Aplikace a technická hodnota pokročilé keramiky v kontextu modernizace elektrifikace nových energetických vozidel

Transformace nových energetických vozidel z tradičního paliva na elektrický pohon, inteligentní ovládání a vysokonapěťové elektrické systémy nejen změnila strukturu napájení vozidla, ale také podpořila materiální modernizaci klíčových komponent, jako jsou vysokonapěťová relé, výkonové polovodiče, ložiska motoru a elektronické řídicí systémy. S neustálým vývojem 800V a vyšších platforem, systémů elektrických pohonů s vysokou-hustotou výkonu a technologií rychlého nabíjení a vybíjení čelí součásti také vyšším požadavkům na napětí, proud, teplotu, frekvenci a spolehlivost.

 

V tomto procesu se pokročilá keramika postupně rozšířila z tradičních konstrukčních materiálů na vysokonapěťovou elektriku, výkonovou elektroniku a pohonné systémy pro nová energetická vozidla, a to díky jejich vysoké dielektrické pevnosti, odolnosti vůči vysokým teplotám, odolnosti proti korozi, vysoké mechanické pevnosti a dobré rozměrové stabilitě. Jeho aplikace se zaměřuje na vysokonapěťová stejnosměrná spínací zařízení, obaly výkonových polovodičů, keramické vysokonapěťové stykače a motorová izolovaná ložiska.

 

 

 

Vysokonapěťový{0}}elektrický systém nových energetických vozidel obvykle vyžaduje relé nebo stykače k ​​dosažení spojení, odpojení a bezpečné izolace mezi baterií a vysokonapěťovými obvody, jako jsou invertory, motory a nabíjecí systémy. Ve srovnání s nízkonapěťovými automobilovými elektrickými systémy je přepínání ve vysokonapěťových stejnosměrných prostředích složitější. Zejména při odpojování obvodů za podmínek vysokého proudu je pravděpodobné, že mezi kontakty vzniknou oblouky, což klade vyšší požadavky na izolační strukturu a -zhášecí schopnosti oblouku.

 

Keramické materiály mají vynikající elektrické izolační vlastnosti a odolnost vůči vysokým teplotám a lze je použít v izolačních pláštích, izolačních pouzdrech a těsnících strukturách uvnitř vysokonapěťových stejnosměrných relé a stykačů. Spolehlivým utěsněním keramických a kovových materiálů lze vytvořit relativně uzavřený vnitřní pracovní prostor, který udržuje stabilní izolaci mezi vysokonapěťovými vodivými součástmi a vnější konstrukcí a zároveň poskytuje nezbytné těsnící podmínky pro médium zhášející oblouk.

 

Ve vysokonapěťových spínacích zařízeních je hliníková keramika jedním z nejběžnějších izolačních materiálů. Systémy oxidu hlinitého různé čistoty a výkonnostních úrovní lze dále vybírat na základě různých úrovní napětí, mechanické pevnosti, tepelných vlastností a požadavků na velikost. U dílů, které musí současně splňovat požadavky na izolaci, mechanickou podporu a kovové těsnění, může Alumina Metallized Ceramics dosáhnout spolehlivého spojení mezi keramikou a kovy prostřednictvím keramického povrchového pokovování a pájení.

 

Hodnota keramických materiálů v takových výrobcích není omezena na izolaci. Během provozu vysokonapěťových stykačů bude generováno přechodné teplo a mechanické namáhání, takže keramický plášť musí mít také dobrou tepelnou stabilitu, rozměrovou stabilitu a odolnost proti tepelným šokům. Výběr materiálu, konstrukční návrh a proces metalizace musí být komplexně navrženy na základě skutečných požadavků na provozní napětí, proud, teplotu a životnost.

 

 

 

Jedním z jader elektrického pohonného systému nových energetických vozidel je výkonová elektronická řídicí jednotka, jejíž hlavní funkcí je dokončit efektivní přeměnu mezi stejnosměrným napájením napájecí baterie a střídavým výkonem vyžadovaným motorem. S rostoucí hustotou výkonu elektrických pohonných systémů musí výkonová polovodičová zařízení odolávat vyšším proudům a častějším tepelným cyklům. Obalové materiály proto musí mít nejen dobré izolační vlastnosti, ale také musí brát v úvahu odvod tepla, mechanickou pevnost a přizpůsobení tepelné roztažnosti.

 

Keramické měděné-podklady se obvykle skládají z měděných vrstev, keramických izolačních vrstev a měděných vrstev. Keramická vrstva je zodpovědná za elektrickou izolaci a mechanické podpůrné funkce a měděná vrstva je zodpovědná za přenos proudu, připojení čipu a odvod tepla. Ve srovnání s čistými organickými izolačními materiály si keramické substráty mohou zachovat stabilní elektrické a mechanické vlastnosti v prostředí s vyšší teplotou, díky čemuž jsou vhodné pro výkonové elektronické moduly s vysokou-výkonovou-hustotou.

