Плотность аккумулятора. Какая в электролите считается нормальной? Обязательно знать

Приведем наиболее часто встречающиеся нарушения правил эксплуатации:

1. Заряд током чрезмерно большой силы, превышающим нормальный в несколько раз. Перегрев электролита, коробление электродов, реже – разрушение сепараторов, осыпание активной массы и т.п. Это обычно происходит при форсированных режимах заряда с использованием мощных зарядных устройств, особенно в условиях неконтролируемого заряда.
2. Сульфатация на пластинах аккумулятора Повышенное напряжение в бортовой сети автомобиля приводит к систематическому перезаряду. Снижается уровень электролита, повышается его плотность. Если долить до нормального уровня электролит, а не дистиллированную воду, аккумулятор очень быстро приходит в негодность. Если ничего не доливать, то сульфатация электродов обеспечена, обнаженные элементы электродов быстро корродируют, активная масса ,особенно положительных пластин, набухает, выкрашивается, теряет механическую прочность, оплывает. Аккумулятор быстро снижает емкость, электролит становится мутным. В таких ситуациях аккумулятор может стать совершенно непригодным к эксплуатации.
3. Перегрев аккумулятора. Известно, что при повышении температуры электролита выше +35 градусов активизируются процессы износа электродов, а если температура повышается еще выше, то ресурс аккумулятора сокращается катастрофически быстро. Эта ситуация нередка, например когда оставили автомобиль на солнце под тентом темного цвета.
4. Загрязнение электролита. Аккумулятор необходимо протирать чистой мягкой тряпкой, смоченной в нашатырном спирте или растворе кальцинированной соды. Если хотя бы очень небольшая часть загрязняющих веществ попадает в электролит – аккумулятор обречен.
5. Добавление в электролит недистиллированной воды. Это довольно частая ситуация когда нет под рукой качественной дистиллированной воды, и доливают в электролит просто чистую воду. Электроды выходят из строя, а аккумулятор идет на склад вторсырья.
6. Еще быстрее выходит из строя новая батарея, если для нее приготовить электролит на основе технической серной кислоты.
7. Короткое замыкание может вывести АКБ моментально. Чаще всего это происходит при неосторожном обращении с инструментом вблизи батареи, или в результате повреждения изоляции силового кабеля.
8. Пониженное напряжение бортовой сети – весьма распространенная ситуация. Аккумуляторная батарея хронически разряжена, понижена плотность электролита. Нередки случаи запредельных разрядов, например, после пуска двигателя стартером. Снижаются основные энергетические характеристики батареи, особенно в зимний период. Систематический недозаряд может привести к переполюсовке аккумулятора при эксплуатации.
9. Размораживание аккумуляторной батареи. Моноблок лопается, электролит вытекает после оттаивания. Это происходит в сильные морозы при снижении плотности электролита ниже допустимых значений. Обычно такое происходит, если долить дистиллированную воду в электролит и не принять ни каких мер для того, чтобы она перемешалась с электролитом, или после нескольких безуспешных попыток пуска стартером холодного двигателя, оставив на морозе глубоко разряженный АКБ.
10. Применение мощного пускового устройства. Если применять мощный неспециализированный источник тока для пуска холодного двигателя, то можно моментально “взорвать” аккумуляторную батарею. При подключении этого устройства к батарее сила тока заряда может быть настолько большой, что электролит бурно вскипает, и вентиляционные отверстия не в состоянии сбросить выделяющиеся газы.
11. Запредельный разряд стартерными токами. Часто при затруднённом пуске двигателя аккумулятор разряжают до такой степени, что якорь стартера перестает проворачиваться. Такие глубокие разряды приводят к тому, что пластины очень быстро коробятся, осыпаются, и батарея выходит из строя.
12. Повышенная плотность электролита. По разным причинам в аккумуляторе расходуется вода, понижается уровень и повышается плотность электролита, и если не доливать дистиллированную воду аккумулятор разрушится.

Эта статья прочитана 5092 раз(а)!

Продолжить чтение

• 63

  Эксплуатационный ресурс герметичных свинцовых аккумуляторных батарей в составе электронного оборудования Мерунко Александр Анатольевич Технический директор ООО «Диск», г.
  Томск В настоящее время на потребительском рынке вторичных источников тока лидирующее положения (вследствие относительно низкой стоимости) занимают герметичные свинцовые аккумуляторные батареи. Их применяют…

• 59

  Типы и основные параметры щелочных аккумуляторов и батарей В системах автономного и резервного электропитания применяются различные типы аккумуляторных батарей. В настоящее время наиболее распространены свинцово-кислотные АКБ различных типов - герметизированные AGM, гелевые, OPz и с жидким электролитом (в основном, тяговые).…

• 57

  Как правильно заменять аккумуляторные батареи, какое напряжение выдают аккумуляторы, что такое гелевый аккумулятор, в чем преимущества литиевых аккумуляторов, как соединять аккумуляторы параллельно и последовательно для увеличения емкости и напряжения - ответы на эти и другие часто задаваемые вопросы вы получите…

• 56

  Типы аккумуляторных батарей и области их применения В этой заметке содержатся общие советы по выбору аккумуляторов для систем с возобновляемыми источниками энергии. В заметке затронуты 3 основные технологии: литий-ионные, никель-металл-гидридные и свинцово-кислотные (AGM, или Gel). Мы постараемся избегать формул и…

• 53

  СВИНЦОВО-КИСЛОТНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ ДЛЯ СТАЦИОНАРНОГО ОБОРУДОВАНИЯ СВЯЗИ О. Чекстер, И. Джосан Источник: Технологии и средства связи № 2, 2004 При организации электропитания аппаратуры связи широкое применение находят аккумуляторные установки: их применяют для обеспечения бесперебойности и надлежащего качества электропитания оборудования связи, в…

• 51

  Применение и эксплуатация кислотно-свинцовых герметичных аккумуляторов Автор: Журавлев О. В. В статье рассмотрены вопросы применения и эксплуатации кислотно-свинцовых герметичных аккумуляторных батарей, наиболее широко используемых для резервирования аппаратуры охранно-пожарной сигнализации (ОПС) Появившиеся на российском рынке в начале 90-х годов кислотно-свинцовые герметичные…

Google рекомендует

Реклама

Совет эксперта: как восстановить плотность аккумулятора? | Автобрюзгач

Источник: https://youtu.be/pJMbeqcrUg8

Современный автомобильный аккумулятор представляет собой неразборное изделие, поэтому его обслуживание сводится к восстановлению заряда и контролю уровня и плотности электролита.
Рекомендуемая плотность раствора серной кислоты равна 1,28 грамм на см3 при комнатной температуре (допускаемое отклонение составляет 0,01). Аккумулятор при этом должен быть полностью заряжен – соотношение воды и серной кислоты в электролите напрямую зависит от степени его заряженности.

Это значение является оптимальным для умеренного климатического пояса. Электролит такой плотности не замерзает до –74С. Если же её увеличить до 1,35, то пластины АКБ подвергнутся ускоренной коррозии. При плотности 1,15 г/см3, как было экспериментально установлено, батарея уже перестаёт отдавать энергию, к тому же такой электролит замёрзнет уже при – 16С, что приведёт к разрушению корпуса аккумулятора и короблению пластин.

Для того, чтобы увеличить плотность электролита, потребуется добавление в него серной кислоты. Но постановлением правительства от 3.06. 2010 её продажа ограничена и подлежит контролю. В магазинах автозапчастей можно приобрести корректирующий электролит плотностью 1,4 г/см3. Добавляя его в «банки», можно увеличить концентрацию раствора.

При этом учитывайте, что для равномерного распределения концентрированного раствора по объёму потребуется около получаса – иначе измерения плотности дадут некорректный результат. При необходимости повторяйте процедуру, откачивая электролит спринцовкой и добавляя корректирующий раствор. Контроль плотности осуществляется ареометром.

В тех же случаях, когда ареометра под рукой нет, а батарея подвела Вас при попытке запуска при первом похолодании, можно добавить электролит без измерения плотности, вернувшись к этому вопросу с наступлением тёплого времени года – чтобы избежать «съедания» пластин излишне концентрированным раствором.

Полная же замена электролита потребует слива жидкости из батареи, для чего необходимо просверлить отверстия в нижней части каждой «банки», после чего потребуется восстанавливать герметичность корпуса.

Но в случае сульфатации пластин или замыкания «банок» восстановление и увеличение плотности электролита не будет способствовать возвращению батареи в строй – её можно будет лишь сдать с доплатой в обмен на новую.

Если вам понравилась статья, ставьте лайк и подписывайтесь на канал. Каждый день мы публикуем новые интересные статьи.

Как проверить плотность аккумулятора ареометром?

Если аккумулятор начинает работать плохо и не генерирует необходимого стартового тока, нужно проверить его плотность, аккумулятор заболел. Для того, чтобы избежать неприятностей, необходимо проводить проверку ещё раньше, на предыдущем этапе, до того, как возникли какие-то трудности с АКБ.

