Aplikácia a technická hodnota pokročilej keramiky v kontexte modernizácie elektrifikácie nových energetických vozidiel

Transformácia nových energetických vozidiel z tradičného pohonu paliva na elektrický pohon, inteligentné ovládanie a vysokonapäťové elektrické systémy zmenila nielen štruktúru pohonu vozidla, ale podporila aj materiálnu modernizáciu kľúčových komponentov, ako sú vysokonapäťové relé, výkonové polovodiče, ložiská motora a elektronické riadiace systémy. S neustálym vývojom platforiem s napätím 800 V a vyšším, systémov elektrických pohonov s vysokou-hustotou výkonu a technológií rýchleho nabíjania a vybíjania čelia komponenty aj vyšším požiadavkám na napätie, prúd, teplotu, frekvenciu a spoľahlivosť.

 

V tomto procese sa pokročilá keramika postupne rozšírila z tradičných konštrukčných materiálov na vysokonapäťovú elektriku, výkonovú elektroniku a hnacie systémy pre nové energetické vozidlá, a to vďaka ich vysokej dielektrickej pevnosti, odolnosti voči vysokej teplote, odolnosti proti korózii, vysokej mechanickej pevnosti a dobrej rozmerovej stabilite. Jeho aplikácia sa zameriava na vysokonapäťové spínacie zariadenia jednosmerného prúdu, obaly výkonových polovodičov, keramické vysokonapäťové stýkače a motorové izolované ložiská.

 

 

 

Vysokonapäťový{0}}elektrický systém nových energetických vozidiel zvyčajne vyžaduje relé alebo stykače na dosiahnutie spojenia, odpojenia a bezpečnej izolácie medzi batériou a vysokonapäťovými{1}} obvodmi, ako sú meniče, motory a nabíjacie systémy. V porovnaní s-nízkonapäťovými automobilovými elektrickými systémami je prepínanie vo vysokonapäťových{4}}prostrediach jednosmerného prúdu zložitejšie. Najmä pri odpájaní obvodov v podmienkach vysokého prúdu je pravdepodobné, že medzi kontaktmi vzniknú oblúky, čo kladie vyššie požiadavky na izolačnú štruktúru a-zhášacie schopnosti oblúka.

 

Keramické materiály majú vynikajúce elektrické izolačné vlastnosti a odolnosť voči vysokej teplote a možno ich použiť v izolačných plášťoch, izolačných puzdrách a tesniacich štruktúrach vo vnútri vysokonapäťových jednosmerných relé a stykačov. Spoľahlivým utesnením keramických a kovových materiálov možno vytvoriť relatívne uzavretý vnútorný pracovný priestor, ktorý udrží stabilnú izoláciu medzi vysokonapäťovými vodivými komponentmi a vonkajšou konštrukciou a zároveň poskytne potrebné tesniace podmienky pre médium na zhášanie oblúka.

 

Vo vysokonapäťových spínacích zariadeniach je hliníková keramika jedným z najbežnejších izolačných materiálov. Systémy oxidu hlinitého s rôznou čistotou a úrovňou výkonu možno ďalej vyberať na základe rôznych úrovní napätia, mechanickej pevnosti, tepelných vlastností a požiadaviek na veľkosť. Pre diely, ktoré musia súčasne spĺňať požiadavky na izoláciu, mechanickú podporu a kovové tesnenie, môže Alumina Metallized Ceramics dosiahnuť spoľahlivé spojenie medzi keramikou a kovmi prostredníctvom procesov pokovovania keramického povrchu a spájkovania.

 

Hodnota keramických materiálov v takýchto výrobkoch nie je obmedzená na izoláciu. Počas prevádzky vysokonapäťových stýkačov sa bude generovať prechodné teplo a mechanické napätie, takže keramický plášť musí mať aj dobrú tepelnú stabilitu, rozmerovú stabilitu a odolnosť proti tepelným šokom. Výber materiálu, konštrukčný návrh a proces pokovovania musia byť komplexne navrhnuté na základe skutočných požiadaviek na prevádzkové napätie, prúd, teplotu a životnosť.

