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原上海电缆所黄崇祺院士:铜包铝线与无线输电技术

2017-10-30 15:08:36 盖世汽车

第19届亚太汽车工程年会&2017中国汽车工程学会年会暨展览会(APAC 19 & 2017 SAECCE)于10月24-26日举办,本次论坛以“未来汽车与交通变革”为主题,携手行业领导、学会领导、院士、汽车及相关行业权威专家在内逾3000余位国内外业界嘉宾共同探讨汽车产业车厂与零部件协同创新和技术发展路径。以下是原上海电缆研究所有限公司副总工程师黄崇祺院士在会议上的演讲实录:

2017 SAECCE,2017SAECCE

原上海电缆研究所有限公司副总工程师黄崇祺院士

黄崇祺:各位领导,各位来宾,今天我讲的题目是铜包铝线与无线输电。我本人不是搞汽车的,我是搞材料的,而且我的材料主要是搞导电材料。导电材料和我们当前要发展的电动汽车的无线输电,有密切的关系。为什么?我们从事的这个行业里面,做铜的导体、铝的导体都是我们的本行,但是怎么用到无线充电里面去,怎么用这个材料,怎么来选材料,怎么做好无线充电的这两个线圈,以及这两个线圈发生了电子的相互作用,这就起到关键作用了。这就牵涉到汽车消费等等的一系列问题,我今天就是在这方面发表我们官方的发言。

下面进入正题。我们知道,现在在汽车行业里面,用在无线充电里面主要是两种基础线路,一个是基于磁感应的短距离的输电技术,这个技术从现在现有的资料来看,主要是以色列已经在公路上进行验证实验。从文章里看,使用的是电磁感应的这么一个技术。

第二个用的,现在看来已经开使用的,就是基于磁共振耦合的中距离输电技术的原理。最近在美国也发表了更先进的一些技术,在这里面我想无线充电,这个概念图看起来好像并不复杂,从电源到充电器,通过一侧发生线圈的发生,第二个线圈的接收,从交流通过整流变成直流进入汽车。好像看起来比较简单,我今天要谈的是两个线圈,这两个线圈怎么做、用什么材料。

现在到底用什么好,各有各的技巧,但是我们的第一步已经开始走出去了。通过建模,通过数字分析,通过实验验证,证明用铜包铝线,用在无线充电里面,它在某一个频段,性能比较好,电阻性能好,电阻一小就好办了,效率也出来了。今天我进一步讲,为什么用铜包铝线有比铜比铝有更好的性能。过去这个问题都没有开发,国内也没有发,国外也没有开发。但是现在国内也开始进入这个工作阶段,也得到了相同的结论。

一般来说,频率比较低的条件下,铜包铝线的重量要比铝重一点,但是要比铜轻得多。铝作线圈,有它的连接的问题,电阻也大。铜的导电率好,但是总某些方面来说太重了,对电动车来讲是一个不利的条件。这是它的优点之一,但是还不是最大的优点。从这个图上可以看出来,虚线是铜包铝线,实线是铜线,看起来好像铜包铝线的电阻大,但是在高频段就不是。我们看一下用铜包铝线和铜线,在不同的线径下,标称电流密度分布是不一样的。因为外面是铜里面是铝,铜包铝线,它有一个特色,也就是说在高频下具有集肤效应。我们的工频电流下是没有这样的特征。将来铜包铝线要做成线圈产生的邻近效应也会影响到电阻。因此我们考虑线圈在使用,在设计线路的时候,必须要考虑两种效应的叠加后面。这就是和铜和铝的区别。

我们可以看出来,看看损耗密度,刚才讲铝的电阻、铜的电阻和铜包铝线的电阻不一样,就造成了损耗密度不同。这里面的损耗密度看起来好像是高的,铜包铝线比较高。我们再看一个,邻近效应里面可以看出来,它做成线圈以后就有邻近效应了。邻近效应一出来,大概在什么范围之内?就是400kHz左右,到达这个交叉点。在这个频率以下,它的涡流损耗就小了。意味着什么?发热小了。这是很关键的。