Для того, чтобы они не возникали желательно использовать проверку раз в месяц или чаще. Стоит замерять плотность электролита и его напряжение на клеммах аккумулятора. Поскольку напрямую изменить содержащийся в аккумуляторе заряд попросту физически невозможно, по этим величинам можно с уверенностью судить о том, работает ли он правильно и накапливает ли заряд, а также о том, достаточна ли плотность электролитической жидкости.

Эту плотность проще всего замерять простым прибором, который называется ареометром. Суть его заключается в том, что этот прибор, который ещё называют просто кислотомером, погружают в электролит. Внутри приборчика находится поплавок, или, реже, несколько, положение которых в жидкости напротив градуированной шкалы и покажет, какова текущая плотность электролита. Проводить любые измерения можно только после того, как со времени последней зарядки прошло не менее шести часов. При этом сначала нужно аккуратно вынуть все имеющиеся заглушки ячеек аккумуляторной батареи.

Кислотомер нужно опустить в ячейку, удерживая его строго вертикально. Он представляет собой колбу из стекла с резиновой грушей, которая и позволяет набрать внутрь электролит. Чем выше плотность электролита, тем выше в нём будет плавать поплавок. Плотность измеряется в килограммах на кубический дециметр или на литр. Самый главный момент – сравнить показания ареометра с показаниями из размещённых в учебниках и в Интернете таблиц, которые уже были рассчитаны специалистами. Если аккумулятор работает в зоне нормальных для нас климатических условий, то его плотность должна держаться примерно на уровне в 1,27 кг/л. Причем, разница при измерении в разных ячейках не должна превышать 0,03 на литр. Для того, чтобы закрыть потом всю батарею нужно использовать только «родные» для аккумулятора заглушки, которые, кроме того, должны быть оборудованными прокладками.

Также нужно знать, что, если при измерении показатели не показывают хотя бы номинальных величин, аккумулятор нужно заменить. Никакие дополнительные манипуляции с ним не принесут ожидаемого и качественного эффекта.

R93 - Автопортал Краснодарского края: Автообзоры

Твитнуть

Поделиться

Поделиться

Класснуть

плотность электролита - это... Что такое плотность электролита?

плотность электролита

electrolyte density

Большой англо-русский и русско-английский словарь. 2001.

• плотность шихты
• плотность элементов

Смотреть что такое "плотность электролита" в других словарях:

• плотность электролита — — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN density of acid …   Справочник технического переводчика

• плотность тока — [current density, specific current] величина тока I, приходящаяся на единицу поверхности S электрода поверхность плотности тока jпов = I/S, А • м 2 или на единицу объема V электролита объемная плотность тока j0 = I/V, А • м 3. В зависимости от… …   Энциклопедический словарь по металлургии

• Электролиты индирования (температура электролита 18-25°С) — Компоненты электролита (г/л) и режим электролиза Тип электролита сернокислый борфтористоводородный тартратный сульфаматный Индий сернокислый …   Химический справочник

• Проверка плотности температуры электролита. — 3. Проверка плотности температуры электролита. Плотность и температура электролита каждого элемента в конце заряда и разряда батареи должны соответствовать данным завода изготовителя. Температура электролита при заряде должна быть не выше +40 °С …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

• Химический анализ электролита. — 4. Химический анализ электролита. Электролит для заливки кислотных аккумуляторных батарей должен готовиться из серной аккумуляторной кислоты сорта А по ГОСТ 667 73* и дистиллированной воды по ГОСТ 6709 72. Содержание примесей и нелетучего остатка …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

• Свинцово-кислотный аккумулятор — Автомобильный свинцово кислотный аккумулятор См. также: Автомобильный аккумулятор Свинцово кислотный аккумулятор  наиболее распространенный на сегодняшний день тип …   Википедия

• Автомобильный аккумулятор — 12В Автомобильный аккумулятор (для краткости может именоваться АКБ)  тип электрического аккумулятора, применяемый на автомобильном или мототранспорте. Энергия аккумулятора используется в первую очере …   Википедия

• Электролит (аккумуляторный) — смесь серной кислоты с дистиллированной водой для заливки в свинцово кислотную аккумуляторную батарею. Электролит для заливки в свинцово кислотную аккумуляторную батарею готовят из серной кислоты (ГОСТ 667 73) и дистиллированной воды (ГОСТ 6709… …   Википедия

• саморазряд химического источника тока — саморазряд Потеря энергии химическим источником тока, обусловленная протеканием в нем самопроизвольных процессов. [ГОСТ 15596 82] саморазряд Потеря химической энергии, обусловленная самопроизвольными реакциями внутри батареи, когда она не… …   Справочник технического переводчика

• Свинцовый аккумулятор — Автомобильный свинцово кислотный аккумулятор Аккумулятор электромобиля Свинцово кислотный аккумулятор наиболее распространенный на сегодняшний день тип аккумуляторов, изобретен в 1859 году французским физиком Гастоном Планте. Основные области… …   Википедия

• Аккумуляторы электрической энергии — АККУМУЛЯТОРЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГІИ, обратимые гальваническіе элементы, способные возобновлять запасы своей энергіи отъ посторонняго источника. Существуетъ много различныхъ системъ электр. А въ, но въ техникѣ военно морского дѣла получилъ… …   Военная энциклопедия

Сравнение плотности энергии

Рисунки на этой странице были получены из разного количества источников при различных условиях. Сравнение аккумуляторных элементов затруднено, и любое фактическое сравнение должно использовать проверенные данные для конкретной модели аккумулятора.

работают по-разному из-за различных процессов, используемых разными производителями. Даже ячейка другой модели от того же производителя будет работать по-разному в зависимости от того, для чего они оптимизированы.

Вы также должны принять во внимание фактическое приложение, в котором используется аккумулятор. Это может существенно повлиять на производительность батареи, поэтому при выборе аккумуляторной батареи для вашего продукта следует учитывать множество факторов.

Для получения дополнительной информации см. Сообщение в нашем блоге о том, как выбрать тип элемента для использования в аккумуляторной батарее.

Сравнение плотности энергии в аккумуляторных элементах

Эта сравнительная таблица аккумуляторов показывает объемную и гравиметрическую плотности энергии на основе голых аккумуляторных элементов.

Фото предоставлено НАСА - Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства

Плотность энергии, сравнение размеров и веса

Приведенная ниже сравнительная таблица аккумуляторов показывает объемную и удельную плотности энергии, показывая меньшие размеры и меньший вес ячеек.

Спецификации Battery Chemistry

Замечательная плотность новой литиевой батареи обещает огромный запас хода для электромобилей.

Для того, чтобы электрические самолеты действительно взлетали, а электромобили могли путешествовать на гораздо большие расстояния между зарядками, нам понадобятся батареи, которые содержат гораздо больше энергии, не становясь чрезмерно тяжелыми.Группа специалистов в Германии продемонстрировала новую литий-металлическую батарею с плотностью, значительно превышающей значительный эталонный показатель 500 Втч / кг, и способностью сохранять свою производительность в течение сотен циклов.

Сегодняшние литий-ионные батареи прекрасно справляются с задачей поддержания работоспособности современного мира, от электромобилей до смартфонов и портативных компьютеров, но ученые видят большой потенциал, который можно раскрыть с помощью изменений в их архитектуре. Одна из наиболее многообещающих возможностей - замена графита, используемого в электродах батареи, на чистый металлический литий, материал, который может удерживать в 10 раз больше энергии.

По этой причине некоторые исследователи аккумуляторов провозглашают металлический литий «материалом мечты» и вполне может помочь нам преодолеть ключевое узкое место в хранении энергии, но до сих пор технологии преследовали проблемы со стабильностью. Во многом это связано с побочными реакциями между раствором электролита, который несет ионы лития, и двумя электродами батареи, катодом и анодом.

Среди множества исследовательских групп, работающих над решением этой проблемы, есть команда из Технологического института Карлсруэ и Института Гельмгольца в Ульме (HIU), которые разработали проект, который в значительной степени позволяет обойти эту проблему.Исследователи начали с того, что описывается как слоистый катод с низким содержанием кобальта и никеля (NCM88) и коммерчески доступный органический электролит под названием LP30. В то время как катод достиг высокой плотности энергии, вскоре возникла нестабильность, и емкость аккумулятора уменьшилась при включении батареи.

«В электролите LP30 частицы трескаются на катоде, - объясняет профессор Стефано Пассерини, директор HIU. - Внутри этих трещин электролит реагирует и повреждает структуру. Кроме того, на аноде образуется толстый покрытый мхом слой, содержащий литий.”

Итак, команда заменила электролит LP30 на альтернативный, который позволил значительно повысить производительность. Описанный как нелетучий, трудновоспламеняемый, двуханионный ионный жидкий электролит (ILE), этот ингредиент в значительной степени предотвращает структурные дефекты на катоде и спасает батарею от фатальных электрохимических реакций.

«С помощью ILE структурные модификации катода, богатого никелем, могут быть значительно уменьшены», - говорит д-р Гук-Тэ Ким.

