铜包铝线与无线输电

黄崇祺 ()

(上海电缆研究所, 上海 200093)

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

铜包铝线与无线输电

黄崇祺 (中国工程院院士)

(上海电缆研究所, 上海200093)

阐述铜包铝线(CCA线)绕制的线圈基础部件及其在电动汽车高频无线输电中可能的新应用是有效的.介绍目前国内外关于CCA线研究的新进展.展示频率与交流损耗的关系:在500kHz下,在线中电流密度和损耗的关系及损耗密度的分布,频率与涡流损耗的关系.为了保证CCA线的使用质量,目前适用的温度为≤200℃,建议影响CCA线质量的关键因素为减薄铜铝扩散层的制造方法.

铜包铝线; 新应用; 无线输电

1 无线输电是电力传输的最先进技术,将让传输的距离不再是问题

无线输电技术可分为下列三类:

(1) 基于电磁感应的短距离传输技术.例如,在医疗器械领域,它可改变传统的植入式医疗电子产品的供电方式,避免更换电池带来病痛与感染;在交通运输、电子通信等领域的应用.

(2) 基于磁共振耦合的中距离传输技术.例如,在人工心脏中核电池充电的应用.

(3) 基于微波/飞秒激光的长距离传输技术.微波电能传输(MPT)是将电能转化为微波,让微波经自由空间传送到目标位置,再经整流,转化成直流电能.此技术主要有空间太阳能电站、低轨道和同步轨道卫星供电等的应用.

据美国《科学美国人》月刊网站2017年5月11日报道,以色列拟铺无线充电公交道路.以政府与“电子公路公司”合作,利用路面下的无线充电技术在特拉维夫铺设一条公交道路,以免除到充电站充电的麻烦.电子公路公司的技术解决方案表明:感应充电技术价格合理,且性价比高,电动公交车可携带一种轻型便宜的电池,它体积不庞大,造价低,且永远不用停下来充电;这种技术一旦在路上使用可以持续不断地为具有适当装备的车辆充电;只需一次性地铺设这种基础设施就可供各种车辆使用,这是一大优势;能在全世界范围内的道路上大规模采用.该公司目前唯一的试验点是一段长24.4 m的测试道路,进一步拟在特拉维夫打造一段长800 m的公交线路.在未来的岁月中,这种道路的单位造价是一项关键因素,目前探索该技术的国家越来越多,以色列只是其中之一.

据英国《Nature》(Letter)2017年6月15日报道[1],美国斯坦福大学的研究成果利用非线性的“宇称—时间—对称”(PT对称)的量子物理学原理设计了一种无线输电系统.该系统的创新点主要有:

(1) 可自动调整无线电波的频率,以应对充电板与汽车之间的距离变化;

(2) 该系统在电力传输间距达69 cm时,传输效率仍可达100%;

(3) 该系统不需调谐电路,而且设备相对于充电板的移动速度也不会受到影响.

2 未来无线输电技术可能的应用

图1为电动汽车无线充电结构示意图.

图1 电动汽车无线充电结构示意图[2]Fig.1 Schematic diagram of electric car wireless charging structure[2]

(1) 有望未来解决电动汽车充电的难题,现在用充电桩电缆充电在技术上可能只是一种过渡;

(2) 可以给一些难以架设的线路或危险的地区供电,并解决新能源电站的电能输送问题;

(3) 其他领域,如家用电器、工业机器人、航空航天、油田矿井、水下作业、无线传感器网络及射频识别等.

3 铜包铝线绕制的线圈可能在无线输电技术中获得新的应用

在高频下通过磁场感应耦合的无线输电系统需要低电阻的线圈,因为它的效率极大地受到其质量系数的影响.CAA(copper clad aluminum)线,不仅轻,而且具有与铜、铝不同的特性,如频率(MHz)—电阻、电流密度和损耗密度分布、频率—涡流损耗、在绕制成线圈后的交流电阻与频率的关系以及如何计算交流电阻等,都已从理论到试验进行了深入的研究.

3.1与表面集肤效应有关的AC电阻

图2中电阻RS为铜线和5%CCA线的电阻(铜截面与线截面的面积比为5%),线径为0.4 mm,在高频下CCA线的RS逐渐接近铜线的RS,但在100 MHz下CCA线的RS大于铜线.

图2 CCA和铜线计算的电阻RS[3]Fig.2 Calculated value of RS of copper wire and copper clad aluminum wire[3]

图3为500 kHz下,在同样的线中电流密度的分布.由于导电率的不同,在线半径为0.195 mm的铝和铜层之间的界面上,CCA线中的电流密度不连续增加.

