第19屆亞太汽車工程年會&2017中國汽車工程學會年會暨展覽會（APAC 19 & 2017 SAECCE）於10月24-26日舉辦,本次論壇以「未來汽車與交通變革」為主題，攜手行業領導、學會領導、院士、汽車及相關行業權威專家在內逾3000餘位國內外業界嘉賓共同探討汽車產業車廠與零部件協同創新和技術發展路徑。以下是原上海電纜研究所有限公司副總工程師黃崇祺院士在會議上的演講實錄：
原上海電纜研究所有限公司副總工程師黃崇祺院士
黃崇祺：各位領導，各位來賓，今天我講的題目是銅包鋁線與無線輸電。我本人不是搞汽車的，我是搞材料的，而且我的材料主要是搞導電材料。導電材料和我們當前要發展的電動汽車的無線輸電，有密切的關係。為什麼？我們從事的這個行業裡面，做銅的導體、鋁的導體都是我們的本行，但是怎麼用到無線充電裡面去，怎麼用這個材料，怎麼來選材料，怎麼做好無線充電的這兩個線圈，以及這兩個線圈發生了電子的相互作用，這就起到關鍵作用了。這就牽涉到汽車消費等等的一系列問題，我今天就是在這方面發表我們官方的發言。
下面進入正題。我們知道，現在在汽車行業裡面，用在無線充電裡面主要是兩種基礎線路，一個是基於磁感應的短距離的輸電技術，這個技術從現在現有的資料來看，主要是以色列已經在公路上進行驗證實驗。從文章裡看，使用的是電磁感應的這麼一個技術。
第二個用的，現在看來已經開使用的，就是基於磁共振耦合的中距離輸電技術的原理。最近在美國也發表了更先進的一些技術，在這裡面我想無線充電，這個概念圖看起來好像並不複雜，從電源到充電器，通過一側發生線圈的發生，第二個線圈的接收，從交流通過整流變成直流進入汽車。好像看起來比較簡單，我今天要談的是兩個線圈，這兩個線圈怎麼做、用什麼材料。
現在到底用什麼好，各有各的技巧，但是我們的第一步已經開始走出去了。通過建模，通過數字分析，通過實驗驗證，證明用銅包鋁線，用在無線充電裡面，它在某一個頻段，性能比較好，電阻性能好，電阻一小就好辦了，效率也出來了。今天我進一步講，為什麼用銅包鋁線有比銅比鋁有更好的性能。過去這個問題都沒有開發，國內也沒有發，國外也沒有開發。但是現在國內也開始進入這個工作階段，也得到了相同的結論。
一般來說，頻率比較低的條件下，銅包鋁線的重量要比鋁重一點，但是要比銅輕得多。鋁作線圈，有它的連接的問題，電阻也大。銅的導電率好，但是總某些方面來說太重了，對電動車來講是一個不利的條件。這是它的優點之一，但是還不是最大的優點。從這個圖上可以看出來，虛線是銅包鋁線，實線是銅線，看起來好像銅包鋁線的電阻大，但是在高頻段就不是。我們看一下用銅包鋁線和銅線，在不同的線徑下，標稱電流密度分布是不一樣的。因為外面是銅裡面是鋁，銅包鋁線，它有一個特色，也就是說在高頻下具有集膚效應。我們的工頻電流下是沒有這樣的特徵。將來銅包鋁線要做成線圈產生的鄰近效應也會影響到電阻。因此我們考慮線圈在使用，在設計線路的時候，必須要考慮兩種效應的疊加後面。這就是和銅和鋁的區別。
我們可以看出來，看看損耗密度，剛才講鋁的電阻、銅的電阻和銅包鋁線的電阻不一樣，就造成了損耗密度不同。這裡面的損耗密度看起來好像是高的，銅包鋁線比較高。我們再看一個，鄰近效應裡面可以看出來，它做成線圈以後就有鄰近效應了。鄰近效應一出來，大概在什麼範圍之內？就是400kHz左右，到達這個交叉點。在這個頻率以下，它的渦流損耗就小了。意味著什麼？發熱小了。這是很關鍵的。
