Aplicarea și valoarea tehnică a ceramicii avansate în contextul modernizării electrificării vehiculelor cu energie nouă

Transformarea vehiculelor cu energie nouă de la alimentarea tradițională cu combustibil la acționare electrică, control inteligent și sisteme electrice de{0}}înaltă tensiune nu numai că a schimbat structura de putere a vehiculului, dar a promovat și îmbunătățirea materială a componentelor cheie, cum ar fi releele de-tensiune înaltă, semiconductorii de putere, rulmenții pentru motor și sistemele electronice de control. Odată cu dezvoltarea continuă a platformelor de 800 V și cu tensiune mai mare, a sistemelor de acționare electrică cu densitate mare de-putere și a tehnologiilor de încărcare și descărcare rapidă, componentele se confruntă, de asemenea, cu cerințe mai mari de tensiune, curent, temperatură, frecvență și fiabilitate.

 

În acest proces, ceramica avansată s-a extins treptat de la materialele structurale tradiționale la sistemele electrice, electronice de putere și de transmisie de -tensiune înaltă pentru vehicule cu energie nouă, datorită rezistenței dielectrice ridicate, rezistenței la temperaturi ridicate, rezistenței la coroziune, rezistenței mecanice ridicate și stabilității dimensionale bune. Aplicația sa se concentrează pe dispozitive de comutare de înaltă tensiune de curent continuu-, ambalaje de semiconductori de putere, contactoare ceramice de înaltă tensiune- și rulmenți izolați pentru motor.

 

 

 

Sistemul electric de-înaltă tensiune al vehiculelor cu energie nouă necesită de obicei relee sau contactori pentru a realiza conectarea, deconectarea și izolarea în siguranță între acumulatorul și circuitele de-înaltă tensiune, cum ar fi invertoarele, motoarele și sistemele de încărcare. În comparație cu sistemele electrice pentru automobile de joasă-tensiune, comutarea în medii de curent continuu de-înaltă tensiune este mai complexă. În special atunci când deconectați circuite în condiții de curent ridicat, este posibil să apară arcuri între contacte, ceea ce impune cerințe mai mari asupra structurii de izolație și capacităților de stingere a arcului-.

 

Materialele ceramice au proprietăți excelente de izolare electrică și rezistență la temperaturi ridicate și pot fi utilizate în carcase izolante, manșoane izolatoare și structuri de etanșare din interiorul releelor ​​și contactoarelor DC de-înaltă tensiune. Prin etanșarea fiabilă a materialelor ceramice și metalice, se poate forma un spațiu de lucru intern relativ închis pentru a menține o izolație stabilă între componentele conductoare de-înaltă tensiune și structura exterioară, oferind în același timp condițiile de etanșare necesare pentru mediul de stingere a arcului.

 

În dispozitivele de comutare de-înaltă tensiune, ceramica de alumină este unul dintre cele mai comune materiale izolatoare. Sistemele de alumină cu diferite niveluri de puritate și performanță pot fi selectate în continuare pe baza diferitelor niveluri de tensiune, rezistență mecanică, proprietăți termice și cerințe de dimensiune. Pentru piesele care trebuie să îndeplinească cerințele de izolație, suport mecanic și etanșare metalică în același timp, ceramica metalizată cu alumină poate realiza conexiuni fiabile între ceramică și metale prin procese de metalizare și lipire a suprafețelor ceramice.

 

Valoarea materialelor ceramice din astfel de produse nu se limitează la izolație. Căldura tranzitorie și stresul mecanic vor fi generate în timpul funcționării contactoarelor-de înaltă tensiune, astfel încât carcasa ceramică trebuie să aibă și o bună stabilitate termică, stabilitate dimensională și rezistență la șocuri termice. Selecția materialului, proiectarea structurală și procesul de metalizare trebuie să fie proiectate cuprinzător pe baza cerințelor reale de tensiune, curent, temperatură și durată de funcționare.

