Uus energiatööstus kiirendab oma uuendamist ning keraamiliste osade kasutusväärtus elektrifitseerimisel ja kõrgepinge{0}}elektriväljadel kasvab jätkuvalt.

Uute energiasõidukite, energiasalvestite, fotogalvaanika, vesinikuenergia ja suure{0}}võimsusega jõuelektroonika tehnoloogia kiire arenguga on uued energiaseadmed esitanud kõrgemad nõuded materjalide kõrgele-temperatuurikindlusele, isolatsioonile, korrosioonikindlusele, mehaanilisele tugevusele ja mõõtmete stabiilsusele. Tänu oma suurepärasele elektriisolatsioonile, kõrgele temperatuurile vastupidavusele, korrosioonikindlusele, väikesele dielektrilisele kaole ja heale mõõtmete stabiilsusele jõuavad keraamilised materjalid üha enam selliste rakenduste stsenaariumidesse nagu toiteakud, elektriajamisüsteemid, kõrgepingelised elektrilised, energiasalvestavad inverterid ja uus energiaelektroonika traditsioonilistest tööstusvaldkondadest.

 

Võrreldes metallmaterjalidega suudab insenerkeraamika tavaliselt säilitada suhteliselt stabiilset jõudlust kõrgel temperatuuril, kõrgepingel, kõrgsagedusel ja keerulises keemilises keskkonnas. Seetõttu täidavad nad mõnedes uutes energiaseadmetes võtmefunktsioone, nagu isolatsioon, isolatsioon, struktuuritoetus, soojusjuhtimine ja elektrikaitse. Uute energiasüsteemide võimsustiheduse jätkudes laieneb ka keraamiliste osade kasutusala üksikutelt isoleerivatelt komponentidelt täppiskonstruktsiooniosade ja funktsionaalsete komponentideni.

 

 

 

Aku on uute energiasõidukite üks olulisemaid põhisüsteeme. Selle töökeskkond hõlmab kõrget pinget, suurt voolu, temperatuurimuutusi ja pikaajalist-mehhaanilist vibratsiooni, seega seab see elektriisolatsioonile ja soojusohutusele ranged nõuded. Aku sees võivad keraamilised materjalid osaleda ohutuskaitses erineval kujul, näiteks katted, eraldajad, isoleerivad konstruktsiooniosad ja tihendusosad.

 

Keraamilise{0}}kattega membraanid on üks esinduslikumaid rakendusi. Anorgaaniliste keraamiliste osakeste, nagu alumiiniumoksiid ja böömiit, lisamisega polüolefiinist aluskile pinnale saab parandada separaatori mõõtmete stabiilsust ja kuumakindlust kõrge temperatuuri tingimustes. Kui aku on kõrgel temperatuuril või ebanormaalsetes töötingimustes, võib keraamiline kate vähendada separaatori märkimisväärse kokkutõmbumise ohtu, tagades seeläbi positiivse ja negatiivse elektroodi vahel stabiilsemad isolatsioonitingimused.

 

Kõrgepinge{0}}akusüsteemides saab keraamilisi isolaatoreid kasutada ka elektroodide, klemmide ja muude juhtivate struktuuride vahel elektriisolatsiooniks. Näiteks peab EV Fuse Ceramic Body vastama samaaegselt isolatsiooniomadustele, mehaanilisele tugevusele ja teatud termilisele stabiilsusele. Selle materjali omadused mõjutavad otseselt kõrge-pingekaitsekomponentide töökindlust ebatavalistes voolutingimustes.

 

Kui uute energiasõidukite pingeplatvorm areneb järk-järgult 800 V-ni ja kõrgemale, kasvab kõrge{1}}pinge elektrikaitsekomponentide pingepinge jätkuvalt. Keraamilised konstruktsiooniosad, nagu keraamiline kere EV Fuse jaoks, peavad saavutama usaldusväärse isolatsiooni piiratud ruumis, taludes samas sulamisprotsessi käigus tekkivat termilist šokki ja mehaanilist pinget. Seetõttu on materjali koostis, paagutamisprotsess ja mõõtmete täpsus muutunud toodete kujundamisel olulisteks teguriteks.

