Zastosowanie i wartość techniczna zaawansowanej ceramiki w kontekście modernizacji elektryfikacji nowych pojazdów energetycznych

Transformacja pojazdów zasilanych nowymi energią z tradycyjnego napędu paliwowego na napęd elektryczny, inteligentne sterowanie i systemy elektryczne-wysokonapięciowego nie tylko zmieniła strukturę mocy pojazdu, ale także przyczyniła się do istotnej modernizacji kluczowych komponentów, takich jak przekaźniki wysokiego-napięcia, półprzewodniki mocy, łożyska silnika i elektroniczne systemy sterowania. W związku z ciągłym rozwojem platform o napięciu 800 V i wyższym,-elektrycznych systemów napędowych o dużej gęstości mocy oraz technologii szybkiego ładowania i rozładowywania, podzespoły muszą także stawić czoła wyższym wymaganiom w zakresie napięcia, prądu, temperatury, częstotliwości i niezawodności.

 

W tym procesie zaawansowana ceramika stopniowo rozszerzyła się z tradycyjnych materiałów konstrukcyjnych na-elektrykę wysokiego napięcia, energoelektronikę i układy napędowe do pojazdów nowych źródeł energii ze względu na ich wysoką wytrzymałość dielektryczną, odporność na wysoką temperaturę, odporność na korozję, wysoką wytrzymałość mechaniczną i dobrą stabilność wymiarową. Jego zastosowanie koncentruje się na urządzeniach przełączających wysokiego-prądu stałego, obudowach półprzewodników mocy, ceramicznych stycznikach wysokiego-napięcia i izolowanych łożyskach silników.

 

 

 

Układ elektryczny-wysokonapięciowego pojazdów nowych źródeł energii zwykle wymaga przekaźników lub styczników, aby zapewnić połączenie, rozłączenie i bezpieczną izolację pomiędzy zestawem akumulatorów a obwodami-wysokiego napięcia, takimi jak falowniki, silniki i systemy ładowania. W porównaniu z samochodowymi systemami elektrycznymi-o niskim napięciu, przełączanie w środowiskach prądu stałego-o wysokim napięciu jest bardziej złożone. Szczególnie podczas odłączania obwodów w warunkach wysokiego natężenia prądu pomiędzy stykami może pojawić się łuk, co stawia wyższe wymagania dotyczące konstrukcji izolacji i możliwości{{6}gaszenia łuku.

 

Materiały ceramiczne mają doskonałe właściwości izolacji elektrycznej i odporność na wysoką temperaturę i mogą być stosowane w powłokach izolacyjnych, tulejach izolacyjnych i konstrukcjach uszczelniających wewnątrz-przekaźników i styczników prądu stałego wysokiego napięcia. Dzięki niezawodnemu uszczelnieniu materiałów ceramicznych i metalowych można utworzyć stosunkowo zamkniętą wewnętrzną przestrzeń roboczą, aby utrzymać stabilną izolację pomiędzy elementami przewodzącymi wysokie-napięcie a konstrukcją zewnętrzną, zapewniając jednocześnie niezbędne warunki uszczelnienia dla środka gaśniczego łuku.

 

W urządzeniach przełączających-wysokonapięciowych ceramika z tlenku glinu jest jednym z najpowszechniejszych materiałów izolacyjnych. Systemy tlenku glinu o różnych poziomach czystości i wydajności można dalej wybierać w oparciu o różne poziomy napięcia, wytrzymałość mechaniczną, właściwości termiczne i wymagania dotyczące wielkości. W przypadku części, które muszą jednocześnie spełniać wymagania dotyczące izolacji, wsparcia mechanicznego i uszczelnienia metalu, ceramika metalizowana z tlenku glinu może uzyskać niezawodne połączenia między ceramiką i metalami poprzez metalizację powierzchni ceramicznych i procesy lutowania.

 

Wartość materiałów ceramicznych w takich produktach nie ogranicza się do izolacji. Podczas działania styczników wysokiego napięcia będą generowane przejściowe ciepło i naprężenia mechaniczne, dlatego powłoka ceramiczna musi również charakteryzować się dobrą stabilnością termiczną, stabilnością wymiarową i odpornością na szok termiczny. Wybór materiału, projekt konstrukcyjny i proces metalizacji muszą być zaprojektowane kompleksowo w oparciu o rzeczywiste wymagania dotyczące napięcia roboczego, prądu, temperatury i trwałości.

