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河北十一选五超级铜线-- 电动汽车2025路线图背后

发布时间: 2021-01-13 02:59

  基本原理是,在铜材料上附着一种碳纳米管材料,这种材料类似于石墨烯。它的, 热传导效率10倍于铜,强度是铜的300倍,重量仅 铜的1/4~1/6 。橡树岭公司通过沉积技术,将 CNT材料附着在铜薄膜上。通过热处理--最后形成通过铜-CNT的复合材料。

  这种超级铜线的材料会给电机设计带来革命性的突破。电阻的大幅度下降会带来铜耗的直接降低, 无论是低速大转矩工况,还是高速弱磁工况都会受益,

  。电流容量和导热能力的提升会提高电密和热负荷的选择上限, 带来定子的体积的减小 转矩和功率密度上升。强度的提高,会给自动绕线带来极大工艺方便(自动绕线的拉力较大,会导致铜线被拉细长,实际电阻增大)。超级铜线不仅电机有利,也可以应用到变频器中,提高变频效率,也可以应用到电网输配电上,带来电损的降低。

  碳纳米管简称CNTs,下图就是这种材料的庐山真面目。每个节点代表一个碳原子,有两种CNT分子结构,一种是单壁CNT材料,这种结构性能最好,还有双壁和多壁结构,这类结构制造相对容易,但性能略差。

  虽然CNT材料性能极好,但其分子结构长度很短,而且分子之间结合力很差,不能单独构成工程材料,必须附加在铜基材料之上。下图就是一种方法制成的复合材料,在电子纤维镜下,发现少量的CNT附着在铜上,可见这种材料的复合度是较低的。

  吴军在谷歌方法论中阐述过:工程师需要理解技术的极限的道理,越往极限走,就越困难,理解到这种极限,我们就会在边界里有度的做事情。那么这种超级铜线性能的极限是多少呢?在2004年首次提出“超级铜线”概念的发明者---Hjortstam教授通过理论计算出,材料复合率和电阻率的关系,发现随着CNT材料复合比例的增加(下图横坐标),电阻率曾下降趋势,但这种趋势会趋于平缓和饱和,另一方面工艺难度也会随着复合率的提高而几何级数的增加。因此Hjortstam 划出了一条工程界线%纯铜电阻率线。这条界限对应的复合率大约是30~40%,我们就在这个界限内评估材料的工程意义。

  50%的电阻率,意味着电阻下降一半。以标准IE4高效感应电机为例,铜耗约占了所有损耗的30~50%,一半的电阻也就意味损耗减少15~25%,大概能提高电机一个能效等级,达到IE5。如果是永磁同步电机,铜耗所占的比例更大,能提高2个能效等级。

  jortstam教授的研究还指出了另外一个问题,那就是单向平行排列的CNT材料比随机排列的CNT材料的导电能力更佳,朝一个方面排列有点像磁畴的单方向磁化,使材料呈现各向异性。

  显然这种技术的关键是如何尽可能利用CNT材料,提高复合材料的性能。实现这个过程的关键在于复合材料的成型工艺,通过前期的探索,科学家们发现,核心的问题是三个:

  :是一种通过电化学沉积技术,将悬浮液中的CNT材料 吸附在阴极的Cu金属基板上。目前该技术可以达到141%标准铜电导率的水平。

  在该领域初步实现产品化的是Central Florida大学,他们通过电化学技术生产超级铜板,下图为他们的大规模生产过程。

  Nano Ridge 材料公司更关注该产品的商业价值:他们基于电解技术开发出的CNT复合材料产品叫TeraCoppe ,该产品的单位面积的最大电密达的56A/mm^2 是纯铜的1.44倍。