И результаты по праву называют «замечательными». Литий-металлический аккумулятор с такой архитектурой имел плотность энергии 560 Втч / кг. Для контекста существуют исследовательские консорциумы, посвященные преодолению порогового значения плотности 500 Втч / кг для обеспечения электропитания электромобилей следующего поколения, в то время как лучшие в своем классе литий-ионные батареи сегодня имеют плотность энергии от 250 до 300 Втч / кг. .

Ранее в этом году мы сообщали о рекордной литий-металлической батарее с плотностью энергии 350 Втч / кг, которая сохранила 76 процентов своей емкости в течение 600 циклов.Что касается долговечности, новая конструкция литий-металлической батареи также показала себя замечательно, начиная с начальной емкости 214 мАч / г в катодном материале и сохраняя 88 процентов от этой емкости в течение 1000 циклов.

Фанглин Ву и д-р Маттиас Кюнцель, KIT / HIU

Другая область, в которой новая литий-металлическая батарея оказалась очень эффективной, заключалась в ее кулоновской эффективности, которая связана с тем, насколько эффективно ионы лития переносятся между анодом и катодом.Зарядка 100 ионов лития с последующим возвратом 100 ионов лития после разрядки обеспечит 100-процентный кулоновский КПД, и, по словам Йи Цуй, профессора материаловедения и инженерии, а также фотонной науки в Национальной ускорительной лаборатории SLAC, коммерческим батареям требуется КПД не более минимум 99,9 процента, чтобы быть жизнеспособными. Создатели этой новой литий-металлической батареи сообщают о средней кулоновской эффективности 99,94 процента.

Предстоит проделать большую работу, чтобы воплотить эти многообещающие результаты на лабораторных элементах в реальный мир, но стабильная батарея с такой высокой плотностью энергии может изменить правила игры, когда дело доходит до электрического транспорта.Например, электрические самолеты сильно ограничены плотностью энергии современных батарей и поэтому могут преодолевать относительно короткие расстояния. Ограниченный диапазон электромобилей можно решить в некоторой степени за счет расширения инфраструктуры зарядки, но тип высокого отношения энергии к весу, наблюдаемый в этой батарее, может позволить им преодолевать огромные расстояния и многое сделать для подавления так называемого беспокойства по поводу дальности полета среди потенциальные покупатели.

Исследование опубликовано в журнале Joule.

Источник: Технологический институт Карлсруэ

Вечно через пять лет? Нет, батарейки под носом поправляются

Универсальные картинки

Трудно писать об исследованиях аккумуляторов в этих частях, не услышав эха определенных комментариев еще до того, как они будут опубликованы: они никогда не появятся на рынке. До холодного синтеза навсегда останется 20 лет, а до новой технологии батарей навсегда останется пять лет.

Этот скептицизм понятен, когда новый дизайн батареи обещает революцию, но он рискует упустить тот факт, что батареи стали лучше.Литий-ионные батареи уже давно воцарились - это правда. Но «литий-ионные» - это категория аккумуляторов, которая включает в себя широкий спектр технологий, как с точки зрения аккумуляторов, используемых сегодня, так и с точки зрения тех, которые мы использовали ранее. Можно многое сделать - и многое было сделано - для создания более совершенной литий-ионной батареи. Фактически, прирост количества энергии, которое они могут хранить, составляет порядка пяти процентов в год. Это означает, что емкость ваших нынешних аккумуляторов более чем в 1,5 раза выше, чем они были бы десять лет назад.

эволюционировали, заметили вы это или нет. Вот как.

Почему литий-ионный рев?

Полезно начать с определения того, что делает аккумулятор «литий-ионным». Звезды шоу - это, очевидно, атомы лития, которые легко отдают электрон, образуя ионы. Каждая батарея имеет катод и анод, а между ними находится сепаратор и электролит. На катодной стороне литий находится в составе оксида металла, где он будет оставаться до тех пор, пока каждый атом удерживает этот электрон.После отделения от электрона ионы лития будут перемещаться через сепаратор и собираться на аноде. Освободившиеся электроны не могут пересечь разделитель, поэтому вместо этого они проходят через любую цепь, подключенную к двум электродам батареи.

Во время зарядки ионы и электроны лития накапливаются в аноде. Во время разряда электроны проходят через цепь, и ионы лития снова проходят через сепаратор, воссоединяясь по мере того, как литий осаждается обратно в структуру материала катода.

Настоящая батарея состоит из трех слоев материалов: катодного материала, нанесенного на металлическую фольгу, разделительного слоя и анодного материала, нанесенного на другую металлическую фольгу. Сложите их вместе, и у вас будет карманный или призматический аккумулятор, который вы можете найти в своем телефоне или Chevy Bolt. Сверните слои в катушку, и у вас будет цилиндрическая батарея, как в электроинструментах или Tesla.

Вы не можете избавиться от лития и по-прежнему называть его литий-ионным аккумулятором, но все остальное - честная игра.Для изготовления катода используется много разных материалов, и вы можете заменить сепаратор или попробовать другой химический состав электролита. Есть даже варианты анодного материала, хотя один из них уже давно доминирует.

В первых попытках создания литий-ионных аккумуляторов в качестве анода использовался твердый металлический литий, но это приводило к серьезным проблемам со стабильностью. (Проблемы, над которыми до сих пор работают.) Прорывом стало использование графита в качестве анода. Графит занимает ценное пространство, не обеспечивая при этом дополнительной энергоемкости, но его пластинчатая структура обеспечивает безопасное размещение ионов лития, значительно увеличивая срок службы и безопасность.Благодаря этому в 1991 году появились первые литий-ионные аккумуляторы Sony.

Даже первые литий-ионные батареи имели большую плотность энергии, чем никель-металлогидридные батареи, удерживая больший заряд в меньшем пространстве при меньшем весе. Они также работают с более высоким напряжением ячеек, что может быть полезно. Конечно, это еще не все солнце и единороги. Литий-ионные батареи более дорогие, а органический растворитель, используемый для электролита, легко воспламеняется, что создает опасность возгорания, с которой необходимо тщательно бороться.

продолжают использоваться в перезаряжаемых батареях AA и AAA, а также в гибридных транспортных средствах, которые не нуждаются в таком большом накоплении энергии. Но литий-ионный аккумулятор доминирует там, где пространство и вес имеют большое значение, в таких местах, как ноутбук или электромобиль.

Очень специфический набор навыков

обладают более чем одной или двумя важными характеристиками, поэтому они часто представлены в виде паутины (например, приведенной ниже). «Есть плотность энергии, есть удельная мощность, есть стоимость, есть срок службы, есть календарный срок, есть безопасность», - сказал Ars Венкат Сринивасан из Аргонской национальной лаборатории.«Что обычно происходит в батареях, так это компромисс между этими разными вещами». Даже просто придерживаясь литий-ионных аккумуляторов, существуют конфигурации и конструкции, которые могут подчеркнуть некоторые из этих характеристик за счет чего-то еще. Например, можно немного повысить плотность энергии, но, возможно, это будет связано с более высокими затратами или с сокращением срока службы.

Это может быть одной из причин разочарования или скептицизма в отношении новостей об исследованиях аккумуляторов. Исследование может определить способ значительно улучшить одну характеристику, сделав захватывающий вывод о прибылях и убытках. Но дизайн может быть непрактично плохим по-другому. Хотя исследователи аккумуляторов учатся на том, что работает, а что нет, это означает, что многие лабораторные аккумуляторы, о которых вы можете прочитать, никогда не появятся на рынке.

Однако это также означает, что существует множество ручек, которые можно использовать для настройки конкретной конструкции батареи.Даже такие, казалось бы, незначительные вещи, как точная толщина анодного или катодного слоя, который осаждается на металлической фольге, могут повлиять на поведение. Например, чем толще катод по сравнению с его подложкой из фольги, тем выше удельная энергия батареи, поскольку фольга занимает меньшую часть общего объема. Но более толстый слой материала также означает более длительный путь для ионов и электронов лития. Это выделяет больше тепла во время работы от батареи и сокращает срок службы. С другой стороны, держите катод тоньше, и он сможет выдерживать более высокие скорости заряда и разряда, поскольку более короткий путь легче.

В небольших устройствах, где пространство ограничено, предпочтительны более дорогие конструкции с максимальной плотностью энергии. Электромобили бывают разными, поскольку стоимость аккумулятора составляет значительную часть общей цены - добавление 20-процентной надбавки к аккумулятору может легко вывести автомобиль за пределы вашего бюджета. Жизненный цикл тоже должен быть намного больше. Уменьшение времени автономной работы телефона через два года в наши дни обычно считается нормой. Значительно уменьшенное время автономной работы в автомобиле через два года стало бы нарушением сделки.

Поскольку электромобили в настоящее время находятся на грани доступности и (по крайней мере, для некоторых) приемлемого диапазона и времени зарядки, небольшие улучшения в батареях здесь гораздо более заметны.

Три аккумуляторных технологии, которые могут стать источником энергии для будущего | Saft аккумуляторы

Миру нужно больше энергии, желательно в чистой и возобновляемой форме. Наши стратегии по хранению энергии в настоящее время формируются литий-ионными батареями - передовыми технологиями, - но что мы можем ожидать в ближайшие годы?