 

 

Uute energiasõidukite ja energiasalvestite kõrge-pingekaitsesüsteemid peavad tavaliselt kiiresti voolu katkestama ebatavalistes tingimustes, näiteks lühise ja ülekoormuse korral. Olulise liigvoolukaitsekomponendina ei mängi sulavkaitsmete sisemised keraamilised komponendid mitte ainult isoleerivat rolli, vaid tuleb kaare kustutamiseks, soojusisolatsiooniks ja konstruktsiooni toetamiseks sobitada ka sulatus- ja täitematerjalidega.

 

Traditsioonilistes madalpinge{0}}elektriseadmetes ja tööstuslikes elektriseadmetes on keraamilistel torudel, keraamilistel läbiviikudel ja keraamilistel korpustel juba suhteliselt küps kasutuspõhi. Uute energiasõidukite jaoks mõeldud kõrgepingesüsteemide väljatöötamisega -täiendatakse keraamilisi materjale kõrgepingeliseks, kompaktsuseks ja töökindluseks. Näiteks kõrgpingeelektriliste elektrisõidukite sulavkaitsme alumiiniumoksiidi keraamiline toru peab arvestama kõrge dielektrilise tugevuse, mehaanilise tugevuse ja kuumakindlusega, et kohaneda keeruka töökeskkonnaga uute energiasõidukite kõrgepingeahelas.

 

Alumiiniumoksiidi keraamika on üks levinumaid keraamilisi materjale kõrgepinge kaitsmetes{0}}. Sellel on kõrge isolatsioonitugevus, kuumuskindlus ja keemiline stabiilsus ning sellest saab paagutamisprotsessi käigus valmistada torukujulisi, hülssi-taolisi või erikujulisi{3}}konstruktsioone. Al2O3 alumiiniumoksiidist keraamilist toru kõrgepinge kaitsme jaoks saab kasutada isoleeriva ja konstruktsiooni tugikomponendina kõrgepingekaitseseadmetes, et tagada kaitsme sees olevate erinevate juhtivate piirkondade stabiilne isolatsioon.

 

Autode abiahelate ja kõrgepinge{0}}tarvikusüsteemide puhul peavad keraamilised korpused kohanema ka keerukamate paigaldusruumi ja mehaaniliste ühenduste nõuetega. Üks selline rakendus on elektrisõiduki lisakaitsme keraamiline korpus. Selle projekteerimisel ei pea pöörama tähelepanu mitte ainult isolatsioonikaugusele, vaid arvestama ka mõõtmete tolerantse, montaažimeetodeid, temperatuuri tõusu ja pikaajalist-töökindlust.

 

 

 

Uued energiasõidukite elektriajamisüsteemid arenevad suure kiiruse, suure võimsustiheduse ja suure tõhususe suunas. Mootorid, inverterid ja nendega seotud toitemoodulid on pikka aega kokku puutunud kõrge-sageduse ja temperatuurimuutustega ning traditsiooniliste materjalide isolatsioon, kuumuskindlus ja kulumiskindlus võivad järk-järgult olla piiratud.

 

Keraamilised laagrid on tüüpiline rakendus elektriajamisüsteemides. Struktuurkeraamikatel, nagu räninitriid, on madal tihedus, kõrge kõvadus, hea kulumiskindlus ja suurepärased elektriisolatsiooni omadused. Need võivad vähendada mehaanilist hõõrdumist suurel-kiirusel töötavas mootorikeskkonnas ja vähendada võllivooludest põhjustatud elektrilise korrosiooni ohtu.

 

Ränikarbiidist jõupooljuhte kasutavate elektriajamisüsteemide puhul on võimsuse ümberlülitussagedust ja lülituskiirust veelgi suurendatud, mistõttu süsteem esitab isoleermaterjalidele ja pakkekonstruktsioonidele rangemad nõuded. Keraamilised aluspinnad võivad soojusjuhtimisega seotud ülesandeid täites tagada juhtivate struktuuride ja soojust hajutavate struktuuride vahel usaldusväärse elektriisolatsiooni, muutes need suure võimsusega-võimsusega elektroonikamoodulite oluliseks põhimaterjaliks.

 

Lisaks elektriajamisüsteemi sees olevale keraamilisele substraadile peab kõrge{0}}kaitsmekaitsekomponentidel olema ka stabiilne isolatsioonikonstruktsioon. Näiteks ülekoormus- ja lühisekaitsekaitsme keraamiline korpus peab normaalsetes töötingimustes säilitama hea isolatsiooni ja taluma ülekoormuse või lühisekaitse ajal suuri mööduvaid termilisi pingeid.

