Разновидности асфальтобетона и их параметры

Асфальт является относительно дешевым материалом, который широко используется в качестве рабочего покрытия автомобильных дорог, площадок и других подобных объектов. Его основой служит битум и минеральные материалы, обеспечивающие необходимые технологические эксплуатационные характеристики готового продукта.

В зависимости от состава и метода укладки выделяют три основные разновидности асфальта (по ГОСТ 9128 два: горячий и холодный с разделением по характеристикам):

  1. горячий — укладывается по хорошо всем известной традиционной технологии при температуре готовой смеси не ниже 110 °С, что обусловлено наличием в его составе вязкого битума;
  2. теплый — изготавливается на основе маловязкого битума, поэтому требует укладки при температуре смеси от 40 до 80 °С (эта разновидность асфальта по условиям применения, а также комплексу преимуществ и недостатков, аналогична горячим смесям, поэтому часто относится именно к этой группе материалов);
  3. холодный — производится на базе жидкого битума, вследствие чего может укладываться при достаточно низких температурах, обычно не ниже 5 °С, но в некоторых случаях могут использоваться составы для температур окружающей среды от -30 °С.
Вид и тип смесей и асфальтобетонов Марка
Горячие: I
— высокоплотные
— плотные
А I, II
Б, Г I, II, III
В, Д II, III
— пористые I, II
— высокопористые щебеночные I
— высокопористые песчаные II
Холодные:
Бх, Вх I, II
Гх I, II
Дх II
— высокопористые щебеночные I

Основные требования к смесям для обустройства асфальтового покрытия приведены в ГОСТ 9128, согласно которому может использоваться горячий либо холодный асфальт разных видов и типов. Первый вариант требует применения смесей, нагретых до температур выше 110 °С, а второй более прост, поскольку может выполняться на основе материала комнатной или более низкой температуры.

Виды

Растворы классифицируют, согласно нескольким параметрам. Классификация зависит от особенностей компонентов, содержащихся в асфальтобетонных смесях. Различают четыре типа растворов. Классификация асфальтобетонных смесей выглядит так:

  1. По наличию минеральной составляющей. Растворы классифицируют в зависимости от того, какой тип составляющей используется при изготовлении. Существуют разные типы компонентов, входящих в состав асфальтобетонной смеси. Например, для типа А характерно пятидесятипроцентное содержание щебня в растворе.
  2. По размеру минеральных зерен составы бывают трех типов: песчаная (зерна для песчаной смеси должны быть менее пяти миллиметров), крупнозернистая (зерна менее сорока миллиметров) и мелкозернистая асфальтобетонная смесь (зерна размером менее двадцати миллиметров).
  3. В зависимости от используемого стройматериала, смесь бывает песчаная, гравийная и щебеночная.
  4. Температура также влияет на технические характеристики растворов. Классификация производится согласно температуре, которая зафиксирована в то время, когда происходила укладка смеси. Различают две разновидности: горячие асфальтобетонные смеси и теплые асфальтобетонные смеси. В частности, при распределении холодная асфальтобетонная смесь должна иметь температуру около 5°С, горячая – не ниже 120°С.

Вернуться к оглавлению

Читайте также: Расход грунтовка водно дисперсионная бирсс бетон контакт

Асфальтовый бетон

Изобретение может быть использовано для получения асфальтобетонной массы, применяемой для устройства автомобильных дорог, аэродромных покрытий, гидротехнических сооружений. Технический результат — повышение прочности, трещиностойкости, термоустойчивости, термостабильности и водостойкости. 4 табл.

Изобретение может быть использовано для получения асфальтобетонной массы.

Асфальтовый бетон (асфальтобетон) является одним из широко используемых в строительстве. Это важнейший материал для устройства автомобильных дорог, аэродромных покрытий, гидротехнических сооружений. От его качества зависят эксплуатационные характеристики и срок службы дорожного покрытия. Для получения асфальтобетонных покрытий повышенной долговечности с хорошими физико-механическими свойствами должны использоваться сырьевые материалы высокого качества.

Традиционно в виде сырьевых материалов при производстве асфальтовых бетонов в качестве крупного заполнителя используется гранитный щебень, в качестве мелкого заполнителя — кварц-полевошпатовый песок, в качестве минерального порошка — минеральный порошок из карбонатных горных пород и битум.

Наиболее близким к заявленному изобретению составом того же назначения, по совокупности признаков, является асфальтобетонная смесь с использованием минерального порошка из магнийсиликатных пород — дунитов (Худякова Л.И., Войлошников О.В. Использование отходов горной промышленности в качестве минерального порошка // Безопасность жизнедеятельности. — 2012. — №10. — С. 18-20).

Известный асфальтобетон, принятый за прототип, отличается от предлагаемого тем, что в качестве крупного заполнителя содержит гранитный щебень, в качестве минерального порошка — минеральный порошок из дунита, измельченного в течение 5 минут. А предлагаемый асфальтобетон содержит в качестве крупного заполнителя магнийсиликатную породу — верлит, а в качестве минерального порошка — минеральный порошок из дунита, измельченного в течение 10 минут, и обладает более высокими физико-механическими показателями по сравнению с прототипом.