Начнем с основ аккумуляторной батареи.Батарея представляет собой блок из одной или нескольких ячеек, каждая из которых имеет положительный электрод (катод), отрицательный электрод (анод), сепаратор и электролит. Использование различных химикатов и материалов для них влияет на свойства батареи - сколько энергии она может хранить и выводить, сколько энергии она может обеспечить или сколько раз она может быть разряжена и перезаряжена (также называемая циклической емкостью).

Производители аккумуляторов постоянно экспериментируют, чтобы найти более дешевые, плотные, легкие и мощные химические продукты.Мы поговорили с директором Saft по исследованиям Патриком Бернардом, который рассказал о трех новых аккумуляторных технологиях с потенциалом преобразования.

ЛИТИЙ-ИОН НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ

В литий-ионных (Li-ion) батареях накопление и выделение энергии обеспечивается перемещением ионов лития от положительного к отрицательному электроду назад и вперед через электролит. В этой технологии положительный электрод действует как исходный источник лития, а отрицательный электрод - как хозяин для лития.Несколько химических элементов объединены под названием литий-ионные батареи в результате десятилетий выбора и оптимизации, близких к совершенству положительных и отрицательных активных материалов. Литированные оксиды металлов или фосфаты являются наиболее распространенным материалом, используемым в качестве настоящих положительных материалов. В качестве отрицательных материалов используются графит, а также оксиды графита / кремния или литированного титана.

Ожидается, что в ближайшие годы литий-ионная технология с учетом реальных материалов и конструкции элементов достигнет предела энергии.Тем не менее, недавние открытия новых семейств разрушающих активных материалов должны раскрыть существующие ограничения. Эти инновационные соединения могут хранить больше лития в положительных и отрицательных электродах и впервые позволят объединить энергию и мощность. Кроме того, с этими новыми соединениями также учитываются дефицит и критичность сырья.

Сегодня среди всех современных технологий хранения литий-ионные аккумуляторы обеспечивают самый высокий уровень плотности энергии.Такие характеристики, как быстрая зарядка или диапазон рабочих температур (от -50 ° C до 125 ° C), можно точно настроить за счет большого выбора конструкции и химического состава элементов. Кроме того, литий-ионные аккумуляторы обладают дополнительными преимуществами, такими как очень низкий саморазряд и очень долгий срок службы, а также способность к циклическим нагрузкам, как правило, тысячи циклов зарядки / разрядки.

Ожидается, что новое поколение передовых литий-ионных аккумуляторов будет развернуто раньше первого поколения твердотельных аккумуляторов.Они идеально подходят для использования в таких приложениях, как системы хранения энергии для возобновляемых источников энергии и транспорта (морской, железнодорожный, авиационный и внедорожный транспорт), где высокая энергия, высокая мощность и безопасность являются обязательными.

ЛИТИЙ-СЕРНЫЙ

В литий-ионных аккумуляторах ионы лития хранятся в активных материалах, действующих как стабильные структуры хозяина во время заряда и разряда. В литий-серных (Li-S) батареях нет никаких структур-хозяев. Во время разряда литиевый анод расходуется и сера превращается в различные химические соединения; во время зарядки происходит обратный процесс.

В батарее Li-S используются очень легкие активные материалы: сера в положительном электроде и металлический литий в качестве отрицательного электрода. Вот почему его теоретическая плотность энергии чрезвычайно высока: в четыре раза больше, чем у литий-ионных аккумуляторов. Это делает его подходящим для авиационной и космической промышленности.

Saft выбрала и отдает предпочтение наиболее перспективной технологии Li-S на основе твердотельного электролита. Этот технический путь обеспечивает очень высокую плотность энергии, длительный срок службы и преодолевает основные недостатки Li-S на жидкой основе (ограниченный срок службы, высокий саморазряд и т. Д.).

Кроме того, эта технология дополняет твердотельные литий-ионные аккумуляторы благодаря своей превосходной гравиметрической плотности энергии (+ 30% в Втч / кг).

Основные технологические барьеры уже преодолены, и уровень зрелости очень быстро приближается к созданию полномасштабных прототипов.

Ожидается, что для приложений, требующих длительного времени автономной работы, эта технология выйдет на рынок сразу после твердотельных литий-ионных аккумуляторов.

ТВЕРДОЕ СОСТОЯНИЕ

Твердотельные батареи представляют собой смену парадигмы с точки зрения технологий.В современных литий-ионных батареях ионы перемещаются от одного электрода к другому через жидкий электролит (также называемый ионной проводимостью). В полностью твердотельных батареях жидкий электролит заменен твердым соединением, которое, тем не менее, позволяет ионам лития перемещаться внутри него. Эта концепция далеко не нова, но за последние 10 лет - благодаря интенсивным исследованиям во всем мире - были обнаружены новые семейства твердых электролитов с очень высокой ионной проводимостью, аналогичные жидкому электролиту, что позволило преодолеть этот конкретный технологический барьер.

Сегодня усилия Saft R&D сосредоточены на 2 основных типах материалов: полимеры и неорганические соединения, стремясь к синергии физико-химических свойств, таких как технологичность, стабильность, проводимость…

Первое огромное преимущество - заметное повышение безопасности на уровне элементов и батарей: твердые электролиты негорючие при нагревании, в отличие от их жидких аналогов. Во-вторых, он позволяет использовать инновационные высоковольтные материалы с большой емкостью, что позволяет создавать более плотные и легкие батареи с более длительным сроком хранения за счет снижения саморазряда.Более того, на системном уровне это принесет дополнительные преимущества, такие как упрощенная механика, а также управление температурой и безопасностью.

Поскольку батареи могут иметь высокое отношение мощности к весу, они могут быть идеальными для использования в электромобилях.

По мере продолжения технического прогресса на рынке, вероятно, появятся несколько типов полностью твердотельных батарей. Первыми будут твердотельные батареи с анодами на основе графита, обеспечивающие улучшенные энергетические характеристики и безопасность.Со временем, более легкие технологии твердотельных батарей с использованием металлического литиевого анода должны стать коммерчески доступными.

Твердотельные батареи ускоряют работу электромобилей, повышают энергопотребление

В то время как все это происходит, автономные ведомые истребителя создают специальную широкополосную ячеистую сеть связи, которая преодолевает помехи за счет использования незаглушенных частот, агрегации сигналов по разным радиоканалам и быстрого переключения между разными каналами.Через самоорганизующуюся сеть узлов связи пилотируемый истребитель в воздухе соединяется с наземным спецназом.

Как только сеть установлена, солдаты начинают в реальном времени передавать видео артиллерийских ракет, перевозимых в здания. Истребитель действует как базовая станция, соединяя летающую ячеистую сеть БПЛА с сетью военных и коммерческих спутников, доступной для командиров во всем мире. Процессоры, распределенные между пилотируемыми и непилотируемыми самолетами, обрабатывают данные, а алгоритмы искусственного интеллекта (ИИ) обнаруживают цели и идентифицируют оружие в прямой видеотрансляции, просматриваемой командирами.

Внезапно пилот видит мигающую точку на дальнем горизонте через свой вмонтированный в шлем дисплей. Мгновенно двое из четырех товарищей по команде отворачиваются к месту, обозначенному вспышкой. Шлем освещает траекторию полета к точке, и пилот получает новые приказы, прокручивающиеся по дисплею:

Новый приоритет: ПОИСК И СПАСЕНИЕ

Сбитый пилот, 121 миля к северо-западу

Провести разведку и поиск в сети, обеспечить прикрытие с воздуха

Два летящих впереди БПЛА начинают координировать действия, чтобы определить местонахождение вражеских сил в непосредственной близости от сбитого самолета.Спасательный вертолет ВМС и судно медицинского обеспечения уже находятся в пути. Между тем, когда истребитель уносится с новой миссией, два других БПЛА, поддерживающих отряд спецназа, меняют конфигурацию своей сети, чтобы напрямую подключаться к спутниковым сетям, которые теперь выполняют роль базовой станции, которую раньше выполнял реактивный истребитель. Прямая трансляция видео идет непрерывно. Реконфигурация происходит быстро и без вмешательства человека.

Война всегда велась на границе хаоса и порядка.Стратеги давно пытались подавить хаос и навести порядок с помощью разведки, связи, командования и контроля. Самое мощное оружие бесполезно, не зная, куда его целить. Самый тщательно разработанный план ни к чему не приведет, если он основан на плохом интеллекте. И лучший интеллект ничего не стоит, если он приходит слишком поздно. Неудивительно, что за последние два столетия, когда стали доступны такие технологии, как фотография, электронная связь и вычислительная техника, они быстро стали использоваться в военных операциях и часто усиливались за счет целевых оборонных НИОКР.

Следующий ключевой фактор - пятое поколение ( 5G) беспроводная связь. США, Европа, Китай и Россия в настоящее время интегрируют технологии 5G в свои военные сети. Это масштабные и сложные проекты, и несколько различных стратегий уже становятся очевидными.