第二个,我们看一下做成线圈以后,综合起来看,到底这个线圈的交流电阻大不大,这是很关键的。刚才讲的一个是铜的交流电阻的影响,两种效应。现在两种效应对于线圈做好以后,影响怎么样。我们看到,也发现一个问题,这里同样有一个交点,我们可以看出,这个频率范围大概也是在400kHz多一点或者是左右。这里的电阻性能就比铜线电阻低,比铝线更低了。通过数字模拟之后的实验结果,基本上是相符的。

那么就是说,这就告诉我们在我们的线圈设计里面,怎么样充分利用这么一个交叉点的地方的情况,可以造成线圈的交流电阻比铜线还低。这就是最大的好处。

后面我们再看,这是验证模型做实验的线圈。它是多层的,铜和铝的频率可以通过调整这个结构来变的,这就将来看我们的磁体的设计的人,线圈设计的人,来讨论这个问题了,包括形状包括结构。从这里可以看出,铜包铝线CCA线,它所做的线圈在15到350kHz下,铜包铝线线圈的交流电阻是低于铜线的,这句话很关键。第二,在60kHz下,铜包铝线的交流电阻只有铜的70%左右。因此,用同样直径的导体绕制的线圈,可以得到30%甚至更低的电阻。这就是这个情况。

综上所述,由于铜包铝线的材料,由于它的集肤效应和邻近效应,用铜包铝线所绕制的线圈,刚才看到的图,通过数字分析以后得出下列结论,这个结论也就是指导我们将来怎么设计怎么利用这么一个材料。

第一个结论,在较低的频率下,铜包铝线的涡流损耗是小于铜线的,这句话很关键,前面已经讲了这个情况。第二个,铜包铝线的线圈的交流电阻是小于铜线的,前面讲过了。第三,铜包铝线作为机动车的无线输电的导体是特别有效的,比如说装备在电动车上,不仅它轻,而且能够在高频下作为低损耗的导体来使用来设计。还有一点可以提到的,铜有比较好的焊接性能,因此铜包铝线可以解决焊接的问题,和铜一样。但是铝就不行,铜包铝线刚好掩盖了铝的缺点,达到了与铜相当的连接性能。

我们再看看铜包铝线为了要能够用在线圈里面,而且这个线圈随着功率的增大,肯定会发热。那么到底能够发热到多高,我们设计线圈能够达到什么样的水平,下面进一步来分析。第一个,铜包铝线还有一个稳定的问题,关键的关键就在于铜和铝的过渡层上产生了一个脆性层,是造成质量不稳定质量不好的原因。经过研究发现,这个过渡层不仅有Al2Cu、Al2Cu3,还有Al2Cu9,都是影响脆性的。我们为了提高性能,就需要减薄过渡层的厚度。这是制线的企业,包括使用线的企业,需要关心的。

进一步,在现有的条件下铜包铝线如果用在汽车里面,去做线圈,这个情况下可以用到多少温度,我们做了不同的热循环的热疲劳试验,铜和铝的交界面的结合强度怎么样。我们看到200度下,这条曲线基本上是平稳的。但是到了250度,这个曲线就不对了,b这条线快速下降,300度下降得更快。也就是我们可以做200度下的长期使用。当然,下一步还要改进。下一步的改进,为了达到更好的稳定性能,可能我们需要采取新的制造工艺制造的装备,使得过渡层比较薄,不容易发生不好的结果。

因此为了做这个事情,我们就要从原材料本身,做线的原材料本身,包括我们制造复合线的装备,包括我们还要用新的工艺,等温包覆的办法提高结合率,减薄过渡层。这方面如果将来要应用,用在电动汽车里面,那这些问题是要进行推进的工作。并不是大家想象的拿过来就可以用的,还有艰苦的工作要做。

