可充電自愈合路面技術研究

郭 銳

（山西交通控股集團有限公司 太原高速分公司，山西 太原 030006）

0 引言

電動汽車可減少CO2的排放量、污染水平、緩解氣候變暖，在有限的資源和環境友好的需求下尋找可持續發展的平衡[1]。同時，電動汽車可進一步分為混合動力汽車、插電式混合動力汽車、增程式電動汽車及純電動汽車[2]。然而，只有純電動汽車和零排放汽車是不依賴于礦物燃料的電動汽車。只要電能來源于可再生的資源，那么電動汽車就具有低碳效益。在歐美一些國家，在電動汽車的銷售中荷蘭是一個領先型的國家[3]。預計到2020年，荷蘭道路行駛的電動汽車將增加20萬輛[4]。如此巨大的轉變對基礎設施提出了新的要求，以此來適應無線電動汽車。對于大型電動汽車來說，里程、尺寸、電池的健康存儲及可持續能源的利用都面臨著重要的挑戰。應對道路基礎設施挑戰的新興技術，包括感應充電、感應愈合瀝青和公路可再生能源。無線感應傳輸是利用交變磁場作為從一個電路到另一個電路的能量轉換模式。一個小頻率范圍（81.39～90 kHz）被分配給4種能源類型（3.7 kW、7.7 kW、11 kW、22 kW）的輕質電動汽車無線電傳輸充電。近期的研究基本都集中在多線圈耦合方面，以提升能量轉化和橫向/縱向間距。多線圈感應充電的例子包括雙D（DD），雙D求積（DDQ）和雙相障礙[5]。電動汽車的無線電源有3種發展趨勢，包括固定充電、半動態充電及行駛過程中動態充電[6]。動態充電技術可實現40%道路覆蓋率的25 kW的無線感應傳輸系統[7]。研究表明路用無線充電技術可為電動汽車提供能量[8]。路面如果是由多孔瀝青混凝土組成則比密級配瀝青混合料具有更多的優勢，如低噪聲和高效的排水性能。然而，多孔結構并沒有使瀝青的耐久性提升，反而會使瀝青路面更容易掉粒。瀝青混合料是一種自愈合材料[9]。當體系應力或應變足夠大時就會產生微裂紋。自愈合過程是在損傷消失及力卸載后才出現的。分子從裂紋的一個面到另外一個面的擴散重排會使材料的性能和強度得以重新恢復。路面修復的實際問題是自愈合在常溫、沒有應力作用下愈合太慢。瀝青混合料的愈合速率會隨著愈合溫度的升高而增加。

本文擬采用無線充電、道路能量收集技術及自愈合技術研究一種新的可為汽車充電的可持續道路，開發自愈合瀝青的熱量和損失模型。

1 無線充電自愈合路面

1.1 自愈合路面的熱模型

如果一個均勻的瀝青樣品需要在10 min內從10℃加熱到80℃，所需要的加熱速率為dT/dt=0.133 K/s。瀝青密度大約為ρ=1 050 kg/m3，比熱容為Cp=920 J/（kg·K）。因此，所需能量密度為：

由式（1）可知，瀝青自愈合能量需求巨大，但是利用卻有限。因此，在愈合過程中，無線充電系統隨著外部感應線圈可傳遞部分或全部愈合能量。

有限元分析是評價傳導和轉化過程中溫度上升的一個相對較好的方法。在有限元模型中荷蘭使用最小厚度為0.05 m。固體切片尺寸為1 m×1 m×0.05 m。具體參數如表1所示。對流換熱系數hc可由式（2）計算：

