Uporaba in tehnična vrednost napredne keramike v kontekstu nadgradnje elektrifikacije novih energetskih vozil

Preoblikovanje novih energetskih vozil s tradicionalnega pogona na gorivo na električni pogon, inteligentno krmiljenje in visoko{0}}napetostne električne sisteme ni spremenilo le strukture moči vozila, temveč je spodbudilo tudi materialno nadgradnjo ključnih komponent, kot so visoko{1}}napetostni releji, močnostni polprevodniki, ležaji motorjev in elektronski krmilni sistemi. Z nenehnim razvojem platform 800 V in višjih napetosti, električnih pogonskih sistemov z visoko-gostoto moči ter tehnologij hitrega polnjenja in praznjenja se komponente soočajo tudi z višjimi zahtevami glede napetosti, toka, temperature, frekvence in zanesljivosti.

 

V tem procesu se je napredna keramika zaradi svoje visoke dielektrične trdnosti, odpornosti na visoke temperature, odpornosti proti koroziji, visoke mehanske trdnosti in dobre dimenzijske stabilnosti postopoma razširila iz tradicionalnih strukturnih materialov v visoko{0}}napetostno elektriko, močnostno elektroniko in pogonske sisteme za nova energijska vozila. Njegova uporaba se osredotoča na visoko-napetostne preklopne naprave za enosmerni tok, embalažo močnostnih polprevodnikov, keramične-visokonapetostne kontaktorje in motorno izolirane ležaje.

 

 

 

Visok{0}}električni sistem novih energetskih vozil običajno zahteva releje ali kontaktorje za doseganje povezave, odklopa in varne izolacije med akumulatorjem in visoko{1}}napetostnimi vezji, kot so pretvorniki, motorji in polnilni sistemi. V primerjavi z nizko-napetostnimi avtomobilskimi električnimi sistemi je preklapljanje v visoko-napetostnih enosmernih okoljih bolj zapleteno. Zlasti pri odklopu tokokrogov v pogojih visokega toka je verjetno, da bo prišlo do oblokov med kontakti, kar postavlja višje zahteve glede strukture izolacije in zmožnosti-gašenja obloka.

 

Keramični materiali imajo odlične električne izolacijske lastnosti in odpornost na visoke temperature ter se lahko uporabljajo v izolacijskih ovojih, izolacijskih rokavih in tesnilnih strukturah znotraj visokonapetostnih enosmernih relejev in kontaktorjev. Z zanesljivim tesnjenjem keramičnih in kovinskih materialov je mogoče oblikovati razmeroma zaprt notranji delovni prostor za ohranitev stabilne izolacije med-visokonapetostnimi prevodnimi komponentami in zunanjo strukturo, hkrati pa zagotoviti potrebne pogoje tesnjenja za medij za gašenje obloka.

 

V visokonapetostnih stikalnih napravah je keramika iz aluminijevega oksida eden pogostejših izolacijskih materialov. Sisteme aluminijevega oksida z različnimi nivoji čistosti in učinkovitosti je mogoče dodatno izbrati na podlagi različnih napetostnih nivojev, mehanske trdnosti, toplotnih lastnosti in zahtev glede velikosti. Za dele, ki morajo hkrati izpolnjevati zahteve glede izolacije, mehanske podpore in kovinskega tesnjenja, lahko metalizirana keramika iz aluminijevega oksida doseže zanesljive povezave med keramiko in kovinami s postopki metalizacije keramične površine in spajkanja.

 

Vrednost keramičnih materialov v takih izdelkih ni omejena na izolacijo. Med delovanjem visoko{1}}napetostnih kontaktorjev bodo nastajali prehodna toplota in mehanske obremenitve, zato mora imeti keramična lupina tudi dobro toplotno stabilnost, dimenzijsko stabilnost in odpornost na toplotne udarce. Izbira materiala, strukturna zasnova in postopek metalizacije morajo biti celovito zasnovani na podlagi dejanske delovne napetosti, toka, temperature in življenjskih zahtev.