 

 

 

Jednym z rdzeni elektrycznego układu napędowego pojazdów nowej energii jest elektroniczny sterownik mocy, którego główną funkcją jest dokończenie efektywnej konwersji pomiędzy mocą prądu stałego akumulatora mocy a mocą prądu przemiennego wymaganą przez silnik. W miarę wzrostu gęstości mocy elektrycznych układów napędowych urządzenia półprzewodnikowe mocy muszą wytrzymywać wyższe prądy i częstsze cykle termiczne. Dlatego materiały opakowaniowe muszą nie tylko charakteryzować się dobrymi właściwościami izolacyjnymi, ale także uwzględniać odprowadzanie ciepła, wytrzymałość mechaniczną i dopasowanie rozszerzalności cieplnej.

 

Podłoża pokryte miedzią-ceramiczną zwykle składają się z warstw miedzi, ceramicznych warstw izolacyjnych i warstw miedzi. Warstwa ceramiczna odpowiada za izolację elektryczną i funkcje wsparcia mechanicznego, a warstwa miedzi odpowiada za transmisję prądu, połączenie chipów i odprowadzanie ciepła. W porównaniu z czysto organicznymi materiałami izolacyjnymi podłoża ceramiczne mogą zachować stabilne właściwości elektryczne i mechaniczne w środowiskach o wyższej temperaturze, dzięki czemu nadają się do stosowania w modułach energoelektronicznych o dużej-mocy-gęstości.

 

Powszechnie stosowane materiały ceramiczne stosowane obecnie w modułach zasilania pojazdów nowej generacji obejmują tlenek glinu, azotek glinu i azotek krzemu. Tlenek glinu charakteryzuje się stosunkowo umiarkowanym kosztem, dobrymi właściwościami izolacyjnymi i dojrzałym procesem; azotek glinu ma wysoką przewodność cieplną i ma zalety w scenariuszach o wysokich wymaganiach dotyczących rozpraszania ciepła; azotek krzemu ma wysoką wytrzymałość mechaniczną, stabilność termiczną i odporność na cykle termiczne i jest bardziej odpowiedni do zastosowań w energoelektronice, które wymagają wysokiej-długoterminowej niezawodności.

 

W miarę rozwoju nowych modułów zasilania pojazdów energetycznych w kierunku wysokiego napięcia, wysokiego prądu i miniaturyzacji, wzrosło również zapotrzebowanie na-precyzyjne, ceramiczne, metalizowane komponenty, takie jak precyzyjna ceramika metalizowana. Warstwa metalizująca na powierzchni ceramicznej musi mieć dobrą przyczepność i stabilne właściwości elektryczne, a także być w stanie wytrzymać naprężenia powstające podczas późniejszego spawania, lutowania twardego i cykli termicznych.

 

W przypadku opakowań półprzewodników mocy bardzo ważne jest dopasowanie współczynnika rozszerzalności cieplnej pomiędzy materiałem ceramicznym a warstwą miedzi. Podczas rzeczywistej eksploatacji nowe pojazdy energetyczne będą doświadczać rozruchu, przyspieszania, hamowania, szybkiego ładowania i różnych zmian temperatury otoczenia, a moduł mocy będzie wielokrotnie nagrzewany i chłodzony. Jeśli różnica w rozszerzalności cieplnej pomiędzy materiałami jest zbyt duża,-długoterminowe cykle termiczne mogą powodować zmęczenie interfejsu, pęknięcia lub rozwarstwienie, wpływając w ten sposób na żywotność modułu.

 

Dlatego projekt opakowania ceramicznego nowych modułów zasilania pojazdów energetycznych musi jednocześnie uwzględniać przewodność cieplną, wytrzymałość izolacji, wytrzymałość mechaniczną, dopasowanie rozszerzalności cieplnej i dokładność przetwarzania i nie może po prostu opierać się na określonych właściwościach materiału jako podstawie wyboru.

 

 

Ceramika sama w sobie ma doskonałe właściwości izolacyjne, ale w rzeczywistych urządzeniach elektronicznych ceramika zwykle musi być połączona z metalowymi przewodnikami, elektrodami lub konstrukcjami opakowaniowymi. Dlatego metalizacja powierzchni ceramicznych stała się ważnym procesem umożliwiającym uzyskanie niezawodnego połączenia ceramiki i metali.