 

Běžné keramické materiály používané v současnosti v nových energetických modulech vozidel zahrnují oxid hlinitý, nitrid hliníku a nitrid křemíku. Oxid hlinitý se vyznačuje relativně nízkou cenou, dobrým izolačním výkonem a vyspělým procesem; nitrid hliníku má vysokou tepelnou vodivost a má výhody ve scénářích s vysokými požadavky na odvod tepla; nitrid křemíku má vysokou mechanickou pevnost, tepelnou stabilitu a odolnost proti tepelným cyklům a je vhodnější pro aplikace výkonové elektroniky, které vyžadují vysokou dlouhodobou- spolehlivost.

 

S tím, jak se nové energetické moduly vozidel vyvíjejí směrem k vysokému napětí, vysokému proudu a miniaturizaci, vzrostla také poptávka po vysoce{0}}přesných keramických metalizovaných součástkách, jako je Precision Metallized Ceramics. Metalizovaná vrstva na keramickém povrchu musí mít dobrou adhezní pevnost a stabilní elektrické vlastnosti a musí být schopna odolat napětí generovanému během následného svařování, pájení a tepelného cyklování.

 

Pro balení výkonových polovodičů je velmi důležité sladění koeficientu tepelné roztažnosti mezi keramickým materiálem a měděnou vrstvou. Během skutečného provozu budou nová energetická vozidla zažívat startování, zrychlování, brzdění, rychlé nabíjení a různé změny okolní teploty a napájecí modul bude opakovaně zahřívat a ochlazovat. Pokud je rozdíl v tepelné roztažnosti mezi materiály příliš velký, může dlouhodobé-cyklování tepla způsobit únavu rozhraní, praskliny nebo delaminaci, a tím ovlivnit životnost modulu.

 

Návrh keramického obalu nových výkonových modulů energetických vozidel proto musí brát v úvahu tepelnou vodivost, izolační pevnost, mechanickou pevnost, přizpůsobení tepelné roztažnosti a přesnost zpracování a nemůže se jednoduše spoléhat na určitý materiálový výkon jako základ pro výběr.

 

 

Keramika sama o sobě má vynikající izolační vlastnosti, ale ve skutečných elektronických zařízeních musí být keramika obvykle připojena ke kovovým vodičům, elektrodám nebo obalovým konstrukcím. Proto se metalizace povrchu keramiky stala důležitým procesem k dosažení spolehlivé kombinace keramiky a kovů.

 

Základní myšlenkou keramické metalizace je vytvořit na keramickém povrchu kovovou vrstvu o určité tloušťce a adhezní síle, aby ji bylo možné dále pájet, svařovat nebo podstupovat jiné spojovací zpracování. Metalizovaná vrstva potřebuje mít nejen dobrou elektrickou vodivost, ale také potřebuje vytvořit stabilní styčnou vazbu s keramickou matricí.

 

U vysokonapěťových zařízení nových energetických vozidel spolehlivost metalizační vrstvy přímo ovlivňuje vzduchotěsnost, izolační výkon a mechanickou stabilitu obalové konstrukce. Například keramický izolátor uvnitř vysokonapěťového relé- musí tvořit spolehlivé spojení s kovovým pláštěm; keramický substrát ve výkonovém polovodičovém modulu musí vytvořit stabilní vazbu s měděnou vrstvou.

 

Mezi vysoce{0}}přesnými elektronickými součástmi může přesné obrábění keramických dílů z oxidu hlinitého dále splňovat požadavky na komplexní velikost, toleranci, umístění otvorů a přesnost čelních ploch. U vysokonapěťových-zařízení pro nová energetická vozidla musí keramické díly často splňovat požadavky miniaturizace, složité struktury a zároveň vysoké spolehlivosti. Proto je třeba přípravu materiálu a přesné zpracování řídit společně.

 

 

 

Vysokonapěťový stykač je důležitým spínacím prvkem ve vysokonapěťovém{1}elektrickém systému nových energetických vozidel. Jeho hlavní funkcí je řídit spínání vysokonapěťových obvodů- během startování, zastavování, nabíjení a ochrany proti poruchám. Vzhledem k tomu, že baterie nových energetických vozidel obvykle používají stejnosměrné napětí v řádu stovek voltů nebo dokonce vyšší, musí vysokonapěťové stykače udržovat spolehlivý provoz i při vysokém elektrickém namáhání.

