کاربرد و ارزش فنی سرامیک های پیشرفته در زمینه ارتقاء برقی وسایل نقلیه انرژی جدید

تبدیل وسایل نقلیه با انرژی جدید از سوخت سنتی به محرک الکتریکی، کنترل هوشمند، و سیستم‌های الکتریکی ولتاژ بالا نه تنها ساختار قدرت خودرو را تغییر داده است، بلکه ارتقای مواد اجزای کلیدی مانند رله‌های{{1} ولتاژ بالا، نیمه هادی‌های قدرت، یاتاقان‌های موتور و سیستم‌های کنترل الکترونیکی را ارتقا داده است. با توسعه مداوم پلتفرم‌های 800 ولت و ولتاژ بالاتر، سیستم‌های درایو الکتریکی با چگالی بالا-و فناوری‌های شارژ و دشارژ سریع، قطعات نیز با الزامات ولتاژ، جریان، دما، فرکانس و قابلیت اطمینان بالاتری مواجه هستند.

 

در این فرآیند، سرامیک های پیشرفته به دلیل استحکام دی الکتریک بالا، مقاومت در برابر دمای بالا، مقاومت در برابر خوردگی، استحکام مکانیکی بالا و پایداری ابعادی خوب، به تدریج از مواد ساختاری سنتی به سیستم‌های الکتریکی، الکترونیکی قدرت و محرکه ولتاژ بالا برای وسایل نقلیه با انرژی جدید- گسترش یافته است. کاربرد آن بر روی دستگاه های سوئیچینگ DC ولتاژ بالا، بسته بندی نیمه هادی قدرت، کنتاکتورهای ولتاژ بالا{3} سرامیکی و یاتاقان های عایق موتور متمرکز است.

 

 

 

سیستم الکتریکی ولتاژ بالا وسایل نقلیه با انرژی جدید معمولاً به رله یا کنتاکتورها برای دستیابی به اتصال، قطع و جداسازی ایمن بین بسته باتری و مدارهای ولتاژ بالا مانند اینورترها، موتورها و سیستم‌های شارژ- نیاز دارد. در مقایسه با{3}}سیستم‌های الکتریکی ولتاژ پایین خودرو، سوئیچینگ در محیط‌های DC با ولتاژ بالا پیچیده‌تر است. به خصوص هنگام قطع مدارها در شرایط جریان بالا، احتمالاً قوس‌هایی بین کنتاکت‌ها ایجاد می‌شود که نیازمندی‌های بالاتری را برای ساختار عایق و قابلیت‌های خاموش کردن قوس- ایجاد می‌کند.

 

مواد سرامیکی دارای خواص عایق الکتریکی عالی و مقاومت در برابر دمای بالا هستند و می‌توانند در عایق‌سازی پوسته‌ها، غلاف‌های عایق، و سازه‌های آب‌بندی داخل رله‌ها و کنتاکتورهای DC ولتاژ بالا- استفاده شوند. از طریق آب بندی مطمئن مواد سرامیکی و فلزی، می توان یک فضای کاری داخلی نسبتاً بسته برای حفظ عایق پایدار بین اجزای رسانای ولتاژ بالا و ساختار خارجی تشکیل داد، در حالی که شرایط آب بندی لازم را برای محیط خاموش کننده قوس فراهم می کند.

 

در دستگاه‌های سوئیچینگ ولتاژ بالا، سرامیک آلومینا یکی از رایج‌ترین مواد عایق است. سیستم های آلومینا با درجه خلوص و عملکرد متفاوت را می توان بر اساس سطوح مختلف ولتاژ، استحکام مکانیکی، خواص حرارتی و نیازهای اندازه انتخاب کرد. برای قطعاتی که نیاز به الزامات عایق کاری، پشتیبانی مکانیکی و آب بندی فلزی دارند، سرامیک متالایز آلومینا می تواند از طریق فرآیندهای متالیزاسیون سطح سرامیکی و لحیم کاری به اتصالات قابل اعتماد بین سرامیک و فلزات دست یابد.