В Lockheed Martin, мы совершенствуем стандартные технологии 5G для подключения множества платформ и сетей, которые используются различными подразделениями вооруженных сил. Мы называем это нашим 5G.Инициатива MIL. Ранее в этом году в двух проектах, названных Hydra и HiveStar, мы продемонстрировали осуществимость ключевых аспектов этой инициативы. Hydra дала обнадеживающие результаты в решении проблемы совместимости, а HiveStar показал, что можно быстро построить в зоне без существующей инфраструктуры высокомобильную и в то же время способную сеть 5G, которая потребуется на поле боя.

В новой работе использован необычный подход. Это сотрудничество с коммерческой промышленностью, в котором технология передается от гражданского сектора к военному, а не наоборот.Радары, ракетная техника и ядерная энергия зародились в военных лабораториях, и потребовались годы, даже поколения, чтобы эти технологии проникли в потребительские товары. Но сегодня в отношении фундаментальных технологий, таких как вычисления и связь, масштабы развития частного сектора все больше выходят за рамки ресурсов даже крупнейших национальных оборонных ведомств. Для развертывания сетей, которые являются достаточно быстрыми, адаптивными, маневренными и совместимыми, у боевиков теперь мало альтернативы, кроме как использовать коммерческие разработки.

Поэтому неудивительно, что министерство обороны США в рамках инициативы под названием От 5G до NextG и различных дополнительных инвестиций отдельных вооруженных сил было выделено более 2 миллиардов долларов США на продвижение коммерческих исследований 5G и проведение испытаний и экспериментов для адаптации результатов для военных целей.

Чтобы понять значение такого сдвига, подумайте, как Соединенные Штаты дошли до этого момента. В конфликтах 18 века, таких как Во время войны за независимость единственными датчиками поля боя были человеческие глаза и уши.Связь на расстоянии могла длиться несколько дней и могла быть прервана, если посланники, на которых она полагалась, были схвачены или убиты. Тактические решения на поле боя сигнализировались флагами или бегунами, чтобы начать маневры или атаки.

К началу Второй мировой войны у комбатантов были радары, самолеты и радио, чтобы обнаруживать вражеские самолеты и бомбардировщики на расстоянии до 80 миль впереди. Они могли общаться за сотни миль и готовить средства ПВО и наводить эскадрильи истребителей-перехватчиков в считанные минуты. Фоторазведка может дать неоценимую информацию, но в часы или дни, а не секунды.

Сегодня поле боя находится под усиленным наблюдением. Есть бесчисленное множество датчиков на суше, на море, в воздухе, в космосе и даже в киберпространстве. Реактивные истребители, такие как F-35, могут действовать как центры обработки информации в небе, чтобы объединить все эти данные в единую интегрированную картину поля боя, а затем поделиться этой картиной с военными бойцами и лицами, принимающими решения, которые, таким образом, могут выполнять командование и управление в режиме, близком к реальному времени.

По крайней мере, это цель. Реальность часто не оправдывает ожиданий.Сети, которые объединяют все эти датчики, представляют собой лоскутное одеяло. Некоторые из них работают над гражданской коммерческой инфраструктурой, другие - военными, а среди военных разные требования различных отраслей и другие факторы способствовали появлению набора высокопроизводительных, но в значительной степени несовместимых протоколов связи. Сообщения могут не распространяться по этим сетям быстро или вообще не распространяться.

Вот почему это проблема. Скажем, F-35 обнаруживает приближающуюся баллистическую ракету.Самолет может отслеживать ракету в режиме реального времени. Но сегодня, возможно, не удастся передать эти данные слежения до противоракетных батарей, чтобы они успели сбить снаряд. Именно на такие возможности и нацелена инициатива 5G.MIL.

Есть и более широкие цели, потому что будущие поля битвы усложнят игру. Помимо оружия, платформ и снаряжения, отдельные люди будут оснащены подключенными к сети датчиками, отслеживающими их местоположение, подверженность биохимическим или радиоактивным опасностям и физическое состояние.Для соединения всех этих элементов потребуются глобальные ячеистые сети из тысяч узлов, включая спутники в космосе. Сети должны будут учесть гиперзвуковые системы, движущиеся со скоростью, в пять раз превышающей скорость звука, при этом они способны контролировать или запускать кибератаки, средства радиоэлектронной борьбы и противодействия, а также оружие направленной энергии.

Такие технологии коренным образом изменят характер и скорость войны и потребуют вездесущей магистрали связи для управления возможностями на всем поле боя.Огромный спектр скоординированных действий, объем активов, сложность их взаимодействия и их глобальное распространение быстро превзойдут вычислительные и сетевые возможности, которые у нас есть сегодня. Время от наблюдения до принятия решения до действия будет измеряться в миллисекундах: когда маневрирующая гиперзвуковая платформа движется со скоростью более 3,5 километров в секунду, знание ее местоположения даже секунду назад может оказаться малопригодным для системы, предназначенной для ее отслеживания.

Наше видение 5G.MIL включает два взаимодополняющих элемента.Одним из примеров является начальный сценарий этой статьи: быстрое разовое создание безопасных локальных сетей на основе технологии 5G. Цель состоит в том, чтобы позволить войскам получать данные датчиков с любой платформы в театре и сделать их доступными для любого стрелка, независимо от того, как платформа и стрелок подключаются к сети.

Локхид Мартин

Самолеты, корабли, спутники, танки или даже отдельные солдаты могут подключать свои датчики к защищенной сети 5G через специально модифицированные базовые станции 5G.Как и коммерческие базовые станции 5G, эти гибридные базовые станции могут обрабатывать коммерческий сотовый трафик 5G и 4G LTE. Они также могли обмениваться данными через военные тактические связи и системы связи. В любом случае эти соединения на поле боя будут иметь форму защищенных ячеистых сетей. В этом типе сети узлы обладают интеллектом, который позволяет им напрямую подключаться друг к другу для самоорганизации и самонастройки в сети, а затем совместно управлять потоком данных.

Внутри гибридной базовой станции будет ряд систем, называемых тактическими шлюзами, которые позволяют базовой станции работать с различными протоколами военной связи.Такие шлюзы уже существуют: они состоят из аппаратного и программного обеспечения, основанного на предписанных военными стандартах открытой архитектуры, которые позволяют платформе, такой как истребитель, изготовленный одним подрядчиком, связываться, скажем, с ракетной батареей, изготовленной другим поставщиком.

Второй элемент Видение 5G.MIL предполагает подключение этих локальных ячеистых сетей к глобальной сети Интернет. Такое соединение между локальной сетью и Интернетом называется транзитным рейсом. В нашем случае связь может быть на земле или в космосе, между гражданскими и военными спутниками.Полученные в результате глобальные транспортные сети, состоящие из гражданской инфраструктуры, военных активов или их сочетания, по сути, создадут программно определяемую виртуальную глобальную сеть защиты.

Программно определяемый аспект важен, потому что он позволяет реконфигурировать сети - автоматически - на лету. Сейчас это огромная проблема, но она критически важна, потому что это обеспечит гибкость, необходимую для решения острых проблем войны. В какой-то момент вам может потребоваться огромная пропускная способность видео в определенной области; в следующем вам может потребоваться передать огромное количество данных таргетинга.В качестве альтернативы для разных потоков данных могут потребоваться разные уровни шифрования. Автоматически реконфигурируемые программно-определяемые сети сделают все это возможным.

Военное преимущество будет заключаться в том, что программное обеспечение, работающее в сети, может использовать данные, полученные из любой точки мира, для определения местоположения, идентификации друзей или врагов и для нацеливания на вражеские силы. Любой авторизованный пользователь в полевых условиях со смартфоном мог видеть в веб-браузере с данными из этой сети все поле битвы, независимо от того, где оно находилось на планете.

Недавно мы стали сотрудничать с Вооруженными силами США, чтобы продемонстрировать ключевые аспекты этого видения 5G.MIL. В марте 2021 года Lockheed Martin Проект «Гидра» продемонстрировал двунаправленную связь между истребителями-невидимками Lockheed F-22 и F-35 и разведывательным самолетом Lockheed U-2 в полете, а затем и с наземными артиллерийскими системами.

Этот последний эксперимент, входящий в серию, начатую в 2013 году, является примером соединения систем с протоколами связи, которые уникальны для требований их миссии.Все три самолета произведены Lockheed Martin, но их разные хронологии и роли на поле боя привели к различным настраиваемым каналам связи, которые не всегда совместимы. Project Hydra позволил платформам обмениваться данными напрямую через шлюз открытой системы, который транслирует данные между внутренними линиями связи и другими системами вооружения.

Новые технологии коренным образом изменят характер и скорость войны и потребуют вездесущей магистрали связи для управления возможностями на всем поле боя.

Это был многообещающий результат, но разведчики и истребители представляют собой лишь крошечную часть узлов в будущем боевом пространстве. Lockheed Martin продолжает развивать проект Hydra, вводя дополнительные платформы в сетевую архитектуру. Распространение подхода с распределенным шлюзом на все платформы может сделать результирующую сеть устойчивой к потере отдельных узлов, гарантируя, что критически важные данные будут проходить без необходимости тратить деньги на замену существующих радиостанций платформы новым, обычным радиомодулем.