 

 

 

Unul dintre nucleele sistemului de acționare electrică a vehiculelor cu energie nouă este controlerul electronic de putere, a cărui funcție principală este de a finaliza conversia eficientă între puterea DC a bateriei de putere și puterea AC necesară motorului. Pe măsură ce densitatea de putere a sistemelor de acționare electrică crește, dispozitivele semiconductoare de putere trebuie să reziste la curenți mai mari și cicluri termice mai frecvente. Prin urmare, materialele de ambalare nu trebuie doar să aibă proprietăți bune de izolare, dar trebuie să ia în considerare și disiparea căldurii, rezistența mecanică și potrivirea expansiunii termice.

 

Substraturile placate-de cupru ceramic sunt de obicei compuse din straturi de cupru, straturi de izolație ceramică și straturi de cupru. Stratul ceramic este responsabil pentru izolarea electrică și funcțiile de suport mecanic, iar stratul de cupru este responsabil pentru transmisia curentului, conexiunea cipului și disiparea căldurii. În comparație cu materialele izolante organice pure, substraturile ceramice pot menține proprietăți electrice și mecanice stabile în medii cu temperaturi mai ridicate, făcându-le potrivite pentru modulele electronice de putere-putere-de densitate mare.

 

Materialele ceramice obișnuite utilizate în prezent în modulele de putere ale vehiculelor cu energie nouă includ oxid de aluminiu, nitrură de aluminiu și nitrură de siliciu. Oxidul de aluminiu are caracteristicile unui cost relativ moderat, performanță bună de izolare și un proces matur; nitrura de aluminiu are o conductivitate termică ridicată și are avantaje în scenarii cu cerințe mari de disipare a căldurii; nitrura de siliciu are rezistență mecanică ridicată, stabilitate termică și rezistență la ciclul termic și este mai potrivită pentru aplicațiile electronice de putere care necesită o fiabilitate ridicată-pe termen lung.

 

Pe măsură ce modulele de putere ale vehiculelor cu energie noi se dezvoltă spre înaltă tensiune, curent ridicat și miniaturizare, cererea pentru componente metalizate ceramice de înaltă{0}}precizie, cum ar fi ceramica metalizată de precizie, a crescut. Stratul de metalizare de pe suprafața ceramică trebuie să aibă o bună aderență și proprietăți electrice stabile și să poată rezista la stresul generat în timpul sudării, lipirii și ciclurilor termice ulterioare.

 

Pentru ambalarea semiconductoarelor de putere, potrivirea coeficientului de dilatare termică dintre materialul ceramic și stratul de cupru este foarte importantă. În timpul funcționării efective, vehiculele cu energie noi vor experimenta pornire, accelerare, frânare, încărcare rapidă și diferite modificări ale temperaturii mediului, iar modulul de putere va experimenta în mod repetat încălzirea și răcirea. Dacă diferența de dilatare termică între materiale este prea mare, ciclul termic-pe termen lung poate cauza oboseală, fisuri sau delaminare a interfeței, afectând astfel durata de viață a modulului.

 

Prin urmare, designul ambalajului ceramic al modulelor de putere a vehiculelor noi trebuie să ia în considerare conductivitatea termică, rezistența izolației, rezistența mecanică, potrivirea expansiunii termice și acuratețea procesării în același timp și nu se poate baza pur și simplu pe o anumită performanță a materialului ca bază pentru selecție.

 

 

Ceramica în sine are proprietăți excelente de izolare, dar în dispozitivele electronice reale, ceramica trebuie de obicei conectată la conductori metalici, electrozi sau structuri de ambalare. Prin urmare, metalizarea suprafeței ceramice a devenit un proces important pentru a obține o combinație fiabilă de ceramică și metale.

 

Ideea de bază a metalizării ceramice este de a forma un strat de metal cu o anumită grosime și rezistență de aderență pe suprafața ceramică, astfel încât să poată fi lipită, sudată sau supusă altor procesări de conectare. Stratul metalizat nu numai că trebuie să aibă o conductivitate electrică bună, ci și să formeze o legătură stabilă de interfață cu matricea ceramică.