 

ارزش مواد سرامیکی در چنین محصولاتی به عایق محدود نمی شود. گرمای گذرا و تنش مکانیکی در حین کار{1}}کنتاکتورهای ولتاژ بالا ایجاد می‌شود، بنابراین پوسته سرامیکی نیز باید پایداری حرارتی، پایداری ابعادی و مقاومت در برابر شوک حرارتی داشته باشد. انتخاب مواد، طراحی ساختاری و فرآیند متالیزاسیون باید به طور جامع بر اساس ولتاژ عملیاتی، جریان، دما و نیازهای عمر واقعی طراحی شود.

 

 

 

یکی از هسته های سیستم محرک الکتریکی وسایل نقلیه انرژی جدید، کنترل کننده الکترونیکی قدرت است که وظیفه اصلی آن تکمیل تبدیل کارآمد بین توان DC باتری برق و برق AC مورد نیاز موتور است. با افزایش چگالی توان سیستم های محرک الکتریکی، دستگاه های نیمه هادی قدرت باید در برابر جریان های بالاتر و چرخه های حرارتی مکرر مقاومت کنند. بنابراین، مواد بسته بندی نه تنها باید خواص عایق خوبی داشته باشند، بلکه باید اتلاف گرما، استحکام مکانیکی و تطابق انبساط حرارتی را نیز در نظر بگیرند.

 

زیرلایه‌های مسی{0}}سرامیکی معمولاً از لایه‌های مس، لایه‌های عایق سرامیکی و لایه‌های مس تشکیل شده‌اند. لایه سرامیکی وظیفه عایق الکتریکی و عملکردهای پشتیبانی مکانیکی را بر عهده دارد و لایه مس وظیفه انتقال جریان، اتصال تراشه و اتلاف گرما را بر عهده دارد. در مقایسه با مواد عایق آلی خالص، بسترهای سرامیکی می‌توانند خواص الکتریکی و مکانیکی پایداری را در محیط‌های با دمای بالاتر حفظ کنند و آنها را برای ماژول‌های الکترونیکی با قدرت-قدرت- با چگالی بالا مناسب کند.

 

مواد سرامیکی معمولی که در حال حاضر در ماژول های انرژی خودروهای جدید مورد استفاده قرار می گیرند عبارتند از اکسید آلومینیوم، نیترید آلومینیوم و نیترید سیلیکون. اکسید آلومینیوم دارای ویژگی های هزینه نسبتاً متوسط، عملکرد عایق خوب و فرآیند بالغ است. نیترید آلومینیوم رسانایی حرارتی بالایی دارد و در سناریوهایی با نیاز به اتلاف حرارت بالا دارای مزایایی است. نیترید سیلیکون استحکام مکانیکی، پایداری حرارتی و مقاومت چرخه حرارتی بالایی دارد و برای کاربردهای الکترونیکی قدرتی که به قابلیت اطمینان بلندمدت- نیاز دارند، مناسب تر است.

 

همانطور که ماژول‌های انرژی خودروهای جدید به سمت ولتاژ بالا، جریان بالا و کوچک‌سازی توسعه می‌یابند، تقاضا برای اجزای متالایزه شده سرامیکی با دقت بالا مانند سرامیک‌های متالیزه دقیق نیز افزایش یافته است. لایه متالیزاسیون روی سطح سرامیکی باید دارای استحکام چسبندگی خوب و خواص الکتریکی پایدار باشد و بتواند تنش ایجاد شده در طول جوشکاری، لحیم کاری و چرخه حرارتی بعدی را تحمل کند.

 

برای بسته بندی نیمه هادی قدرت، تطبیق ضریب انبساط حرارتی بین مواد سرامیکی و لایه مس بسیار مهم است. در طول عملیات واقعی، وسایل نقلیه با انرژی جدید شروع، شتاب، ترمز، شارژ سریع و تغییرات دمای محیطی متفاوت را تجربه خواهند کرد و ماژول قدرت بارها گرمایش و سرمایش را تجربه خواهد کرد. اگر تفاوت در انبساط حرارتی بین مواد خیلی زیاد باشد، چرخه حرارتی طولانی مدت ممکن است باعث خستگی رابط، ترک یا لایه برداری شود و در نتیجه عمر ماژول را تحت تأثیر قرار دهد.