Другая серия проектов с программной платформой под названием HiveStar показала, что полнофункциональная сеть 5G может быть собрана с использованием базовых станций размером с коробку с хлопьями. Более того, эти базовые станции можно было установить на мультикоптеры скромных размеров и летать вокруг театра военных действий - эта сеть была буквально «на лету».

В этом году команда HiveStar провела серию испытаний, кульминацией которых стала совместная демонстрация с Центром наземных транспортных средств армии США.Целью было поддержать реальную потребность армии: использование автономных транспортных средств для доставки припасов в зоны боевых действий.

Команда начала с простого: настроила базовую станцию ​​5G и установила соединение со смартфоном. Аппаратное обеспечение базовой станции, на промышленном языке gNodeB, было OctNode2, от Octasic в Монреале. Базовая станция весит около 800 граммов и имеет размеры около 24 × 15 × 5 сантиметров.

В белой трехмерной печатной коробке размещались процессоры для распределенного вычислительного и коммуникационного программного обеспечения, называемого HiveStar.Корпуса устанавливались на беспилотные летательные аппараты для демонстрации полностью бортовой сети 5G. Локхид Мартин

Затем группа протестировала компактную систему в зоне без существующей инфраструктуры, что вполне может быть справедливо для зоны боевых действий или зоны бедствия. Команда установила gNodeB и тактическое радио, работающее в диапазоне S, на гексакоптер DJI Matrice 600 Pro и пролетела с этим пакетом над испытательным полигоном в Уотертоне, штат Колорадо, компании Lockheed Martin. Система прошла испытание: она установила соединение 5G между этой передвижной вышкой сотовой связи в небе и планшетом на земле.

Затем команда приступила к беспроводному соединению группы базовых станций в летающую, передвижную разнородную военную сеть 5G, которая может выполнять полезные задачи. Для этого они использовали разработанное Lockheed-Martin программное обеспечение под названием HiveStar, которое управляет сетевым покрытием и распределяет задачи между сетевыми узлами - в данном случае мультикоптеры взаимодействуют, чтобы найти и сфотографировать цель. Это управление является динамическим: если один узел потерян из-за вмешательства или повреждения, остальные узлы корректируются, чтобы покрыть потерю.

Для первого испытания команда выбрала довольно стандартную военную задачу: определить местонахождение и сфотографировать цель с помощью нескольких сенсорных систем. Эта функция называется подсказкой и подсказкой. В зоне боевых действий такую ​​миссию может выполнять относительно большой БПЛА, обладающий серьезной вычислительной мощностью. Здесь команда использовала gNodeB и Настройка радио в S-диапазоне как и раньше, но с небольшой разницей. Все сети 5G нуждаются в программном пакете, называемом базовыми услугами 5G, который отвечает за такие основные функции, как аутентификация пользователя и управление передачей обслуживания от вышки к вышке.В этом испытании эти основные функции выполнялись на стандартном наземном сервере Dell PowerEdge R630 1U, установленном в стойку. Таким образом, сеть состояла из gNodeB на ведущем вертолете, который общался с землей с помощью 5G и зависел от основных сервисов на наземных компьютерах.

Ведущий коптер общался по радиоканалу S-диапазона с несколькими коптерами с камерами и одним поисковым коптером с программно-определяемым радиомодулем, запрограммированным на обнаружение радиочастотного импульса на целевой частоте. Команда работала с программным обеспечением HiveStar, которое управляло сетевыми коммуникациями и вычислениями через планшет 5G.Все, что требовалось, - это цель, которую вертолеты должны искать. Поэтому команда оснастила игрушечный джип с дистанционным управлением, длиной около 1 метра, с программно определяемым радиоизлучателем в качестве суррогатной цели.

Команда инициировала миссию по подсказкам и подсказкам, вводя команды на планшете 5G. Ведущий вертолет выступал в качестве маршрутизатора для остальной гетерогенной сети 5G и S-диапазона. Сообщения, инициирующие миссию, затем были переданы другим сотрудничающим вертолетам через радиосвязь S-диапазона.После того, как эти платформы камер получили сообщения, их бортовое программное обеспечение миссии HiveStar сотрудничало для автономного распределения задач между командой для выполнения поисковых маневров. Мультикоптеры взлетели в поисках целевого радиочастотного излучателя.

Как только вертолет-обнаружитель обнаружил радиосигнал целевого джипа, коптеры с камерой быстро приблизились к местности и сделали снимки джипа. Затем через 5G gNodeB они отправили эти изображения вместе с точной информацией о широте и долготе на планшет.Миссия выполнена.

Затем команда придумала способы управлять всей системой 5G, освобождая ее от какой-либо зависимости от конкретных мест на земле. Для этого им пришлось разместить основные сервисы 5G на ведущем вертолете, оснащенном gNodeB. Работая с партнерской компанией, они загрузили программное обеспечение основных сервисов на одноплатный компьютер, Nvidia Jetson Xavier NX вместе с gNodeB. В качестве головного коптера, на котором будет установлено это оборудование, они выбрали надежный квадрокоптер промышленного класса Freefly Alta X.Они оснастили его платой Nvidia, антеннами, фильтрами и радиостанциями S-диапазона.

Локхид Мартин

По просьбе армии команда разработала план использования летающей сети для демонстрации мобильности автономного транспортного средства «лидер-последователь». Это Конвой: человек управляет ведущим транспортным средством, а до восьми автономных транспортных средств следуют за ним, используя информацию о маршруте, передаваемую им от ведущего транспортного средства. Как и в демонстрационной демонстрации, команда создала гетерогенную сеть 5G и S-диапазона с обновленной полезной нагрузкой 5G и серией поддерживающих коптеров, которые сформировали подключенную ячеистую сеть S-диапазона.Эта сеть связала колонну со второй идентичной колонной в нескольких километрах от нее, которая также обслуживалась коптерной базовой станцией 5G и S-диапазона.

После того, как командир начал миссию, Freefly Alta X пролетел над головной машиной на высоте около 100 метров и подключился к ней по каналу 5G. Программное обеспечение контроллера миссии HiveStar предписывало поддерживающим мультикоптерам запускать, формировать и поддерживать ячеистую сеть. Автоколонна начала свой круговой круг вокруг испытательного полигона в окружности около 10 км.В течение этого времени вертолет, подключенный через 5G к ведущему транспортному средству конвоя, будет передавать положение и другую телеметрическую информацию другим транспортным средствам в составе конвоя, при этом следуя над головой, поскольку конвой движется со скоростью около 50 км в час. Данные от ведущего транспортного средства передавались этим ретранслятором следующим транспортным средствам, а также второму конвою через распределенную ячеистую сеть S-диапазона на основе мультикоптеров.

Текущие стандарты 5G не включают подключения через спутники или самолеты. Но запланированные изменения, обозначенные консорциумом проекта партнерства 3-го поколения как Release 17, ожидаются в следующем году и будут поддерживать возможности неназемных сетей для 5G. Крис Филпот

Команда также бросила вызов системе, смоделировав потерю одного из каналов передачи данных (5G или S-диапазона) из-за помех или неисправности. Если канал 5G был прерван, система немедленно переключалась на диапазон S и наоборот, чтобы поддерживать связь. Такая возможность была бы важна в зоне боевых действий, где помехи являются постоянной угрозой.

Несмотря на то, что испытания Hydra и HiveStar обнадеживают, они были лишь первыми шагами, и нужно будет преодолеть множество серьезных препятствий, прежде чем сценарий, который открывает эту статью, станет реальностью.Главным из них является расширение покрытия и диапазона сетей с поддержкой 5G до континентального или межконтинентального диапазона, повышение их безопасности и управление их бесчисленными соединениями. Мы надеемся, что коммерческий сектор принесет большие идеи для решения этих задач.

Например, спутниковые группировки могут обеспечить определенную степень глобального покрытия наряду с услугами облачных вычислений через Интернет и возможностью создания ячеистых сетей и распределенных вычислений. И хотя сегодняшние стандарты 5G не включают доступ к 5G из космоса, стандарты Release 17, появившиеся в 2022 г. Консорциум проекта партнерства третьего поколения будет изначально поддерживать возможности внеземных сетей для экосистемы 5G.Поэтому мы работаем с нашими коммерческими партнерами над интеграцией их совместимых с 3GPP возможностей, чтобы обеспечить прямое подключение к устройствам 5G из космоса. А пока мы используем платформу HiveStar / мультикоптер в качестве суррогата для тестирования и демонстрации наших концепций космического базирования 5G.

Безопасность повлечет за собой множество проблем. Можно рассчитывать на то, что кибератаки попытаются использовать любые уязвимости в программно определяемых сетях и возможностях сетевой виртуализации архитектуры 5G.Огромное количество продавцов и их поставщиков затруднит проведение комплексной проверки всех из них. И все же мы должны защищаться от таких атак таким образом, чтобы это работало с продуктами любого поставщика, а не полагаться, как в прошлом, на ограниченный пул предварительно утвержденных решений с проприетарными (и несовместимыми) модификациями безопасности.

