材料科学的进步使电子道路成为现实
交通运输业已被证明对全球气候变化和二氧化碳排放做出了重大贡献[1]。电动汽车 (EV) 被认为在向清洁能源星球转型的过程中具有重要的战略意义 [2]。
电动汽车的采用有望带来许多环境、社会和经济效益，例如最大限度地减少空气污染物、清洁城市空气、减少噪音排放以及促进经济发展 [3]。电动汽车可以显着减少能源消耗和温室气体排放，尤其是当能源转向风能和太阳能等清洁能源时[4][5]。
广泛采用电动汽车的好处似乎很显着，但普遍接受的挑战仍然很大。尽管电动汽车最近在性能和续航里程方面都有了长足的发展，但它们仍然受到电池重量、尺寸和成本、充电基础设施网络小或不存在、充电持续时间长以及成本相对较高等限制。与传统车辆相比 [3]。
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在许多国家，纯电动汽车的市场份额仍然很低。 www.openchargemap.org
电动汽车基础设施的发展是实现电动汽车广泛采用的关键问题。在此背景下，电气化道路发挥着重要作用，可以克服电动汽车普及的限制。
电动汽车电池的限制
为了解决电动汽车的关键局限性，进一步推动电动汽车电池的开发和优化似乎是显而易见的解决方案之一。但假设电池技术的改进确实成功了，还有其他与气候、环境或资源获取相关的挑战尚待克服。
围绕电动汽车电池的可持续性问题仍有待完全解决。从根本上说，重要的是要了解锂离子牵引电池所需的关键金属锂、钴和镍是否可以在不违背电动汽车作为可持续发展手段的基本假设的情况下可持续地提取 [6]。
例如，钴的开采主要集中在世界上最不发达国家之一的刚果民主共和国。这个国家在钴价值链中的透明度有限，除了强有力的侵犯人权、危险工作条件、强迫劳动和童工的证据之外[7][8]。锂供应商必须解决道德采购问题。此外，不能保证锂离子电池的需求总能得到满足[9][10]。
电动汽车的充电技术
技术改进甚至涉及电动汽车的充电技术。 目前的电动汽车充电技术可分为插入式、导电式和感应式。
插入式充电可以为几乎所有现有的电动汽车充电，但电动汽车必须停放并插入能源。另一方面，通过传导充电技术，电动汽车在行驶过程中会通过受电弓与电力线接触，从而可以在短时间内实现高能量传输。
在最近的感应技术中，也称为无线功率传输 (WPT) ，在行驶或短暂停留期间，电力通过感应耦合无线传输到 EV [2][11]。
简而言之，WPT 技术可以描述如下：
- 来自电网的电力通过发射器线圈发送电流；
- 电流产生磁场；
- 磁场在接收线圈中感应出电流，该电流被调谐到相同的频率；
尽管 WPT 还不是一项成熟的技术，但它可以克服许多阻碍电动汽车普及的限制[12]。
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电动汽车的无线充电（改编自 Roberts &Zarracina，2017）
感应技术可以提供许多优点，例如[13]：
- 增加电池续航里程，这意味着减少续航焦虑；
- 更小的电池和更快的充电速度，这意味着更高的移动性；
- 司机不必处理肮脏和潜在危险的电缆（雨水、电缆、故意破坏等），充电过程更容易。
三种电动汽车常用充电技术对比表
无线充电电子道路
电动道路（e-Roads）可能看起来只是一个科幻愿景，但它们的出现速度比我们想象的要快。 理论上，e-Roads 允许在行驶中对无限数量的电动汽车进行无线充电，从而避免充电站的瓶颈 [6].
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智能涂料、能量收集、传感器和其他媒体。 Studio Roosegaarde 和 Heijmans 工程师的概念和设计
在 e-Roads 中实施的近场 WPT 技术可以以感应方式将电力输送到接收器设备，具有高功率但气隙距离有限。在过去十年中，WPT 系统在充电功率、传输距离、效率和安全性方面取得了重大进展，极大地推动了其实际实施 [14]。 此外，与在众多电动汽车中使用大型电池相比，全规模的动态充电布线可能更具可持续性[13]。
e-Road 建设技术正在开发中，无论是现场安装还是预制安装，它们被归类为 [15]：
- 基于沟渠的方式（在地下层或地表上施工）；
- 微沟方式（仅在地下开挖）；
- 全车道替换（在次表面层或表面齐平上建设全车道宽度）；
- 预制全车道宽度（次表层或表层）。
基于沟槽和基于微沟槽的施工方案的潜在好处包括更短的安装时间（与全车道宽度施工相比）、挖掘的废料量更少以及易于进入 e-Road 系统进行维护 [16 ].