 

 

 

Eno od jeder električnega pogonskega sistema novih energetskih vozil je močnostni elektronski krmilnik, katerega glavna funkcija je dokončanje učinkovite pretvorbe med enosmerno močjo akumulatorske baterije in izmenično močjo, ki jo potrebuje motor. Ker se gostota moči električnih pogonskih sistemov povečuje, morajo močnostne polprevodniške naprave prenesti višje tokove in pogostejše toplotne cikle. Zato embalažni materiali ne smejo imeti le dobrih izolacijskih lastnosti, temveč morajo upoštevati tudi odvajanje toplote, mehansko trdnost in ujemanje toplotnega raztezanja.

 

Podlage, prevlečene s keramičnim- bakrom, so običajno sestavljene iz bakrenih plasti, keramičnih izolacijskih plasti in bakrenih plasti. Keramična plast je odgovorna za električno izolacijo in mehanske podporne funkcije, bakrena plast pa je odgovorna za prenos toka, povezavo čipov in odvajanje toplote. V primerjavi s čistimi organskimi izolacijskimi materiali lahko keramične podlage ohranijo stabilne električne in mehanske lastnosti v okoljih z višjo temperaturo, zaradi česar so primerne za močnostne elektronske module z visoko-močjo-gostoto.

 

Običajni keramični materiali, ki se trenutno uporabljajo v napajalnih modulih novih energetskih vozil, vključujejo aluminijev oksid, aluminijev nitrid in silicijev nitrid. Aluminijev oksid ima značilnosti razmeroma zmernih stroškov, dobre izolacijske lastnosti in zrel postopek; aluminijev nitrid ima visoko toplotno prevodnost in ima prednosti v scenarijih z visokimi zahtevami po odvajanju toplote; silicijev nitrid ima visoko mehansko trdnost, toplotno stabilnost in odpornost na toplotne cikle ter je primernejši za aplikacije močnostne elektronike, ki zahtevajo visoko dolgoročno-zanesljivost.

 

Ko se novi energetski moduli za vozila razvijajo v smeri visoke napetosti, visokega toka in miniaturizacije, se je povečalo tudi povpraševanje po visoko-natančnih keramičnih metaliziranih komponentah, kot je Precision Metallized Ceramics. Metalizacijski sloj na keramični površini mora imeti dobro adhezijsko trdnost in stabilne električne lastnosti ter biti sposoben prenesti obremenitev, ki nastane med kasnejšim varjenjem, spajkanjem in toplotnim ciklom.

 

Za embalažo močnostnih polprevodnikov je zelo pomembno ujemanje koeficienta toplotnega raztezanja med keramičnim materialom in bakreno plastjo. Med dejanskim delovanjem se bodo nova energetska vozila soočala s speljevanjem, pospeševanjem, zaviranjem, hitrim polnjenjem in različnimi temperaturnimi spremembami okolja, napajalni modul pa bo večkrat doživel gretje in hlajenje. Če je razlika v toplotnem raztezanju med materiali prevelika, lahko dolgotrajno-termično kroženje povzroči utrujenost vmesnika, razpoke ali razslojevanje, kar vpliva na življenjsko dobo modula.

 

Zato mora zasnova keramične embalaže pogonskih modulov novih energetskih vozil hkrati upoštevati toplotno prevodnost, izolacijsko trdnost, mehansko trdnost, ujemanje toplotnega raztezanja in natančnost obdelave ter se ne more preprosto zanašati na določeno zmogljivost materiala kot osnovo za izbiro.

 

 

Sama keramika ima odlične izolacijske lastnosti, vendar je v dejanskih elektronskih napravah keramiko običajno treba povezati s kovinskimi vodniki, elektrodami ali embalažnimi strukturami. Zato je metalizacija keramične površine postala pomemben postopek za doseganje zanesljive kombinacije keramike in kovin.