 

 

 

Jedným z jadier elektrického pohonného systému nových energetických vozidiel je výkonová elektronika, ktorej hlavnou funkciou je dokončiť efektívnu premenu medzi jednosmerným napájaním napájacej batérie a striedavým prúdom vyžadovaným motorom. So zvyšujúcou sa hustotou výkonu elektrických pohonných systémov musia výkonové polovodičové zariadenia odolávať vyšším prúdom a častejším tepelným cyklom. Obalové materiály preto musia mať nielen dobré izolačné vlastnosti, ale musia brať do úvahy aj odvod tepla, mechanickú pevnosť a prispôsobenie tepelnej rozťažnosti.

 

Keramické medené-podklady sa zvyčajne skladajú z medených vrstiev, keramických izolačných vrstiev a medených vrstiev. Keramická vrstva je zodpovedná za elektrickú izoláciu a funkcie mechanickej podpory a medená vrstva je zodpovedná za prenos prúdu, pripojenie čipu a odvod tepla. V porovnaní s čistými organickými izolačnými materiálmi si keramické substráty môžu zachovať stabilné elektrické a mechanické vlastnosti v prostrediach s vyššími teplotami, vďaka čomu sú vhodné pre výkonové elektronické moduly s vysokou-výkonovou-hustotou.

 

Bežné keramické materiály používané v súčasnosti v nových energetických moduloch vozidiel zahŕňajú oxid hlinitý, nitrid hliníka a nitrid kremíka. Oxid hlinitý má vlastnosti relatívne nízkej ceny, dobrého izolačného výkonu a zrelého procesu; nitrid hliníka má vysokú tepelnú vodivosť a má výhody v scenároch s vysokými požiadavkami na odvod tepla; nitrid kremíka má vysokú mechanickú pevnosť, tepelnú stabilitu a odolnosť voči tepelným cyklom a je vhodnejší pre aplikácie výkonovej elektroniky, ktoré vyžadujú vysokú-dlhodobú spoľahlivosť.

 

Ako sa nové energetické moduly vozidiel vyvíjajú smerom k vysokému napätiu, vysokému prúdu a miniaturizácii, zvýšil sa aj dopyt po vysoko{0}}precíznych keramických metalizovaných komponentoch, ako je Precision Metallized Ceramics. Metalizovaná vrstva na keramickom povrchu musí mať dobrú priľnavosť a stabilné elektrické vlastnosti a musí byť schopná odolať namáhaniu vznikajúcemu počas následného zvárania, tvrdého spájkovania a tepelných cyklov.

 

Pre balenie výkonových polovodičov je veľmi dôležité zosúladiť koeficient tepelnej rozťažnosti medzi keramickým materiálom a medenou vrstvou. Počas skutočnej prevádzky nové energetické vozidlá zažijú štartovanie, zrýchlenie, brzdenie, rýchle nabíjanie a rôzne zmeny teploty prostredia a napájací modul bude opakovane vykurovať a chladiť. Ak je rozdiel v tepelnej rozťažnosti medzi materiálmi príliš veľký, dlhodobé-tepelné cykly môžu spôsobiť únavu rozhrania, praskliny alebo delamináciu, a tým ovplyvniť životnosť modulu.

 

Pri návrhu keramického obalu nových výkonových modulov energetických vozidiel je preto potrebné brať do úvahy tepelnú vodivosť, izolačnú pevnosť, mechanickú pevnosť, prispôsobenie tepelnej rozťažnosti a presnosť spracovania a nemôže sa jednoducho spoliehať na určitý materiálový výkon ako základ pre výber.

 

 

Samotná keramika má vynikajúce izolačné vlastnosti, ale v skutočných elektronických zariadeniach je keramika zvyčajne potrebná na pripojenie ku kovovým vodičom, elektródam alebo obalovým štruktúram. Preto sa metalizácia povrchu keramiky stala dôležitým procesom na dosiahnutie spoľahlivej kombinácie keramiky a kovov.

 

Základnou myšlienkou keramickej metalizácie je vytvoriť na keramickom povrchu kovovú vrstvu s určitou hrúbkou a adhéznou silou, aby ju bolo možné ďalej spájkovať, zvárať alebo podrobiť ďalšiemu spracovaniu spojov. Metalizovaná vrstva musí mať nielen dobrú elektrickú vodivosť, ale tiež potrebuje vytvoriť stabilnú medzifázovú väzbu s keramickou matricou.

