L'aplicació i el valor tècnic de la ceràmica avançada en el context de la millora de l'electrificació de vehicles de nova energia

La transformació dels vehicles d'energia nova de la potència de combustible tradicional a la propulsió elèctrica, el control intel·ligent i els sistemes elèctrics d'alta{0}}tensió no només ha canviat l'estructura de potència del vehicle, sinó que també ha promogut l'actualització material de components clau com ara relés d'alta tensió-, semiconductors de potència, coixinets de motor i sistemes de control electrònic. Amb el desenvolupament continu de plataformes de 800 V i de voltatge superior, sistemes d'accionament elèctric d'alta-densitat de potència i tecnologies de càrrega i descàrrega ràpides, els components també s'enfronten a requisits més elevats de tensió, corrent, temperatura, freqüència i fiabilitat.

 

En aquest procés, la ceràmica avançada s'ha expandit gradualment des dels materials estructurals tradicionals fins a sistemes elèctrics, electrònics de potència i d'accionament d'alt -tensió per a vehicles d'energia nova en virtut de la seva alta resistència dielèctrica, resistència a alta temperatura, resistència a la corrosió, alta resistència mecànica i bona estabilitat dimensional. La seva aplicació se centra en dispositius de commutació de corrent continu d'alta-tensió, envasos de semiconductors de potència, contactors de ceràmica d'alta tensió-i coixinets aïllats per motors.

 

 

 

El sistema elèctric d'alta-tensió dels vehicles d'energia nova sol requerir relés o contactors per aconseguir la connexió, la desconnexió i l'aïllament segur entre la bateria i els circuits d'alta-tensió, com ara inversors, motors i sistemes de càrrega. En comparació amb els sistemes elèctrics d'automoció de baixa tensió-, la commutació en entorns de corrent continu d'alta-tensió és més complex. Sobretot quan es desconnecten circuits en condicions de corrent elevat, és probable que es produeixin arcs entre contactes, cosa que exigeix ​​més l'estructura d'aïllament i les capacitats d'extinció d'arc-.

 

Els materials ceràmics tenen excel·lents propietats d'aïllament elèctric i resistència a altes temperatures, i es poden utilitzar en carcasses aïllants, mànigues aïllants i estructures de segellat dins de relés i contactors de corrent continu d'alta tensió-. Mitjançant el segellat fiable de materials ceràmics i metàl·lics, es pot formar un espai de treball intern relativament tancat per mantenir un aïllament estable entre els components conductors d'alt -tensió i l'estructura externa, alhora que proporciona les condicions de segellat necessàries per al medi d'extinció de l'arc.

 

En els dispositius de commutació d'alta tensió-, la ceràmica d'alúmina és un dels materials aïllants més comuns. Els sistemes d'alúmina de diferents nivells de puresa i rendiment es poden seleccionar en funció de diferents nivells de tensió, resistència mecànica, propietats tèrmiques i requisits de mida. Per a les peces que necessiten complir els requisits d'aïllament, suport mecànic i segellat metàl·lic al mateix temps, la ceràmica metal·litzada d'alúmina pot aconseguir connexions fiables entre ceràmica i metalls mitjançant processos de metal·lització de superfícies ceràmiques i soldadura forta.

 

El valor dels materials ceràmics en aquests productes no es limita a l'aïllament. Es generarà calor transitori i tensió mecànica durant el funcionament dels contactors d'alta tensió-, de manera que la carcassa de ceràmica també ha de tenir una bona estabilitat tèrmica, estabilitat dimensional i resistència al xoc tèrmic. La selecció de materials, el disseny estructural i el procés de metal·lització s'han de dissenyar de manera integral basant-se en la tensió de funcionament real, el corrent, la temperatura i els requisits de vida útil.

 

 

 

Un dels nuclis del sistema d'accionament elèctric dels vehicles de nova energia és el controlador electrònic de potència, la funció principal del qual és completar la conversió eficient entre la potència de CC de la bateria d'energia i la potència de CA requerida pel motor. A mesura que augmenta la densitat de potència dels sistemes d'accionament elèctric, els dispositius semiconductors de potència han de suportar corrents més altes i cicles tèrmics més freqüents. Per tant, els materials d'embalatge no només han de tenir bones propietats d'aïllament, sinó que també han de tenir en compte la dissipació de la calor, la resistència mecànica i la concordança de l'expansió tèrmica.

 

Els substrats-revestits de coure ceràmic solen estar compostos per capes de coure, capes d'aïllament ceràmic i capes de coure. La capa de ceràmica és responsable de les funcions d'aïllament elèctric i de suport mecànic, i la capa de coure és responsable de la transmissió de corrent, la connexió de xips i la dissipació de calor. En comparació amb els materials aïllants orgànics purs, els substrats ceràmics poden mantenir propietats elèctriques i mecàniques estables en entorns de temperatura més alta, cosa que els fa adequats per a mòduls electrònics de potència d'alta -potència-densitat.