 

Pentru dispozitivele de-înaltă tensiune ale vehiculelor cu energie nouă, fiabilitatea stratului de metalizare afectează direct etanșeitatea la aer, performanța izolației și stabilitatea mecanică a structurii ambalajului. De exemplu, izolatorul ceramic din interiorul releului de-înaltă tensiune trebuie să formeze o conexiune fiabilă cu carcasa metalică; substratul ceramic din modulul semiconductor de putere trebuie să formeze o legătură stabilă cu stratul de cupru.

 

Printre componentele electronice de-înaltă precizie, prelucrarea de precizie a pieselor ceramice cu alumină poate îndeplini în continuare cerințele complexe privind dimensiunea, toleranța, locația găurilor și precizia față de capăt. Pentru dispozitivele de înaltă-tensiune pentru vehicule cu energie nouă, piesele ceramice trebuie adesea să îndeplinească cerințele de miniaturizare, structură complexă și fiabilitate ridicată în același timp. Prin urmare, pregătirea materialului și prelucrarea de precizie trebuie controlate în colaborare.

 

 

 

Un contactor de-tensiune înaltă este o componentă importantă de comutare în sistemul electric de-înaltă tensiune al vehiculelor cu energie nouă. Funcția sa principală este de a controla comutarea circuitelor de înaltă-tensiune în timpul pornirii, opririi, încărcării și protecției defecțiunilor vehiculului. Deoarece bateriile de alimentare cu energie nouă pentru vehicule utilizează de obicei tensiuni de curent continuu de sute de volți sau chiar mai mari, contactorii de înaltă-tensiune trebuie să mențină funcționarea fiabilă în condiții de stres electric ridicat.

 

Carcasele ceramice pentru contactoare HVDC îndeplinesc de obicei funcții multiple, cum ar fi izolarea interioară, suportul structural și etanșarea. Carcasele ceramice trebuie să mențină o izolație stabilă în medii de-înaltă tensiune, rezistând în același timp la schimbările de temperatură internă și la solicitările mecanice.

 

Contactoarele de-înaltă tensiune utilizează de obicei structuri de etanșare din ceramică și metal. Zona de legătură dintre ceramică și metal este una dintre cheile fiabilității întregului dispozitiv. Dacă există defecte în interfața de etanșare, pot apărea fisuri, scurgeri și alte probleme sub acțiunea-ciclurilor termice pe termen lung, a vibrațiilor mecanice sau a modificărilor de presiune internă.

 

Prin urmare, fabricarea de contactoare ceramice de înaltă tensiune- necesită de obicei concentrarea asupra controlului purității materialelor ceramice, a calității sinterizării, a preciziei dimensionale, a calității stratului de metalizare și a rezistenței de etanșare a metalului ceramic-. Pentru produsele de înaltă-fiabilitate, este necesară și verificarea etanșeității la aer, a izolației electrice, a rezistenței la tensiune și a ciclului termic.

 

Din perspectiva ingineriei materialelor, conexiunea ceramică-la-metal nu este o simplă combinație mecanică, ci implică mai mulți factori, cum ar fi coeficientul de dilatare termică a materialului, umectarea interfeței, selecția lipiturii, temperatura de etanșare și controlul tensiunii reziduale. Numai prin realizarea unei combinații stabile de interfețe ceramice și metalice poate fi asigurată etanșarea și fiabilitatea izolației dispozitivelor de înaltă-tensiune în funcționarea pe termen lung-.

 

 

Motoarele de acționare a vehiculelor cu energie nouă au de obicei viteze de rotație mari și există un mediu electromagnetic complex în interiorul motorului. În comparație cu sistemele mecanice tradiționale, pe lângă suportul sarcinilor radiale și axiale, rulmenții de motor pentru vehicule cu energie noi trebuie să se confrunte și cu probleme precum rotația cu viteză mare-, creșterea temperaturii, curentul și coroziunea electrică.