Технический результат предлагаемого изобретения — получение нового вида асфальтового бетона с использованием магнийсиликатных пород (верлита и дунита), обладающего повышенной прочностью, водостойкостью, термоустойчивостью, термостбильностью и низкой себестоимостью.

Указанный технический результат достигается тем, что предлагаемый асфальтовый бетон, полученный из смеси битума и минеральной части, в минеральной части в качестве крупного заполнителя содержит магнийсиликатную породу верлит, в качестве мелкого заполнителя — кварц-полевошпатовый песок, а в качестве минерального порошка — минеральный порошок из дунита, измельченного в течение 10 минут в стержневом вибрационном измельчителе.

Сравнение предлагаемого изобретения с другими известными из уровня техники техническими решениями позволило установить следующее. В известном техническом решении в качестве крупного заполнителя использовали гранитный щебень, а в качестве минерального порошка — минеральный порошок из дунита, измельченного в течение 5 минут.

В заявленном асфальтовом бетоне в качестве крупного заполнителя использована магнийсиликатная порода — верлит, в качестве минерального порошка — минеральный порошок из дунита, измельченного в течение 10 минут. Верлит и дунит являются природным сырьем Прибайкалья и входят в состав месторождений Северо-Байкальской рудной зоны. Использование данных пород в качестве сырьевых материалов обеспечивает высокие физико-механические показатели асфальтобетона.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, и выявление источников, содержащих сведение об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружил аналог, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного изобретения. Определение из перечня аналогов, а также и прототипа, как наиболее близкого по совокупности существенных признаков, позволил выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому техническому результату — получение новых видов асфальтовых бетонов с достаточно высокими физико-механическими характеристиками, отличительных признаков в заявленном веществе, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «новизна».

Результаты поиска показали, что заявленное изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований, а именно взаимодействие минерального порошка из дунита, измельченного в течение 10 минут в стержневом вибрационном измельчителе, с битумом, с крупным заполнителем из верлита и кварц-полевошпатовым песком, что обеспечивает положительную реакцию на достижение технического результата — повышение качества и надежности дорожного покрытия.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «изобретательский уровень».

Дуниты Северного Прибайкалья, предлагаемые в качестве минерального порошка, и верлиты, предлагаемые в качестве крупного заполнителя, являются ультраосновными магнийсиликатными горными породами следующего химического состава, мас. % (см. табл. 1). Дуниты состоят из идиоморфных кристаллов оливина (80-97%) и акцессорной хромшпинели. Верлиты состоят из оливина (80-85%), периклаза и клинопироксена. При разработке месторождений будут находиться в отвалах.

Читайте также: Модуль упругости бетона: что это такое и как определить

В данном техническом решении дунит используется в качестве минерального порошка после измельчения его в течение 10 минут, а также верлит в качестве крупного заполнителя — впервые.

Были приготовлены горячие асфальтобетонные смеси типа Б марки II следующего состава, масс. %: щебень из верлита — 43, кварц-полевошпатовый песок — 44, минеральный порошок из дунита — 8, битум — 5. Гранулометрический состав минеральной части асфальтобетонной смеси представлен в таблице 2.

Характеристики полученного асфальтового бетона приведены в таблице 3. Для сравнения приведены показатели известного прототипа в таблице 4.

Анализ результатов таблицы 3 показывает, что асфальтовый бетон, состоящий из минерального порошка из дунита, измельченного в течение 10 минут, крупного заполнителя из верлита, мелкого заполнителя из кварц-полевошпатового песка и битума по основным физико-механическим показателям соответствует требованиям ГОСТ 9128-2009 «Смеси асфальтобетонные дорожные, аэродромные и асфальтобетон. Технические условия» для высокоплотных и плотных асфальтобетонов из горячих мелкозернистых смесей типа Б марки II для I дорожно-климатической зоны.

Предлагаемый асфальтовый бетон имеет следующие преимущества по сравнению с известным:

— он обладает повышенной прочностью, трещиностойкостью, термоустойчивостью и термостабильностью;

— он обладает повышенной стойкостью к механическим деформациям в широком диапазоне температур;

— он обладает высокой водостойкостью;

— снижена его себестоимость за счет использования отходов горнодобывающей промышленности, каковыми являются дуниты и верлиты;

— расширена сырьевая база для получения нового вида асфальтобетона высокого качества за счет местных сырьевых ресурсов.

Предлагаемый асфальтовый бетон, полученный из смеси битума и минеральной части, отличается от прототипа тем, что содержит в минеральной части в качестве крупного заполнителя магнийсиликатную породу верлит, в качестве мелкого заполнителя — кварц-полевошпатовый песок, в качестве минерального порошка — минеральный порошок из дунита, измельченного в течение 10 минут в стержневом вибрационном измельчителе, и обладает улучшенными физико-механическими показателями.

Вышеизложенное свидетельствует о возможности осуществления изобретения с получением указанного технического результата, что позволяет сделать вывод о соответствии предложения условию «промышленная применимость».

Предлагаемый асфальтовый бетон разработан в лаборатории химии и технологии природного сырья Федерального государственного бюджетного учреждения науки Байкальского института природопользования Сибирского отделения Российской академии наук.