 

Els materials ceràmics comuns que s'utilitzen actualment en els mòduls de potència dels vehicles d'energia nova inclouen l'òxid d'alumini, el nitrur d'alumini i el nitrur de silici. L'òxid d'alumini té les característiques d'un cost relativament moderat, un bon rendiment d'aïllament i un procés madur; el nitrur d'alumini té una alta conductivitat tèrmica i té avantatges en escenaris amb alts requisits de dissipació de calor; El nitrur de silici té una gran resistència mecànica, estabilitat tèrmica i resistència al cicle tèrmic, i és més adequat per a aplicacions d'electrònica de potència que requereixen una alta fiabilitat-a llarg termini.

 

A mesura que els nous mòduls de potència dels vehicles d'energia es desenvolupen cap a l'alta tensió, el corrent elevat i la miniaturització, també ha augmentat la demanda de components metal·litzats de ceràmica d'alta{0}}precisió, com ara la ceràmica metal·litzada de precisió. La capa de metal·lització de la superfície ceràmica ha de tenir una bona força d'adhesió i propietats elèctriques estables, i ser capaç de suportar l'estrès generat durant la soldadura, la soldadura forta i el cicle tèrmic posteriors.

 

Per als envasos de semiconductors de potència, és molt important fer coincidir el coeficient d'expansió tèrmica entre el material ceràmic i la capa de coure. Durant el funcionament real, els vehicles d'energia nova experimentaran arrencada, acceleració, frenada, càrrega ràpida i diferents canvis de temperatura ambiental, i el mòdul d'energia experimentarà repetidament calefacció i refrigeració. Si la diferència d'expansió tèrmica entre els materials és massa gran, el cicle tèrmic a llarg termini-podria provocar fatiga de la interfície, esquerdes o delaminació, afectant així la vida del mòdul.

 

Per tant, el disseny d'envasos ceràmics dels mòduls de potència de nous vehicles energètics ha de tenir en compte la conductivitat tèrmica, la resistència a l'aïllament, la resistència mecànica, la concordança d'expansió tèrmica i la precisió del processament alhora, i no pot basar-se simplement en un determinat rendiment del material com a base per a la selecció.

 

 

La ceràmica en si té excel·lents propietats d'aïllament, però en els dispositius electrònics reals, la ceràmica normalment s'ha de connectar a conductors metàl·lics, elèctrodes o estructures d'embalatge. Per tant, la metal·lització de superfícies ceràmiques s'ha convertit en un procés important per aconseguir una combinació fiable de ceràmica i metalls.

 

La idea bàsica de la metal·lització ceràmica és formar una capa metàl·lica amb un cert gruix i força d'adhesió a la superfície ceràmica, de manera que es pugui soldar, soldar o sotmetre's a altres processos de connexió. La capa metal·litzada no només ha de tenir una bona conductivitat elèctrica, sinó que també ha de formar una interfície estable amb la matriu ceràmica.

 

Per als dispositius d'alta tensió-de vehicles d'energia nova, la fiabilitat de la capa de metal·lització afecta directament l'estanquitat a l'aire, el rendiment d'aïllament i l'estabilitat mecànica de l'estructura de l'embalatge. Per exemple, l'aïllant ceràmic dins del relé d'alta tensió-ha de formar una connexió fiable amb la carcassa metàl·lica; el substrat ceràmic del mòdul semiconductor de potència ha de formar un enllaç estable amb la capa de coure.

 

Entre els components electrònics d'alta-precisió, el mecanitzat de precisió de peces ceràmiques d'alumina pot complir encara més els requisits complexos de mida, tolerància, ubicació del forat i precisió de la cara final. Per als dispositius d'alta tensió-per a vehicles d'energia nova, les peces ceràmiques sovint han de complir els requisits de miniaturització, estructura complexa i alta fiabilitat al mateix temps. Per tant, la preparació del material i el processament de precisió s'han de controlar de manera col·laborativa.

 

 

 

Un contactor d'alta -tensió és un component de commutació important en el sistema elèctric d'alta-tensió dels vehicles de nova energia. La seva funció principal és controlar la commutació dels circuits d'alta tensió-durant l'arrencada, l'aturada, la càrrega i la protecció d'avaries del vehicle. Atès que les bateries d'energia dels vehicles d'energia nova solen utilitzar tensions de CC de centenars de volts o fins i tot superiors, els contactors d'alta tensió-han de mantenir un funcionament fiable sota una gran tensió elèctrica.

 

Els tancaments de ceràmica de contactors HVDC solen realitzar múltiples funcions, com ara aïllament intern, suport estructural i segellat. Les carcasses de ceràmica han de mantenir un aïllament estable en entorns d'alta-tensió alhora que suporten els canvis de temperatura interna i les tensions mecàniques.