 

Lagărele metalice tradiționale pot genera curenți de arbore în anumite condiții de funcționare a motorului. Când curentul trece prin interiorul rulmentului, se poate forma o descărcare de arc în zona de contact dintre elementul de rulare și calea de rulare, provocând coroziune, eroziune și deteriorarea suprafeței, afectând în cele din urmă durata de viață a rulmentului.

 

Elementele de rulare ceramice au caracteristicile de densitate scăzută, duritate ridicată, rezistență bună la uzură și proprietăți excelente de izolare electrică. Prin urmare, rulmenții ceramici hibridi au o anumită valoare de aplicație în-motoarele de mare viteză și sistemele de alimentare electrificate. Combinația dintre elementele de rulare ceramice și manșele metalice poate reduce calitatea elementelor de rulare, menținând în același timp rezistența structurală a rulmentului și poate îmbunătăți proprietățile de frecare și izolație electrică în condiții de operare cu viteză mare-.

 

Cerințele pentru rulmenți pentru motoarele de vehicule cu energie nouă au promovat, de asemenea, dezvoltarea de componente ceramice-de înaltă performanță, cum ar fi componentele ceramice metalizate de înaltă-rezistență. Deși ceramica metalizată și rulmenții de motor aparțin unor tipuri diferite de aplicații, ele întruchipează aceeași tendință de dezvoltare a materialelor, care este de a rezolva limitările de performanță ale materialelor metalice tradiționale în condiții specifice de lucru prin proprietățile de izolare, rezistență ridicată și rezistență la temperaturi ridicate ale materialelor ceramice.

 

 

Pe măsură ce platforma de tensiune a vehiculelor cu energie noi continuă să se îmbunătățească, domeniul de aplicare al ceramicii avansate se extinde treptat de la componente unice de izolație la comutatoare de-înaltă tensiune, module de alimentare, senzori, structuri de conexiune și componente legate de managementul termic-.

 

În componentele electrice de-înaltă tensiune, ceramica cu alumină metalizată pentru componente electrice poate realiza integrarea funcțiilor de izolație, conductivitate și conectare mecanică prin combinarea unei matrice izolatoare ceramice și a straturilor conductoare metalizate. Această structură este potrivită în special pentru componentele electrice cu spațiu limitat și cerințe ridicate de izolare.

 

Pentru dispozitivele de înaltă tensiune-care necesită o precizie dimensională mai mare, Componentele ceramice cu alumină metalizată cu precizie pot combina procese de turnare de precizie, sinterizare, metalizare și prelucrare pentru a îndeplini structurile complexe și cerințele de asamblare de-înaltă precizie. Piesele de automobile cu energie noi continuă să se dezvolte către miniaturizare, greutate ușoară și densitate mare de putere, ceea ce face, de asemenea, controlul dimensional și consistența procesării pieselor ceramice mai importante.

 

Pe de altă parte, pe măsură ce tensiunea de funcționare și frecvența de comutare a semiconductorilor de putere cresc, materialele izolatoare ceramice trebuie, de asemenea, să se confrunte cu o intensitate mai mare a câmpului electric și rate mai rapide de schimbare a tensiunii. Structurile precum tuburile izolatoare din ceramică metalizată și piesele ceramice metalizate pot fi utilizate pentru componente electrice speciale care necesită atât izolație, conexiune conductivă, cât și funcții de încapsulare, oferind soluții structurale mai compacte pentru sistemele electrice de-înaltă tensiune.

 

 

 

Aplicarea ceramicii avansate în vehiculele cu energie nouă nu este o simplă înlocuire de material, ci un proiect sistematic care implică materiale, structuri, procese și verificarea fiabilității.

