可充电自愈合路面技术研究

郭 锐

（山西交通控股集团有限公司 太原高速分公司，山西 太原 030006）

0 引言

电动汽车可减少CO2的排放量、污染水平、缓解气候变暖，在有限的资源和环境友好的需求下寻找可持续发展的平衡[1]。同时，电动汽车可进一步分为混合动力汽车、插电式混合动力汽车、增程式电动汽车及纯电动汽车[2]。然而，只有纯电动汽车和零排放汽车是不依赖于矿物燃料的电动汽车。只要电能来源于可再生的资源，那么电动汽车就具有低碳效益。在欧美一些国家，在电动汽车的销售中荷兰是一个领先型的国家[3]。预计到2020年，荷兰道路行驶的电动汽车将增加20万辆[4]。如此巨大的转变对基础设施提出了新的要求，以此来适应无线电动汽车。对于大型电动汽车来说，里程、尺寸、电池的健康存储及可持续能源的利用都面临着重要的挑战。应对道路基础设施挑战的新兴技术，包括感应充电、感应愈合沥青和公路可再生能源。无线感应传输是利用交变磁场作为从一个电路到另一个电路的能量转换模式。一个小频率范围（81.39～90 kHz）被分配给4种能源类型（3.7 kW、7.7 kW、11 kW、22 kW）的轻质电动汽车无线电传输充电。近期的研究基本都集中在多线圈耦合方面，以提升能量转化和横向/纵向间距。多线圈感应充电的例子包括双D（DD），双D求积（DDQ）和双相障碍[5]。电动汽车的无线电源有3种发展趋势，包括固定充电、半动态充电及行驶过程中动态充电[6]。动态充电技术可实现40%道路覆盖率的25 kW的无线感应传输系统[7]。研究表明路用无线充电技术可为电动汽车提供能量[8]。路面如果是由多孔沥青混凝土组成则比密级配沥青混合料具有更多的优势，如低噪声和高效的排水性能。然而，多孔结构并没有使沥青的耐久性提升，反而会使沥青路面更容易掉粒。沥青混合料是一种自愈合材料[9]。当体系应力或应变足够大时就会产生微裂纹。自愈合过程是在损伤消失及力卸载后才出现的。分子从裂纹的一个面到另外一个面的扩散重排会使材料的性能和强度得以重新恢复。路面修复的实际问题是自愈合在常温、没有应力作用下愈合太慢。沥青混合料的愈合速率会随着愈合温度的升高而增加。

本文拟采用无线充电、道路能量收集技术及自愈合技术研究一种新的可为汽车充电的可持续道路，开发自愈合沥青的热量和损失模型。

1 无线充电自愈合路面

1.1 自愈合路面的热模型

如果一个均匀的沥青样品需要在10 min内从10℃加热到80℃，所需要的加热速率为dT/dt=0.133 K/s。沥青密度大约为ρ=1 050 kg/m3，比热容为Cp=920 J/（kg·K）。因此，所需能量密度为：

由式（1）可知，沥青自愈合能量需求巨大，但是利用却有限。因此，在愈合过程中，无线充电系统随着外部感应线圈可传递部分或全部愈合能量。

有限元分析是评价传导和转化过程中温度上升的一个相对较好的方法。在有限元模型中荷兰使用最小厚度为0.05 m。固体切片尺寸为1 m×1 m×0.05 m。具体参数如表1所示。对流换热系数hc可由式（2）计算：

式中：W是离地2 m处的风速，当风速为7 m/s时热对流系数为34.9 W/（m2·K）。热源被定义为均匀分布在沥青中的值为233 kW/m3。

表1 热模拟的模型参数

模拟计算了首次加热沥青30 min的温度传输。温度由3点评价，分别是沥青上部、中部、底部。沥青加热过程中3点温度分布如图1所示。由图可知，沥青中部加热到80℃需要620 s，非常接近期望的600 s。顶部区域加热有点缓慢，需要耗时940 s才能达到理想温度。差异的产生是由于热量通过对流向外界流失。沥青的底部加热最慢，需要耗费1 425 s才能达到80℃。

图1 沥青不同部位的愈合温度与时间关系曲线

然而感应愈合沥青能够导致沥青的泄漏和顶层的掉粒。为了评价这些性能，选取一个1 m×1 m的薄片进行模拟。厚度xa为0.05 m，靠近顶层。混凝土层的厚度xc为0.5 m。热源Qin均匀地分布在感应愈合沥青层。稳态热行为可以使用闭合回路描述，沥青和混凝土的热阻可以通过厚度、热导率和面积求解，具体计算公式为：

基于热回路的沥青计算温度可通过式（5）求解：

2 组合感应体系损失模型

在无线充电系统中，为了提高转化能量的效率，补偿电容在最初和第二阶段就应该提出。这项技术可消除无效能量，并强化路面的能量传输。由于缺乏必要的标准，电动汽车无线充电体系的研究到目前为止还停留在形状和尺寸的需求上。因此，获得实验的具体结果，就应该考虑耦合系数。

2.1 系统性能

为了比较有无感应愈合沥青的无线充电体系，我们研究了最大可能效率ηmax和耦合系数k。几种不同类型的能量补充方式都进行了研究，而且系统性能也需要知道具体的系统参数。最大效率可由式（6）描述：

2.2 数值分析

有限元模拟将利用一个二维模型对无线充电和感应愈合沥青体系进行模拟，频率范围为1 kHz～1 MHz。圆形线圈缠绕26圈，丝线半径为1.1 mm，内部半径37 mm，外部半径105 mm。第二个线圈缠绕16圈，丝线半径为1.1 mm，内部半径12 mm，外部半径53 mm。垂直偏移和沥青层厚度为5 mm，沥青和第二层的垂直偏移为20 mm。沥青层的半径为250 mm，厚度为50 mm。数值模型如图2所示。

图2 数值模型

由数值分析可知，电路参数的提取及体系性能的分析包括最大能量和磁性耦合系数。如图3所示，无线充电和感应愈合沥青结合体系的有效性及耦合系数结果显示85 kHz时最大效率为93%。耦合系数低于空气核心线圈，并且在100 kHz时迅速下降。实验无线充电体系的耦合机制认为k=0.113，自愈合沥青样品的体积为8.84×10-3m3。当前的耦合将减小到kIHA=0.107。

图3 不同频率下无线充电和感应愈合沥青体系的最大能量和磁性耦合系数

进一步分析提出了不同沥青层厚度，选择10 mm、50 mm和100 mm沥青层厚度进行了研究。普通沥青和感应愈合沥青的耦合系数如图4所示。在频率为1～10 kHz，基质沥青和自愈合沥青的耦合保持不变。在此频率范围内1 cm厚的感应愈合沥青的耦合系数降低到普通沥青的69%。由图可知，随着感应愈合沥青的厚度增加，由于涡流的存在，耦合系数减少。这种影响也会随着频率的增加而增加。

3 结语

通过对自愈合路面的无线充电及路面可持续能源的获取进行研究，认为无线充电和感应愈合沥青等基础设施的共享对高速公路来说非常重要。愈合能量密度的热模型提出了防止掉粒的最大允许限度。挑战集中在100 kHz频率处，此时无线充电技术的磁效应和能量转移下降到90%，因此，直接集成技术可能有损失。带磁场的分段道路可能会沿着路面中心的能量传递和感应愈合沥青边缘的负载中心转移。