 

Els contactors-d'alta tensió solen utilitzar estructures de segellat de ceràmica i metall. L'àrea de connexió entre ceràmica i metall és una de les claus de la fiabilitat de tot el dispositiu. Si hi ha defectes a la interfície de segellat, es poden produir esquerdes, fuites i altres problemes sota l'acció de-cicles tèrmics a llarg termini, vibracions mecàniques o canvis de pressió interna.

 

Per tant, la fabricació de contactors d'alta tensió-de ceràmica requereix centrar-se en el control de la puresa dels materials ceràmics, la qualitat de la sinterització, la precisió dimensional, la qualitat de la capa de metal·lització i la resistència de segellat de metalls-ceràmics. Per als productes d'alta-fiabilitat, també es requereix la verificació de l'estanquitat, l'aïllament elèctric, la resistència a la tensió i el cicle tèrmic.

 

Des de la perspectiva de l'enginyeria de materials, la connexió de ceràmica-a-metall no és una combinació mecànica senzilla, sinó que implica múltiples factors com ara el coeficient d'expansió tèrmica del material, la humectabilitat de la interfície, la selecció de la soldadura, la temperatura de segellat i el control de la tensió residual. Només aconseguint una combinació estable d'interfícies ceràmiques i metàl·liques es pot garantir la fiabilitat de segellat i aïllament dels dispositius d'alta tensió-en funcionament a llarg-.

 

 

Els motors d'accionament de vehicles d'energia nova solen tenir altes velocitats de rotació i hi ha un entorn electromagnètic complex a l'interior del motor. En comparació amb els sistemes mecànics tradicionals, a més de suportar càrregues radials i axials, els coixinets de motor de vehicles d'energia nova també han d'enfrontar-se a problemes com ara la rotació d'alta-velocitat, l'augment de la temperatura, el corrent i la corrosió elèctrica.

 

Els coixinets metàl·lics tradicionals poden generar corrents d'eix en determinades condicions de funcionament del motor. Quan el corrent passa per l'interior del coixinet, es pot formar una descàrrega d'arc a l'àrea de contacte entre l'element rodant i la pista de rodadura, provocant corrosió, erosió i danys a la superfície, afectant finalment la vida del coixinet.

 

Els elements rodants de ceràmica tenen les característiques de baixa densitat, alta duresa, bona resistència al desgast i excel·lents propietats d'aïllament elèctric. Per tant, els coixinets ceràmics híbrids tenen un cert valor d'aplicació en motors-d'alta velocitat i sistemes d'alimentació electrificats. La combinació d'elements rodants ceràmics i virolles metàl·liques pot reduir la qualitat dels elements rodants mantenint la resistència estructural del coixinet i millorar les propietats de fricció i aïllament elèctric en condicions d'operació d'alta -velocitat.

 

Els requisits dels coixinets dels motors de vehicles d'energia nova també han promogut el desenvolupament de components ceràmics d'alt rendiment-com ara els components ceràmics metal·litzats d'alta-resistencia. Tot i que la ceràmica metal·litzada i els coixinets de motor pertanyen a diferents tipus d'aplicacions, encarnen la mateixa tendència de desenvolupament de materials, que consisteix a resoldre les limitacions de rendiment dels materials metàl·lics tradicionals en condicions de treball específiques mitjançant l'aïllament, alta resistència i propietats de resistència a alta temperatura dels materials ceràmics.

 

 

A mesura que la plataforma de tensió dels vehicles d'energia nova continua millorant, l'àmbit d'aplicació de la ceràmica avançada s'està ampliant gradualment des de components d'aïllament individuals fins a components relacionats amb la gestió tèrmica-interruptors, mòduls de potència, sensors, estructures de connexió i gestió tèrmica-d'alta tensió.

 

En components elèctrics d'alta tensió-, les ceràmiques d'alúmina metal·litzada per a components elèctrics poden aconseguir la integració de les funcions d'aïllament, conductivitat i connexió mecànica mitjançant la combinació d'una matriu aïllant ceràmica i capes conductores metal·litzades. Aquesta estructura és especialment adequada per a components elèctrics amb espai limitat i requisits d'aïllament elevats.

 

Per als dispositius d'alta tensió-que requereixen una precisió dimensional més alta, els components ceràmics d'alúmina metal·litzada de precisió poden combinar processos d'emmotllament de precisió, sinterització, metal·lització i mecanitzat per satisfer estructures complexes i requisits de muntatge d'alta-precisió. Les peces d'automòbils de nova energia continuen desenvolupant-se cap a la miniaturització, el pes lleuger i la densitat de potència alta, cosa que també fa que el control dimensional i la consistència del processament de les peces ceràmiques siguin més importants.

