Täiustatud keraamika rakendus ja tehniline väärtus uute energiasõidukite elektrifitseerimise ajakohastamise kontekstis

Uute energiasõidukite muutmine traditsiooniliselt kütusel elektriajamiks, intelligentseks juhtimiseks ja kõrge{0}}pingeelektrisüsteemideks ei ole mitte ainult muutnud sõiduki toitestruktuuri, vaid soodustanud ka põhikomponentide, nagu kõrgepingereleed, jõupooljuhid, mootorilaagrid ja elektroonilised juhtimissüsteemid, materiaalset uuendamist. 800 V ja kõrgema pingega platvormide, suure-võimsustihedusega elektriajamisüsteemide ning kiirlaadimis- ja tühjendustehnoloogiate pideva arendamise tõttu peavad komponendid vastama ka kõrgematele pinge-, voolu-, temperatuuri-, sagedus- ja töökindlusnõuetele.

 

Selle protsessi käigus on täiustatud keraamika oma suure dielektrilise tugevuse, kõrge temperatuurikindluse, korrosioonikindluse, kõrge mehaanilise tugevuse ja hea mõõtmete stabiilsuse tõttu järk-järgult laienenud traditsioonilistelt konstruktsioonimaterjalidelt kõrge-elektri-, jõuelektroonika- ja ajamisüsteemideni uute energiasõidukite jaoks. Selle rakendus keskendub kõrge-alalisvoolu lülitusseadmetele, toitepooljuhtide pakenditele, keraamilistele kõrge-pingekontaktoritele ja mootori isolatsiooniga laagritele.

 

 

 

Uute energiasõidukite kõrgepinge{0}}elektrisüsteem nõuab tavaliselt releed või kontaktoreid, et saavutada akuploki ja kõrgepingeahelate, nagu inverterid, mootorid ja laadimissüsteemid, vahel ühendamine, lahtiühendamine ja ohutu isoleerimine. Võrreldes autode madalpinge-elektrisüsteemidega on kõrgepinge-alalisvoolukeskkondades ümberlülitamine keerulisem. Eriti suure vooluga vooluringide lahtiühendamisel võivad kontaktide vahel tekkida kaared, mis seab isolatsioonikonstruktsioonile ja kaare{6}}kustutusvõimele kõrgemad nõuded.

 

Keraamilistel materjalidel on suurepärased elektriisolatsiooniomadused ja vastupidavus kõrgele temperatuurile ning neid saab kasutada isolatsioonikestade, isolatsioonihülsside ja kõrgepinge alalisvoolureleede ja kontaktorite tihenduskonstruktsioonides. Keraamiliste ja metallmaterjalide usaldusväärse tihendamise abil saab moodustada suhteliselt suletud sisemise tööruumi, et säilitada stabiilne isolatsioon kõrgepinget juhtivate komponentide ja väliskonstruktsiooni vahel, tagades samal ajal kaare kustutusaine jaoks vajalikud tihendustingimused.

 

Kõrgepinge{0}}lülitusseadmetes on alumiiniumoksiidi keraamika üks levinumaid isoleermaterjale. Erineva puhtuse ja jõudlustasemega alumiiniumoksiidisüsteeme saab edasi valida erinevate pingetasemete, mehaanilise tugevuse, soojuslike omaduste ja suuruse nõuete alusel. Osade puhul, mis peavad vastama samaaegselt isolatsiooni, mehaanilise toe ja metalli tihendamise nõuetele, suudab Alumina Metallized Ceramics saavutada keraamilise pinna metalliseerimise ja kõvajoodisega jootmise protsesside kaudu usaldusväärsed ühendused keraamika ja metallide vahel.

 

Keraamiliste materjalide väärtus sellistes toodetes ei piirdu ainult isolatsiooniga. Kõrgepingekontaktorite töötamise ajal tekib mööduv kuumus ja mehaaniline pinge, seega peab keraamiline kest olema ka hea termilise stabiilsuse, mõõtmete stabiilsuse ja termilise šoki vastupidavusega. Materjalide valik, konstruktsiooni projekteerimine ja metalliseerimisprotsess tuleb põhjalikult kavandada, võttes aluseks tegeliku tööpinge, voolu, temperatuuri ja eluea nõuded.