今天上午听到有一个专家讲,现在电动汽车的这些方面还有探讨的余地,还没有到标准化的时候,那么也就是说,我们还有研究、设计、改进、提高的地方,和国际上进行竞争。中国现在不是从零开始了,已经达到了一定的程度。

最后给大家看几个图片,各位都是搞汽车的,早就看到了,也可能还没有看到。我给大家介绍几个东西,就是美国高通公司,这方面是水平很高的,也是根据我看到的,搞电动汽车的无线输电是做得最快的。它现在已经把它的软件加入生产过程,给欧洲多个企业装上了。根据2016年的高通公司的内部通告,2018年S550E,奔驰的电动汽车,将推出无线输电。我把有关的概况讲一下。这个就是2018年奔驰公司的S550E将推出的高通公司开发的电动车的无线充电技术。从资料看,它采用了磁共振耦合充电系统,一个线圈在地上,一个线圈在车上。它的概念图看起来非常简单,这边是一个高压电池,这个地方是线圈,发射和接收的地方。报告里说,这个优点是可以使电能快速安全的充到汽车的电池组里面去。这里面特别引人关注的一点是,这里面说电能的传输效率,高通Halo技术可以达到额定功率的90%。这一改进使无线充电技术达到了新的高度。这是他们内部的通报。

这个车就是在欧洲做的电动汽车的充电,这里有两根轨道,车子在里面开,开车的速度可以保持在每小时100公里,轨道的试验长度,试验的轨道长一百米。也就是在一百米的长度上充电,可以使得这个车充到需要的电能。现在高通公司所发展的充电能量的水平有三档,一档是三点几千瓦,一档是七点几千瓦的,一档是22千瓦的。开会期间也有人问我,能不能做到22千瓦。我现在不知道,到现在为止我们的汽车行业还没有跟我们打过交道,想做到什么,设计有什么要求,到底选什么,我们都不知道。所以我们非常希望和汽车工业的相关企业能够共同开发我们本国的无线充电技术。

这么一算,一百公里的速度,100米的跑道,只要几秒钟就充好了。这里可以开两辆车,同向也行,反向也好,一下可以充两辆。

这辆车是高通公司的,刚才我讲的,一种是3.3千瓦,一种是6.6千瓦,一种是22千瓦,根据不同的车道来配的。这里1是电源,下面2是一块基板,这个基板就是一个电池组,在下面的,在地面上的。然后通过感应,4是车子上的线圈,这个3就是无线充电。5是车上的控制单元,6是车上的电池,大概是这样的情况。

下一个图片,这个线圈就是车底下的线圈,这个是属于单线圈。我们可以看,这个线圈和我们一般想象的铜线圈不一样,它是一个板状的,而且是一匝。还有双线圈的,也是三点几千瓦,同样的功率,可以单线圈也可以双线圈。大的7.4千瓦的,也可以双线圈也可以单线圈。

再下面一个,我们看到把汽车翻过来,这个线圈就放在汽车底下,这个在汽车底盘地下,下面有四个螺丝孔,敲在汽车底盘上。这就是无线充电概念车。

再说一句话就结束这个报告,还是这张图,有人问我,你认为掌握的这个东西里面,地面上这个线圈是怎么样的?我所看到的它的照片,里面是沿着这一百米连续的铺,铺板状的这么一个线圈。我联想,这是我没有任何根据,只是我联想,因为上海电缆研究所曾经帮德国人搞过磁悬浮,磁悬浮里面实际上是一个直线电机,它产生的磁力要把这个车子托起来。我们这里的道理是一样的,要把磁场从一个发射圈转到第二个去,也就是说它这里面,磁悬浮里面有一个定子线圈,这个定子线圈,我看这个照片,大概和他们搞的轨道差不多的。我们也做了这个电缆,帮德国人也修了这个电缆,大概是这样的情况。

我的报告到这里,谢谢大家。

注:本文根据现场速记整理,未经嘉宾审核。

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