Появление сверхбыстрой технологии 5G стало переломным моментом в военных технологиях.

Еще одна интересная небольшая проблема заключается в самой форме сигнала 5G.Его легко обнаружить, чтобы установить самое сильное соединение. Но это не сработает в военных действиях, где жизнь зависит от скрытности. Модификации стандартной формы сигнала 5G и того, как он обрабатывается в gNodeB, могут обеспечить передачу, которую злоумышленникам трудно уловить.

Однако, возможно, самая большая проблема заключается в том, как организовать глобальную сеть, построенную на смешанной коммерческой и военной инфраструктуре. Для достижения успеха здесь потребуется сотрудничество с коммерческими операторами мобильных сетей для разработки более эффективных способов аутентификации пользовательских подключений, управления пропускной способностью сети и совместного использования радиочастотного спектра.Чтобы программные приложения могли использовать низкую задержку 5G, нам также необходимо найти новые инновационные способы управления распределенными ресурсами облачных вычислений.

Считать появление сверхбыстрой технологии 5G переломным моментом в военных технологиях - это не прыжок. По мере того, как искусственный интеллект, беспилотные системы, оружие направленной энергии и другие технологии становятся более дешевыми и доступными, угрозы будут увеличиваться как в количестве, так и в разнообразии. Связь, управление и контроль станут только более важными по сравнению с более традиционными факторами, такими как физические возможности платформ и кинетического оружия.Это мнение было подчеркнуто в Краткое изложение Стратегии национальной обороны США 2018 года, стратегического руководящего документа, выпускаемого каждые четыре года Министерством обороны США: «Успех больше не достается стране, которая первой разрабатывает новую технологию, а скорее той, которая лучше интегрирует ее и адаптирует свой путь. боевых действий ".

Здесь стоит отметить, что китайские компании являются одними из самых активных в разработке 5G и новых технологий 6G. Китайские фирмы, особенно Huawei и ZTE Corp., занимают более 30 процентов мирового рынка технологии 5G, что аналогично совокупным рыночным долям Ericsson и Nokia. Доля рынка Китая вполне может увеличиться: по данным Совета по международным отношениям, правительство Китая поддерживает компании, которые создают инфраструктуры 5G в странах, в которые Китай инвестирует в рамках своей инициативы «Один пояс, один путь». Тем временем в Европе в 2020 году НАТО открыла свой первый военный испытательный полигон 5G в Латвии. В частности, Норвегия изучает возможность выделения программно-определяемых сетей в коммерческой инфраструктуре 5G для поддержки военных миссий.

Возможно, эта конвергенция развития коммерческого и оборонного секторов вокруг 5G, 6G и будущих коммуникационных технологий приведет к появлению мощных и неожиданных коммерческих приложений. Сектор обороны подарил миру Интернет. Мир теперь предоставляет военным связь 5G и не только. Давайте узнаем, что может дать оборонный сектор.

Примечание авторов: 5G.MIL, HiveStar и Lockheed Martin являются товарными знаками корпорации Lockheed Martin. Авторы выражают признательность Брэндону Мартину за помощь в написании этой статьи.

Статьи с вашего сайта

Статьи по теме в Интернете

Задняя страница

Лопнул ли пузырек батареи?

Подключаемый гибрид Ford Energi 2013 года на фоне моста Золотые Ворота.

Оптимизм практически исчез в этом году на пятой конференции из серии масштабируемых накопителей энергии в Беркли, Калифорния. Объявление о симпозиуме гласит: «Хотя появляются новые электромобили с усовершенствованными литий-ионными батареями, необходимы дальнейшие прорывы в области масштабируемого накопления энергии, помимо современных литий-ионных батарей, прежде чем можно будет в полной мере использовать преимущества электрификации транспортных средств. осуществленный." Настроение было осторожным, поскольку ясно, что литий-ионные батареи созревают медленно, и что их ограниченная плотность энергии и высокая стоимость не позволят производить полностью электрические автомобили, которые заменят основной американский семейный автомобиль в обозримом будущем.«Будущее туманно», - резюмировал конференцию Венкат Сринивасан, возглавляющий программу исследования аккумуляторов в лаборатории Беркли.

Электромобили имеют долгую историю. Они были популярны на заре автомобильной эры: 28 процентов автомобилей, произведенных в Соединенных Штатах в 1900 году, работали на электричестве. Однако ранняя популярность электромобилей пошла на убыль, когда Генри Форд в 1908 году представил серийно выпускаемые автомобили с двигателями внутреннего сгорания.

Бензин был быстро признан природным идеальным топливом для автомобилей: он обладает очень высокой плотностью энергии как по весу, так и по массе. и по объему - примерно в 500 раз больше, чем у свинцово-кислотных аккумуляторов - и их было много, они были недорогими и, казалось, неограниченными в поставках.К 1920-м годам электромобили перестали быть коммерчески выгодными и исчезли со сцены. Они не появлялись снова до конца 20-го века, когда бензин стал дорогим, запасы больше не казались безграничными, а обеспокоенность по поводу возможного воздействия сжигания ископаемого топлива на глобальный климат достигла общественной осведомленности.

Электромобили возвращаются с появлением химических батарей, которые более эффективны, чем старые свинцово-кислотные батареи. Новое поколение электромобилей представлено гибридными электромобилями (HEV), гибридными автомобилями с подключаемым модулем (PHEV) и полностью электрическими или аккумуляторными электромобилями (BEV).Большинство электромобилей последнего поколения питаются от литий-ионных аккумуляторов с использованием технологий, впервые применявшихся в портативных компьютерах и мобильных телефонах.

Обеспечение автомобилей электричеством, а не бензином дает двойные преимущества: в конечном итоге мы избавляемся от зависимости от импортных ископаемых видов топлива и работаем на автомобилях с использованием возобновляемых источников энергии. Устранение зависимости от нефти, импортируемой из часто недружественных стран, значительно улучшит нашу энергетическую безопасность, а использование энергии для автомобилей из зеленой сети с использованием солнечных и ветровых ресурсов значительно снизит количество CO ₂ , выбрасываемого в атмосферу.

Основным препятствием на пути замены основного американского семейного автомобиля электромобилем является производительность аккумуляторной батареи. Наиболее важной проблемой является плотность накопления энергии как по весу, так и по объему. Современная технология требует, чтобы электромобиль имел большую и тяжелую батарею, обеспечивающую меньший запас хода, чем автомобиль, работающий на бензине.

Батареи дороги, поэтому электромобили обычно намного дороже, чем автомобили аналогичного размера, работающие на бензине. Существует разумный предел затрат, когда стоимость электромобиля и электроэнергии, потребляемой в течение срока службы автомобиля, значительно превышает стоимость автомобиля с двигателем внутреннего сгорания, включая бензин, в течение всего срока службы автомобиля.

Безопасность - это вопрос, который много обсуждается в прессе. Хотя в Америке ежегодно происходит более 200 000 пожаров в автомобилях, работающих на бензине, существует широко распространенный страх перед электричеством. Аккумуляторы в автомобилях, работающих от электричества, наверняка сгорят при некоторых сценариях аварии; риск возгорания, вероятно, будет таким же, как у автомобилей с бензиновым двигателем.

Энергия, запасенная в топливе, значительна: бензин - рекордсмен - 47,5 МДж / кг и 34,6 МДж / литр; бензин в полностью заправленном автомобиле имеет такое же энергосодержание, как тысяча динамитных шашек.Литий-ионный аккумулятор имеет около 0,3 МДж / кг и около 0,4 МДж / литр (Chevy VOLT). Таким образом, бензин имеет примерно в 100 раз большую плотность энергии, чем литий-ионный аккумулятор. Эта разница в плотности энергии частично компенсируется очень высокой эффективностью электродвигателя при преобразовании энергии, накопленной в батарее, для движения автомобиля: обычно он имеет КПД 60-80 процентов. Эффективность двигателя внутреннего сгорания по преобразованию энергии, запасенной в бензине, для движения автомобиля обычно составляет 15 процентов (EPA 2012).При соотношении около 5 аккумулятор с плотностью хранения энергии 1/5 от плотности бензина будет иметь такой же запас хода, что и автомобиль с бензиновым двигателем. В настоящее время мы даже не приблизились к этому.

Электроэнергия для автомобиля значительно эффективнее, чем для бензинового двигателя с точки зрения потребления первичной энергии. В то время как эффективность использования энергии электромобилем очень высока, большинство электростанций, производящих электричество, эффективно преобразовывают первичную энергию в электроэнергию, поставляемую потребителю, лишь на 30 процентов.Превращение нефти в бензин очень эффективно. Это приводит к увеличению использования первичной энергии в электричестве в 1,6 раза по сравнению с бензином, что является важным аргументом в ее пользу.

В отчете APS за 2008 год по энергоэффективности были рассмотрены статистические данные о том, сколько миль проезжают американцы в день. Вывод этого исследования заключался в том, что полный парк PHEV с запасом хода на электротяге в 40 миль (60 км) может снизить потребление бензина более чем на 60 процентов. Таким образом, Америке может не понадобиться полный парк BEV для достижения очень значительного сокращения использования бензина.

