郭 銳

（山西交通控股集團(tuán)有限公司 太原高速分公司，山西 太原 030006）

0 引言

電動(dòng)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(huán)境友好的需求下尋找可持續(xù)發(fā)展的平衡[1]。同時(shí)，電動(dòng)汽車可進(jìn)一步分為混合動(dòng)力汽車、插電式混合動(dòng)力汽車、增程式電動(dòng)汽車及純電動(dòng)汽車[2]。然而，只有純電動(dòng)汽車和零排放汽車是不依賴于礦物燃料的電動(dòng)汽車。只要電能來(lái)源于可再生的資源，那么電動(dòng)汽車就具有低碳效益。在歐美一些國(guó)家，在電動(dòng)汽車的銷售中荷蘭是一個(gè)領(lǐng)先型的國(guó)家[3]。預(yù)計(jì)到2020年，荷蘭道路行駛的電動(dòng)汽車將增加20萬(wàn)輛[4]。如此巨大的轉(zhuǎn)變對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施提出了新的要求，以此來(lái)適應(yīng)無(wú)線電動(dòng)汽車。對(duì)于大型電動(dòng)汽車來(lái)說(shuō)，里程、尺寸、電池的健康存儲(chǔ)及可持續(xù)能源的利用都面臨著重要的挑戰(zhàn)。應(yīng)對(duì)道路基礎(chǔ)設(shè)施挑戰(zhàn)的新興技術(shù)，包括感應(yīng)充電、感應(yīng)愈合瀝青和公路可再生能源。無(wú)線感應(yīng)傳輸是利用交變磁場(chǎng)作為從一個(gè)電路到另一個(gè)電路的能量轉(zhuǎn)換模式。一個(gè)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(zhì)電動(dòng)汽車無(wú)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(zhuǎn)化和橫向/縱向間距。多線圈感應(yīng)充電的例子包括雙D（DD），雙D求積（DDQ）和雙相障礙[5]。電動(dòng)汽車的無(wú)線電源有3種發(fā)展趨勢(shì)，包括固定充電、半動(dòng)態(tài)充電及行駛過(guò)程中動(dòng)態(tài)充電[6]。動(dòng)態(tài)充電技術(shù)可實(shí)現(xiàn)40%道路覆蓋率的25 kW的無(wú)線感應(yīng)傳輸系統(tǒng)[7]。研究表明路用無(wú)線充電技術(shù)可為電動(dòng)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(jí)配瀝青混合料具有更多的優(yōu)勢(shì)，如低噪聲和高效的排水性能。然而，多孔結(jié)構(gòu)并沒(méi)有使瀝青的耐久性提升，反而會(huì)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(dāng)體系應(yīng)力或應(yīng)變足夠大時(shí)就會(huì)產(chǎn)生微裂紋。自愈合過(guò)程是在損傷消失及力卸載后才出現(xiàn)的。分子從裂紋的一個(gè)面到另外一個(gè)面的擴(kuò)散重排會(huì)使材料的性能和強(qiáng)度得以重新恢復(fù)。路面修復(fù)的實(shí)際問(wèn)題是自愈合在常溫、沒(méi)有應(yīng)力作用下愈合太慢。瀝青混合料的愈合速率會(huì)隨著愈合溫度的升高而增加。

本文擬采用無(wú)線充電、道路能量收集技術(shù)及自愈合技術(shù)研究一種新的可為汽車充電的可持續(xù)道路，開(kāi)發(fā)自愈合瀝青的熱量和損失模型。

1 無(wú)線充電自愈合路面

1.1 自愈合路面的熱模型

如果一個(gè)均勻的瀝青樣品需要在10 min內(nèi)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(guò)程中，無(wú)線充電系統(tǒng)隨著外部感應(yīng)線圈可傳遞部分或全部愈合能量。

有限元分析是評(píng)價(jià)傳導(dǎo)和轉(zhuǎn)化過(guò)程中溫度上升的一個(gè)相對(duì)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(shù)如表1所示。對(duì)流換熱系數(shù)hc可由式（2）計(jì)算：

式中：W是離地2 m處的風(fēng)速，當(dāng)風(fēng)速為7 m/s時(shí)熱對(duì)流系數(shù)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(shù)