第二個，我們看一下做成線圈以後，綜合起來看，到底這個線圈的交流電阻大不大，這是很關鍵的。剛才講的一個是銅的交流電阻的影響，兩種效應。現在兩種效應對於線圈做好以後，影響怎麼樣。我們看到，也發現一個問題，這裡同樣有一個交點，我們可以看出，這個頻率範圍大概也是在400kHz多一點或者是左右。這裡的電阻性能就比銅線電阻低，比鋁線更低了。通過數字模擬之後的實驗結果，基本上是相符的。
那麼就是說，這就告訴我們在我們的線圈設計裡面，怎麼樣充分利用這麼一個交叉點的地方的情況，可以造成線圈的交流電阻比銅線還低。這就是最大的好處。
後面我們再看，這是驗證模型做實驗的線圈。它是多層的，銅和鋁的頻率可以通過調整這個結構來變的，這就將來看我們的磁體的設計的人，線圈設計的人，來討論這個問題了，包括形狀包括結構。從這裡可以看出，銅包鋁線CCA線，它所做的線圈在15到350kHz下，銅包鋁線線圈的交流電阻是低於銅線的，這句話很關鍵。第二，在60kHz下，銅包鋁線的交流電阻只有銅的70%左右。因此，用同樣直徑的導體繞制的線圈，可以得到30%甚至更低的電阻。這就是這個情況。
綜上所述，由於銅包鋁線的材料，由於它的集膚效應和鄰近效應，用銅包鋁線所繞制的線圈，剛才看到的圖，通過數字分析以後得出下列結論，這個結論也就是指導我們將來怎麼設計怎麼利用這麼一個材料。
第一個結論，在較低的頻率下，銅包鋁線的渦流損耗是小於銅線的，這句話很關鍵，前面已經講了這個情況。第二個，銅包鋁線的線圈的交流電阻是小於銅線的，前面講過了。第三，銅包鋁線作為機動車的無線輸電的導體是特別有效的，比如說裝備在電動車上，不僅它輕，而且能夠在高頻下作為低損耗的導體來使用來設計。還有一點可以提到的，銅有比較好的焊接性能，因此銅包鋁線可以解決焊接的問題，和銅一樣。但是鋁就不行，銅包鋁線剛好掩蓋了鋁的缺點，達到了與銅相當的連接性能。
我們再看看銅包鋁線為了要能夠用在線圈裡面，而且這個線圈隨著功率的增大，肯定會發熱。那麼到底能夠發熱到多高，我們設計線圈能夠達到什麼樣的水平，下面進一步來分析。第一個，銅包鋁線還有一個穩定的問題，關鍵的關鍵就在於銅和鋁的過渡層上產生了一個脆性層，是造成質量不穩定質量不好的原因。經過研究發現，這個過渡層不僅有Al2Cu、Al2Cu3，還有Al2Cu9，都是影響脆性的。我們為了提高性能，就需要減薄過渡層的厚度。這是制線的企業，包括使用線的企業，需要關心的。
進一步，在現有的條件下銅包鋁線如果用在汽車裡面，去做線圈，這個情況下可以用到多少溫度，我們做了不同的熱循環的熱疲勞試驗，銅和鋁的交界面的結合強度怎麼樣。我們看到200度下，這條曲線基本上是平穩的。但是到了250度，這個曲線就不對了，b這條線快速下降，300度下降得更快。也就是我們可以做200度下的長期使用。當然，下一步還要改進。下一步的改進，為了達到更好的穩定性能，可能我們需要採取新的製造工藝製造的裝備，使得過渡層比較薄，不容易發生不好的結果。
因此為了做這個事情，我們就要從原材料本身，做線的原材料本身，包括我們製造複合線的裝備，包括我們還要用新的工藝，等溫包覆的辦法提高結合率，減薄過渡層。這方面如果將來要應用，用在電動汽車裡面，那這些問題是要進行推進的工作。並不是大家想像的拿過來就可以用的，還有艱苦的工作要做。