 

 

Uute energiasõidukite, energiasalvestavate muundurite ja fotogalvaaniliste inverterite jõulised pooljuhtseadmed tekitavad töötamise ajal suurel hulgal soojust. Süsteemi võimsustiheduse kasvades on soojuse hajumisest saanud üks olulisi toiteseadmete jõudlust piiravaid tegureid.

 

Keraamilised aluspinnad võivad pakkuda nii elektriisolatsiooni kui ka soojusjuhtivuse funktsioone, seetõttu kasutatakse neid laialdaselt toitemooduli pakendites.

 

Sellistel materjalidel nagu alumiiniumoksiid ja alumiiniumnitriid on erinevad soojusjuhtivus- ja kuluomadused ning neid saab valida tööpinge, võimsustaseme, soojustakistuse nõuete ja tootmiskulude alusel.

 

Nende hulgas on alumiiniumnitriidil kõrge soojusjuhtivus ja madal soojuspaisumise koefitsient ning sellel on kõrge kasutusväärtus suure võimsusega -elektroonikapakendite valdkonnas. Kui keraamilisi materjale kombineerida metalljuhtidega (nt vask), võivad need moodustada juhtiva, soojust hajutava ja isoleeriva funktsiooniga komposiitstruktuuri, mis loob stabiilse pakendamisaluse laia ribalaiusega pooljuhtseadmetele (nt ränikarbiidile).

 

Uue energiaga elektrikaitse valdkonnas saavad alalisvoolu autokaitsmete keraamilised materjalid kasutada keraamiliste materjalide kuumakindlus- ja isolatsiooniomadusi, et pakkuda stabiilset konstruktsioonilist tuge autode alalisvoolukaitsmetele. Kuna uute energiasõidukite{1}}alalisvoolu kõrgepingeahelate võimsus kasvab jätkuvalt, peavad seotud keraamilised osad veelgi parandama oma soojuslöögikindlust, mehaanilist tugevust ja mõõtmete stabiilsust.

 

 

Energiasalvestussüsteemid peavad tavaliselt töötama pikka aega ja võivad olla keerukates keskkondades, nagu kõrge temperatuur, madal temperatuur, niiskus, tolm jne. Energiasalvestite inverteritel, alalisvoolu jaotusseadmetel, akuhaldussüsteemidel ja kõrge{1}}pingekaitsesüsteemidel on suur nõudlus isolatsioonimaterjalide järele.

 

Energiasalvestavates muundurites ja inverterites saavad keraamilised substraadid ühendada toiteseadmeid ja soojuseraldussüsteeme, tagades elektriisolatsiooni, juhtides samal ajal kiiresti seadmete tekitatud soojust. Kõrgsageduslike -lülitussüsteemide puhul mõjutavad keraamiliste materjalide dielektrilised omadused ka parasiitparameetreid ja signaali terviklikkust, seega tuleb materjali valikut põhjalikult hinnata koos kogu jõuelektroonika süsteemiga.

 

Kaitsmerakendustes saab isoleeriv elektriline steatiitkeraamiline sulatatud korpus ära kasutada materjalide, näiteks steatiitportselani, häid elektriisolatsiooni ja kuumakindluse omadusi, mida kasutatakse konkreetsete elektrikaitseseadmete isolatsiooniks ja konstruktsiooni toetamiseks. Erinevatel keraamilistel süsteemidel on erinevad dielektrilised tugevused, mehaanilised omadused, soojuspaisumistegurid ja töötlemisomadused, mistõttu tuleb tegelik valik põhjalikult kindlaks määrata pinge, voolu, temperatuuri ja mehaanilise koormuse põhjal.

 

 

 

Fotogalvaaniline inverter on oluline seade, mis ühendab fotogalvaanilise elektritootmissüsteemi ja vahelduvvoolu elektrivõrku. See sisaldab suurel hulgal jõupooljuhte, filtriseadmeid ja kõrgepinge{1}}elektrikomponente. Kuna fotogalvaaniliste süsteemide võimsustasemed kasvavad jätkuvalt, muutub seadmete soojusjuhtimine ja isolatsiooni disain olulisemaks.