模擬計(jì)算了首次加熱瀝青30 min的溫度傳輸。溫度由3點(diǎn)評(píng)價(jià)，分別是瀝青上部、中部、底部。瀝青加熱過(guò)程中3點(diǎn)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(qū)域加熱有點(diǎn)緩慢，需要耗時(shí)940 s才能達(dá)到理想溫度。差異的產(chǎn)生是由于熱量通過(guò)對(duì)流向外界流失。瀝青的底部加熱最慢，需要耗費(fèi)1 425 s才能達(dá)到80℃。

圖1 瀝青不同部位的愈合溫度與時(shí)間關(guān)系曲線

然而感應(yīng)愈合瀝青能夠?qū)е聻r青的泄漏和頂層的掉粒。為了評(píng)價(jià)這些性能，選取一個(gè)1 m×1 m的薄片進(jìn)行模擬。厚度xa為0.05 m，靠近頂層?；炷翆拥暮穸葂c為0.5 m。熱源Qin均勻地分布在感應(yīng)愈合瀝青層。穩(wěn)態(tài)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(guò)厚度、熱導(dǎo)率和面積求解，具體計(jì)算公式為：

基于熱回路的瀝青計(jì)算溫度可通過(guò)式（5）求解：

2 組合感應(yīng)體系損失模型

在無(wú)線充電系統(tǒng)中，為了提高轉(zhuǎn)化能量的效率，補(bǔ)償電容在最初和第二階段就應(yīng)該提出。這項(xiàng)技術(shù)可消除無(wú)效能量，并強(qiáng)化路面的能量傳輸。由于缺乏必要的標(biāo)準(zhǔn)，電動(dòng)汽車無(wú)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(shí)驗(yàn)的具體結(jié)果，就應(yīng)該考慮耦合系數(shù)。

2.1 系統(tǒng)性能

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

2.2 數(shù)值分析

有限元模擬將利用一個(gè)二維模型對(duì)無(wú)線充電和感應(yīng)愈合瀝青體系進(jìn)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(nèi)部半徑37 mm，外部半徑105 mm。第二個(gè)線圈纏繞16圈，絲線半徑為1.1 mm，內(nèi)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(shù)值模型如圖2所示。

圖2 數(shù)值模型

由數(shù)值分析可知，電路參數(shù)的提取及體系性能的分析包括最大能量和磁性耦合系數(shù)。如圖3所示，無(wú)線充電和感應(yīng)愈合瀝青結(jié)合體系的有效性及耦合系數(shù)結(jié)果顯示85 kHz時(shí)最大效率為93%。耦合系數(shù)低于空氣核心線圈，并且在100 kHz時(shí)迅速下降。實(shí)驗(yàn)無(wú)線充電體系的耦合機(jī)制認(rèn)為k=0.113，自愈合瀝青樣品的體積為8.84×10-3m3。當(dāng)前的耦合將減小到kIHA=0.107。

圖3 不同頻率下無(wú)線充電和感應(yīng)愈合瀝青體系的最大能量和磁性耦合系數(shù)

進(jìn)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(jìn)行了研究。普通瀝青和感應(yīng)愈合瀝青的耦合系數(shù)如圖4所示。在頻率為1～10 kHz，基質(zhì)瀝青和自愈合瀝青的耦合保持不變。在此頻率范圍內(nèi)1 cm厚的感應(yīng)愈合瀝青的耦合系數(shù)降低到普通瀝青的69%。由圖可知，隨著感應(yīng)愈合瀝青的厚度增加，由于渦流的存在，耦合系數(shù)減少。這種影響也會(huì)隨著頻率的增加而增加。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)自愈合路面的無(wú)線充電及路面可持續(xù)能源的獲取進(jìn)行研究，認(rèn)為無(wú)線充電和感應(yīng)愈合瀝青等基礎(chǔ)設(shè)施的共享對(duì)高速公路來(lái)說(shuō)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(zhàn)集中在100 kHz頻率處，此時(shí)無(wú)線充電技術(shù)的磁效應(yīng)和能量轉(zhuǎn)移下降到90%，因此，直接集成技術(shù)可能有損失。帶磁場(chǎng)的分段道路可能會(huì)沿著路面中心的能量傳遞和感應(yīng)愈合瀝青邊緣的負(fù)載中心轉(zhuǎn)移。