 

Podstawową ideą metalizacji ceramiki jest utworzenie na powierzchni ceramiki warstwy metalu o określonej grubości i sile przyczepności, tak aby można ją było dalej lutować, spawać, czy też poddać innej obróbce połączeniowej. Warstwa metalizowana musi nie tylko mieć dobrą przewodność elektryczną, ale także musi tworzyć stabilne połączenie międzyfazowe z matrycą ceramiczną.

 

W przypadku urządzeń-wysokonapięciowego pojazdów nowej generacji niezawodność warstwy metalizacji wpływa bezpośrednio na szczelność powietrzną, właściwości izolacyjne i stabilność mechaniczną konstrukcji opakowania. Na przykład izolator ceramiczny wewnątrz przekaźnika-wysokiego napięcia musi tworzyć niezawodne połączenie z metalową obudową; podłoże ceramiczne w module półprzewodnika mocy musi tworzyć stabilne połączenie z warstwą miedzi.

 

Wśród-precyzyjnych komponentów elektronicznych precyzyjna obróbka części ceramicznych z tlenku glinu może dodatkowo spełnić złożone wymagania dotyczące rozmiaru, tolerancji, lokalizacji otworów i dokładności powierzchni czołowej. W przypadku urządzeń-wysokonapięciowych do pojazdów nowych źródeł energii części ceramiczne często muszą spełniać wymagania dotyczące miniaturyzacji, złożonej struktury i jednocześnie wysokiej niezawodności. Dlatego przygotowanie materiału i precyzyjne przetwarzanie muszą być kontrolowane wspólnie.

 

 

 

Stycznik wysokiego napięcia-jest ważnym elementem przełączającym w układzie elektrycznym-wysokonapięciowego pojazdów nowych źródeł energii. Jego główną funkcją jest sterowanie przełączaniem obwodów-wysokiego napięcia podczas uruchamiania i zatrzymywania pojazdu, ładowania oraz ochrona przed awariami. Ponieważ nowe akumulatory do pojazdów zasilanych energią elektryczną zwykle wykorzystują napięcie prądu stałego wynoszące setki woltów lub nawet wyższe, styczniki wysokonapięciowe muszą zapewniać niezawodne działanie nawet przy dużym obciążeniu elektrycznym.

 

Obudowy ceramiczne styczników HVDC zwykle pełnią wiele funkcji, takich jak izolacja wewnętrzna, wsparcie konstrukcyjne i uszczelnienie. Obudowy ceramiczne muszą utrzymywać stabilną izolację w-środowiskach wysokiego napięcia, a jednocześnie wytrzymywać wewnętrzne zmiany temperatury i naprężenia mechaniczne.

 

W stycznikach-wysokonapięciowych zwykle stosuje się ceramiczne i metalowe struktury uszczelniające. Obszar połączenia ceramiki z metalem jest jednym z kluczy do niezawodności całego urządzenia. Jeśli w uszczelnieniu występują defekty, mogą wystąpić pęknięcia, nieszczelności i inne problemy w wyniku działania-długich cykli termicznych, wibracji mechanicznych lub zmian ciśnienia wewnętrznego.

 

Dlatego produkcja ceramicznych styczników wysokiego napięcia-zwykle wymaga skupienia się na kontrolowaniu czystości materiałów ceramicznych, jakości spiekania, dokładności wymiarowej, jakości warstwy metalizacji i wytrzymałości uszczelnienia-ceramiki. W przypadku produktów-o wysokiej niezawodności wymagana jest również weryfikacja szczelności, izolacji elektrycznej, odporności na napięcie i cyklu cieplnego.

 

Z punktu widzenia inżynierii materiałowej połączenie ceramiki-z-metalem nie jest prostą kombinacją mechaniczną, ale obejmuje wiele czynników, takich jak współczynnik rozszerzalności cieplnej materiału, zwilżalność granicy faz, dobór lutu, temperatura uszczelnienia i kontrola naprężeń szczątkowych. Tylko poprzez osiągnięcie stabilnej kombinacji interfejsów ceramicznych i metalowych można zapewnić niezawodność uszczelnienia i izolacji urządzeń-wysokonapięciowych podczas długotrwałej-pracy.

 

 

Silniki napędowe pojazdów nowej generacji charakteryzują się zwykle dużymi prędkościami obrotowymi, a wewnątrz silnika występuje złożone środowisko elektromagnetyczne. W porównaniu z tradycyjnymi układami mechanicznymi, oprócz przenoszenia obciążeń promieniowych i osiowych, łożyska silników nowych pojazdów energetycznych muszą także stawić czoła problemom, takim jak-szybkie obroty, wzrost temperatury, prąd i korozja elektryczna.