 

Keraamiline vask{0}}kattega substraat suudab teostada voolu ülekande läbi metallikihi ja kasutada keraamilist dielektrikut elektrilise isolatsiooni saavutamiseks, kandes samal ajal toiteseadme tekitatud soojuse kiiresti üle soojuse hajumise struktuuri. Suure-võimsusega IGBT, SiC MOSFET ja muude seadmete puhul mõjutavad pakkematerjali soojusjuhtivus, soojuspaisumise sobivus ja isolatsiooninäitajad otseselt mooduli pikaajalist töökindlust.

 

Samal ajal mängivad kõrgepingekaitsmed ja nende keraamilised konstruktsiooniosad oma osa ka fotogalvaanilise alalisvoolu külgkaitses. Fuse Linki keraamiline korpus võib pakkuda kaitsmeelemendile isoleerivat korpust ja mehaanilist tuge ning taluda vastavat termilist ja mehaanilist pinget tõrke väljalülitusprotsessi ajal.

 

 

Alumiiniumoksiidi keraamikal on küps tööstusliku tootmise alus. Selle materjalisüsteem on stabiilne, selle maksumus on suhteliselt kontrollitav ja see suudab valmistada keerulisi struktuure erinevate vormimis- ja paagutamisprotsesside kaudu. Seetõttu on sellel lai valik rakendusi uute energia- ja elektriseadmete valdkonnas.

 

Uute energiasõidukite kõrgepinge{0}}kaitsmete puhul saab alumiiniumoksiidi keraamilist isolatsioonitoru kaitsme jaoks kasutada erinevate juhtivate osade isoleerimiseks ja isoleerimiseks. Kõrgema pingetasemega autokaitsesüsteemide puhul peavad keraamilised torud vastama ka laiaulatuslikele nõuetele, nagu roomamiskaugus, elektriline kliirens, soojuslöögikindlus ja mehaaniline kokkupanek.

 

Kõrgepinge{0}}autokaitsmete puhul mõjutab materjali puhtus ka toote dielektrilisi omadusi ja mehaanilist stabiilsust. 95% alumiiniumoksiidi keraamiline toru kõrgepinge kaitsme jaoks on üks levinumaid alumiiniumoksiidi keraamika rakendusvorme. Konkreetne materjalisüsteem tuleb sobitada vastavalt tööpingele, temperatuurile, konstruktsiooni suurusele ja tootmisprotsessile.

 

Autotööstuse kõrge{0}pingeplatvormide väljatöötamisega on keskkond, kus alumiiniumoksiidi keraamilised torud kõrgpingelistele autokaitsmetele-kaitsmed on, muutunud keerukamaks, sealhulgas kõrgsageduslikud-lülitused, voolu tõusud, temperatuuritsüklid ja mehaaniline vibratsioon. Seetõttu ei piisa nõuete täitmiseks lihtsalt keraamiliste materjalide isolatsioonitugevuse parandamisest. Samuti on vaja igakülgselt optimeerida keraamilist valemit, paagutamise tihedust, mõõtmete täpsust ja konstruktsiooni.

 

 

Uute energiaseadmete intelligentne arendamine on ajendanud ka keraamiliste andurite ja funktsionaalsete keraamiliste materjalide kasutamist. Sellised materjalid nagu tsirkooniumoksiid, piesoelektriline keraamika ja ferriit võivad kasutada oma erilisi elektrilisi, termilisi ja mehaanilisi omadusi, et tuvastada selliseid parameetreid nagu temperatuur, rõhk, gaasikontsentratsioon ja vool.

 

Kõrge{0}}temperatuuriga keskkondades on keraamilistel materjalidel hea termiline stabiilsus ning neid saab kasutada andurite kaitsekonstruktsioonides ja tundlikes komponentides. Mõnedel keraamilistel materjalidel on ka piesoelektrilised, dielektrilised või magnetoelektrilised muundamisomadused ning neid saab kasutada uute energiasõidukite, tööstusliku juhtimise ja nutikate toiteseadmete andursüsteemides.

 

Autonoomse sõidu, akuhalduse ja energiasalvestuse seiresüsteemide pideva arendamisega suurenevad nõuded andurite pikaajalisele-stabiilsusele, keskkonnahäiretevastasusele- ja mõõtmete täpsusele, mis soodustab ka funktsionaalse keraamika arendamist täpsuse ja integreerimise suunas.