今天上午聽到有一個專家講，現在電動汽車的這些方面還有探討的餘地，還沒有到標準化的時候，那麼也就是說，我們還有研究、設計、改進、提高的地方，和國際上進行競爭。中國現在不是從零開始了，已經達到了一定的程度。
最後給大家看幾個圖片，各位都是搞汽車的，早就看到了，也可能還沒有看到。我給大家介紹幾個東西，就是美國高通公司，這方面是水平很高的，也是根據我看到的，搞電動汽車的無線輸電是做得最快的。它現在已經把它的軟體加入生產過程，給歐洲多個企業裝上了。根據2016年的高通公司的內部通告，2018年S550E，奔馳的電動汽車，將推出無線輸電。我把有關的概況講一下。這個就是2018年奔馳公司的S550E將推出的高通公司開發的電動車的無線充電技術。從資料看，它採用了磁共振耦合充電系統，一個線圈在地上，一個線圈在車上。它的概念圖看起來非常簡單，這邊是一個高壓電池，這個地方是線圈，發射和接收的地方。報告裡說，這個優點是可以使電能快速安全的充到汽車的電池組裡面去。這裡面特別引人關注的一點是，這裡面說電能的傳輸效率，高通Halo技術可以達到額定功率的90%。這一改進使無線充電技術達到了新的高度。這是他們內部的通報。
這個車就是在歐洲做的電動汽車的充電，這裡有兩根軌道，車子在裡面開，開車的速度可以保持在每小時100公裡，軌道的試驗長度，試驗的軌道長一百米。也就是在一百米的長度上充電，可以使得這個車充到需要的電能。現在高通公司所發展的充電能量的水平有三檔，一檔是三點幾千瓦，一檔是七點幾千瓦的，一檔是22千瓦的。開會期間也有人問我，能不能做到22千瓦。我現在不知道，到現在為止我們的汽車行業還沒有跟我們打過交道，想做到什麼，設計有什麼要求，到底選什麼，我們都不知道。所以我們非常希望和汽車工業的相關企業能夠共同開發我們本國的無線充電技術。
這麼一算，一百公裡的速度，100米的跑道，只要幾秒鐘就充好了。這裡可以開兩輛車，同向也行，反向也好，一下可以充兩輛。
這輛車是高通公司的，剛才我講的，一種是3.3千瓦，一種是6.6千瓦，一種是22千瓦，根據不同的車道來配的。這裡1是電源，下面2是一塊基板，這個基板就是一個電池組，在下面的，在地面上的。然後通過感應，4是車子上的線圈，這個3就是無線充電。5是車上的控制單元，6是車上的電池，大概是這樣的情況。
下一個圖片，這個線圈就是車底下的線圈，這個是屬於單線圈。我們可以看，這個線圈和我們一般想像的銅線圈不一樣，它是一個板狀的，而且是一匝。還有雙線圈的，也是三點幾千瓦，同樣的功率，可以單線圈也可以雙線圈。大的7.4千瓦的，也可以雙線圈也可以單線圈。
再下面一個，我們看到把汽車翻過來，這個線圈就放在汽車底下，這個在汽車底盤地下，下面有四個螺絲孔，敲在汽車底盤上。這就是無線充電概念車。
再說一句話就結束這個報告，還是這張圖，有人問我，你認為掌握的這個東西裡面，地面上這個線圈是怎麼樣的？我所看到的它的照片，裡面是沿著這一百米連續的鋪，鋪板狀的這麼一個線圈。我聯想，這是我沒有任何根據，只是我聯想，因為上海電纜研究所曾經幫德國人搞過磁懸浮，磁懸浮裡面實際上是一個直線電機，它產生的磁力要把這個車子託起來。我們這裡的道理是一樣的，要把磁場從一個發射圈轉到第二個去，也就是說它這裡面，磁懸浮裡面有一個定子線圈，這個定子線圈，我看這個照片，大概和他們搞的軌道差不多的。我們也做了這個電纜，幫德國人也修了這個電纜，大概是這樣的情況。
我的報告到這裡，謝謝大家。
註：本文根據現場速記整理，未經嘉賓審核。