 

Osnovna zamisel keramične metalizacije je, da se na keramični površini oblikuje kovinska plast z določeno debelino in adhezijsko trdnostjo, tako da jo je mogoče nadalje spajkati, variti ali opraviti druge spojne obdelave. Metalizirana plast ne potrebuje le dobre električne prevodnosti, ampak mora tvoriti tudi stabilno vmesno vez s keramično matriko.

 

Za visoko{0}}napetostne naprave novih energetskih vozil zanesljivost metaliziranega sloja neposredno vpliva na zrakotesnost, izolacijo in mehansko stabilnost strukture embalaže. Na primer, keramični izolator znotraj visoko-napetostnega releja mora tvoriti zanesljivo povezavo s kovinskim ohišjem; keramični substrat v močnostnem polprevodniškem modulu mora tvoriti stabilno vez z bakreno plastjo.

 

Med visoko{0}}natančnimi elektronskimi komponentami lahko natančna strojna obdelava keramičnih delov iz aluminijevega oksida dodatno izpolni zapletene zahteve glede velikosti, tolerance, lokacije lukenj in natančnosti končne ploskve. Za visokonapetostne-naprave za nova energetska vozila morajo keramični deli pogosto izpolnjevati zahteve po miniaturizaciji, kompleksni strukturi in visoki zanesljivosti hkrati. Zato je treba pripravo materiala in natančno obdelavo nadzorovati skupaj.

 

 

 

Visok{0}}napetostni kontaktor je pomembna preklopna komponenta v visokonapetostnem-električnem sistemu vozil z novo energijo. Njegova glavna funkcija je nadzor preklapljanja visoko{3}}napetostnih tokokrogov med zagonom, ustavljanjem, polnjenjem in zaščito pred napakami. Ker nove baterije za napajanje vozil z energijo običajno uporabljajo enosmerne napetosti več sto voltov ali celo višje, morajo visoko{5}}napetostni kontaktorji vzdrževati zanesljivo delovanje pod visokimi električnimi obremenitvami.

 

Keramična ohišja kontaktorjev HVDC običajno opravljajo več funkcij, kot so notranja izolacija, strukturna podpora in tesnjenje. Keramična ohišja morajo ohranjati stabilno izolacijo v okoljih z visoko-napetostjo, hkrati pa vzdržati notranje temperaturne spremembe in mehanske obremenitve.

 

Visok{0}}napetostni kontaktorji običajno uporabljajo keramične in kovinske tesnilne strukture. Področje povezave med keramiko in kovino je eden od ključev do zanesljivosti celotne naprave. Če so na tesnilnem vmesniku napake, lahko zaradi dolgotrajnih-termičnih ciklov, mehanskih vibracij ali sprememb notranjega tlaka pride do razpok, puščanj in drugih težav.

 

Zato izdelava keramičnih visokonapetostnih kontaktorjev običajno zahteva osredotočanje na nadzor čistosti keramičnih materialov, kakovosti sintranja, dimenzijske natančnosti, kakovosti metalizacijske plasti in tesnilne trdnosti keramične-kovine. Za visoko-zanesljive izdelke je potrebno tudi preverjanje zrakotesnosti, električne izolacije, napetostne upornosti in termičnega cikla.

 

Z vidika inženirstva materialov povezava keramike-in-kovine ni preprosta mehanska kombinacija, ampak vključuje več dejavnikov, kot so koeficient toplotnega raztezanja materiala, omočljivost vmesnika, izbira spajkanja, temperatura tesnjenja in nadzor preostale napetosti. Samo z doseganjem stabilne kombinacije keramičnih in kovinskih vmesnikov je mogoče zagotoviti zanesljivost tesnjenja in izolacije visoko-napetostnih naprav pri dolgoročnem-delovanju.

 

 

Pogonski motorji novih energetskih vozil imajo običajno visoke vrtilne hitrosti, znotraj motorja pa je kompleksno elektromagnetno okolje. V primerjavi s tradicionalnimi mehanskimi sistemi se morajo ležaji motorjev novih energetskih vozil poleg prenašanja radialnih in aksialnih obremenitev soočati tudi s težavami, kot so visoka-hitrost vrtenja, dvig temperature, tok in električna korozija.