 

 

 

Uute energiasõidukite elektriajami üheks tuumaks on jõuelektrooniline kontroller, mille põhiülesanne on viia lõpule tõhus muundamine aku alalisvoolu ja mootorile vajaliku vahelduvvoolu vahel. Kuna elektriajamite süsteemide võimsustihedus suureneb, peavad võimsuspooljuhtseadmed taluma suuremaid voolusid ja sagedasemaid soojustsükleid. Seetõttu peavad pakkematerjalid olema mitte ainult heade isolatsiooniomadustega, vaid peavad võtma arvesse ka soojuse hajumist, mehaanilist tugevust ja soojuspaisumise sobivust.

 

Keraamilised vask{0}}kattega aluspinnad koosnevad tavaliselt vasekihtidest, keraamilistest isolatsioonikihtidest ja vasekihtidest. Keraamiline kiht vastutab elektriisolatsiooni ja mehaaniliste tugifunktsioonide eest ning vasekiht vastutab voolu ülekande, kiibi ühendamise ja soojuse hajumise eest. Võrreldes puhaste orgaaniliste isolatsioonimaterjalidega suudavad keraamilised aluspinnad säilitada stabiilsed elektrilised ja mehaanilised omadused kõrgema temperatuuriga keskkondades, mistõttu sobivad need suure -võimsusega-võimsusega elektroonikamoodulitele.

 

Uute energiasõidukite toitemoodulites praegu kasutatavad tavalised keraamilised materjalid on alumiiniumoksiid, alumiiniumnitriid ja räninitriid. Alumiiniumoksiidil on suhteliselt mõõdukad kulud, hea isolatsioonivõime ja küps protsess; alumiiniumnitriidil on kõrge soojusjuhtivus ja sellel on eelised kõrgete soojuse hajumise nõuetega stsenaariumides; räninitriidil on kõrge mehaaniline tugevus, termiline stabiilsus ja vastupidavus termilisele tsüklile ning see sobib paremini jõuelektroonika rakenduste jaoks, mis nõuavad suurt pikaajalist{1}}kindlust.

 

Kuna uued energiasõidukite toitemoodulid arenevad kõrgepinge, suure voolutugevuse ja miniaturiseerimise suunas, on suurenenud ka nõudlus ülitäpse{0}}keraamiliste metalliseeritud komponentide, nagu täppismetalliseeritud keraamika, järele. Keraamilisel pinnal oleval metalliseerimiskihil peab olema hea nakketugevus ja stabiilsed elektrilised omadused ning see peab vastu pidama järgneval keevitamisel, kõvajoodisjootmisel ja termilisel tsüklil tekkivale pingele.

 

Võimsuspooljuhtpakendite puhul on keraamilise materjali ja vasekihi soojuspaisumisteguri sobitamine väga oluline. Tegeliku töötamise ajal kogevad uued energiasõidukid käivitumist, kiirendamist, pidurdamist, kiirlaadimist ja erinevaid keskkonnatemperatuuri muutusi ning toitemoodul kogeb korduvalt soojenemist ja jahutamist. Kui materjalide soojuspaisumise erinevus on liiga suur, võib pikaajaline -soojustsükkel põhjustada liidese väsimist, pragusid või delaminatsiooni, mõjutades seeläbi mooduli eluiga.

 

Seetõttu tuleb uute energiasõidukite toitemoodulite keraamiliste pakendite projekteerimisel arvestada samaaegselt soojusjuhtivust, isolatsioonitugevust, mehaanilist tugevust, soojuspaisumise sobivust ja töötlemise täpsust ning see ei saa tugineda valiku aluseks lihtsalt teatud materjali jõudlusele.

 

 

Keraamikal endal on suurepärased isolatsiooniomadused, kuid tegelikes elektroonikaseadmetes tuleb keraamika tavaliselt ühendada metalljuhtmete, elektroodide või pakkekonstruktsioonidega. Seetõttu on keraamilise pinna metalliseerimine muutunud oluliseks protsessiks keraamika ja metallide usaldusväärse kombinatsiooni saavutamiseks.