电子道路的辅助材料
得益于特定材料的磁性，电子道路正在成为现实，这些材料使 WPT 成为电动汽车的充电系统。可磁化材料、混凝土和沥青的使用为交通运输领域带来了许多机遇 [16]。
“Talga”和“Betotech”解决方案可以使用工业标准水泥，添加原始石墨烯、石墨和矿石加工的富含二氧化硅的副产品 [17]，从而使混凝土具有导电性。这种石墨烯增强混凝土具有高导电性，电阻率低至 0.05 ohm-cm。在相似的干燥度下，水泥砂浆的总电阻率高得惊人，约为 1,000,000 ohm-cm。
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石墨烯的 SEM 图像（Mag =500x 和 10,000x）（由 i.lab Italcementi 提供）
石墨烯的一个有趣的替代品是“Magment”提出的解决方案，该解决方案由可磁化的混凝土材料组成，无论是水泥基还是沥青基，通过使用磁性铁氧体颗粒作为骨料开发，当高频电流通过时获得磁性。诱发。它是一项专利技术，可保持常规混凝土的力学性能，以便与常规道路施工实践完全兼容。
WPT需要不同的磁层来控制磁场，既可以将磁场引导到接收器的方向，也可以将其限制在地面上。
使用工程超材料 (MM)，可以通过操纵电磁波来实现发射器线圈的卓越效率。
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磁性材料的分类（由 Magment.de 提供）
在 Magment 技术的特殊情况下，抗磁性超材料 (DM) 层放置在可磁化的混凝土基板下方，而磁场聚焦 (FF) 层放置在线圈上方 [17]。
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不同电动汽车的效率与发射器-拾取线圈距离（由 Magment.de 提供）
这种混凝土由几乎 87% 的可磁化骨料组成，这些骨料是陶瓷铁氧体制造和电子废料回收利用的废品。铁氧体是由自然界中大量存在的锰、锌、钙、铝等多种金属元素的氧化铁组成的陶瓷材料。显着的积极方面是，铁氧体颗粒主要来自铁氧体行业的回收材料和快速增长的电子垃圾，尽管它们的电磁特性可能未知[18]。
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卢旺达电子废物回收设施
电子道路的技术方面
电子道路在结构上比传统道路更复杂，尤其是因为它们嵌入了技术设备。 电子道路的耐用性和最少的维护是电子道路实施的关键因素。 路面必须对偏转或车辙提供高机械阻力。混凝土路面使用寿命50-60年，可满足长期耐久性要求。但 e-Roads 的优化还需要进一步研究。
基于 WPT 的 e-Road 系统中最重要的组件是由混凝土模块和电力电子设备制成的充电单元 (CU) 板。其中包括充电系统，例如导电线圈和磁性铁氧体。
改善电子道路的结构完整性非常重要。这包括使用高质量涂层、应力消除膜或织物、关键界面处的塞子接头材料、增强材料和沥青覆盖层的分级[15][16]。
应用场景
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“新政，Les Routes du Futur du Grand Paris”，CRA-Carlo Ratti Associati
感应充电技术分为静态、静态和动态，可应用于多种应用场景。
静电充电技术可应用于停车场、汽车站的公交车停放、货运车辆的装卸。固定式充电技术可应用于出租车候客站排队、公交车停靠站、路口停靠的车辆。动态充电技术可应用于设有专用充电车道的高速公路和城市道路[2]。
WPT 被证明是一种有效的技术，因为它最有可能在不久的将来被采用，尤其是在公共交通和物流领域。
电池的成本和自主性仍然是电动巴士和货运车队采用的相关限制。 但是，这种车辆总是遵循相同的路径，因此它们可以充分利用 WPT 动态充电技术。此外，据估计，通过这项技术，电池的尺寸可以减少多达 70%。因此，这可以减轻整车重量并延长电池性能。
自 2003 年以来，感应充电已为意大利都灵和荷兰乌得勒支的公交车供电，自 2010 年以来。韩国、以色列和德国也成功实施了公共电动公交车动态充电的交通网络 [12][13][ 19].
鉴于挪威 5% 的道路电气化将减少重型车辆近一半的排放[6]，因此挪威正专注于重型货物长途运输的动态充电实施。
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“新政，Les Routes du Futur du Grand Paris”，CRA-Carlo Ratti Associati
出租车通常需要在机场、火车站和酒店等重要地点排队或停车，仅举几例。 插件技术会迫使出租车在停车场停留数小时。无线技术可以成功克服这一关键限制。
奥斯陆即将成为世界上第一个实施动态 WPT 的城市， 当电动出租车在出租车候客站缓慢移动的队列中时，可以为它们充电[22][23]。
此外，在物流领域，电动叉车和地面支持设备 (GSE) 等车辆可以通过选定的路线利用 WPT 的潜力，而无需停车充电 [14][17]。
世界不同地区正在开发不同的高速公路电气化实施项目，例如在“哥特兰智能道路背景下的瑞典 ” 项目, 在英国由于 Highways England 的作品。
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“新政，Les Routes du Futur du Grand Paris”，CRA-Carlo Ratti Associati
工业技术