 

Tradicionalni kovinski ležaji lahko v določenih pogojih delovanja motorja ustvarjajo tokove gredi. Ko tok teče skozi notranjost ležaja, lahko nastane obločna razelektritev v kontaktnem območju med kotalnim elementom in tekalno stezo, kar povzroči luknjičasto korozijo, erozijo in poškodbe površine, kar na koncu vpliva na življenjsko dobo ležaja.

 

Keramični kotalni elementi imajo nizko gostoto, visoko trdoto, dobro odpornost proti obrabi in odlične električne izolacijske lastnosti. Zato imajo hibridni keramični ležaji določeno uporabno vrednost pri-hitrohitrostnih motorjih in elektrificiranih energetskih sistemih. Kombinacija keramičnih kotalnih elementov in kovinskih obročev lahko zmanjša kakovost kotalnih elementov, hkrati pa ohranja strukturno trdnost ležaja ter izboljša torne in električne izolacijske lastnosti pri visokih-delovalnih pogojih.

 

Zahteve za ležaje v motorjih novih energetskih vozil so prav tako spodbudile razvoj visoko{0}}zmogljivih keramičnih komponent, kot so -hitro trdne metalizirane keramične komponente. Čeprav metalizirana keramika in ležaji motorjev pripadajo različnim vrstam aplikacij, utelešajo isti trend razvoja materialov, ki je reševanje omejitev zmogljivosti tradicionalnih kovinskih materialov v posebnih delovnih pogojih z izolacijo, visoko trdnostjo in lastnostmi odpornosti na visoke temperature keramičnih materialov.

 

 

Ker se napetostna platforma novih energetskih vozil še naprej izboljšuje, se obseg uporabe napredne keramike postopoma širi od posameznih izolacijskih komponent do visokonapetostnih-stikal, napajalnih modulov, senzorjev, povezovalnih struktur in-komponent, povezanih s toplotnim upravljanjem.

 

V visoko{0}}napetostnih električnih komponentah lahko metalizirana aluminijeva keramika za električne komponente doseže integracijo funkcij izolacije, prevodnosti in mehanske povezave s kombinacijo keramične izolacijske matrice in metaliziranih prevodnih plasti. Ta struktura je še posebej primerna za električne komponente z omejenim prostorom in visokimi zahtevami glede izolacije.

 

Za visoko-napetostne naprave, ki zahtevajo večjo dimenzijsko natančnost, lahko Precision Metallized Alumina Ceramic Components združujejo postopke natančnega oblikovanja, sintranja, metalizacije in strojne obdelave, da izpolnijo kompleksne strukture in visoko{1}}natančne zahteve sestavljanja. Novi energetski avtomobilski deli se še naprej razvijajo v smeri miniaturizacije, lahke teže in visoke gostote moči, zaradi česar sta nadzor dimenzij in doslednost obdelave keramičnih delov pomembnejša.

 

Po drugi strani, ko se delovna napetost in preklopna frekvenca močnostnih polprevodnikov povečata, se morajo tudi keramični izolacijski materiali soočiti z večjo intenzivnostjo električnega polja in hitrejšimi stopnjami spreminjanja napetosti. Strukture, kot so metalizirane keramične izolacijske cevi in ​​metalizirani keramični deli, se lahko uporabljajo za posebne električne komponente, ki zahtevajo tako izolacijo, prevodno povezavo kot funkcije inkapsulacije, kar zagotavlja bolj kompaktne strukturne rešitve za visoko-napetostne električne sisteme.

 

 

 

Uporaba napredne keramike v novih energetskih vozilih ni preprosta zamenjava materiala, temveč sistematičen projekt, ki vključuje materiale, strukture, procese in preverjanje zanesljivosti.