 

Keraamilise metalliseerimise põhiidee on moodustada keraamilisele pinnale teatud paksuse ja nakketugevusega metallikiht, et seda saaks edasi jootma, keevitada või muul viisil ühendada. Metalliseeritud kihil ei pea olema mitte ainult hea elektrijuhtivus, vaid see peab moodustama ka stabiilse liidese sideme keraamilise maatriksiga.

 

Uute energiasõidukite kõrgepinge{0}}seadmete puhul mõjutab metalliseeritud kihi töökindlus otseselt pakendistruktuuri õhutihedust, isolatsioonivõimet ja mehaanilist stabiilsust. Näiteks kõrgepingerelee sees olev keraamiline isolaator peab moodustama usaldusväärse ühenduse metallkestaga; toitepooljuhtmooduli keraamiline substraat peab moodustama vasekihiga stabiilse sideme.

 

Kõrge täppis{0}}elektroonikakomponentide hulgas võib alumiiniumoksiidi keraamiliste detailide täppistöötlus täita keerukate suuruste, tolerantsi, avade asukoha ja otsapinna täpsuse nõudeid. Uute energiasõidukite{2}}kõrgepingeseadmete puhul peavad keraamilised osad sageli vastama miniatuursuse, keeruka struktuuri ja kõrge töökindluse nõuetele. Seetõttu tuleb materjali ettevalmistamist ja täppistöötlust kontrollida koostöös.

 

 

 

Kõrgepinge{0}}kontaktor on oluline lülituskomponent uute energiasõidukite kõrgepinge{1}}elektrisüsteemis. Selle põhiülesanne on juhtida kõrge-pingeahelate lülitamist sõiduki käivitamise, seiskamise, laadimise ja tõrkekaitse ajal. Kuna uued energiasõidukite toiteakud kasutavad tavaliselt sadade voltide või isegi kõrgemaid alalispingeid, peavad kõrgepingekontaktorid säilitama usaldusväärse töö suure elektrilise pinge korral.

 

HVDC kontaktori keraamilised korpused täidavad tavaliselt mitmeid funktsioone, nagu sisemine isolatsioon, konstruktsiooni tugi ja tihendus. Keraamilised korpused peavad kõrgepingekeskkonnas säilitama stabiilse isolatsiooni, taludes samal ajal sisetemperatuuri muutusi ja mehaanilisi pingeid.

 

Kõrgepingekontaktorites{0}} kasutatakse tavaliselt keraamilisi ja metallist tihenduskonstruktsioone. Keraamika ja metalli vaheline ühendusala on üks kogu seadme töökindluse võtmeid. Kui tihendusliideses on defekte, võivad pikaajaliste soojustsüklite, mehaanilise vibratsiooni või siserõhu muutuste tõttu tekkida pragusid, lekkeid ja muid probleeme.

 

Seetõttu tuleb keraamiliste kõrgepingekontaktorite{0}}tootmisel tavaliselt keskenduda keraamiliste materjalide puhtuse, paagutamise kvaliteedi, mõõtmete täpsuse, metalliseeritud kihi kvaliteedi ja keraamiliste metallide tihendustugevuse kontrollimisele. Suure töökindlusega-toodete puhul on nõutav ka õhutiheduse, elektriisolatsiooni, pingetakistuse ja termilise tsükli kontrollimine.

 

Materjalitehnoloogia seisukohast ei ole keraamiline{0}}metalli-ühendus lihtne mehaaniline kombinatsioon, vaid hõlmab mitmeid tegureid, nagu materjali soojuspaisumise koefitsient, liidese märguvus, joote valik, tihendustemperatuur ja jääkpinge kontroll. Ainult keraamiliste ja metallist liideste stabiilse kombinatsiooni saavutamisega on võimalik tagada kõrgepingeseadmete tihendus- ja isolatsioonikindlus-pikaajalises töös-.

 

 

Uue energiaga sõidukite ajamimootoritel on tavaliselt suured pöörlemiskiirused ja mootori sees on keeruline elektromagnetiline keskkond. Võrreldes traditsiooniliste mehaaniliste süsteemidega peavad uued energiasõidukite mootorilaagrid lisaks radiaal- ja aksiaalkoormusele kandma ka probleeme, nagu suur{1}}pöörlemiskiirus, temperatuuri tõus, vool ja elektriline korrosioon.