 

În primul rând, materialele ceramice adecvate trebuie selectate în funcție de tensiunea de funcționare, temperatură, curent, sarcină mecanică și condițiile de mediu. În al doilea rând, procesele de turnare, sinterizare, prelucrare de precizie și metalizare a suprafeței trebuie determinate în funcție de structura componentei. Pentru dispozitivele de etanșare cu presiune înaltă-, potrivirea dilatației termice dintre materialele ceramice și metalice și tensiunea reziduală de etanșare trebuie luată în considerare în continuare.

 

Pentru electronica de putere, substraturile ceramice necesită, de asemenea, accent pe durata de viață a ciclului termic și pe fiabilitatea interfeței. Pe măsură ce vehiculele cu energie noi se dezvoltă treptat de la IGBT-uri tradiționale la semiconductori de putere cu bandă interzisă-de performanță mare-, viteza de comutare și densitatea de putere a modulelor de putere continuă să crească, iar cerințele pentru materiale izolatoare și structuri de ambalare vor crește și mai mult.

 

Piesele de metalizare ceramică avansată de precizie cu alumină de înaltă puritate sunt potrivite pentru componente electronice speciale care necesită puritate ridicată, performanță de izolare, precizie dimensională și fiabilitate a metalizării. Astfel de produse necesită de obicei un control complet al procesului de la pulbere ceramică, turnare, sinterizare, până la prelucrare de precizie și metalizare.

 

 

Din perspectiva direcției generale de dezvoltare tehnologică a vehiculelor cu energie nouă, aplicarea ceramicii avansate prezintă în principal trei tendințe.

 

În primul rând, tensiunea înaltă crește cererea de ceramică izolatoare. Odată cu aplicarea treptată a platformelor de 800 V și de tensiune mai mare, cerințele pentru materialele de izolație din contactoarele, releele, modulele de putere și sistemele de încărcare de înaltă tensiune-și continuă să crească. Materialele ceramice au rezistență dielectrică ridicată și rezistență la căldură, astfel încât au o bază bună de aplicare în componentele electrice de-înaltă tensiune.

 

În al doilea rând, densitatea mare de putere conduce la modernizarea materialelor de ambalare ceramice. Noile sisteme de acționare electrică a vehiculelor cu energie trebuie să atingă o putere mai mare într-un spațiu mai mic, iar densitatea fluxului de căldură al semiconductorilor de putere continuă să crească. Prin urmare, substraturile ceramice și materialele de ambalare cu conductivitate termică bună și fiabilitate mecanică vor primi mai multă atenție.

 

În al treilea rând, producția de precizie promovează dezvoltarea pieselor ceramice în structuri complexe. Piesele auto cu energie noi au cerințe din ce în ce mai mari pentru greutate, spațiu și fiabilitate. Componentele ceramice nu numai că vor îndeplini funcții tradiționale de izolație, dar pot integra în continuare funcții precum suport, disiparea căldurii, ambalare și conexiune electrică.

 

În general, ceramica avansată a devenit un sistem de materiale important în domeniile electrice de înaltă tensiune și electronice de putere ale vehiculelor cu energie nouă. De la carcasa izolatoare a releelor ​​de-tensiune înaltă, la substraturile placate cu cupru-ceramic din modulele semiconductoare de putere, până la contactori de-tensiune înaltă, rulmenți izolatori și piesele de legătură din ceramică metalizată, ceramica își asumă din ce în ce mai multe funcții cheie în arhitectura de electrificare a vehiculelor cu energie nouă.

 

În viitor, pe măsură ce vehiculele cu energie noi se dezvoltă spre o tensiune mai mare, o densitate mai mare de putere, o fiabilitate mai mare și o dimensiune mai mică, valoareaComponente ceramice cu alumină metalizată de preciziematerialele se vor transforma în continuare de la simple materiale de izolare la materiale structurale și funcționale de înaltă{0}}performanță. Avansarea continuă a tehnologiilor precum formularea materialelor, turnarea de precizie, metalizarea, etanșarea ceramică-la-metal și testarea fiabilității va deveni o bază importantă pentru ca ceramica avansată să intre în continuare în lanțul de aprovizionare al pieselor de bază ale vehiculelor cu energie noi.