式中：W是離地2 m處的風速，當風速為7 m/s時熱對流系數為34.9 W/（m2·K）。熱源被定義為均勻分布在瀝青中的值為233 kW/m3。

表1 熱模擬的模型參數

模擬計算了首次加熱瀝青30 min的溫度傳輸。溫度由3點評價，分別是瀝青上部、中部、底部。瀝青加熱過程中3點溫度分布如圖1所示。由圖可知，瀝青中部加熱到80℃需要620 s，非常接近期望的600 s。頂部區域加熱有點緩慢，需要耗時940 s才能達到理想溫度。差異的產生是由于熱量通過對流向外界流失。瀝青的底部加熱最慢，需要耗費1 425 s才能達到80℃。

圖1 瀝青不同部位的愈合溫度與時間關系曲線

然而感應愈合瀝青能夠導致瀝青的泄漏和頂層的掉粒。為了評價這些性能，選取一個1 m×1 m的薄片進行模擬。厚度xa為0.05 m，靠近頂層。混凝土層的厚度xc為0.5 m。熱源Qin均勻地分布在感應愈合瀝青層。穩態熱行為可以使用閉合回路描述，瀝青和混凝土的熱阻可以通過厚度、熱導率和面積求解，具體計算公式為：

基于熱回路的瀝青計算溫度可通過式（5）求解：

2 組合感應體系損失模型

在無線充電系統中，為了提高轉化能量的效率，補償電容在最初和第二階段就應該提出。這項技術可消除無效能量，并強化路面的能量傳輸。由于缺乏必要的標準，電動汽車無線充電體系的研究到目前為止還停留在形狀和尺寸的需求上。因此，獲得實驗的具體結果，就應該考慮耦合系數。

2.1 系統性能

為了比較有無感應愈合瀝青的無線充電體系，我們研究了最大可能效率ηmax和耦合系數k。幾種不同類型的能量補充方式都進行了研究，而且系統性能也需要知道具體的系統參數。最大效率可由式（6）描述：

2.2 數值分析

有限元模擬將利用一個二維模型對無線充電和感應愈合瀝青體系進行模擬，頻率范圍為1 kHz～1 MHz。圓形線圈纏繞26圈，絲線半徑為1.1 mm，內部半徑37 mm，外部半徑105 mm。第二個線圈纏繞16圈，絲線半徑為1.1 mm，內部半徑12 mm，外部半徑53 mm。垂直偏移和瀝青層厚度為5 mm，瀝青和第二層的垂直偏移為20 mm。瀝青層的半徑為250 mm，厚度為50 mm。數值模型如圖2所示。

圖2 數值模型

由數值分析可知，電路參數的提取及體系性能的分析包括最大能量和磁性耦合系數。如圖3所示，無線充電和感應愈合瀝青結合體系的有效性及耦合系數結果顯示85 kHz時最大效率為93%。耦合系數低于空氣核心線圈，并且在100 kHz時迅速下降。實驗無線充電體系的耦合機制認為k=0.113，自愈合瀝青樣品的體積為8.84×10-3m3。當前的耦合將減小到kIHA=0.107。

圖3 不同頻率下無線充電和感應愈合瀝青體系的最大能量和磁性耦合系數

進一步分析提出了不同瀝青層厚度，選擇10 mm、50 mm和100 mm瀝青層厚度進行了研究。普通瀝青和感應愈合瀝青的耦合系數如圖4所示。在頻率為1～10 kHz，基質瀝青和自愈合瀝青的耦合保持不變。在此頻率范圍內1 cm厚的感應愈合瀝青的耦合系數降低到普通瀝青的69%。由圖可知，隨著感應愈合瀝青的厚度增加，由于渦流的存在，耦合系數減少。這種影響也會隨著頻率的增加而增加。

3 結語

通過對自愈合路面的無線充電及路面可持續能源的獲取進行研究，認為無線充電和感應愈合瀝青等基礎設施的共享對高速公路來說非常重要。愈合能量密度的熱模型提出了防止掉粒的最大允許限度。挑戰集中在100 kHz頻率處，此時無線充電技術的磁效應和能量轉移下降到90%，因此，直接集成技術可能有損失。帶磁場的分段道路可能會沿著路面中心的能量傳遞和感應愈合瀝青邊緣的負載中心轉移。