 

Traditsioonilised metalllaagrid võivad teatud mootori töötingimustes tekitada võlli voolu. Kui vool läbib laagri sisemust, võib veereelemendi ja jooksuraja kokkupuutealal tekkida kaarlahendus, mis põhjustab punktkorrosiooni, erosiooni ja pinnakahjustusi, mis lõpuks mõjutab laagri eluiga.

 

Keraamilistel rullelementidel on madal tihedus, kõrge kõvadus, hea kulumiskindlus ja suurepärased elektriisolatsiooni omadused. Seetõttu on hübriidkeraamilistel laagritel teatud kasutusväärtus{1}}kiiretel mootoritel ja elektrifitseeritud toitesüsteemides. Keraamiliste rullelementide ja metallist hülsside kombinatsioon võib vähendada veereelementide kvaliteeti, säilitades samal ajal laagri konstruktsioonitugevuse, ning parandada hõõrdumist ja elektriisolatsiooni omadusi suurel-kiirusel töötamise tingimustes.

 

Uute energiasõidukite mootorite laagritele esitatavad nõuded on samuti soodustanud suure jõudlusega-keraamiliste komponentide, näiteks suure-tugevate metalliseeritud keraamiliste komponentide väljatöötamist. Kuigi metalliseeritud keraamika ja mootorilaagrid kuuluvad erinevat tüüpi rakendustesse, kehastavad need sama materjali arendussuunda, milleks on traditsiooniliste metallmaterjalide jõudluspiirangute lahendamine konkreetsetes töötingimustes keraamiliste materjalide isolatsiooni, kõrge tugevuse ja kõrge temperatuuritaluvuse omaduste kaudu.

 

 

Kuna uute energiasõidukite pingeplatvorm paraneb, laieneb täiustatud keraamika rakendusala järk-järgult üksikutelt isolatsioonikomponentidelt kõrge{0}}pingelülitite, toitemoodulite, andurite, ühendusstruktuuride ja soojusjuhtimisega{1}}seotud komponentideni.

 

Kõrgepingelistes elektrikomponentides võib metalliseeritud alumiiniumoksiidi keraamika elektrikomponentidele integreerida isolatsiooni, juhtivuse ja mehaanilise ühendusfunktsiooni keraamilise isolatsioonimaatriksi ja metalliseeritud juhtivate kihtide kombinatsiooni kaudu. See struktuur sobib eriti hästi piiratud ruumi ja kõrgete isolatsiooninõuetega elektrikomponentidele.

 

Kõrgepingeseadmete puhul, mis nõuavad suuremat mõõtmete täpsust, võivad täppismetalliseeritud alumiiniumoksiidi keraamilised komponendid kombineerida täppisvormimise, paagutamise, metalliseerimise ja töötlemisprotsesse, et täita keerulisi struktuure ja kõrgete{1}}täpsete montaažinõudeid. Uued energiaga autoosad arenevad jätkuvalt miniatuursuse, kergekaalu ja suure võimsustiheduse suunas, mis muudab ka keraamiliste osade mõõtmete kontrolli ja töötlemise järjepidevuse olulisemaks.

 

Teisest küljest, kuna võimsuspooljuhtide tööpinge ja lülitussagedus suurenevad, peavad keraamilised isoleermaterjalid seisma silmitsi ka suurema elektrivälja intensiivsusega ja kiirema pinge muutumise kiirusega. Selliseid konstruktsioone nagu metalliseeritud keraamilised isoleertorud ja metalliseeritud keraamilised osad saab kasutada spetsiaalsete elektrikomponentide jaoks, mis nõuavad nii isolatsiooni, juhtivat ühendust kui ka kapseldamist, pakkudes kõrgepingeelektrisüsteemidele kompaktsemaid konstruktsioonilahendusi.

 

 

 

Täiustatud keraamika kasutamine uutes energiasõidukites ei ole lihtne materjali asendamine, vaid süsteemne projekt, mis hõlmab materjale, struktuure, protsesse ja töökindluse kontrollimist.

 

Esiteks tuleb valida sobivad keraamilised materjalid tööpinge, temperatuuri, voolutugevuse, mehaanilise koormuse ja keskkonnatingimuste alusel. Teiseks tuleb vastavalt komponendi struktuurile määrata vormimise, paagutamise, täppistöötluse ja pinna metalliseerimise protsessid. Kõrgsurvetihendusseadmete puhul tuleb täiendavalt kaaluda keraamiliste ja metallmaterjalide soojuspaisumise vastavust ja tihenduse jääkpinget.