Асфальтовый бетон, полученный из смеси битума и минеральной части, отличающийся тем, что минеральная часть состоит из крупного заполнителя — верлита, мелкого заполнителя — кварц-полевошпатового песка, и минерального порошка — дунита, измельченного в течение 10 минут в стержневом вибрационном измельчителе.

Марки растворов

Читайте также: Применение затирочных машин в обработке бетонных полов

На рынке строительных материалов представлены две марки. Первая марка предполагает использование щебня 1000-1200. Для второй марки — применяют щебенку 800-1000. Перед тем как воспользоваться той или иной смесью, необходимо определить ее марку. Горячие составы, которые укладываются при определенной температуре, имеют следующую маркировку (i):

  • раствор марка;
  • высокоплотные; i;
  • плотные;
  • А; i, ii;
  • Б, В; i, ii, iii;
  • Г, Д. ii, iii;
  • пористые i, ii.

Вернуться к оглавлению

Особенности


Стройматериал должен производиться на предприятии с соблюдением правил. Отгрузку необходимо осуществлять в самосвал. Щебеночно-мастичный раствор используют для уплотнения поверхностного выравнивающего слоя автомагистралей, укладки взлетно-посадочных покрытий, тротуаров, площадей и пр. Свойства строительного материала позволяют усилить сцепление со слоем дорожного полотна, что повышает безопасность передвижения автомобилей.

Как показала практика использования асфальтобетона в прошлом, некоторое время спустя после начала эксплуатации покрытия, на верхнем слое быстро появлялись неровности, позднее и выбоины. Это происходило из-за того, что при погрузке, перевозке и проведении укладочных работ раствор подвергался расслоению (или сегрегации).

Сегрегация асфальтобетонного покрытия — процесс, который приводит к неправильному распределению зерен, пузырьков воздуха и битума в строительном материале. Сегрегация провоцирует диспропорции компонентов, содержащихся в смеси. Процесс сегрегации сокращает срок эксплуатации покрытия. Иными словами, сегрегация вызывает эффект, противоположный смешиванию составляющих. Сегрегация делает раствор неоднородным.

Вернуться к оглавлению

Состав асфальтобетона

АБ изготавливается из гравия (или щебеня), песка с добавлением специального тонкодисперсного минерального порошка (добавляется не всегда), а также битума (раньше применялся деготь, но сегодня его использование полностью запрещено). Таким образом, асфальтобетон – это смесь из органического вяжущего вещества и наполнителя. Дополнительно могут быть добавлены минералы.

Однако основная проблема заключается не в том, чтобы подобрать составляющие, а в том, чтобы произвести правильную их отгрузку и приготовить смесь по регламенту. В противном случае через некоторое время после укладки смеси начнется процесс сегрегации – зерна, пузырьки воздуха и битума неправильно распределятся по всей массе.

Правила приемки

Чтобы создать запас раствора транспортом и асфальтоукладчиком, используют перегружатели. Перегружатель представляет собой специальную технику, предназначенную для бесперебойной работы специального асфальтоукладчика. Перегружатели применяются при приемке асфальтобетона из автотранспорта и перемещении его в асфальтоукладчик.

Кроме того, существует ряд нюансов, которые необходимо учитывать при приемке подготовленного раствора из перегружателя. В частности, приемку из перегружателя следует производить партиями. Под партией подразумевается односоставный стройматериал, произведенный на станке во время одной смены на предприятии.

Что касается горячих составов, то их количество должно составлять не более шестисот тонн, а холодных – не более двухсот тонн. Количество раствора определяют по его весу. Для этого применяют автомобильные либо железнодорожные весы. Если необходимо погрузить материал на корабль, то после завершения приемки груза измеряют осадку судна.

Для проверки соответствия товара указанным характеристикам существует ряд испытаний, которые позволят подтвердить соответствие товара требованиям. После проведения проверки покупатель получает документ, подтверждающий соответствие материала. При этом для каждой партии груза необходимо выписывать отдельный документ.

Вернуться к оглавлению

Асфальтовые и дегтевые растворы и бетоны

Асфальтовым раствором называется тесная смесь асфальтового вяжущего вещества (битум, смешанный с тонким минеральным порошком) и песка.

Дегтевым раствором называется смесь дегтя (или дегтя и пека) с порошкообразным наполнителем и песком.

Асфальтовые и дегтевые бетоны — это плотные смеси минеральных составляющих (щебня или гра.вия, песка и минерального порошка) с битуминозными вяжущими (битумами, дегтями и пеками).

В строительстве широко используют асфальтовые растворы для гидроизоляции (их наносят на изолируемые поверхности в виде слоев штукатурки и для устройства полов). Дегтевые растворы применяют реже, так как они менее долговечны.

Асфальтовый раствор после затвердевания, которое происходит вследствие остывания битума, должен обладать плотностью, водонепроницаемостью, прочностью и теплостойкостью (т. е. не должен размягчаться под действием солнечных лучей или теплого воздуха в помещении).

В случае применения битума в чрезмерно большом количестве, а также с низкой температурой размягчения теплостойкость асфальтовых растворов понижается.