 

D'altra banda, a mesura que la tensió de funcionament i la freqüència de commutació dels semiconductors de potència augmenten, els materials aïllants ceràmics també han d'enfrontar-se a una intensitat de camp elèctric més alta i a velocitats de canvi de tensió més ràpides. Les estructures com ara els tubs aïllants de ceràmica metal·litzada i les peces de ceràmica metal·litzada es poden utilitzar per a components elèctrics especials que requereixen funcions d'aïllament, connexió conductora i encapsulació, proporcionant solucions estructurals més compactes per a sistemes elèctrics d'alta tensió-.

 

 

 

L'aplicació de ceràmica avançada en vehicles de nova energia no és una simple substitució de material, sinó un projecte sistemàtic que implica materials, estructures, processos i verificació de la fiabilitat.

 

En primer lloc, cal seleccionar els materials ceràmics adequats en funció de la tensió de funcionament, la temperatura, el corrent, la càrrega mecànica i les condicions ambientals. En segon lloc, els processos d'emmotllament, sinterització, mecanitzat de precisió i metal·lització superficial s'han de determinar segons l'estructura del component. Per als dispositius de segellat d'alta pressió-, s'ha de tenir en compte la concordança de l'expansió tèrmica entre els materials ceràmics i metàl·lics i la tensió residual de segellat.

 

Per a l'electrònica de potència, els substrats ceràmics també requereixen centrar-se en la vida del cicle tèrmic i la fiabilitat de la interfície. A mesura que els vehicles d'energia nova es desenvolupen gradualment des dels IGBT tradicionals fins als semiconductors de potència d'alt rendiment-ample-, la velocitat de commutació i la densitat de potència dels mòduls de potència continuen augmentant, i els requisits de materials aïllants i estructures d'embalatge també augmentaran encara més.

 

Les peces de metal·lització de ceràmica avançada de precisió d'alúmina d'alta puresa són adequades per a components electrònics especials que requereixen una gran puresa, rendiment d'aïllament, precisió dimensional i fiabilitat de la metal·lització. Aquests productes solen requerir un control total del procés, des de pols ceràmica, modelat, sinteritzat fins a mecanitzat i metal·lització de precisió.

 

 

Des de la perspectiva de la direcció general de desenvolupament tecnològic dels vehicles de nova energia, l'aplicació de ceràmica avançada presenta principalment tres tendències.

 

En primer lloc, l'alta tensió augmenta la demanda de ceràmica aïllant. Amb l'aplicació gradual de plataformes de 800 V i de voltatge superior, els requisits dels materials d'aïllament en contactors, relés, mòduls de potència i sistemes de càrrega d'alta-tensió continuen augmentant. Els materials ceràmics tenen una gran resistència dielèctrica i resistència a la calor, de manera que tenen una bona base d'aplicació en components elèctrics d'alta tensió-.

 

En segon lloc, l'alta densitat de potència impulsa l'actualització dels materials d'embalatge ceràmic. Els nous sistemes d'accionament elèctric dels vehicles d'energia han d'aconseguir una potència més alta en un espai més petit i la densitat de flux de calor dels semiconductors de potència continua augmentant. Per tant, els substrats ceràmics i els materials d'embalatge amb bona conductivitat tèrmica i fiabilitat mecànica rebran més atenció.

 

En tercer lloc, la fabricació de precisió promou el desenvolupament de peces ceràmiques en estructures complexes. Les peces d'automòbils de nova energia tenen requisits cada cop més elevats de pes, espai i fiabilitat. Els components ceràmics no només assumiran les funcions d'aïllament tradicionals, sinó que també poden integrar funcions com ara suport, dissipació de calor, embalatge i connexió elèctrica.

 

En general, la ceràmica avançada s'ha convertit en un sistema de materials important en els camps de l'electricitat i de l'electrònica de potència d'alta-tensió dels vehicles de nova energia. Des de la carcassa aïllant dels relés d'alta tensió-, fins als substrats revestits de coure-ceràmic en mòduls de semiconductors de potència, passant per contactors d'alta-tensió, coixinets aïllants i peces de connexió de ceràmica metal·litzada, la ceràmica està assumint cada cop més funcions clau en l'arquitectura d'electrificació dels vehicles d'energia nova.

 

En el futur, a mesura que els vehicles d'energia nova es desenvolupen cap a una tensió més alta, una densitat de potència més alta, una fiabilitat més alta i una mida més petita, el valor deComponents ceràmics d'alúmina metal·litzada de precisióels materials es transformaran encara més de materials d'aïllament simples a materials estructurals i funcionals d'alt rendiment-. L'avenç continu de tecnologies com la formulació de materials, l'emmotllament de precisió, la metal·lització, el segellat de ceràmica-a-metall i les proves de fiabilitat es convertiran en una base important perquè la ceràmica avançada entri encara més a la cadena de subministrament de peces bàsiques dels vehicles d'energia nova.