 

Najprej je treba izbrati ustrezne keramične materiale glede na delovno napetost, temperaturo, tok, mehansko obremenitev in okoljske pogoje. Drugič, postopke oblikovanja, sintranja, natančne strojne obdelave in površinske metalizacije je treba določiti glede na strukturo komponente. Pri -visokotlačnih tesnilnih napravah je treba nadalje upoštevati ujemanje toplotnega raztezanja med keramičnimi in kovinskimi materiali ter preostalo tesnilno napetostjo.

 

Pri močnostni elektroniki je treba keramične podlage osredotočiti tudi na življenjsko dobo toplotnega cikla in zanesljivost vmesnika. Ko se nova energetska vozila postopoma razvijajo od tradicionalnih IGBT-jev do visoko{1}}zmogljivih-polprevodnikov s širokopasovno vrzeljo, hitrost preklapljanja in gostota moči močnostnih modulov še naprej naraščata, prav tako se bodo še povečale zahteve za izolacijske materiale in embalažne strukture.

 

Napredni keramični metalizirani deli iz aluminijevega oksida visoke čistosti so primerni za posebne elektronske komponente, ki zahtevajo visoko čistost, izolacijo, dimenzijsko natančnost in zanesljivost metalizacije. Takšni izdelki običajno zahtevajo popoln nadzor nad procesom od keramičnega prahu, oblikovanja, sintranja do natančne strojne obdelave in metalizacije.

 

 

Z vidika splošne usmeritve tehnološkega razvoja novih energetskih vozil predstavlja uporaba napredne keramike predvsem tri trende.

 

Prvič, visoka napetost poveča povpraševanje po izolacijski keramiki. S postopno uporabo 800 V in višjih napetostnih platform se zahteve za izolacijske materiale v visoko-napetostnih kontaktorjih, relejih, napajalnih modulih in polnilnih sistemih še naprej povečujejo. Keramični materiali imajo visoko dielektrično trdnost in toplotno odpornost, zato imajo dobro podlago za uporabo v visoko-napetostnih električnih komponentah.

 

Drugič, visoka gostota moči spodbuja nadgradnjo keramičnih embalažnih materialov. Novi električni pogonski sistemi za energetska vozila morajo doseči večjo izhodno moč v manjšem prostoru, gostota toplotnega toka močnostnih polprevodnikov pa se še naprej povečuje. Zato bo več pozornosti namenjenih keramičnim substratom in embalažnim materialom z dobro toplotno prevodnostjo in mehansko zanesljivostjo.

 

Tretjič, natančna proizvodnja spodbuja razvoj keramičnih delov v kompleksne strukture. Novi energetski avtomobilski deli imajo vedno višje zahteve glede teže, prostora in zanesljivosti. Keramične komponente ne bodo opravljale samo tradicionalnih izolacijskih funkcij, ampak lahko tudi dodatno integrirajo funkcije, kot so podpora, odvajanje toplote, pakiranje in električna povezava.

 

Na splošno je napredna keramika postala pomemben sistem materialov na-poljih visokonapetostne električne in močnostne elektronike novih energetskih vozil. Od izolacijskega ohišja visoko-napetostnih relejev do keramičnih-bakrenih-podlag v močnostnih polprevodniških modulih, do visoko{4}}napetostnih kontaktorjev, izolacijskih ležajev in metaliziranih keramičnih povezovalnih delov, keramika prevzema vedno več ključnih funkcij v arhitekturi elektrifikacije novih energetskih vozil.

 

V prihodnosti, ko se bodo nova energetska vozila razvijala proti višji napetosti, večji gostoti moči, večji zanesljivosti in manjši velikosti, bo vrednostPrecizne metalizirane keramične komponente iz aluminijevega oksidamateriali se bodo iz preprostih izolacijskih materialov nadalje preoblikovali v visoko-zmogljive strukturne in funkcionalne materiale. Nenehni napredek tehnologij, kot so formulacija materialov, natančno oblikovanje, metalizacija, tesnjenje keramike-na-kovino in testiranje zanesljivosti, bo postalo pomembna podlaga za nadaljnji vstop napredne keramike v dobavno verigo ključnih delov novih energetskih vozil.