  这种方法的优点是,CNT材料的复合率较高,可以达到较高的性能。 缺点也很明显,

  但这种电解生成的材料排列不规则,不完全是平行排布。而且电解效率虽然会随着电流的增加和提高,但很快会达到饱和,生产效率低,耗电大,为扩大规模需要很大的场地。2

  铸造方法的原理很简单,如下图所示 将CNT原材料置入压缩实,和铜液在高压环境充分混合后, 混合液在活塞的驱动下,经过“门”进入冷却室冷却成型。

  工艺核心的问题是,如何实现从纳米管整齐的单向平行排列,必须在成型之前,设计一个“向导过程”将CNT材料给捋顺了。

  压缩室中完成的,CNT材料经历了从大颗粒到小颗粒,从无序到 有序的改变,从分布不均匀到均匀分布,最后CNT材料指向单一指向.这个过程需要高速高压的铜液流起至关重要的作用,一旦静止下来,CNT材料将重归无序,且CNT材料会浮在铜液表层(不均匀),因此前者的密度仅是后者的六分之一。那么问题来了: 成型前必须要静止下来冷却,但这样会导致CNT材料紊乱。 解决这 问题的办法是一种快速冷却成型技术。工程师设计了一种类似发射舱的结构,仓门的外边是高温高压的混合溶液,门的里面是细条状的成型管道。门一旦打开,溶液被高压注射进成型管道。管道很细、很冷,被注射满后的几秒之后,CNT材料还未来得及无序化,溶液就被冷却,被挤出型腔,成为成为复合铜线。

  为了提高性能。后来又加入氯化镁作为添加剂,因为镁机可以和铜相容,又可以有效黏着CNT,因此它可以作为CNT和铜之间的粘结剂,提高他们的结合度。以此提升复合材料的性能。

  铸造成型的方法适合大规模使用,但其CNT材料复合率较低,导电能力提升也有限,目前能达到的水平仅有标准铜电导率的113%。

  英国剑桥大学开发了一种复合技术,先将CNT材料做成纱状编织带,上面的CNT材料靠范德华力相互链接,呈完全取向的排列状。然后通过蒸镀或电沉浸的方式将CNT编织带附着在铜材上,形成一个单层复合材料,这也是美国Amper实验室采用的技术。通过减小单层厚度,叠加成多层可以搭配出不同性能的产品。 DOE选择这种技术路线,是看中了

  这种技术目前达到的水平是通过叠加六层,获得116%标准铜的电导率,但后续的发展空间很大。

  将CNT材料喷镀在铜材上,喷镀的过程需要配合热热处理,这是美国NanoRidge 材料公司的一种产品制成技术。该技术适合批量生产,能够达到超过标准铜40%的电流容量,106%的电导率,但具体成型过程,仍然处于保密状态。他们宣传产品特别适合做开关功率器件的联结,同普通的铜条相比,能够减少30%的发热。

  将铜线置入一个管状容器中,里面包含了CNT悬浮液,通过声波引起管子共振,从而慢慢推动CNT材料向管中心汇集,靠近并最终附着在铜线材料上。这种成型方法能够获得高质量的复合材料,但是成型过程的可靠性较差,生产效率也很低,不适合大规模生产。

  有些方法制成的CNT/Cu材料成片状或棒状,无法直接当铜线使用,因此需要相应的后续加工。通常采用热挤压技术,如下图所示第一步将复合材料卷绕成16mm的柱状,通过高温加压将其挤压到2mm的圆柱。高温高于让层与层之间渗透增加,结合可靠。然后沿CNT材料排列方向将材料冷拉成细条装。

  目前性能较好的编制带成型方法,对参数比较敏感,性能一致性差。可能是对纳米材料的理解还不够深入,参数对材料特性影响不能精确计算和预测,这对品质控制带来了极大的挑战。成本方面也相当的高昂。性能较好的单壁碳纳米管在美国市场目前是

  5万~10万美元每公斤,性能略差的多壁碳纳米管也要200到1000美元每公斤。高昂的价格当然和产量直接相关,而产量有受至于性能的稳定和材料的推广应用。

  若借用马斯克做Tesla电池的第一性原理模型,会得另外一个结论:碳纳米管的原材料是碳,这是一种非常廉价的原料,通过技术改进和规模效应,最终CNT材料可以降低到非常廉价的水平。会使CNT复合铜线%普通铜线的水平。

  联合---美国应对挑战发方法超级铜线最大的挑战来自于---技术保密政策,各大技术创新单位都闭门造车,相互交流很少。为了更好更快的解决这个问题,美国在2015年组织了“超级铜线”联盟会议,成员有橡树林实验室、国际铜业协会等等。会议制定了 从基础材料、 建模技术、数字计算、工艺技术、测试技术的详细路线图。大致可以总结为如下三个问题:

  超级铜线是一种高电导率的铜线技术,通过在铜材的基础上,复合碳纳米材料以提高导电率。复合的比例越高,导电能力越强,当复合率达到40%时可以达到两倍于纯铜的电导率。 目前存在的问题是生产技术不成熟,产品性能不稳定,而且成本非常高昂。但这是一种很有潜力的技术,因为它的理论成本极限非常低,应用前景又非常看好。虽然离发展成熟尚需要时日,但不可小觑。 “看不到、看不起、看不懂、来不及”,