 

بنابراین، طراحی بسته‌بندی سرامیکی ماژول‌های انرژی خودرو جدید نیاز به در نظر گرفتن هدایت حرارتی، استحکام عایق، استحکام مکانیکی، تطبیق انبساط حرارتی و دقت پردازش دارد و نمی‌تواند به سادگی بر عملکرد ماده خاصی به عنوان مبنای انتخاب تکیه کند.

 

 

سرامیک خود دارای خواص عایق عالی است، اما در دستگاه های الکترونیکی واقعی، سرامیک ها معمولاً باید به هادی های فلزی، الکترودها یا ساختارهای بسته بندی متصل شوند. بنابراین، متالیزاسیون سطح سرامیکی به یک فرآیند مهم برای دستیابی به ترکیبی قابل اعتماد از سرامیک و فلز تبدیل شده است.

 

ایده اصلی متالیزاسیون سرامیکی این است که یک لایه فلزی با ضخامت و استحکام چسبندگی مشخص بر روی سطح سرامیکی تشکیل شود تا بتوان آن را بیشتر لحیم کاری، جوشکاری یا سایر فرآیندهای اتصال را انجام داد. لایه متالیزه نه تنها باید رسانایی الکتریکی خوبی داشته باشد، بلکه باید یک پیوند مشترک پایدار با ماتریس سرامیکی ایجاد کند.

 

برای دستگاه‌های ولتاژ بالا- وسایل نقلیه با انرژی جدید، قابلیت اطمینان لایه متالیزاسیون مستقیماً بر سفتی هوا، عملکرد عایق و پایداری مکانیکی ساختار بسته‌بندی تأثیر می‌گذارد. به عنوان مثال، عایق سرامیکی داخل رله ولتاژ بالا- باید یک اتصال قابل اعتماد با پوسته فلزی ایجاد کند. بستر سرامیکی در ماژول نیمه هادی قدرت باید یک پیوند پایدار با لایه مس ایجاد کند.

 

در میان قطعات الکترونیکی با دقت{0} بالا، ماشینکاری دقیق قطعات سرامیکی آلومینا می‌تواند اندازه پیچیده، تحمل، محل سوراخ‌ها و الزامات دقت چهره را برآورده کند. برای دستگاه‌های ولتاژ بالا برای وسایل نقلیه با انرژی جدید، قطعات سرامیکی معمولاً باید الزامات کوچک‌سازی، ساختار پیچیده و قابلیت اطمینان بالا را همزمان برآورده کنند. بنابراین، آماده سازی مواد و پردازش دقیق باید به طور مشترک کنترل شوند.

 

 

 

یک کنتاکتور ولتاژ بالا یک جزء کلیدی مهم در-سیستم الکتریکی ولتاژ بالا وسایل نقلیه با انرژی جدید است. عملکرد اصلی آن کنترل سوئیچینگ مدارهای ولتاژ بالا در هنگام راه اندازی، توقف، شارژ و حفاظت از خطا است. از آنجایی که باتری‌های انرژی جدید وسایل نقلیه معمولاً از ولتاژهای DC صدها ولت یا حتی بیشتر استفاده می‌کنند، کنتاکتورهای ولتاژ{5}بالا باید تحت فشار الکتریکی بالا عملکرد قابل اعتمادی داشته باشند.

 

محفظه های سرامیکی کنتاکتور HVDC معمولاً عملکردهای متعددی مانند عایق داخلی، پشتیبانی ساختاری و آب بندی را انجام می دهند. محفظه های سرامیکی نیاز به حفظ عایق پایدار در محیط های{1} ولتاژ بالا دارند و در عین حال در مقابل تغییرات دمای داخلی و تنش های مکانیکی مقاومت می کنند.