Песок для асфальтового раствора должен быть чистым и сухим, с возможно меньшим объемом пустот и крупностью зерен не более 5 мм.

Битум надо вводить в раствор с таким расчетом, чтобы заполнить пустоты в минеральном наполнителе и сверх этого иметь некоторое количество битума (10-15% от объема пустот) для обволакивания зерен наполнителя. Общее количество битума в растворе, включая битум, содержащийся в асфальтовом порошке, должно быть в пределах 9-11%.

Асфальтовый раствор приготовляют на заводах или непосредственно на стройках. Смесь высушенных и подогретых минеральных наполнителей вместе с битумом загружают в варочный котел и при постоянном перемешивании нагревают до температуры 180°, чтобы достигнуть полной однородности. Затем раствор в горячем состоянии подают на место укладки. Его распределяют по поверхности сухого уплотненного основания слоем толщиной 2-2,5 см и заглаживают ручными гладилками или уплотняют механическими катками.

Асфальтовые и дегтевые бетоны различаются по степени подвижности, способу применения и крупности зерен минеральной части.

По степени подвижности в рабочем состоянии бетоны могут быть жесткие, требующие уплотнения укаткой или вибрацией, и пластичные, не требующие значительного уплотнения при укладке.

По способу применения бетоны подразделяются на укладываемые в горячем и в холодном состоянии.

Читайте также: Водопроводные колодцы: требования, используемые материалы,

Асфальтобетон долговечнее дегтебетона, поэтому используется в строительстве более широко.

Асфальтовые бетоны приготовляют на заводах. Битум расплавляется в котле и нагревается до 175-180°. Заполнитель (песок, щебень) подается в первое отделение сушильного барабана, где высушивается и нагревается до 180-200°. Затем заполнитель поступает во второе отделение барабана, куда насосом подают расплавленный битум. Перемешивается битум с заполнителем в течение 5-8 мин. Готовая асфальтобетонная смесь в разогретом состоянии в автомобилях доставляется на место укладки.

Наряду с «горячими» применяются «холодные» асфальтовые и дегтевые бетоны, изготовляемые на жидких битумах и дегтях. «Холодный» бетон затвердевает в результате окисления и испарения разжижителей в течение нескольких суток.

«Холодные» бетоны применяют для дорожных покрытий. Преимущество их перед обычными асфальтовыми бетонами заключается в том, что они проще и дешевле в изготовлении, удобнее в укладке, но прочностные характеристики их ниже, чем у горячих.

Читать далее: Общие сведения о железобетоне Асбестоцементные изделия Изделия на основе гипса Тяжелые бетоны специального назначения Искусственные каменные материалы и изделия на основе вяжущих веществ Битуминозные кровельные и гидроизоляционные материалы Дегти и пеки Природные битумы Битуминозные материалы Неорганические теплоизоляционные материалы

Расход и плотность стройматериала


Качество и уплотнение дорожного покрытия зависит от свойств, регламентированных в государственном стандарте. В соответствии с нормативами, на вес и плотность 1м3 асфальтобетонного состава влияет песок, который добавляют в его состав. Таким образом, масса составляет:

  • кварцевый песок — 2200 килограммов на кубометр;
  • шлаковый песок — 2350 килограммов на кубометр.

Шлаковый строительный песок используется для уплотнения смеси. Удельный вес бетона, в котором содержится щебень крупной фракции, больше других видов стройматериала. Точный показатель получить крайне сложно, но средняя масса составляет примерно 2100 килограммов на один м3. Показатели принимают во внимание при произведении расчета нужного количества стройматериала для конкретных работ. Помимо этого, такие данные иногда учитываются при проведении разборки покрытия дорог, — это позволит определить грузоподъемность спецтехники и число машин. При проведении строительных работ на частной территории (бетонирование площадки и пр.) необходимо предварительно рассчитать расход состава. Таким образом, вы заранее определите стоимость и количество строительного материала. Расход раствора можно рассчитать следующим образом:

  1. Прежде всего, следует определить площадь территории, которая будет асфальтироваться. Например, есть площадка 50 м2. При это толщина асфальтобетона составляет один сантиметр.
  2. Чтобы покрыть 1 м2 дороги потребуется двадцать пять килограммов состава. Следовательно, для площадки в 50 м2 потребуется 25*50 = 1250 килограммов материала.
  3. Поскольку в одном м3 примерно 2250 килограммов асфальтобетона, на покрытии такой площадки потребуется 1250:2250 = 0,55 м3 бетона.

Вернуться к оглавлению
https://youtu.be/DlMaD3PCtUI

Заказать этот номер

2014 №3

Беляев Сергей Рыкованов Алексей

Для эксплуатации Li-ion батарей необходимо применять балансировочные устройства, сводящие разбаланс напряжений между ячейками батареи к минимуму. В общем случае системы баланса можно разделить на активные и пассивные. О преимуществах и недостатках систем каждого из этих типов рассказано в этой статье.