 

Tradycyjne łożyska metalowe mogą generować prądy na wale w pewnych warunkach pracy silnika. Gdy prąd przepływa przez wnętrze łożyska, w obszarze styku elementu tocznego z bieżnią może powstać wyładowanie łukowe, powodując korozję wżerową, erozję i uszkodzenie powierzchni, co ostatecznie wpływa na trwałość łożyska.

 

Ceramiczne elementy toczne charakteryzują się niską gęstością, wysoką twardością, dobrą odpornością na zużycie i doskonałymi właściwościami izolacji elektrycznej. Dlatego hybrydowe łożyska ceramiczne mają pewne zastosowanie w-silnikach o dużej prędkości i zelektryfikowanych systemach zasilania. Połączenie ceramicznych elementów tocznych i tulejek metalowych może obniżyć jakość elementów tocznych przy jednoczesnym zachowaniu wytrzymałości konstrukcyjnej łożyska oraz poprawić właściwości cierne i izolacyjne w warunkach pracy-z dużymi prędkościami.

 

Wymagania dotyczące łożysk w silnikach pojazdów wykorzystujących nowe źródła energii również sprzyjają rozwojowi-komponentów ceramicznych o wysokiej wydajności, takich jak metalizowane komponenty ceramiczne o wysokiej{{1}wytrzymałości. Chociaż metalizowana ceramika i łożyska silników mają różne zastosowania, ucieleśniają ten sam trend w rozwoju materiałów, który polega na rozwiązywaniu ograniczeń wydajności tradycyjnych materiałów metalowych w określonych warunkach pracy poprzez właściwości izolacyjne, wysoką wytrzymałość i odporność na wysoką temperaturę materiałów ceramicznych.

 

 

W miarę ciągłego udoskonalania platformy napięciowej nowych pojazdów energetycznych zakres zastosowań zaawansowanej ceramiki stopniowo rozszerza się, począwszy od pojedynczych elementów izolacyjnych, a skończywszy na przełącznikach-wysokonapięciowego, modułach mocy, czujnikach, konstrukcjach połączeniowych i komponentach związanych z zarządzaniem temperaturą-.

 

W przypadku podzespołów elektrycznych-wysokonapięciowego ceramika z metalizowanego tlenku glinu do elementów elektrycznych może zapewnić integrację funkcji izolacji, przewodności i połączeń mechanicznych dzięki połączeniu ceramicznej matrycy izolacyjnej i metalizowanych warstw przewodzących. Konstrukcja ta jest szczególnie odpowiednia dla elementów elektrycznych o ograniczonej przestrzeni i wysokich wymaganiach izolacyjnych.

 

W przypadku urządzeń-wysokonapięciowych, które wymagają większej dokładności wymiarowej, elementy precyzyjnie metalizowanego tlenku glinu mogą łączyć procesy precyzyjnego formowania, spiekania, metalizacji i obróbki, aby sprostać złożonym strukturom i wymaganiom-wysokiej precyzji montażu. Nowe części samochodowe wykorzystujące energię wciąż się rozwijają w kierunku miniaturyzacji, lekkości i dużej gęstości mocy, co również sprawia, że ​​ważniejsza jest kontrola wymiarowa i spójność przetwarzania części ceramicznych.

 

Z drugiej strony, wraz ze wzrostem napięcia roboczego i częstotliwości przełączania półprzewodników mocy, ceramiczne materiały izolacyjne muszą również stawić czoła wyższemu natężeniu pola elektrycznego i szybszym zmianom napięcia. Konstrukcje takie jak metalizowane ceramiczne rurki izolacyjne i metalizowane części ceramiczne można stosować w przypadku specjalnych komponentów elektrycznych, które wymagają zarówno izolacji, połączenia przewodzącego, jak i funkcji hermetyzacji, zapewniając bardziej kompaktowe rozwiązania konstrukcyjne dla systemów elektrycznych-wysokiego napięcia.

 

 

 

Zastosowanie zaawansowanej ceramiki w nowych pojazdach energetycznych nie jest prostą wymianą materiału, ale systematycznym projektem obejmującym materiały, konstrukcje, procesy i weryfikację niezawodności.