 

کنتاکتورهای ولتاژ بالا معمولاً از سازه‌های آب‌بندی سرامیکی و فلزی استفاده می‌کنند. محل اتصال سرامیک و فلز یکی از کلیدهای قابل اعتماد بودن کل دستگاه است. اگر نقصی در رابط آب بندی وجود داشته باشد، ممکن است در اثر سیکل های حرارتی طولانی مدت، لرزش مکانیکی یا تغییرات فشار داخلی، ترک، نشت و سایر مشکلات رخ دهد.

 

بنابراین، تولید کنتاکتورهای ولتاژ بالا سرامیکی معمولاً نیازمند تمرکز بر کنترل خلوص مواد سرامیکی، کیفیت تف جوشی، دقت ابعادی، کیفیت لایه فلزی‌سازی و استحکام آب‌بندی فلزی سرامیکی است. برای محصولات با قابلیت اطمینان بالا، تأیید سفتی هوا، عایق الکتریکی، مقاومت در برابر ولتاژ، و سیکل حرارتی نیز مورد نیاز است.

 

از منظر مهندسی مواد، اتصال سرامیک به فلز یک ترکیب مکانیکی ساده نیست، بلکه شامل عوامل متعددی مانند ضریب انبساط حرارتی مواد، ترشوندگی رابط، انتخاب لحیم کاری، دمای آب بندی و کنترل تنش پسماند است. تنها با دستیابی به ترکیبی پایدار از رابط‌های سرامیکی و فلزی می‌توان از قابلیت آب‌بندی و عایق بودن دستگاه‌های ولتاژ بالا در-درازمدت عملکرد اطمینان حاصل کرد.

 

 

موتورهای درایو وسایل نقلیه جدید انرژی معمولاً دارای سرعت چرخش بالایی هستند و یک محیط الکترومغناطیسی پیچیده در داخل موتور وجود دارد. در مقایسه با سیستم‌های مکانیکی سنتی، علاوه بر تحمل بارهای شعاعی و محوری، یاتاقان‌های موتور خودروهای انرژی جدید نیز باید با مشکلاتی مانند چرخش سرعت بالا، افزایش دما، جریان و خوردگی الکتریکی مواجه شوند.

 

یاتاقان های فلزی سنتی ممکن است تحت شرایط عملکرد موتور خاصی جریان شفت ایجاد کنند. هنگامی که جریان از داخل یاتاقان عبور می کند، تخلیه قوس ممکن است در ناحیه تماس بین المنت نورد و مسیر مسابقه ایجاد شود که باعث خوردگی حفره ای، فرسایش و آسیب سطحی می شود که در نهایت عمر یاتاقان را تحت تاثیر قرار می دهد.

 

عناصر نورد سرامیکی دارای ویژگی های چگالی کم، سختی بالا، مقاومت در برابر سایش خوب و خواص عایق الکتریکی عالی هستند. بنابراین، یاتاقان‌های سرامیکی هیبریدی دارای ارزش کاربردی خاصی در موتورهای{1}}سرعت بالا و سیستم‌های قدرت الکتریکی هستند. ترکیب عناصر نورد سرامیکی و فرول‌های فلزی می‌تواند کیفیت عناصر نورد را کاهش دهد و در عین حال استحکام ساختاری یاتاقان را حفظ کند و خواص اصطکاک و عایق الکتریکی را در شرایط کار با سرعت بالا بهبود بخشد.

 

الزامات برای یاتاقان‌ها در موتورهای وسایل نقلیه با انرژی جدید توسعه-قطعات سرامیکی با کارایی بالا مانند اجزای سرامیکی متالیزه{1}}با استحکام بالا را ارتقاء داده است. اگرچه سرامیک‌های متالایزه و یاتاقان‌های موتور به انواع مختلفی از کاربردها تعلق دارند، اما روند توسعه مواد یکسانی را نشان می‌دهند، که عبارت است از رفع محدودیت‌های عملکردی مواد فلزی سنتی در شرایط کاری خاص از طریق عایق، استحکام بالا و خواص مقاومت در برابر دمای بالا مواد سرامیکی.