 

V prípade vysokonapäťových zariadení nových energetických vozidiel spoľahlivosť metalizovanej vrstvy priamo ovplyvňuje vzduchotesnosť, izolačný výkon a mechanickú stabilitu obalovej konštrukcie. Napríklad keramický izolátor vo vnútri vysokonapäťového relé- musí tvoriť spoľahlivé spojenie s kovovým plášťom; keramický substrát vo výkonovom polovodičovom module musí vytvoriť stabilnú väzbu s medenou vrstvou.

 

Spomedzi vysoko presných elektronických súčiastok môže presné obrábanie keramických dielov z oxidu hlinitého ďalej spĺňať požiadavky na komplexnú veľkosť, toleranciu, umiestnenie otvorov a presnosť čelných plôch. Pre vysokonapäťové-zariadenia pre nové energetické vozidlá musia keramické diely často spĺňať požiadavky na miniaturizáciu, komplexnú štruktúru a zároveň vysokú spoľahlivosť. Preto je potrebné spoločne kontrolovať prípravu materiálu a presné spracovanie.

 

 

 

Vysokonapäťový stýkač je dôležitým spínacím prvkom vo vysokonapäťovom elektrickom systéme nových energetických vozidiel. - Jeho hlavnou funkciou je ovládanie spínania vysokonapäťových obvodov-počas štartovania, zastavenia, nabíjania vozidla a ochrany pred poruchami. Keďže napájacie batérie nových energetických vozidiel zvyčajne používajú jednosmerné napätie stoviek voltov alebo dokonca vyššie, vysokonapäťové stýkače musia udržiavať spoľahlivú prevádzku pri vysokom elektrickom namáhaní.

 

Keramické kryty stykačov HVDC zvyčajne vykonávajú viaceré funkcie, ako je vnútorná izolácia, konštrukčná podpora a tesnenie. Keramické kryty si musia zachovať stabilnú izoláciu vo vysokonapäťovom{1}}prostredí a zároveň odolávať zmenám vnútornej teploty a mechanickému namáhaniu.

 

Vysokonapäťové stýkače zvyčajne používajú keramické a kovové tesniace konštrukcie. Spojovacia oblasť medzi keramikou a kovom je jedným z kľúčov k spoľahlivosti celého zariadenia. Ak sa na rozhraní tesnenia vyskytnú chyby, pôsobením dlhodobých-tepelných cyklov, mechanických vibrácií alebo zmien vnútorného tlaku sa môžu vyskytnúť praskliny, netesnosti a iné problémy.

 

Výroba keramických vysokonapäťových stýkačov si preto zvyčajne vyžaduje zamerať sa na kontrolu čistoty keramických materiálov, kvality spekania, rozmerovej presnosti, kvality metalizačnej vrstvy a pevnosti tesnenia keramického-kovu. V prípade produktov s vysokou-spoľahlivosťou sa vyžaduje aj overenie vzduchotesnosti, elektrickej izolácie, napäťového odporu a tepelného cyklu.

 

Z hľadiska materiálového inžinierstva nie je spojenie keramiky{0}}k{1}}kovu jednoduchou mechanickou kombináciou, ale zahŕňa viacero faktorov, ako sú koeficient tepelnej rozťažnosti materiálu, zmáčavosť rozhrania, výber spájky, teplota tesnenia a kontrola zvyškového napätia. Spoľahlivosť tesnenia a izolácie vysokonapäťových zariadení môže byť zaistená v dlhodobej prevádzke iba dosiahnutím stabilnej kombinácie keramických a kovových rozhraní.

 

 

Hnacie motory nových energetických vozidiel majú zvyčajne vysoké rýchlosti otáčania a vo vnútri motora je zložité elektromagnetické prostredie. V porovnaní s tradičnými mechanickými systémami musia ložiská motorov nových energetických vozidiel okrem radiálneho a axiálneho zaťaženia čeliť aj problémom, ako sú vysoké-otáčky, nárast teploty, prúdová a elektrická korózia.

