銅包鋁線與無線輸電

黃崇祺 ()

(上海電纜研究所, 上海 200093)

文章編號：2096-2983(2017)05-0249-04DOI：10.13258/j.cnki.nmme.2017.05.001

銅包鋁線與無線輸電

黃崇祺 (中國工程院院士)

(上海電纜研究所, 上海200093)

闡述銅包鋁線(CCA線)繞制的線圈基礎部件及其在電動汽車高頻無線輸電中可能的新應用是有效的.介紹目前國內外關于CCA線研究的新進展.展示頻率與交流損耗的關系:在500kHz下,在線中電流密度和損耗的關系及損耗密度的分布,頻率與渦流損耗的關系.為了保證CCA線的使用質量,目前適用的溫度為≤200℃,建議影響CCA線質量的關鍵因素為減薄銅鋁擴散層的制造方法.

銅包鋁線; 新應用; 無線輸電

1 無線輸電是電力傳輸的最先進技術,將讓傳輸的距離不再是問題

無線輸電技術可分為下列三類:

(1) 基于電磁感應的短距離傳輸技術.例如,在醫療器械領域,它可改變傳統的植入式醫療電子產品的供電方式,避免更換電池帶來病痛與感染;在交通運輸、電子通信等領域的應用.

(2) 基于磁共振耦合的中距離傳輸技術.例如,在人工心臟中核電池充電的應用.

(3) 基于微波/飛秒激光的長距離傳輸技術.微波電能傳輸(MPT)是將電能轉化為微波,讓微波經自由空間傳送到目標位置,再經整流,轉化成直流電能.此技術主要有空間太陽能電站、低軌道和同步軌道衛星供電等的應用.

據美國《科學美國人》月刊網站2017年5月11日報道,以色列擬鋪無線充電公交道路.以政府與“電子公路公司”合作,利用路面下的無線充電技術在特拉維夫鋪設一條公交道路,以免除到充電站充電的麻煩.電子公路公司的技術解決方案表明:感應充電技術價格合理,且性價比高,電動公交車可攜帶一種輕型便宜的電池,它體積不龐大,造價低,且永遠不用停下來充電;這種技術一旦在路上使用可以持續不斷地為具有適當裝備的車輛充電;只需一次性地鋪設這種基礎設施就可供各種車輛使用,這是一大優勢;能在全世界范圍內的道路上大規模采用.該公司目前唯一的試驗點是一段長24.4 m的測試道路,進一步擬在特拉維夫打造一段長800 m的公交線路.在未來的歲月中,這種道路的單位造價是一項關鍵因素,目前探索該技術的國家越來越多,以色列只是其中之一.

據英國《Nature》(Letter)2017年6月15日報道[1],美國斯坦福大學的研究成果利用非線性的“宇稱—時間—對稱”(PT對稱)的量子物理學原理設計了一種無線輸電系統.該系統的創新點主要有:

(1) 可自動調整無線電波的頻率,以應對充電板與汽車之間的距離變化;

(2) 該系統在電力傳輸間距達69 cm時,傳輸效率仍可達100%;

(3) 該系統不需調諧電路,而且設備相對于充電板的移動速度也不會受到影響.

2 未來無線輸電技術可能的應用

圖1為電動汽車無線充電結構示意圖.

圖1 電動汽車無線充電結構示意圖[2]Fig.1 Schematic diagram of electric car wireless charging structure[2]

(1) 有望未來解決電動汽車充電的難題,現在用充電樁電纜充電在技術上可能只是一種過渡;

(2) 可以給一些難以架設的線路或危險的地區供電,并解決新能源電站的電能輸送問題;

(3) 其他領域,如家用電器、工業機器人、航空航天、油田礦井、水下作業、無線傳感器網絡及射頻識別等.

3 銅包鋁線繞制的線圈可能在無線輸電技術中獲得新的應用

在高頻下通過磁場感應耦合的無線輸電系統需要低電阻的線圈,因為它的效率極大地受到其質量系數的影響.CAA(copper clad aluminum)線,不僅輕,而且具有與銅、鋁不同的特性,如頻率(MHz)—電阻、電流密度和損耗密度分布、頻率—渦流損耗、在繞制成線圈后的交流電阻與頻率的關系以及如何計算交流電阻等,都已從理論到試驗進行了深入的研究.

3.1與表面集膚效應有關的AC電阻

圖2中電阻RS為銅線和5%CCA線的電阻(銅截面與線截面的面積比為5%),線徑為0.4 mm,在高頻下CCA線的RS逐漸接近銅線的RS,但在100 MHz下CCA線的RS大于銅線.

圖2 CCA和銅線計算的電阻RS[3]Fig.2 Calculated value of RS of copper wire and copper clad aluminum wire[3]

圖3為500 kHz下,在同樣的線中電流密度的分布.由于導電率的不同,在線半徑為0.195 mm的鋁和銅層之間的界面上,CCA線中的電流密度不連續增加.

圖4為500 kHz下1 A電流流動時,在線中損耗密度的分布.由于CCA線的銅層具有較高的電流密度,所以鋁芯中的電流密度小于均一鋁線的電流密度;但是CCA線的損耗密度高于銅線的損耗密度,這是由于不同導電率的緣故.因此,CCA線的AC電阻,在所有頻率下都不會低于銅線的AC電阻.

圖3 在500 kHz下電流密度的分布[3]Fig.3 Current density distribution at 500 kHz[3]

圖4 在500 kHz下損耗密度的分布[3]Fig.4 Loss density distribution at 500 kHz[3]

3.2由鄰近效應引起的渦流損耗

圖5為由鄰近效應引起的渦流損耗.CCA線的渦流損耗在≤420 kHz下,小于銅線;在>420 kHz時,則CCA線的渦流損耗變為高于銅線.