 

 

همانطور که پلت فرم ولتاژ وسایل نقلیه انرژی جدید همچنان در حال بهبود است، دامنه کاربرد سرامیک های پیشرفته به تدریج از اجزای عایق واحد به سوئیچ های ولتاژ بالا، ماژول های قدرت، حسگرها، ساختارهای اتصال و اجزای مرتبط با مدیریت حرارتی- گسترش می یابد.

 

در قطعات الکتریکی با ولتاژ بالا، سرامیک آلومینا متالیز شده برای اجزای الکتریکی می‌تواند از طریق ترکیب یک ماتریس عایق سرامیکی و لایه‌های رسانای فلزی، به ادغام عملکردهای عایق، هدایت و اتصال مکانیکی دست یابد. این ساختار به ویژه برای قطعات الکتریکی با فضای محدود و نیازهای عایق بالا مناسب است.

 

برای دستگاه‌های ولتاژ بالا که به دقت ابعادی بالاتری نیاز دارند، اجزای سرامیکی آلومینا متالیز شده دقیق می‌توانند فرآیندهای قالب‌گیری دقیق، پخت، متالیزاسیون، و ماشین‌کاری را برای برآوردن ساختارهای پیچیده و الزامات مونتاژ با دقت بالا ترکیب کنند. قطعات خودروهای انرژی جدید به سمت کوچک سازی، سبک وزن و چگالی توان بالا در حال توسعه هستند، که همچنین کنترل ابعادی و ثبات پردازش قطعات سرامیکی را مهم تر می کند.

 

از سوی دیگر، با افزایش ولتاژ کاری و فرکانس سوئیچینگ نیمه هادی های قدرت، مواد عایق سرامیکی نیز باید با شدت میدان الکتریکی بالاتر و نرخ تغییر ولتاژ سریعتر مواجه شوند. سازه‌هایی مانند لوله‌های عایق سرامیکی متالایز و قطعات سرامیکی متالیزه را می‌توان برای اجزای الکتریکی ویژه‌ای استفاده کرد که هم به عملکردهای عایق، اتصال رسانا و هم کپسوله‌سازی نیاز دارند و راه‌حل‌های ساختاری فشرده‌تری برای سیستم‌های الکتریکی ولتاژ بالا ارائه می‌کنند.

 

 

 

استفاده از سرامیک های پیشرفته در خودروهای انرژی جدید یک جایگزین ساده مواد نیست، بلکه یک پروژه سیستماتیک شامل مواد، ساختارها، فرآیندها و تأیید قابلیت اطمینان است.

 

ابتدا باید مواد سرامیکی مناسب بر اساس ولتاژ کاری، دما، جریان، بار مکانیکی و شرایط محیطی انتخاب شوند. ثانیاً، فرآیندهای قالب‌گیری، پخت، ماشینکاری دقیق و متالیزاسیون سطحی باید با توجه به ساختار جزء تعیین شوند. برای دستگاه های آب بندی با فشار بالا، تطابق انبساط حرارتی بین مواد سرامیکی و فلزی و تنش پسماند آب بندی باید بیشتر در نظر گرفته شود.

 

برای الکترونیک قدرت، بسترهای سرامیکی نیز به تمرکز بر عمر چرخه حرارتی و قابلیت اطمینان رابط نیاز دارند. همانطور که وسایل نقلیه انرژی جدید به تدریج از IGBT های سنتی به نیمه هادی های توان باندی-با کارایی بالا{{2} توسعه می یابند، سرعت سوئیچینگ و چگالی توان ماژول های قدرت همچنان افزایش می یابد و الزامات برای مواد عایق و ساختارهای بسته بندی نیز بیشتر خواهد شد.