 

Tradičné kovové ložiská môžu za určitých prevádzkových podmienok motora vytvárať prúdy hriadeľa. Keď prúd prechádza vnútrom ložiska, môže sa v oblasti kontaktu medzi valivým prvkom a obežnou dráhou vytvoriť oblúkový výboj, ktorý spôsobí bodovú koróziu, eróziu a poškodenie povrchu, čo v konečnom dôsledku ovplyvňuje životnosť ložiska.

 

Keramické valivé prvky sa vyznačujú nízkou hustotou, vysokou tvrdosťou, dobrou odolnosťou proti opotrebovaniu a vynikajúcimi elektrickými izolačnými vlastnosťami. Hybridné keramické ložiská majú preto určitú aplikačnú hodnotu vo vysokootáčkových motoroch a elektrifikovaných systémoch{1}. Kombinácia keramických valivých telies a kovových objímok môže znížiť kvalitu valivých telies pri zachovaní konštrukčnej pevnosti ložiska a zlepšiť trecie a elektrické izolačné vlastnosti pri vysoko-prevádzkových podmienkach.

 

Požiadavky na ložiská v motoroch nových energetických vozidiel tiež podporili vývoj-vysokovýkonných keramických komponentov, ako sú napríklad vysoko-kovové keramické komponenty. Hoci metalizovaná keramika a ložiská motorov patria k rôznym typom aplikácií, stelesňujú rovnaký trend vývoja materiálov, ktorým je riešenie výkonnostných obmedzení tradičných kovových materiálov za špecifických pracovných podmienok prostredníctvom izolácie, vysokej pevnosti a odolnosti keramických materiálov voči vysokej teplote.

 

 

Ako sa napäťová platforma nových energetických vozidiel neustále zlepšuje, rozsah použitia pokročilej keramiky sa postupne rozširuje z jednotlivých izolačných komponentov na vysokonapäťové spínače, napájacie moduly, senzory, spojovacie štruktúry a komponenty súvisiace s tepelným manažmentom-.

 

Vo vysokonapäťových elektrických komponentoch môže metalizovaná keramika z hliníka pre elektrické komponenty dosiahnuť integráciu funkcií izolácie, vodivosti a mechanického spojenia prostredníctvom kombinácie keramickej izolačnej matrice a metalizovaných vodivých vrstiev. Táto konštrukcia je vhodná najmä pre elektrické komponenty s obmedzeným priestorom a vysokými požiadavkami na izoláciu.

 

Pre vysokonapäťové{0}}zariadenia, ktoré vyžadujú vyššiu rozmerovú presnosť, môžu Precision Metallized Alumina Ceramic Components skombinovať presné lisovanie, spekanie, metalizáciu a obrábacie procesy, aby vyhovovali zložitým štruktúram a požiadavkám na vysokú{1}}presnú montáž. Nové energetické automobilové diely sa naďalej vyvíjajú smerom k miniaturizácii, nízkej hmotnosti a vysokej hustote výkonu, čo tiež zvyšuje dôležitosť kontroly rozmerov a konzistencie spracovania keramických dielov.

 

Na druhej strane, keď sa prevádzkové napätie a spínacia frekvencia výkonových polovodičov zvyšuje, keramické izolačné materiály musia tiež čeliť vyššej intenzite elektrického poľa a rýchlejšej rýchlosti zmeny napätia. Konštrukcie, ako sú metalizované keramické izolačné rúrky a metalizované keramické diely, možno použiť pre špeciálne elektrické komponenty, ktoré vyžadujú funkciu izolácie, vodivého spojenia a zapuzdrenia, čím poskytujú kompaktnejšie konštrukčné riešenia pre vysokonapäťové elektrické systémy.

 

 

 

Aplikácia pokrokovej keramiky v nových energetických vozidlách nie je jednoduchou náhradou materiálu, ale systematickým projektom zahŕňajúcim materiály, konštrukcie, procesy a overovanie spoľahlivosti.

