L'application et la valeur technique des céramiques avancées dans le contexte de la modernisation de l'électrification des véhicules à énergie nouvelle

La transformation des véhicules à énergie nouvelle, passant de l'alimentation à carburant traditionnelle à la propulsion électrique, au contrôle intelligent et aux systèmes électriques à haute tension-, a non seulement modifié la structure de puissance du véhicule, mais a également favorisé la mise à niveau matérielle de composants clés tels que les relais à haute tension-, les semi-conducteurs de puissance, les roulements de moteur et les systèmes de contrôle électronique. Avec le développement continu de plates-formes de 800 V et de tension supérieure, de systèmes d'entraînement électrique à haute densité de puissance et de technologies de charge et de décharge rapides, les composants sont également confrontés à des exigences de tension, de courant, de température, de fréquence et de fiabilité plus élevées.

 

Au cours de ce processus, les céramiques avancées sont progressivement passées des matériaux structurels traditionnels aux systèmes électriques à haute tension, à l'électronique de puissance et aux systèmes d'entraînement pour les véhicules à énergie nouvelle, en raison de leur rigidité diélectrique élevée, de leur résistance aux températures élevées, de leur résistance à la corrosion, de leur résistance mécanique élevée et de leur bonne stabilité dimensionnelle. Son application se concentre sur les dispositifs de commutation CC haute-tension, les emballages de semi-conducteurs de puissance, les contacteurs haute tension-en céramique et les roulements isolés pour moteurs.

 

 

 

Le système électrique à haute tension-des véhicules à énergie nouvelle nécessite généralement des relais ou des contacteurs pour assurer la connexion, la déconnexion et l'isolation sûre entre la batterie et les circuits à haute tension-tels que les onduleurs, les moteurs et les systèmes de charge. Par rapport aux systèmes électriques automobiles basse-tension, la commutation dans des environnements CC haute-tension est plus complexe. En particulier lors de la déconnexion de circuits dans des conditions de courant élevé, des arcs sont susceptibles de se produire entre les contacts, ce qui impose des exigences plus élevées en matière de structure d'isolation et de capacités d'extinction d'arc-.

 

Les matériaux céramiques ont d'excellentes propriétés d'isolation électrique et une résistance aux températures élevées. Ils peuvent être utilisés dans les coques isolantes, les manchons isolants et les structures d'étanchéité à l'intérieur des relais et contacteurs CC haute tension-. Grâce à l'étanchéité fiable des matériaux céramiques et métalliques, un espace de travail interne relativement fermé peut être formé pour maintenir une isolation stable entre les composants conducteurs haute tension - et la structure externe, tout en fournissant les conditions d'étanchéité nécessaires pour le moyen d'extinction d'arc.

 

Dans les appareils de commutation à haute tension-, la céramique d'alumine est l'un des matériaux isolants les plus courants. Des systèmes d'alumine de différents niveaux de pureté et de performance peuvent être sélectionnés en fonction de différents niveaux de tension, résistance mécanique, propriétés thermiques et exigences de taille. Pour les pièces qui doivent répondre à la fois aux exigences d'isolation, de support mécanique et d'étanchéité métallique, les céramiques métallisées à l'alumine peuvent réaliser des connexions fiables entre la céramique et les métaux grâce à des processus de métallisation de surface en céramique et de brasage.

 

La valeur des matériaux céramiques dans ces produits ne se limite pas à l’isolation. Une chaleur transitoire et des contraintes mécaniques seront générées lors du fonctionnement des contacteurs haute tension-, de sorte que la coque en céramique doit également avoir une bonne stabilité thermique, une bonne stabilité dimensionnelle et une bonne résistance aux chocs thermiques. La sélection des matériaux, la conception structurelle et le processus de métallisation doivent être conçus de manière exhaustive en fonction des exigences réelles de tension, de courant, de température et de durée de vie.

 

 

 

L'un des cœurs du système d'entraînement électrique des véhicules à énergie nouvelle est le contrôleur électronique de puissance, dont la fonction principale est d'effectuer la conversion efficace entre la puissance CC de la batterie de puissance et la puissance CA requise par le moteur. À mesure que la densité de puissance des systèmes d’entraînement électrique augmente, les dispositifs à semi-conducteurs de puissance doivent résister à des courants plus élevés et à des cycles thermiques plus fréquents. Par conséquent, les matériaux d’emballage doivent non seulement avoir de bonnes propriétés d’isolation, mais doivent également prendre en compte la dissipation thermique, la résistance mécanique et l’adéquation de la dilatation thermique.

 

Les substrats recouverts de cuivre-en céramique sont généralement composés de couches de cuivre, de couches d'isolation en céramique et de couches de cuivre. La couche de céramique est responsable de l'isolation électrique et des fonctions de support mécanique, et la couche de cuivre est responsable de la transmission du courant, de la connexion des puces et de la dissipation thermique. Par rapport aux matériaux isolants organiques purs, les substrats céramiques peuvent conserver des propriétés électriques et mécaniques stables dans des environnements à température plus élevée, ce qui les rend adaptés aux modules électroniques de puissance à haute -puissance-densité.