Введение

Как известно, при работе с Li-ion аккумуляторами следует соблюдать определенные режимы их эксплуатации. В частности, производитель аккумулятора четко регламентирует граничные значения напряжений заряда и разряда. Таким образом, при формировании Li-ion аккумуляторных батарей (АБ) из последовательно соединенных ячеек возникает необходимость нивелирования разброса напряжений между ячейками. Это обусловлено тем, что, с одной стороны, при разряде батареи по достижении хотя бы одной из ячеек граничного напряжения разряда необходимо отключить всю АБ от нагрузки, так как дальнейший ее разряд повлечет нарушение требований режима эксплуатации для этой ячейки. Однако при наличии существенного разброса по напряжению между ячейками АБ в недоразря-женных ячейках все еще остается некоторый запас энергии, использовать который, очевидно, не представляется возможным. С другой стороны, при заряде возникает обратная ситуация. По достижении хотя бы одной из ячеек граничного напряжения заряда необходимо отключить АБ от зарядного устройства с целью предотвращения выхода этой ячейки за границы требований режима эксплуатации. В данном случае, при наличии существенного разброса по напряжению между ячейками АБ, некоторые из ячеек оказываются существенно недозаряженными. Таким образом, оказывается невозможным использовать всю потенциальную емкость АБ.

Возникновение разброса по напряжению между ячейками АБ в процессе ее эксплуатации может являться следствием соответствующего разброса значений емкости ячеек, а также различной скорости их саморазряда. Причиной возникновения разброса значений этих параметров являются индивидуальные особенности аккумуляторов, входящих в ее состав. При изготовлении АБ, конечно же, осуществляется подбор аккумуляторов с очень близкими (до 1-3%) значениями емкости и прочих характеристик, однако практически невозможно предугадать, как будут меняться характеристики аккумулятора в процессе его старения и выработки ресурса. Кроме того, эксплуатация АБ в критических режимах или близких к таковым негативно скажется на характеристиках аккумуляторов, но степень влияния такого рода фактора для разных экземпляров аккумуляторов будет различной.

Все сказанное выше предопределяет неизбежность столкновения разработчиков АБ с проблемой разброса значений напряжения ее ячеек, или, как часто говорят, с проблемой разбаланса АБ. Причем эта проблема встает тем острее, чем больше последовательно соединенных ячеек в АБ. Для решения этой проблемы применяют системы баланса АБ, основной задачей которых является сведение к минимуму разброса по напряжению между ячейками. Таким образом, при разряде или заряде все ячейки АБ достигают установленных пределов почти одновременно, что позволяет в полной мере использовать потенциал батареи.

Системы баланса (СБ) как таковые можно классифицировать по нескольким признакам: различают управляемые и неуправляемые СБ, входящие в состав АБ и внешние. Однако прежде всего СБ подразделяют на два типа — активные и пассивные. Конечно же, существуют разные способы реализации СБ каждого из этих типов. Например, активные СБ могут быть трансформаторными или емкостными [].

В настоящее время производители реализуют различные подходы к построению СБ. Выбор в каждом конкретном случае определяется требованиями (техническими, эксплуатационными, экономическими и др.), предъявляемыми к АБ в целом, а также особенностями ее построения. Далее мы рассмотрим основные принципы работы активных и пассивных СБ и выделим основные факторы, которые должны быть приняты во внимание при выборе того или иного подхода к построению СБ.

Итак, любая СБ должна осуществлять балансировку АБ, то есть стремиться уменьшить (а в идеальном случае — свести к нулю) разброс значений напряжений на аккумуляторах, входящих в состав АБ. Работа СБ позволяет избегать описанных выше проблем, связанных с разбалансом, что положительно сказывается на величине отдаваемой емкости АБ, а также, в долгосрочной перспективе, увеличивает ее ресурс.

Перед тем как перейти к принципам работы СБ различных типов, рассмотрим процессы, протекающие в АБ. На рис. 1 показана зависимость напряжения на аккумуляторе от степени его заряженности. На графике приведены кривые, полученные при заряде током 0,5Сн аккумулятора с положительным электродом на основе кобальтата лития при различных значениях температуры, и именно такой аккумулятор мы будем рассматривать в качестве наглядного примера. (Аккумуляторы с другими материалами имеют другие значения зависимости, где необходимо применять иные алгоритмы балансировки, но суть изложенного остается той же.)


Рис. 1. Зависимость напряжения на аккумуляторе от степени заряда при заряде током 0,5Сн

Считается, что аккумулятор, изготовленный из определенных материалов (электролит, электродные массы), при определенной степени заряженности имеет вполне определенное значение напряжения с небольшой поправкой на температуру. Причем это значение не зависит от значения емкости аккумулятора, будь то аккумулятор от мобильного телефона емкостью в 1 А·ч, высокоемкий аккумулятор емкостью 100 А·ч или тот же высокоемкий аккумулятор, деградировавший в процессе эксплуатации и имеющий емкость 93 А·ч.

Хотя, как уже говорилось выше, при производстве АБ применяются строгие методики отбора аккумуляторов для минимизации разброса по параметрам между аккумуляторами в рамках одной АБ, со временем, в силу различных факторов, все-таки возникает некоторый разброс по емкости. Ясно, что в начале эксплуатации АБ этот разброс будет несущественным. В идеальном случае (при одинаковом старении аккумуляторов) он может оставаться несущественным продолжительное время, однако так бывает не всегда.