  看得到”和“看得懂”的问题。这也是我做这个2025系列的初衷。UQM--美国能源部的-

  UQM 是美国科罗拉多州的一家技术型电驱动系统公司, 在业内可谓是大名鼎鼎。同时也是USdrive成员, 是美国能源部(DOE)的长期合作伙伴,密切的参与到新技术、新产品的研发。在DOE主持的无稀化永磁技术项目中:UQM、橡

  树岭、通用构成了电机级开发的三驾马车。UQM公司选择了非稀土永磁电机的路线,而橡树岭选择了同步磁阻电机的路线,通用选择了开关磁链无Dy永磁电机路线。

  近八年以来,美国能源部开始大幅支持去稀土化技术开发。只要一有机会就强调稀土的非安全性。这是 11到12年那场稀土风波引发的后遗症,在不到一年的时间内稀土价格暴涨暴跌几十倍。对于老美而言这就是一场“稀土危机”。让他们深刻的体会到了被人卡住脖子的痛感,一如现在中国的芯片危机。 老美是一朝被蛇咬十年怕井绳,从那以后,“轻稀土、少稀土、最好是无稀土”就是政治正确的问题。

  在当下,去稀土化的技术其实也有经济价值, 新能源领域,价格的竞争已日趋白热化,如何降低电机的成本越来越成为痛点, 钕铁硼磁钢是电机中最昂贵的部件,占到25~35%左右的成本,因此降低磁钢的成本是首选目标。

  UQM的目标和挑战在2011年,UQM选择用铝镍钴磁钢代替钕铁硼的技术路线,铝镍钴是一种什么材料呢?它的分子式AlNiCo,是30年代开发出来的一种永磁材料,当时因原材料丰富得以大范围应用,后因性能更好的钐钴、铷铁硼等材料发明而逐渐没落。

  稀土危机导致了人们重新把视野转向传统永磁材料, 铝镍钴的技术性能得以大幅度的提高。现在相比铷铁硼铝镍钴的磁性能如下:

  铝镍钴的Br和温度成反比,Hc和温度成正比,拐点随温度降低,能抗高温退磁

  但短板也相当明显,矫顽力仅达到120KA/m,只有的N38UH6%,而磁能积只有N38UH的15%

  相比彻底无永磁,UQM选择的是一条相对温和的路线kw电机开始入手,其开发目标归纳起来就是三条:

  尽管难度很大,但老美的冒险和挑战精神是不需要怀疑的。这个项目很快获得DOE的通过,那到了356万美元的投资,于2011年开始立项,计划2016年结题,项目实施总共分四个阶段。

  在DOE的主持下,UQM联合了三家单位为其作基础技术支持,其中NREL为其提供散热分析和设计、Ames提供关键的高性能铝镍钴材料,橡树岭实验室提供第三方测试验证。不得不说这是一个相当豪华的团队。

  这个阶段主要解决的问题的是如何设计磁极结构和磁钢形状,即能保证提供足够的磁通,又能保证不出现退磁。车用驱动电机要求很高的过载倍数, 大过载也意味着大电流,对于一个低矫顽力的磁材电机而言,如何抵抗退磁是最难的挑战。UQM团队在磁极结构上作了创新,他们设计了一种U型磁极结构,充磁方向是平行于U型线,以此来提高励磁磁场的场强。更进一步,他们的转子铁芯是不导电不导磁的材料。

  UQM工程师在完成了第一轮概念验证机设计,其它指标都满足要求。但发现大过载时,磁钢处于退磁临界点,最大转矩的

  负载线在铝镍钴退磁曲线的膝点附近。 尽管如此仍然决定继续下一个阶段概念样机的制造和测试验证工作。

  高速下的转子结构可靠性性。为了解决抗退磁的问题,磁钢设计的很厚,用料增加,高速下固定的难度也随之加大。为此UQM技术团队采用了压条、纤维带、胶水等多种设计手段来克服这个问题。