 

Les matériaux céramiques courants actuellement utilisés dans les modules d'alimentation des véhicules à énergie nouvelle comprennent l'oxyde d'aluminium, le nitrure d'aluminium et le nitrure de silicium. L'oxyde d'aluminium présente les caractéristiques d'un coût relativement modéré, de bonnes performances d'isolation et d'un processus mature ; le nitrure d'aluminium a une conductivité thermique élevée et présente des avantages dans les scénarios avec des exigences élevées de dissipation thermique ; le nitrure de silicium présente une résistance mécanique, une stabilité thermique et une résistance aux cycles thermiques élevées, et convient mieux aux applications d'électronique de puissance qui nécessitent une fiabilité élevée à long terme.

 

À mesure que les modules d'alimentation des véhicules à énergie nouvelle évoluent vers la haute tension, le courant élevé et la miniaturisation, la demande de composants métallisés en céramique de haute -précision tels que les céramiques métallisées de précision a également augmenté. La couche de métallisation sur la surface céramique doit avoir une bonne force d'adhérence et des propriétés électriques stables, et être capable de résister aux contraintes générées lors du soudage, du brasage et des cycles thermiques ultérieurs.

 

Pour le conditionnement des semi-conducteurs de puissance, il est très important de faire correspondre le coefficient de dilatation thermique entre le matériau céramique et la couche de cuivre. Pendant le fonctionnement réel, les véhicules à énergie nouvelle connaîtront un démarrage, une accélération, un freinage, une charge rapide et différents changements de température environnementale, et le module d'alimentation subira à plusieurs reprises un chauffage et un refroidissement. Si la différence de dilatation thermique entre les matériaux est trop importante, un cycle thermique à long terme peut provoquer une fatigue de l'interface, des fissures ou un délaminage, affectant ainsi la durée de vie du module.

 

Par conséquent, la conception de l'emballage en céramique des modules d'alimentation des véhicules à énergie nouvelle doit prendre en compte simultanément la conductivité thermique, la résistance de l'isolation, la résistance mécanique, l'adéquation de la dilatation thermique et la précision du traitement, et ne peut pas simplement s'appuyer sur une certaine performance du matériau comme base de sélection.

 

 

La céramique elle-même possède d'excellentes propriétés d'isolation, mais dans les appareils électroniques réels, la céramique doit généralement être connectée à des conducteurs métalliques, des électrodes ou des structures d'emballage. Par conséquent, la métallisation des surfaces céramiques est devenue un processus important pour obtenir une combinaison fiable de céramique et de métaux.

 

L'idée de base de la métallisation céramique est de former une couche métallique avec une certaine épaisseur et force d'adhérence sur la surface céramique, afin qu'elle puisse être davantage brasée, soudée ou subir d'autres traitements de connexion. La couche métallisée doit non seulement avoir une bonne conductivité électrique, mais doit également former une liaison d'interface stable avec la matrice céramique.

 

Pour les appareils à haute tension-des véhicules à énergie nouvelle, la fiabilité de la couche de métallisation affecte directement l'étanchéité à l'air, les performances d'isolation et la stabilité mécanique de la structure de l'emballage. Par exemple, l'isolant en céramique à l'intérieur du relais haute tension- doit former une connexion fiable avec la coque métallique ; le substrat céramique du module semi-conducteur de puissance doit former une liaison stable avec la couche de cuivre.

 

Parmi les composants électroniques de haute-précision, l'usinage de précision des pièces en céramique d'alumine peut en outre répondre aux exigences complexes de taille, de tolérance, d'emplacement des trous et de précision des faces d'extrémité. Pour les dispositifs haute tension-pour les véhicules à énergie nouvelle, les pièces en céramique doivent souvent répondre à la fois aux exigences de miniaturisation, de structure complexe et de haute fiabilité. Par conséquent, la préparation des matériaux et le traitement de précision doivent être contrôlés de manière collaborative.

 

 

 

Un contacteur haute-tension est un composant de commutation important dans le système électrique-haute tension des véhicules à énergie nouvelle. Sa fonction principale est de contrôler la commutation des circuits haute tension- pendant le démarrage, l'arrêt, la charge et la protection contre les pannes du véhicule. Étant donné que les batteries des véhicules à énergie nouvelle utilisent généralement des tensions continues de plusieurs centaines de volts, voire plus, les contacteurs haute tension - doivent maintenir un fonctionnement fiable sous des contraintes électriques élevées.

 

Les boîtiers en céramique des contacteurs HVDC remplissent généralement plusieurs fonctions telles que l'isolation interne, le support structurel et l'étanchéité. Les boîtiers en céramique doivent maintenir une isolation stable dans les environnements à haute tension-tout en résistant aux changements de température internes et aux contraintes mécaniques.

 

Les contacteurs haute tension-utilisent généralement des structures d'étanchéité en céramique et en métal. La zone de connexion entre la céramique et le métal est l'une des clés de la fiabilité de l'ensemble de l'appareil. S'il existe des défauts dans l'interface d'étanchéité, des fissures, des fuites et d'autres problèmes peuvent survenir sous l'action de cycles thermiques à long terme-, de vibrations mécaniques ou de changements de pression interne.