В качестве примера рассмотрим случай существенного разброса значений емкости. Представим, что АБ состоит из двух последовательно соединенных аккумуляторов емкостью 50 и 100 А·ч (значения взяты для наглядности, вообще АБ с таким разбросом вполне можно считать вышедшей из строя), и эти аккумуляторы изготовлены из идентичных материалов. Допустим, что они заряжены до одинакового напряжения (рис. 2а). В таком случае, хотя напряжения и одинаковые, очевидной является разность в запасенной энергии, имеющаяся между аккумуляторами.


Рис. 2. Разность емкостей аккумуляторов при одном и том же напряжении

Если начать заряжать такую батарею, то ток заряда, текущий через каждый аккумулятор, будет одинаковым. Таким образом, по истечении некоторого времени заряда оба аккумулятора запасут одинаковое количество энергии, однако степень заряженности и, как следствие, напряжение на них изменится по-разному (рис. 2б). Очевидно, что напряжение на аккумуляторе емкостью 50 А·ч будет возрастать быстрее, чем на аккумуляторе емкостью 100 А·ч, и он первым достигнет конечного зарядного напряжения.

Рассмотрим, каким образом будет производиться балансировка АБ, взятой нами в качестве примера, системами различных типов.

Пассивная СБ

Пассивная СБ будет пытаться уменьшить ток заряда того аккумулятора, напряжение на котором возрастает быстрее. В общем случае это можно представить как замыкание такого аккумулятора шунтирующим резистором R. Таким образом, через этот аккумулятор будет протекать лишь часть зарядного тока. Оставшаяся же часть тока потечет через шунт R (рис. 3).

Рис. 3. Шунтирование аккумулятора резистором R при заряде

Аккумулятор G1 имеет емкость 50 А·ч, G2 — 100 А·ч. При снижении тока заряда на величину IR скорость заряда аккумулятора G1 уменьшится, следовательно, уменьшится и скорость возрастания напряжения на нем. Таким образом, при достижении конечного зарядного напряжения на аккумуляторе G1 аккумулятор G2, через который все это время протекал полный ток заряда, запасет несколько большее количество энергии, чем при отсутствии системы баланса. Величина этой добавки определяется разностью токов заряда аккумуляторов, умноженной на время заряда, и без фазы падающего тока составит IR×t []. Во время разряда батареи пассивная СБ, как правило, никаких действий не производит. Разряд в штатном режиме будет остановлен, когда напряжение на одном из аккумуляторов (в данном случае на аккумуляторе G1) достигнет минимального допустимого значения.

При следующем цикле заряда ситуация несколько изменится, так как в аккумуляторе G2 останется некоторое количество энергии и, следовательно, напряжение на нем будет выше, чем на аккумуляторе G1. Поэтому в начале заряда СБ будет шунтировать резистором аккумулятор G2. Затем, когда напряжение на G1 превысит напряжение на G2, шунтироваться будет уже аккумулятор G1. Естественно, шунтирование аккумулятора G2 в начале заряда выглядит неэффективным, так как получается, что СБ в этот момент работает против себя. На самом деле больших проблем из-за этого не возникает.

Во-первых, в хорошо подобранной батарее разброс по емкости между аккумуляторами несравнимо меньше, чем в рассматриваемом примере, даже после длительной эксплуатации, вследствие чего шунтирование «не того» аккумулятора будет кратковременным. Во-вторых, глядя на рис. 1, можно заметить, что на графике есть пологий участок (5-60%), и при не очень большом разбросе емкостей разница напряжений между аккумуляторами на этом участке может быть сравнима с погрешностью измерения СБ. Следовательно, в этот период никакого шунтирования производиться не будет.

В итоге при правильно работающей пассивной СБ возникает ситуация, когда в конце заряда АБ все аккумуляторы в ней оказываются полностью заряженными, а в конце разряда в аккумуляторах с несколько большей емкостью остается некоторое количество энергии, которое в данном случае не используется. Таким образом, общая емкость АБ из последовательно соединенных аккумуляторов оказывается не больше, чем у аккумулятора с минимальной емкостью.

Обобщая сказанное, можно выделить несколько основных недостатков пассивных СБ. В первую очередь, это невозможность использования всей энергии, которую может запасти батарея. Кроме того, при прохождении тока через шунтирующие резисторы на них происходит рассеивание энергии в виде тепла, что снижает КПД системы «АБ — зарядное устройство». При использовании АБ средней емкости (десятки А·ч), не говоря уже о высокоемких, количество выделяемого тепла будет велико, и разработчикам придется предусмотреть систему теплоотвода, что в некоторых приложениях бывает весьма непросто. Также при использовании пассивной СБ иногда прибегают к преднамеренному увеличению времени заряда путем ограничения зарядного тока. При большом разбалансе это способствует более эффективной работе СБ благодаря увеличению соотношения IR/Ich, однако увеличение времени заряда приводит к снижению эксплуатационных характеристик батареи.