  (在装入定子前,该钢套会被取出。)第二个问题是 铝镍钴材料在制造过程中的碎裂问题,为此项目团队,制定了完整的加工生产过程规范,对工装和操作参数都做了详细约定。

  在成功克服了这两个困难后,重要制造完成POC1 &2 两台样机,并准备内部测试。一波三折·第一款原理验证样机的测试

  拿到样机, 首先对POC1做了反电动势测试,设计阶段的临界退磁问题,果然成真。

  当确认1号机退磁后,UQM决定继续对2号样机进行测试,为了防止再次出现退磁,最大转矩限制在了85%满载转矩。 不久

  坏消息,1号机后续的高速测试失败,AlNiCo8磁钢发生了碎裂,经过分析是这是强度不够,材质太脆引起的。 为了安全,2号机最高转速只测试到了5000rpm。

  2号机的测试结果基本和设计值相当,效率和功率密度、转矩脉动等其他指标都达到规定要求 ,这给了UQM技术团队一定的信心支持, 决定继续开发。直接进入第三阶段,正式样机开发。

  于此同时Amer公司在高性能铝镍钴材料开发上,也获得突破。他们是在AlNiCo8的基础上,开发了一种叫AlNiCo8X 材料。将高纯度的球状合金粉末,通过烧结挤压成型。Amer 声称能大幅度提高矫顽力,可是Amer公司未能提高足够多的粉末供原理验证机的制造,只能推迟到正式样机上使用。UQM 希望借这种材料能够彻底解决退磁问题。

  另一条战线上NREL在先进冷却技术方面取得了突破,他们开发成功了两种端部冷却技术,一种是采用绕组

  术。我们知道绕组端部的冷却较困难,容易形成局部热点,如果能注塑合适的导热材料,能够直接打通从端部到水冷机壳的热路通道,从而大幅降低 温升水平。

  ,采用喷淋或其它方式,直接给端部冷却。这种方法的冷却效果更好,但需要额外的设备和油路,增加系统的复杂性。

  UQM总结原理验证机的缺陷:一个是高速结构可靠性,另一个是退磁的问题。复盘以后,认为主要的问题出在:

  同时Amer公司为了避免再出现磁钢碎裂,决定采用强度更高的材料,并且还要进一步提高矫顽力,以提高抗退磁。新的材料命名为Alnico8HE,相对Alnico9,其矫顽力提升了13%,强度提高了43%,美中不足的是剩磁和磁能积下降了。

  非常可惜的,承担了大部分期望 高矫顽力AlNiCo8X材料,因为延期,未能赶上第二轮样机制造的进度。

  在2015年终于推出了改进过的正式样机,但关于它的资料相当的少。通过一些图片可以发现,转子结构有小的改动,U型磁钢变成V型,中间多了中间磁桥,应该是为了加强高速时的结构强度。

  在冷却技术方面, UQM在“绕组端部注塑”和“端部油冷”两者之间最终选择了前者。NREL 仍旧非常给力,给出了更多的仿真和测试数据,并进一步优化了端部注塑设计。

  绕组端部的最高温度被进一步降低,最佳的一组方案,从205℃降低到了165℃。降幅达到20%。

  这款电机的测试数据并未公布,但获得了DOE的官方认可,说明技术指标达到了相关预期,从设计数据中可以看出,退磁的问题解决了。

  值得注意的是:在项目评审时,一个关键的问题被提出:“虽然铝镍钴的价格是钕铁硼的三分之一,但是用量也接近三倍,如此成本优势就不突出”。UQM给出的答案是:“随着AlNiCo矫顽力的提高,钴用量的下降,磁钢的用量和成本会双双下降,成本优势会加大,这个趋势会非常明显。”因此问题的关键还在于Amer能否持续改善材料的性能。

  UQM团队视乎获得了相当大的信心,在2016年开始设计更大功率的铝镍钴电机,这次把目标定在了120kw,这是一款16极96槽的电机。

  在这六年内UQM的铝镍钴电机的技术创新之路,走的是相当坎坷。让我们再一次认识到:涉及到基础材料科学的创新是高风险项目。但这个过程还是有相当的经验值得我们学习:

  其次是研发联盟机制,一个项目除了主导企业,背后还有许多单位提供基础技术支撑,各自提供最擅长的长板参与合作;

  最后是积极乐观的心态。 测试失败、磁钢研发进度拖延,UQM技术团队没有过于计较一城一地得失,河北十一选五而是坚持往下走,没有解决的问题先放一放 。

  一个技术从提出到成熟,一个项目从立项到结题,就如一个人的成长一样,很难一帆风顺。世事无常,有些事我们很难掌控,能掌控的唯有 “

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