 

Po pierwsze, należy wybrać odpowiednie materiały ceramiczne w oparciu o napięcie robocze, temperaturę, prąd, obciążenie mechaniczne i warunki środowiskowe. Po drugie, procesy formowania, spiekania, precyzyjnej obróbki i metalizacji powierzchni należy określić w zależności od struktury elementu. W przypadku wysokociśnieniowych-urządzeń uszczelniających należy dokładniej rozważyć dopasowanie rozszerzalności cieplnej materiałów ceramicznych i metalowych oraz naprężenie szczątkowe uszczelnienia.

 

W przypadku energoelektroniki podłoża ceramiczne również wymagają skupienia się na trwałości cyklu termicznego i niezawodności interfejsu. W miarę stopniowego przekształcania nowych pojazdów energetycznych z tradycyjnych tranzystorów IGBT w stronę wysokowydajnych-półprzewodników mocy-z szeroką przerwą wzbronioną, prędkość przełączania i gęstość mocy modułów mocy stale rosną, a wymagania dotyczące materiałów izolacyjnych i konstrukcji opakowań również będą dalej rosły.

 

Precyzyjne, zaawansowane ceramiczne części metalizujące o wysokiej czystości z tlenku glinu nadają się do specjalnych komponentów elektronicznych, które wymagają wysokiej czystości, właściwości izolacyjnych, dokładności wymiarowej i niezawodności metalizacji. Takie produkty zwykle wymagają pełnej kontroli procesu, od proszku ceramicznego, formowania, spiekania, po precyzyjną obróbkę i metalizację.

 

 

Z punktu widzenia ogólnego kierunku rozwoju technologicznego pojazdów nowych źródeł energii, zastosowanie zaawansowanej ceramiki prezentuje głównie trzy nurty.

 

Po pierwsze, wysokie napięcie zwiększa zapotrzebowanie na ceramikę izolacyjną. Wraz ze stopniowym wprowadzaniem platform o napięciu 800 V i wyższym wymagania dotyczące materiałów izolacyjnych w stycznikach, przekaźnikach, modułach mocy i systemach ładowania-wysokonapięciowego stale rosną. Materiały ceramiczne charakteryzują się wysoką wytrzymałością dielektryczną i odpornością na ciepło, dzięki czemu stanowią dobrą podstawę do zastosowań w komponentach elektrycznych-wysokiego napięcia.

 

Po drugie, wysoka gęstość mocy napędza ulepszenie ceramicznych materiałów opakowaniowych. Nowe elektryczne układy napędowe pojazdów energetycznych muszą osiągać wyższą moc wyjściową na mniejszej przestrzeni, a gęstość przepływu ciepła w półprzewodnikach mocy stale rośnie. Dlatego też większą uwagę skupi się na podłożach ceramicznych i materiałach opakowaniowych charakteryzujących się dobrą przewodnością cieplną i niezawodnością mechaniczną.

 

Po trzecie, precyzyjna produkcja sprzyja rozwojowi części ceramicznych w złożone struktury. Nowe części samochodowe zasilane energią mają coraz wyższe wymagania dotyczące masy, przestrzeni i niezawodności. Komponenty ceramiczne będą nie tylko pełnić tradycyjne funkcje izolacyjne, ale mogą także dodatkowo integrować funkcje, takie jak wsparcie, odprowadzanie ciepła, pakowanie i połączenie elektryczne.

 

Ogólnie rzecz biorąc, zaawansowana ceramika stała się ważnym systemem materiałowym w-elektryce i elektronice wysokiego napięcia w pojazdach nowych źródeł energii. Od izolacyjnych obudów przekaźników-wysokiego napięcia, przez ceramiczne miedziane-podłoża w modułach półprzewodników mocy, po styczniki wysokiego-napięcia, łożyska izolacyjne i metalizowane ceramiczne części łączące, ceramika przejmuje coraz więcej kluczowych funkcji w architekturze elektryfikacji pojazdów nowych źródeł energii.

 

W przyszłości, w miarę rozwoju nowych pojazdów energetycznych w kierunku wyższego napięcia, wyższej gęstości mocy, wyższej niezawodności i mniejszych rozmiarów, wartośćPrecyzyjne elementy ceramiczne z metalizowanego tlenku glinumateriały będą w dalszym ciągu przekształcać się z prostych materiałów izolacyjnych w-wydajne materiały strukturalne i funkcjonalne. Ciągły rozwój technologii, takich jak formułowanie materiałów, precyzyjne formowanie, metalizacja, uszczelnianie ceramiki-z-metalem i testowanie niezawodności stanie się dla zaawansowanej ceramiki ważną podstawą do dalszego wejścia do łańcucha dostaw głównych części pojazdów nowych energii.