图4为500 kHz下1 A电流流动时,在线中损耗密度的分布.由于CCA线的铜层具有较高的电流密度,所以铝芯中的电流密度小于均一铝线的电流密度;但是CCA线的损耗密度高于铜线的损耗密度,这是由于不同导电率的缘故.因此,CCA线的AC电阻,在所有频率下都不会低于铜线的AC电阻.

图3 在500 kHz下电流密度的分布[3]Fig.3 Current density distribution at 500 kHz[3]

图4 在500 kHz下损耗密度的分布[3]Fig.4 Loss density distribution at 500 kHz[3]

3.2由邻近效应引起的涡流损耗

图5为由邻近效应引起的涡流损耗.CCA线的涡流损耗在≤420 kHz下,小于铜线;在>420 kHz时,则CCA线的涡流损耗变为高于铜线.

图5 CCA线和铜线由邻近效应引起的涡流损耗计算值(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线绕制的线圈的AC电阻

图6为CCA线圈AC电阻的实测值和计算值.图7为CCA线绕制的线圈,该线圈用14根CCA线进行绞合,CCA线径为0.4 mm,10匝8层,线圈直径20 mm,每根导体的长度为7.2 m.试验证明实测值和计算值符合得很好.在15～350 kHz下,CCA线圈的AC电阻是低于铜线的;在60 kHz下CCA线圈的AC电阻是铜线的69%.

图6 CCA线和铜线AC电阻(测量值和计算值)与频率的关系[3]Fig.6 Relationship between alternating-current resistance (measurements and calculated value) and frequency of copper wire and copper clad aluminum wire[3]

图7 由CCA线绕制的线圈[3]Fig.7 Coil round making by copper clad aluminum wire[3]

由于CCA线的集肤效应和邻近效应,用CCA线绕制的线圈(见图7),经数字分析得出的结论为:

(1) 在较低的频率下,CCA线的涡流损耗小于铜线;

(2) CCA线绕制的线圈的AC电阻小于铜线绕制的线圈;

(3) CCA线作为机动车的无线输电的导体是特别有效的,不但轻且能在高频下作为低损耗的导体.

4 CCA线在生产、应用中的关注点

(1) 铜铝过渡层(Al2Cu,Al2Cu3,Al2Cu9)[4]性脆,应越薄越好;CCA线的铜层如脱皮(针孔露铝),使铝底曝露在空气中则加速线的电化腐蚀;

(2) CCA线的使用温度一般不超过200 ℃为好(见图8)[5],因为这与铜铝扩散、增厚铜铝过渡层有关;

(3) 使用断屑剥皮—等温复合法[6],或许会有很薄的铜铝扩散层,从而铜铝结合强度高,产品质量好,值得关注;

(4) 当CCA线大量应用时,要注意解决低成本的回收方法和不产生对环境的二次污染[7].

图8 热疲劳试验[5]Fig.8 Thermal fatigue test[5]

5 国产CCA线生产的原材料、复合工艺、装备和产品质量尚需升级改造

(1) 陈旧的水平连铸铝或铝合金制杆方式必须淘汰,否则影响整个制线过程和产品质量.

(2) 现有的国产包覆机组和连续焊接监测达不到铜、铝初始结合和焊缝连续稳定监测的效果,致使后续工序生产效率低和线的质量差.

(3) 拉线机和需要时的退火炉,需要改善工艺条件,以适应拉制双金属线和退火的条件,保证线的质量.

[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] 刘波,张鹏,李君,等.电动汽车无线充电技术综述[J].汽车与配件,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] 王渠东.固液复合Al/Al、Al/Cu双金属材料制备技术[C]∥2016国际层状金属复合材料论坛暨第四届中国铝基复合材料技术与应用研讨会.上海:上海市有色金属学会,上海市有色金属行业协会,2016:86-105.

[5] 刘新宽.新型铜铝复合散热器研究与制造[C]∥2016国际层状金属复合材料论坛暨第四届中国铝基复合材料技术与应用研讨会.上海:上海市有色金属学会,上海市有色金属行业协会,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] 黄崇祺.中国金属导体制造业的创新开发与发展趋向[J].有色金属材料与工程,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

黄崇祺(1934—),男,中国工程院院士. 研究方向: 电工用铜铝及其合金双金属和再生铜压力加工制品的研究开发和应用. E-mail: ace_23@126.com

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