 

Keramické skříně stykačů HVDC obvykle plní více funkcí, jako je vnitřní izolace, konstrukční podpora a těsnění. Keramická pouzdra si musí udržovat stabilní izolaci ve vysokonapěťových{1}}prostředích a zároveň odolávat změnám vnitřní teploty a mechanickému namáhání.

 

Vysokonapěťové stykače obvykle používají keramické a kovové těsnící struktury. Spojovací oblast mezi keramikou a kovem je jedním z klíčů ke spolehlivosti celého zařízení. Pokud se na rozhraní těsnění vyskytnou vady, mohou se vlivem dlouhodobých-tepelných cyklů, mechanických vibrací nebo změn vnitřního tlaku objevit praskliny, netěsnosti a další problémy.

 

Výroba keramických vysokonapěťových stykačů proto obvykle vyžaduje zaměření na kontrolu čistoty keramických materiálů, kvalitu spékání, rozměrovou přesnost, kvalitu metalizační vrstvy a pevnost těsnění keramického-kovu. U vysoce-spolehlivých produktů je také vyžadováno ověření vzduchotěsnosti, elektrické izolace, napěťového odporu a tepelného cyklu.

 

Z hlediska materiálového inženýrství není spojení keramiky-k{1}}kovu jednoduchou mechanickou kombinací, ale zahrnuje několik faktorů, jako je koeficient tepelné roztažnosti materiálu, smáčivost rozhraní, výběr pájky, teplota těsnění a kontrola zbytkového napětí. Spolehlivost utěsnění a izolace vysokonapěťových zařízení může být zajištěna v dlouhodobém-provozu pouze dosažením stabilní kombinace keramických a kovových rozhraní.

 

 

Hnací motory nových energetických vozidel mají obvykle vysoké rychlosti otáčení a uvnitř motoru je složité elektromagnetické prostředí. Ve srovnání s tradičními mechanickými systémy musí ložiska nových motorů energetických vozidel kromě radiálního a axiálního zatížení čelit také problémům, jako je vysoká-rotace, nárůst teploty, proud a elektrická koroze.

 

Tradiční kovová ložiska mohou za určitých provozních podmínek motoru generovat hřídelové proudy. Když proud prochází vnitřkem ložiska, může se v kontaktní oblasti mezi valivým tělesem a oběžnou dráhou vytvořit obloukový výboj, který způsobí důlkovou korozi, erozi a poškození povrchu, což v konečném důsledku ovlivňuje životnost ložiska.

 

Keramické valivé prvky se vyznačují nízkou hustotou, vysokou tvrdostí, dobrou odolností proti opotřebení a vynikajícími elektroizolačními vlastnostmi. Hybridní keramická ložiska proto mají určitou aplikační hodnotu ve vysokootáčkových motorech a elektrifikovaných napájecích systémech. Kombinace keramických valivých prvků a kovových kroužků může snížit kvalitu valivých prvků při zachování strukturální pevnosti ložiska a zlepšit třecí a elektrické izolační vlastnosti za vysokých-provozních podmínek.

 

Požadavky na ložiska v motorech nových energetických vozidel také podpořily vývoj-vysokovýkonných keramických součástí, jako jsou vysoce-pevnostní metalizované keramické součásti. Přestože metalizovaná keramika a ložiska motorů patří k různým typům aplikací, ztělesňují stejný trend vývoje materiálů, kterým je řešení výkonnostních omezení tradičních kovových materiálů za specifických pracovních podmínek prostřednictvím izolačních vlastností keramických materiálů, vysoké pevnosti a odolnosti vůči vysokým teplotám.

 

 

Jak se napěťová platforma nových energetických vozidel neustále zlepšuje, rozsah použití pokročilé keramiky se postupně rozšiřuje z jednotlivých izolačních součástí na vysokonapěťové spínače, napájecí moduly, senzory, spojovací struktury a součásti související s tepelným řízením-.

 

Ve vysokonapěťových elektrických součástech může metalizovaná keramika z hliníku pro elektrické součásti dosáhnout integrace funkcí izolace, vodivosti a mechanického spojení prostřednictvím kombinace keramické izolační matrice a metalizovaných vodivých vrstev. Tato konstrukce je vhodná zejména pro elektrické komponenty s omezeným prostorem a vysokými požadavky na izolaci.

 

U vysokonapěťových zařízení, která vyžadují vyšší rozměrovou přesnost, mohou Precision Metallized Alumina Ceramic Components kombinovat přesné lisování, spékání, metalizaci a obrábění, aby vyhověly složitým strukturám a požadavkům na vysokou-přesnou montáž. Nové energetické automobilové díly se nadále vyvíjejí směrem k miniaturizaci, nízké hmotnosti a vysoké hustotě výkonu, díky čemuž je také důležitější kontrola rozměrů a konzistence zpracování keramických dílů.