 

Najprv je potrebné zvoliť vhodné keramické materiály na základe prevádzkového napätia, teploty, prúdu, mechanického zaťaženia a podmienok prostredia. Po druhé, procesy tvarovania, spekania, presného obrábania a povrchovej metalizácie je potrebné určiť podľa štruktúry komponentov. V prípade vysokotlakových tesniacich zariadení je potrebné ďalej zvážiť prispôsobenie tepelnej rozťažnosti keramických a kovových materiálov a zvyškové napätie tesnenia.

 

Pre výkonovú elektroniku vyžadujú keramické substráty tiež zameranie na životnosť tepelného cyklu a spoľahlivosť rozhrania. Ako sa nové energetické vozidlá postupne vyvíjajú z tradičných IGBT na vysokovýkonné výkonové polovodiče so širokým rozsahom pásma-, rýchlosť spínania a hustota výkonu výkonových modulov sa neustále zvyšujú a požiadavky na izolačné materiály a obalové konštrukcie sa budú ďalej zvyšovať.

 

Precízne pokročilé keramické metalizačné diely z oxidu hlinitého s vysokou čistotou sú vhodné pre špeciálne elektronické komponenty, ktoré vyžadujú vysokú čistotu, izolačný výkon, rozmerovú presnosť a spoľahlivosť pokovovania. Takéto výrobky zvyčajne vyžadujú úplnú kontrolu procesu od keramického prášku, lisovania, spekania až po presné obrábanie a metalizáciu.

 

 

Z pohľadu celkového smerovania technologického vývoja nových energetických vozidiel predstavuje aplikácia pokrokovej keramiky najmä tri trendy.

 

Po prvé, vysoké napätie zvyšuje dopyt po izolačnej keramike. S postupnou aplikáciou 800 V a vyšších platforiem sa požiadavky na izolačné materiály vo vysokonapäťových stýkačoch, relé, výkonových moduloch a nabíjacích systémoch neustále zvyšujú. Keramické materiály majú vysokú dielektrickú pevnosť a tepelnú odolnosť, takže majú dobrý základ aplikácie vo vysokonapäťových elektrických komponentoch.

 

Po druhé, vysoká hustota výkonu poháňa modernizáciu keramických obalových materiálov. Nové systémy elektrického pohonu energetických vozidiel potrebujú dosiahnuť vyšší výkon na menšom priestore a hustota tepelného toku výkonových polovodičov sa neustále zvyšuje. Preto sa viac pozornosti bude venovať keramickým substrátom a obalovým materiálom s dobrou tepelnou vodivosťou a mechanickou spoľahlivosťou.

 

Po tretie, presná výroba podporuje vývoj keramických dielov do zložitých štruktúr. Nové energetické diely automobilov majú čoraz vyššie požiadavky na hmotnosť, priestor a spoľahlivosť. Keramické komponenty budú vykonávať nielen tradičné izolačné funkcie, ale môžu tiež ďalej integrovať funkcie, ako je podpora, odvod tepla, balenie a elektrické pripojenie.

 

Celkovo sa pokročilá keramika stala dôležitým materiálovým systémom v oblasti vysokonapäťovej{0}}elektriky a výkonovej elektroniky nových energetických vozidiel. Od izolačného puzdra vysokonapäťových relé, cez keramické medené- substráty vo výkonových polovodičových moduloch až po vysokonapäťové stýkače, izolačné ložiská a metalizované keramické spojovacie časti, keramika preberá stále viac kľúčových funkcií v elektrifikačnej architektúre nových energetických vozidiel.

 

V budúcnosti, keď sa nové energetické vozidlá vyvíjajú smerom k vyššiemu napätiu, vyššej hustote výkonu, vyššej spoľahlivosti a menšej veľkosti, bude hodnotaPresné keramické komponenty z metalizovaného oxidu hlinitéhomateriály sa budú ďalej transformovať z jednoduchých izolačných materiálov na vysokovýkonné štrukturálne a funkčné materiály. Neustály pokrok v technológiách, ako je formulácia materiálu, presné lisovanie, metalizácia, tesnenie z keramiky-na{3}}kov a testovanie spoľahlivosti, sa stanú dôležitým základom pre pokročilú keramiku, aby mohla ďalej vstúpiť do dodávateľského reťazca základných častí nových energetických vozidiel.