В каких же случаях стоит применять пассивные СБ? Это необходимо делать тогда, когда необходимо скомпенсировать ток саморазряда одинаковых или очень близких по емкости аккумуляторов. Даже одинаковые аккумуляторы одного и того же производителя могут иметь разные токи саморазряда. При хранении АБ разность токов саморазряда приведет к тому, что в разных аккумуляторах останется разное количество энергии, даже при одинаковой емкости последних. Достоинством пассивных СБ является их низкая стоимость, а также компактность и простота. Важно и то, что пассивные СБ мало влияют на удельные характеристики всей АБ (Вт·ч/кг), однако их применение накладывает дополнительные требования по подбору аккумуляторов перед комплектованием и сборкой батареи.

Другими словами, при использовании пассивной СБ все аккумуляторы в АБ должны иметь приблизительно одинаковые емкости и один и тот же химический состав, то есть быть от одного производителя. И даже желательно, чтобы они были выбраны из одной поставочной партии. Такой подход налагает требования к качеству материалов и технологии производства, а значит, непосредственно к качеству аккумулятора. Это будет являться некоторой гарантией одинакового старения (деградации электродных масс, то есть потери емкости с течением времени) всех аккумуляторов в АБ.

Активные СБ

Активные СБ способны перераспределять энергию внутри АБ и могут работать как при разряде, так и при заряде. На рис. 4 схематически показан принцип такого перераспределения при разряде.


Рис. 4. Принцип действия активной СБ

Перераспределение энергии происходит от аккумулятора G2, имеющего большую емкость, к аккумулятору G1, имеющему меньшую емкость. Активная СБ берет часть энергии у G2, увеличивая его ток разряда (IG2), и уменьшает ток разряда G1 (IG1). В идеальном случае, если принять КПД активной СБ за 100%, а напряжения на аккумуляторах примерно равными, то входной и выходной ток СБ будут равны (IBout = IBin). При заряде ситуация изменится на противоположную, и активная СБ будет уменьшать ток заряда аккумулятора G1 и увеличивать ток заряда G2, становясь для G1 своего рода шунтом, показанным на рис. 3, но не преобразующим энергию в тепло, а передающим ее аккумулятору G2.

Проведем оценочный расчет (без учета КПД СБ): какие же токи балансировки необходимо иметь, чтобы сбалансировать приведенную в качестве примера батарею в различных режимах разряда. Учтем при этом время разряда, что часто необходимо потребителю для расчета работы АБ.

При одночасовом разряде максимальный ток АБ в нагрузку составит 75 А, ток баланса — 25 А; при 2-часовом режиме ток разряда — 37,5 А, ток баланса — 12,5 А; при 4-часовом режиме ток разряда — 18,75 А, ток баланса — 6,25 А; при 8-часовом режиме ток разряда — 9,375 А, ток баланса — 3,125 А. По расчетам видно, что при 4-…8-часовом режиме разряда даже на АБ с очень большим разбросом по емкости, взятой нами в качестве примера, балансировочные токи остаются небольшими. Но и такие токи перераспределения энергии внутри АБ способны повысить отдаваемую в нагрузку емкость, которая во всех режимах разряда составит 75 А·ч. Эта емкость, естественно, больше, чем при использовании пассивной СБ, так как появляется возможность отдать в нагрузку всю энергию, запасенную в АБ.

Таким образом, даже при значительном падении емкости одной из ячеек внутри АБ (в нашем примере — в два раза) емкость АБ состоящая из двух последовательно соединенных аккумуляторов, упала всего на 25%. Чем больше последовательно соединенных аккумуляторных ячеек в АБ, тем меньшее влияние оказывает снижение емкости (деградация) одной ячейки на емкость всей АБ при использовании активных СБ.

Чем больше ток, который может выдать СБ, и меньше ток нагрузки, тем больший разбаланс емкостей может свести активная СБ. Понятно, что до бесконечности увеличивать балансировочные токи нельзя, иначе АБ превратится в DC/DC-преобразователь и значительно ухудшатся ее удельные характеристики.

Читайте также: Плотность асфальтобетона: расход и состав материала

Значительным преимуществом активных СБ является намного меньшее выделение тепла при работе по сравнению с пассивными. Поэтому там, где необходим балансировочный ток более 5 А, применяют активные СБ. Благодаря современным достижениям в области создания DC/DC-преобразователей можно изготавливать компактные и высокоэффективные активные СБ со значительным балансировочным током (десятки ампер) при КПД >0,85. Способность активных СБ работать и при разряде освобождает от необходимости растягивать время заряда, для того чтобы сбалансировать АБ, как это делается при использовании пассивных СБ. Потребитель всегда нуждается в АБ, которую можно заряжать как можно быстрее, а затем использовать АБ как можно дольше, получив при этом хорошие удельные характеристики.

К недостаткам активных СБ следует отнести дороговизну по сравнению с пассивными СБ, затраты времени и средств на проектирование и изготовление. А также то, что в подключенном к АБ состоянии активные СБ имеют заметное потребление тока на холостом ходу, поэтому их часто проектируют как управляемые, то есть СБ включают в необходимые моменты времени. Управление должно осуществляться от системы обеспечения функционирования (СОФ, battery management system, BMS), что предполагает наличие алгоритма в самой СОФ для управления СБ.