 

قطعات متالیزاسیون سرامیکی پیشرفته با دقت آلومینا با خلوص بالا برای قطعات الکترونیکی خاصی که به خلوص بالا، عملکرد عایق، دقت ابعادی و قابلیت اطمینان متالیزاسیون نیاز دارند، مناسب هستند. چنین محصولاتی معمولاً به کنترل کامل فرآیند از پودر سرامیک، قالب‌گیری، تف جوشی گرفته تا ماشینکاری دقیق و متالیزاسیون نیاز دارند.

 

 

از منظر جهت کلی توسعه فناوری وسایل نقلیه انرژی جدید، کاربرد سرامیک های پیشرفته عمدتاً سه روند را ارائه می دهد.

 

اول اینکه ولتاژ بالا تقاضا برای سرامیک های عایق را افزایش می دهد. با کاربرد تدریجی پلتفرم‌های 800 ولت و ولتاژ بالاتر، نیاز به مواد عایق در{2}کنتاکتورهای ولتاژ بالا، رله‌ها، ماژول‌های قدرت و سیستم‌های شارژ همچنان افزایش می‌یابد. مواد سرامیکی دارای استحکام دی الکتریک و مقاومت حرارتی بالایی هستند، بنابراین پایه کاربردی خوبی در اجزای الکتریکی ولتاژ بالا{4}} دارند.

 

دوم، چگالی توان بالا باعث ارتقاء مواد بسته بندی سرامیکی می شود. سیستم‌های محرک الکتریکی وسایل نقلیه انرژی جدید نیاز به دستیابی به توان خروجی بالاتر در فضای کوچک‌تر دارند و چگالی جریان گرما در نیمه‌هادی‌های قدرت همچنان افزایش می‌یابد. بنابراین، بسترهای سرامیکی و مواد بسته بندی با هدایت حرارتی خوب و قابلیت اطمینان مکانیکی بیشتر مورد توجه قرار خواهند گرفت.

 

سوم، ساخت دقیق، توسعه قطعات سرامیکی را به ساختارهای پیچیده ارتقا می دهد. قطعات خودروهای انرژی جدید به طور فزاینده ای نیازهای بالاتری برای وزن، فضا و قابلیت اطمینان دارند. اجزای سرامیکی نه تنها عملکردهای عایق سنتی را انجام می دهند، بلکه ممکن است عملکردهایی مانند پشتیبانی، اتلاف گرما، بسته بندی و اتصال الکتریکی را نیز با هم ترکیب کنند.

 

به طور کلی، سرامیک‌های پیشرفته به یک سیستم مواد مهم در زمینه‌های الکترونیکی برق و قدرت ولتاژ بالا- وسایل نقلیه با انرژی جدید تبدیل شده‌اند. از پوشش عایق رله‌های ولتاژ بالا، تا زیرلایه‌های مسی سرامیکی- در ماژول‌های نیمه‌رسانای قدرت، تا کنتاکتورهای ولتاژ بالا، یاتاقان‌های عایق و قطعات اتصال سرامیکی متالایز، سرامیک‌ها عملکردهای کلیدی‌تر و کلیدی‌تری را در معماری خودروهای برقی جدید به عهده می‌گیرند.

 

در آینده، همانطور که وسایل نقلیه با انرژی جدید به سمت ولتاژ بالاتر، چگالی توان بالاتر، قابلیت اطمینان بالاتر و اندازه کوچکتر توسعه می یابند، ارزشقطعات سرامیکی آلومینا متالایز دقیقمواد بیشتر از مواد عایق ساده به مواد ساختاری و عملکردی{0} با کارایی بالا تبدیل خواهند شد. پیشرفت مداوم فناوری‌هایی مانند فرمول‌بندی مواد، قالب‌گیری دقیق، متالیزاسیون، آب‌بندی{2}}به{3}}سرامیک به فلز، و آزمایش قابلیت اطمینان، پایه‌ای مهم برای سرامیک‌های پیشرفته برای ورود بیشتر به زنجیره تامین قطعات اصلی خودروهای انرژی جدید خواهد بود.