圖5 CCA線和銅線由鄰近效應引起的渦流損耗計算值(Dp)[4]Fig.5 Calculated value of eddy current loss(Dp) causing by proximity effect of copper wire and copper clad aluminum wire[4]

3.3由CCA線繞制的線圈的AC電阻

圖6為CCA線圈AC電阻的實測值和計算值.圖7為CCA線繞制的線圈,該線圈用14根CCA線進行絞合,CCA線徑為0.4 mm,10匝8層,線圈直徑20 mm,每根導體的長度為7.2 m.試驗證明實測值和計算值符合得很好.在15～350 kHz下,CCA線圈的AC電阻是低于銅線的;在60 kHz下CCA線圈的AC電阻是銅線的69%.

圖6 CCA線和銅線AC電阻(測量值和計算值)與頻率的關系[3]Fig.6 Relationship between alternating-current resistance (measurements and calculated value) and frequency of copper wire and copper clad aluminum wire[3]

圖7 由CCA線繞制的線圈[3]Fig.7 Coil round making by copper clad aluminum wire[3]

由于CCA線的集膚效應和鄰近效應,用CCA線繞制的線圈(見圖7),經數字分析得出的結論為:

(1) 在較低的頻率下,CCA線的渦流損耗小于銅線;

(2) CCA線繞制的線圈的AC電阻小于銅線繞制的線圈;

(3) CCA線作為機動車的無線輸電的導體是特別有效的,不但輕且能在高頻下作為低損耗的導體.

4 CCA線在生產、應用中的關注點

(1) 銅鋁過渡層(Al2Cu,Al2Cu3,Al2Cu9)[4]性脆,應越薄越好;CCA線的銅層如脫皮(針孔露鋁),使鋁底曝露在空氣中則加速線的電化腐蝕;

(2) CCA線的使用溫度一般不超過200 ℃為好(見圖8)[5],因為這與銅鋁擴散、增厚銅鋁過渡層有關;

(3) 使用斷屑剝皮—等溫復合法[6],或許會有很薄的銅鋁擴散層,從而銅鋁結合強度高,產品質量好,值得關注;

(4) 當CCA線大量應用時,要注意解決低成本的回收方法和不產生對環境的二次污染[7].

圖8 熱疲勞試驗[5]Fig.8 Thermal fatigue test[5]

5 國產CCA線生產的原材料、復合工藝、裝備和產品質量尚需升級改造

(1) 陳舊的水平連鑄鋁或鋁合金制桿方式必須淘汰,否則影響整個制線過程和產品質量.

(2) 現有的國產包覆機組和連續焊接監測達不到銅、鋁初始結合和焊縫連續穩定監測的效果,致使后續工序生產效率低和線的質量差.

(3) 拉線機和需要時的退火爐,需要改善工藝條件,以適應拉制雙金屬線和退火的條件,保證線的質量.

[1] ASSAWAWORRARIT S,YU X F,FAN S H.Robust wireless power transfer using a nonlinear parity-time-symmetric circuit[J].Nature,2017,546(7658):387-390.

[2] 劉波,張鵬,李君,等.電動汽車無線充電技術綜述[J].汽車與配件,2013,32(4):28-30.

[3] YASHIRO K,KAMIDAKI C,SHINMOTO T,et al.Theoretical analysis on AC resistance of copper clad aluminum wires[J].Fujikura Technical Review,2015,44(3):47-52.

[4] 王渠東.固液復合Al/Al、Al/Cu雙金屬材料制備技術[C]∥2016國際層狀金屬復合材料論壇暨第四屆中國鋁基復合材料技術與應用研討會.上海:上海市有色金屬學會,上海市有色金屬行業協會,2016:86-105.

[5] 劉新寬.新型銅鋁復合散熱器研究與制造[C]∥2016國際層狀金屬復合材料論壇暨第四屆中國鋁基復合材料技術與應用研討會.上海:上海市有色金屬學會,上海市有色金屬行業協會,2016:129-143.

[6] SONG J.A study on structure and tensile properties of copper clad Aluminum Composite BUS-Bar prepared Through isothermal fabrication[C]∥Proceeding of the 63rd IWCS Conference,International Wire & Cable Symposium.Rhode Island,USA:IWCS,2014.

[7] 黃崇祺.中國金屬導體制造業的創新開發與發展趨向[J].有色金屬材料與工程,2016,37(3):63-71.

CopperCladAluminumWireandWirelessTransmission

HUANG Chongqi

(Shanghai Electric Cable Research Institute, Shanghai 200093, China)

It is effective to introduce the basic components of the copper clad aluminum wire(CCA line) and its possible new applications in the high frequency wireless transmission of electric vehicles.This paper introduces the current progress of research on CCA line at home and abroad.The relationship between the display frequency and the AC loss is introduced,including the relationship between the current density and loss,the distribution of the loss density,the frequency and the vortex loss at 500 kHz.In order to ensure the quality of CCA line,the current temperature is ≤200 ℃,and it is suggested that the key factor affecting the quality of CCA line is the manufacturing method of reducing the diffusion layer of copper and aluminum.

copper clad aluminum wire; new application; wireless transmission

2017-06-16

黃崇祺(1934—),男,中國工程院院士. 研究方向: 電工用銅鋁及其合金雙金屬和再生銅壓力加工制品的研究開發和應用. E-mail: ace_23@126.com

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