В настоящее время производители электронных компонентов выпускают широкий спектр решений для реализации различных подходов к построению активных систем баланса Li-ion АБ. Как правило, такие решения представляют собой отдельную интегральную микросхему, для работы которой необходимо несколько внешних элементов (трансформаторы/катушки индуктивности, MOSFET-транзисторы). Функционал управления активным балансированием батареи также может быть интегрирован непосредственно в микросхему контроля. Таким образом, разработчик АБ имеет возможность построить активную систему баланса с учетом всех требований, определяемых назначением и структурой батареи, в том числе ее емкостью, номинальным напряжением, режимами работы и, что немаловажно, стоимостью.

В качестве примера современного решения для реализации активной системы баланса рассмотрим микросхему LTC3300-1 фирмы Linear Technology (рис. 5). Одна такая микросхема способна перераспределять энергию в батарее, содержащей до шести последовательно соединенных Li-ion аккумуляторов. При этом имеется возможность построения системы баланса для высоковольтных батарей (с напряжением до 1000 В) на основе необходимого количества микросхем LTC3300-1, каждая из которых будет обслуживать свою группу аккумуляторов. Применение этой микросхемы возможно как в тандеме с микросхемой контроля Li-ion батареи LTC6803-1 того же производителя, так и с другими устройствами контроля, в том числе и спроектированными самим разработчиком батареи. Это обусловлено наличием цифрового интерфейса управления, аппаратно совместимого с SPI, и простого протокола обмена управляющей и мониторинговой информацией.


Рис. 5. Схема включения микросхемы LTC3300-1

Благодаря возможности использования внешних компонентов с различными характеристиками можно соответствующим образом варьировать характеристики разрабатываемой системы баланса. В частности, применив мощные MOSFET-транзисторы, можно повысить ток баланса до 10 А. Конечно, можно обратить внимание и на малогабаритные или более дешевые внешние компоненты, если для конечного изделия критичны такие параметры, как размеры, тепловыделение или цена.

Отметим, что при разработке микросхемы LTC3300-1 особое внимание уделялось защите от сбоев и нештатных ситуаций. В частности, если микросхема обнаружит нарушение целостности связанных с ней электрических цепей, перенапряжение на каком-либо из аккумуляторов или другую нештатную ситуацию, она незамедлительно прекратит цикл балансирования, если таковой был запущен, во избежание повреждения составных частей батареи. В протоколе информационного обмена также предусмотрена защита от сбоев при передаче путем введения контрольной суммы (CRC) в пакет данных. Поведение микросхемы при обнаружении ошибки в принятых данных четко регламентировано документацией и, следовательно, заранее известно разработчику, что позволяет не терять контроль за поведением системы баланса при отработке нештатных ситуаций такого рода.

Говоря об области применения активных СБ, во-первых, следует упомянуть АБ большой емкости, где даже токи, компенсирующие саморазряд (при ограниченном времени заряда), могут достигать десятков ампер, что неприемлемо много для пассивных СБ. При этом аккумуляторы большой емкости имеют относительно высокую стоимость, и стоимость активной СБ на их фоне незначительна. Во-вторых, активные СБ предпочтительнее, если требуется увеличение надежности АБ и продление ее срока службы, так как, даже имея высокозатратные методики подбора аккумуляторов в АБ и качественные аккумуляторы, не всегда можно предсказать скорость деградации отдельных ячеек в АБ. В конце срока эксплуатации АБ степень деградации отдельных аккумуляторов может быть различной, что можно компенсировать активной СБ.

Заключение

Еще раз подчеркнем, что системы баланса АБ могут быть реализованы различными способами. И активные, и пассивные СБ имеют право на существование как различные способы решения поставленной задачи при учете их достоинств и недостатков. Использование того или иного типа СБ в каждом конкретном случае диктуется особенностями самой АБ, предполагаемой сферой ее применения и, конечно же, комплексом предъявляемых к ней требований.

Литература

  1. Рыкованов А. С. Системы баланса Li-on аккумуляторных батарей // Силовая электроника. 2009. № 1.
  2. Рыкованов А. С., Румянцев А. М. Способы заряда Li-ion аккумуляторов и батарей на их основе // Компоненты и технологии. 2012. № 11.
  • Основы заряда аккумуляторных батарей от USB: практические советы
  • DC/DC-преобразователи Blitz-power
  • Литий-ионные аккумуляторные батареи для буксировщиков пловцов
  • Анализ характеристик импульсного источника питания постоянного тока
  • Компьютерное проектирование DC/DC-преобразователей на элементной базе компании Maxim
  • Автономный инвертор с зарядным устройством от солнечных батарей
  • Динамика индустрии источников вторичного питания
  • Программируемые ИВЭП Genesys с функцией приема мощности от нагрузки

Назад Проектирование активных фильтров в системе WEBENCH Designer Center Вперёд Дисплейные решения Litemax для индустриальных приложений

—>

Сообщить об ошибке

Если Вы заметили какие-либо неточности в статье (отсутствующие рисунки, таблицы, недостоверную информацию и т.п.), просьба сообщить нам об этом. Пожалуйста укажите ссылку на страницу и описание проблемы.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий
Adblock
detector