 

Jõuelektroonika puhul nõuavad keraamilised substraadid keskendumist ka termilise tsükli elueale ja liidese töökindlusele. Kuna uued energiasõidukid arenevad järk-järgult traditsioonilistelt IGBT-delt suure jõudlusega-laia ribalaiusega-toitepooljuhtideks, suureneb toitemoodulite lülituskiirus ja võimsustihedus jätkuvalt ning nõuded isolatsioonimaterjalidele ja pakkestruktuuridele suurenevad veelgi.

 

Kõrge puhtusastmega alumiiniumoksiidi täpsed täiustatud keraamilised metalliseerimisosad sobivad spetsiaalsete elektroonikakomponentide jaoks, mis nõuavad kõrget puhtust, isolatsioonivõimet, mõõtmete täpsust ja metalliseerimise usaldusväärsust. Sellised tooted nõuavad tavaliselt protsessi täielikku juhtimist alates keraamilisest pulbrist, vormimisest, paagutamisest kuni täppistöötluse ja metalliseerimiseni.

 

 

Uute energiasõidukite üldise tehnoloogilise arengusuuna vaatenurgast kujutab kõrgkeraamika rakendamine peamiselt kolme suundumust.

 

Esiteks suurendab kõrgepinge nõudlust isoleerkeraamika järele. 800 V ja kõrgema pingega platvormide järkjärgulise kasutuselevõtuga suurenevad nõuded kõrgepingekontaktorite, releede, toitemoodulite ja laadimissüsteemide isolatsioonimaterjalidele jätkuvalt-. Keraamilistel materjalidel on kõrge dielektriline tugevus ja kuumakindlus, seega on neil hea alus kõrgepingeliste elektrikomponentide jaoks.

 

Teiseks ajendab keraamiliste pakkematerjalide uuendamist suur võimsustihedus. Uued energiasõidukite elektriajamisüsteemid peavad saavutama suurema võimsuse väiksemas ruumis ning võimsuspooljuhtide soojusvoo tihedus kasvab jätkuvalt. Seetõttu saavad suuremat tähelepanu hea soojusjuhtivuse ja mehaanilise töökindlusega keraamilised aluspinnad ja pakkematerjalid.

 

Kolmandaks soodustab täppistootmine keraamiliste osade arendamist keerukateks struktuurideks. Uutele energiaga autode osadele esitatakse üha kõrgemaid nõudeid kaalu, ruumi ja töökindluse osas. Keraamilised komponendid ei täida mitte ainult traditsioonilisi isolatsioonifunktsioone, vaid võivad integreerida ka selliseid funktsioone nagu tugi, soojuse hajutamine, pakkimine ja elektriühendus.

 

Üldiselt on täiustatud keraamikast saanud oluline materjalisüsteem uute energiasõidukite kõrgepinge-{0}}elektri- ja jõuelektroonika valdkonnas. Alates kõrge-pingereleede isoleerivast korpusest kuni keraamiliste vask-kattega aluspindadeni jõupooljuhtmoodulites ja lõpetades kõrge-pingekontaktoritega, isoleerivate laagrite ja metalliseeritud keraamiliste ühendusdetailidega – keraamika omandab uute energiasõidukite elektrifitseerimise arhitektuuris üha enam võtmefunktsioone.

 

Tulevikus, kui uued energiasõidukid arenevad kõrgema pinge, suurema võimsustiheduse, suurema töökindluse ja väiksema suuruse suunas, onTäpselt metalliseeritud alumiiniumoksiidi keraamilised komponendidmaterjalid muutuvad veelgi lihtsatest isolatsioonimaterjalidest suure jõudlusega konstruktsiooni- ja funktsionaalseteks materjalideks-. Tehnoloogiate, nagu materjalide koostamine, täppisvormimine, metalliseerimine, keraamiline -to-metalli tihendamine ja töökindluse testimine, pidev areng on täiustatud keraamika oluliseks aluseks uute energiasõidukite põhiosade tarneahelasse sisenemisel.