 

Na druhou stranu, jak se zvyšuje provozní napětí a spínací frekvence výkonových polovodičů, musí keramické izolační materiály také čelit vyšší intenzitě elektrického pole a rychlejším změnám napětí. Konstrukce, jako jsou metalizované keramické izolační trubky a metalizované keramické díly, lze použít pro speciální elektrické součásti, které vyžadují funkci izolace, vodivého spojení a zapouzdření, což poskytuje kompaktnější konstrukční řešení pro vysokonapěťové elektrické systémy.

 

 

 

Aplikace pokročilé keramiky v nových energetických vozidlech není jednoduchou náhradou materiálu, ale systematickým projektem zahrnujícím materiály, struktury, procesy a ověřování spolehlivosti.

 

Nejprve je třeba vybrat vhodné keramické materiály na základě provozního napětí, teploty, proudu, mechanického zatížení a podmínek prostředí. Za druhé, procesy lisování, slinování, přesné obrábění a pokovování povrchu je třeba určit podle struktury součásti. U vysokotlakých těsnicích zařízení je třeba dále zvážit přizpůsobení tepelné roztažnosti keramických a kovových materiálů a zbytkové napětí těsnění.

 

U výkonové elektroniky vyžadují keramické substráty také zaměření na životnost tepelného cyklu a spolehlivost rozhraní. Jak se nová energetická vozidla postupně vyvíjejí z tradičních IGBT na vysoce výkonné -výkonné-pásmové výkonové polovodiče, rychlost přepínání a hustota výkonu výkonových modulů se stále zvyšují a požadavky na izolační materiály a obalové konstrukce se budou dále zvyšovat.

 

Precizní pokročilé keramické metalizační díly na bázi oxidu hlinitého s vysokou čistotou jsou vhodné pro speciální elektronické součástky, které vyžadují vysokou čistotu, izolační výkon, rozměrovou přesnost a spolehlivost pokovování. Takové výrobky obvykle vyžadují plnou kontrolu procesu od keramického prášku, lisování, slinování až po přesné obrábění a metalizaci.

 

 

Z hlediska celkového technologického směru vývoje nových energetických vozidel představuje aplikace pokročilé keramiky především tři trendy.

 

Za prvé, vysoké napětí zvyšuje poptávku po izolační keramice. S postupnou aplikací 800V a vyšších platforem se požadavky na izolační materiály ve vysokonapěťových stykačích, relé, výkonových modulech a nabíjecích systémech stále zvyšují. Keramické materiály mají vysokou dielektrickou pevnost a tepelnou odolnost, takže mají dobrý základ pro použití ve vysokonapěťových elektrických součástkách.

 

Za druhé, vysoká hustota výkonu pohání modernizaci keramických obalových materiálů. Nové systémy elektrického pohonu energetických vozidel potřebují dosáhnout vyššího výkonu na menším prostoru a hustota tepelného toku výkonových polovodičů se stále zvyšuje. Proto bude věnována větší pozornost keramickým substrátům a obalovým materiálům s dobrou tepelnou vodivostí a mechanickou spolehlivostí.

 

Za třetí, precizní výroba podporuje vývoj keramických dílů do složitých struktur. Nové energetické automobilové díly mají stále vyšší požadavky na hmotnost, prostor a spolehlivost. Keramické komponenty budou nejen plnit tradiční izolační funkce, ale mohou také dále integrovat funkce, jako je podpora, odvod tepla, balení a elektrické připojení.

 

Celkově se pokročilá keramika stala důležitým materiálovým systémem v oblasti vysokonapěťové elektrotechniky a výkonové elektroniky nových energetických vozidel. Od izolačního pouzdra vysokonapěťových relé přes keramické měděné-podložky ve výkonových polovodičových modulech až po vysokonapěťové stykače, izolační ložiska a metalizované keramické spojovací díly, keramika přebírá stále více klíčových funkcí v elektrifikační architektuře nových energetických vozidel.

 

V budoucnu, jak se nová energetická vozidla vyvíjejí směrem k vyššímu napětí, vyšší hustotě výkonu, vyšší spolehlivosti a menší velikosti, bude hodnotaPřesné keramické komponenty z metalizovaného hliníkumateriály se dále přemění z jednoduchých izolačních materiálů na vysoce{0}}výkonné konstrukční a funkční materiály. Neustálý pokrok v technologiích, jako je receptura materiálu, přesné lisování, metalizace, těsnění z keramiky-na{3}}kov a testování spolehlivosti, se stanou důležitým základem pro pokročilou keramiku, aby dále vstoupila do dodavatelského řetězce klíčových dílů nových energetických vozidel.