 

 

 

Uued energiaseadmed peavad tavaliselt töötama pidevalt mitu aastat, seega ei saa keraamilised osad vastata ainult esialgsetele jõudlusnäitajatele, vaid neil peab olema ka hea pikaajaline töökindlus. Materjali valik, vormimisprotsess, paagutamisprotsess, pinnatöötlus ja mõõtmete reguleerimine mõjutavad lõpptulemust.

 

Kõrgepinge isolatsioonikeraamika puhul on vaja keskenduda sellistele näitajatele nagu dielektriline tugevus, mahutakistus, roomamiskaugus ja osaline tühjenemine. Mehhaanilise koormuse all olevate keraamiliste konstruktsiooniosade puhul tuleb keskenduda paindetugevuse, purunemiskindluse, termilise šoki jõudluse ja koostepinge hindamisele.

 

Lisaks on keraamika ja metallide soojuspaisumise koefitsiendi erinevus samuti oluline teema, mida tuleb inseneri projekteerimisel arvesse võtta. Kui seadmed läbivad sagedasi kõrge ja madala temperatuuri tsükleid, võib erinevate materjalide vahel tekkida termiline stress. Kui konstruktsioon ja materjali sobitamine ei ole mõistlikud, võib pikaajaline-tsüklitamine põhjustada liidese pragunemist, delaminatsiooni ja isegi isolatsioonirikkeid.

 

Seetõttu on kõrgepingeliste isolatsioonikomponentide (nt EV-kaitsmetes isoleeritud keraamiline toru) väljatöötamise käigus vaja läbi viia kõikehõlmav projekteerimine, võttes aluseks materjali, struktuuri, tootmise ja kontrollimise mitmed mõõtmed, ning toote töökindlust ei saa hinnata ainult ühe materjali toimivusindeksi põhjal.
 

 

Praegu on uus energiatööstus muutumas lihtsalt paigaldatud võimsuse suurendamisest võimsustiheduse, süsteemi tõhususe ja töökindluse parandamiseks. Uued energiasõidukid arenevad 800 V kõrgepinge{2}}platvormide suunas, energiasalvestussüsteeme täiustatakse suurema võimsuse ja pikema eluea suunas ning fotogalvaanilised inverterid parandavad jätkuvalt konversiooni tõhusust ja võimsustihedust. Need muudatused on seadnud keraamilistele materjalidele uued tehnilised nõuded.

 

Tulevikus arendamineuued energiakeraamilised osadpöörab rohkem tähelepanu materjalide jõudluse ja konstruktsiooni disaini koostöö optimeerimisele. Ühest küljest on vaja välja töötada keraamilised materjalid, millel on suurem soojusjuhtivus, suurem dielektriline tugevus ja parem soojuspaisumise sobivus; teisest küljest on vaja parandada ka toote mõõtmete konsistentsi ja partii stabiilsust täppisvormimise, täiustatud paagutamise ja automaatse kontrolli abil.

 

Samal ajal laieneb keraamiliste osade kasutamine järk-järgult traditsioonilistelt isolatsioonihülsstelt, korpustelt ja aluspindadelt kõrge{0}}pingeühenduste, toitemooduli pakendite, andurite, kaitsmete ja uute energiaseadmete täppiskonstruktsiooniosadeni. Kõrgepinge kaitsmete jaoks jäävad keraamilised materjalid uute energiasõidukite ja energiasalvestite kaitsesüsteemide oluliseks materjalisüsteemiks, kuna neil on laialdased eelised isolatsioonis, kuumakindluses ja konstruktsiooni toes.

 

Üldiselt võib öelda, et kuigi keraamilised osad ei osale tavaliselt otseselt energia muundamises, täidavad need põhifunktsioone, nagu isolatsioon, soojuse hajumine, kaitse, tugi ja usaldusväärne ühendus. Uute energiasõidukite, energiasalvestuse, fotogalvaanika ja kõrge-pingeelektroonika tehnoloogiate arendamise käigus muutuvad keraamilised materjalid traditsioonilistest abimaterjalidest olulisteks põhimaterjalideks, mis mõjutavad uute energiaseadmete ohutust, tõhusust ja eluiga.

 

Tulevikus edendab keraamikatehnoloogia innovatsioon, mis keskendub suurele töökindlusele, kõrgele soojusjuhtivusele, kõrgele isolatsioonile, kergele kaalule ja täppistöötlemisele, uute energiaseadmete arendamist suure võimsustiheduse, suure tõhususe ja pikaajalise töökindla{0}}töökindluse suunas.