Неоспоримый вопрос заключается в том, могут ли электромобили обеспечить удобство, стоимость и запас хода, необходимые для замены их бензиновых аналогов в качестве основного стандартного американского семейного автомобиля. И это почти полностью зависит от состояния разработки аккумуляторов, вкупе с проблемами экологизации энергосистемы и обеспечения широкой инфраструктуры для подзарядки электромобилей.

Сегодняшний ответ неоднозначен:

• HEV уже популярны, хотя сегодня они составляют лишь небольшую часть автомобилей.Нынешнее поколение аккумуляторов подходит для HEV, и запас хода не является проблемой, поскольку 100 процентов энергии, необходимой для питания автомобиля, вырабатывается бензином. Стоимость покупки выше, чем у обычного автомобиля; Преимущество заключается в улучшении экономии топлива на 40 или более процентов (EPA 2012).

• PHEV теперь поступают на рынок (рис. 1). Электрический диапазон ограничен, а батареи, имеющиеся в наличии в настоящее время, лишь частично подходят. Общий запас хода не является проблемой, поскольку бензин хранится на борту как «расширитель запаса хода».”

• BEV, поступающие на рынок, дороги, и их диапазон слишком мал для многих американских водителей, по крайней мере, в качестве основного семейного автомобиля. Батареи с гораздо более высокой плотностью накопления энергии и более низкой стоимостью необходимы для того, чтобы BEV стали популярными за пределами ограниченного рынка высококлассных городских жителей в качестве второго автомобиля, который будет использоваться для местного транспорта, где возможна домашняя подзарядка и где время зарядки ограничено. проблема.

Требования к батареям для HEV, PHEV и BEV различаются.Батарея для HEV не должна хранить много энергии, но должна иметь возможность быстро накапливать энергию от рекуперативного торможения. Поскольку он работает в ограниченном диапазоне заряда / разряда, его срок службы может быть очень долгим. Аккумулятор PHEV должен иметь гораздо большую емкость хранения энергии для достижения разумного электрического диапазона и будет работать со значительно большим диапазоном заряда / разряда, что ограничивает срок службы аккумулятора. Аккумулятор для BEV должен обеспечивать всю энергию для питания автомобиля на всем его диапазоне - скажем, 150–300 км - и должен использовать большую часть своего диапазона заряда / разряда.Эти требования означают, что аккумулятор для BEV будет большим, тяжелым, дорогим и с ограниченным сроком службы. Замена аккумулятора на BEV может повлечь за собой расходы, превышающие десять тысяч долларов, которые, разделенные на пробег, вероятно, значительно превысят стоимость электроэнергии для питания автомобиля.

Симпозиум в Беркли 2012 был посвящен двум альтернативным химическим соединениям: литий / кислород (литий / воздух) и литий / сера. Оба теоретически предлагают гораздо более высокую плотность энергии, чем это возможно даже при теоретическом пределе развития литий-ионных аккумуляторов.Однако технические трудности в создании практичной батареи с хорошей способностью к перезарядке с использованием любого из этих химических компонентов являются значительными.

Существуют серьезные исследовательские проблемы, касающиеся всех аспектов батареи: катода, анода и электролита, а также поверхностей раздела материалов и возможных производственных проблем. Литий-воздушная (Li / O ₂ ) батарея требует охлажденного сжатого воздуха без водяного пара или CO ₂ , что значительно усложняет систему литиево-воздушной батареи.Литий-воздушная батарея будет больше и тяжелее литий-ионной, что делает маловероятной перспективу использования в автомобилях в ближайшем будущем. Однако ведущая группа по разработке аккумуляторов в IBM написала в 2010 году статью о литий-воздушных батареях; «Автомобильные силовые батареи только начинают переход от никель-металлогидридных к литий-ионным батареям после почти 35 лет исследований и разработок последних. Переход на воздушно-литиевые батареи (в случае успеха) следует рассматривать с точки зрения аналогичного цикла разработки.«Возможно, нам нужно набраться терпения.

Для разработки и улучшения характеристик батарей используются многие подходы, включая исследования с использованием нанотрубок, нанопроволок, наносфер и других наноматериалов. Однако ни один из исследователей не сообщил о прогрессе до такой степени, что можно было бы представить практическую батарею, использующую Li / air или Li / S.

Томас Греслер, менеджер группы разработки элементов в лаборатории электрохимических исследований энергии General Motors, был пессимистичен в отношении перспектив нового химического состава аккумуляторов: «Мы не инвестируем в технологию литий-воздушных и литий-серных аккумуляторов, потому что мы не думаем от с точки зрения автомобилестроения, в обозримом будущем это принесет существенные выгоды.”

Существенной инфраструктурной проблемой является сеть, которую необходимо будет построить для подзарядки батареи BEV. В США более 120 000 автозаправочных станций. Поскольку диапазон современного BEV составляет менее трети диапазона бензинового автомобиля, потребуется очень большое количество станций подзарядки в дополнение к домашней зарядке, что может быть осуществимо только для тех, кто живет в частные дома или многоквартирные дома с выделенной парковкой.

Зарядка электромобиля занимает часы, и даже быстрая зарядка займет больше времени, чем большинство людей готовы ждать. А зарядка должна производиться ночью, когда выработка электроэнергии и мощность сети наиболее доступны.

Исследования аккумуляторов финансируются на скромном уровне, поскольку среди общественности и политиков существует ложное представление о том, что характеристики аккумуляторов достаточны для широкого признания электромобилей на аккумуляторах. Национальное внимание уделяется возобновляемым источникам энергии.Соединенные Штаты не станут независимыми от иностранной нефти и сжигания ископаемого топлива до тех пор, пока не будут разработаны новые аккумуляторные технологии. Это потребует согласованных национальных усилий в области науки и технологий, что потребует значительных затрат.

Фред Шлахтер недавно вышел на пенсию с должности физика в Advanced Light Source Национальной лаборатории Лоуренса Беркли. Он является соавтором отчета APS за 2008 год «Энергетическое будущее: думайте об эффективности», для которого он написал главу о транспорте.

«Закон Мура» для батарей?

Нет ли какого-то «закона Мура» для батарей? Почему прогресс в увеличении емкости батареи настолько медленный по сравнению с увеличением вычислительной мощности компьютера? Существенный ответ заключается в том, что электроны не занимают места в процессоре, поэтому их размер не ограничивает возможности обработки; пределы задаются литографическими ограничениями.Ионы в батарее, однако, занимают место, а потенциалы продиктованы термодинамикой соответствующих химических реакций, поэтому можно значительно улучшить емкость батареи только за счет перехода на другой химический состав.

Плотность энергии в зависимости от плотности мощности

Плотность энергии - это количество энергии в данной массе (или объеме), а - плотность мощности, - это количество энергии в данной массе. Различие между ними аналогично разнице между энергией и мощностью.Батареи имеют более высокую плотность энергии, чем конденсаторы, но конденсатор имеет более высокую плотность мощности, чем батарея. Эта разница возникает из-за того, что батареи могут хранить больше энергии, но конденсаторы могут отдавать энергию быстрее.

Плотность энергии

полная статья

Если система имеет высокую плотность энергии, то она способна хранить много энергии при небольшом количестве массы. Высокая плотность энергии не обязательно означает высокую плотность мощности. Объект с высокой плотностью энергии, но низкой плотностью мощности, может выполнять работу в течение относительно длительного периода времени. ^[1] Примером такого типа накопителя энергии является мобильный телефон. Его питания хватит на большую часть дня, но для подзарядки устройства его необходимо подключить к другому источнику питания на час и более.

Плотность мощности

полная статья

Если система имеет высокую плотность мощности, она может выдавать большое количество энергии в зависимости от ее массы.Например, крошечный конденсатор может иметь такую ​​же выходную мощность, что и большая батарея. Однако, поскольку конденсатор намного меньше, он имеет более высокую удельную мощность. Поскольку они быстро выделяют свою энергию, системы с высокой удельной мощностью также могут быстро перезаряжаться. Примером применения этого типа накопителя энергии является вспышка камеры. Он должен быть достаточно маленьким, чтобы поместиться внутри камеры (или мобильного телефона), но иметь достаточно высокую выходную мощность, чтобы осветить объект вашей фотографии. это делает систему с высокой удельной мощностью идеальной.

Пример

Чтобы лучше понять плотность энергии, представьте, что люди зажигают огонь в походе. Настал вечер, и пришло время S'mores, так что пора развести костер. Естественно, огонь сначала разжигают растопкой. Его высокое отношение площади поверхности к объему означает, что он быстро сгорает - высокая удельная мощность. Когда огонь тухнет, растопка больше не является хорошим выбором топлива, потому что она горит слишком быстро. Теперь огонь горит лучше бревнами, потому что они имеют высокую плотность энергии.Одиночное полено хорошо горит долго.

Для дальнейшего чтения

Список литературы

1. ↑ Б. Э. Лейтон, "Сравнение плотностей энергии преобладающих источников энергии в единицах джоулей на кубический метр", Int.