 

Par conséquent, la fabrication de contacteurs haute tension-en céramique nécessite généralement de se concentrer sur le contrôle de la pureté des matériaux céramiques, de la qualité du frittage, de la précision dimensionnelle, de la qualité de la couche de métallisation et de la résistance de l'étanchéité du métal céramique-. Pour les produits à haute -fiabilité, une vérification de l'étanchéité à l'air, de l'isolation électrique, de la résistance à la tension et du cycle thermique est également requise.

 

Du point de vue de l'ingénierie des matériaux, la connexion céramique-à-métal n'est pas une simple combinaison mécanique, mais implique plusieurs facteurs tels que le coefficient de dilatation thermique du matériau, la mouillabilité de l'interface, le choix de la soudure, la température de scellage et le contrôle des contraintes résiduelles. Ce n'est qu'en obtenant une combinaison stable d'interfaces céramiques et métalliques que la fiabilité de l'étanchéité et de l'isolation des appareils à haute -tension peut être garantie dans un fonctionnement à long-terme.

 

 

Les moteurs d’entraînement des véhicules à énergie nouvelle ont généralement des vitesses de rotation élevées et il existe un environnement électromagnétique complexe à l’intérieur du moteur. Par rapport aux systèmes mécaniques traditionnels, en plus de supporter des charges radiales et axiales, les roulements de moteurs de véhicules à énergie nouvelle doivent également faire face à des problèmes tels que la rotation à grande vitesse-, l'augmentation de la température, le courant et la corrosion électrique.

 

Les roulements métalliques traditionnels peuvent générer des courants d'arbre dans certaines conditions de fonctionnement du moteur. Lorsque le courant traverse l'intérieur du roulement, une décharge d'arc peut se former dans la zone de contact entre l'élément roulant et le chemin de roulement, provoquant une corrosion par piqûre, une érosion et des dommages de surface, affectant finalement la durée de vie du roulement.

 

Les éléments roulants en céramique présentent les caractéristiques d'une faible densité, d'une dureté élevée, d'une bonne résistance à l'usure et d'excellentes propriétés d'isolation électrique. Par conséquent, les roulements hybrides en céramique ont une certaine valeur d'application dans les moteurs à grande vitesse-et les systèmes d'alimentation électrifiés. La combinaison d'éléments roulants en céramique et de viroles métalliques peut réduire la qualité des éléments roulants tout en maintenant la résistance structurelle du roulement, et améliorer les propriétés de friction et d'isolation électrique dans des conditions de fonctionnement à grande vitesse-.

 

Les exigences relatives aux roulements dans les moteurs de véhicules à énergie nouvelle ont également favorisé le développement de composants céramiques à haute-performances tels que les composants en céramique métallisée à haute-résistance. Bien que les céramiques métallisées et les roulements de moteur appartiennent à différents types d'applications, ils incarnent la même tendance de développement de matériaux, qui consiste à résoudre les limitations de performances des matériaux métalliques traditionnels dans des conditions de travail spécifiques grâce aux propriétés d'isolation, de haute résistance et de résistance aux températures élevées des matériaux céramiques.

 

 

À mesure que la plate-forme de tension des véhicules à énergie nouvelle continue de s'améliorer, le champ d'application des céramiques avancées s'étend progressivement des composants d'isolation simples aux commutateurs haute tension -, aux modules de puissance, aux capteurs, aux structures de connexion et aux composants liés à la gestion thermique-.

 

Dans les composants électriques à haute tension-, les céramiques d'alumine métallisées pour composants électriques peuvent réaliser l'intégration des fonctions d'isolation, de conductivité et de connexion mécanique grâce à la combinaison d'une matrice isolante en céramique et de couches conductrices métallisées. Cette structure est particulièrement adaptée aux composants électriques ayant un espace limité et des exigences d’isolation élevées.

 

Pour les appareils à haute tension-qui nécessitent une précision dimensionnelle plus élevée, les composants en céramique d'alumine métallisés de précision peuvent combiner des processus de moulage, de frittage, de métallisation et d'usinage de précision pour répondre aux structures complexes et aux exigences d'assemblage de haute-précision. Les pièces automobiles à nouvelles énergies continuent d'évoluer vers la miniaturisation, la légèreté et la densité de puissance élevée, ce qui rend également plus important le contrôle dimensionnel et la cohérence du traitement des pièces en céramique.

 

D'autre part, à mesure que la tension de fonctionnement et la fréquence de commutation des semi-conducteurs de puissance augmentent, les matériaux isolants céramiques doivent également faire face à une intensité de champ électrique plus élevée et à des taux de changement de tension plus rapides. Des structures telles que des tubes isolants en céramique métallisée et des pièces en céramique métallisées peuvent être utilisées pour des composants électriques spéciaux qui nécessitent à la fois des fonctions d'isolation, de connexion conductrice et d'encapsulation, offrant ainsi des solutions structurelles plus compactes pour les systèmes électriques à haute tension-.

 

 

 

L'application de céramiques avancées dans les véhicules à énergie nouvelle n'est pas un simple remplacement de matériaux, mais un projet systématique impliquant des matériaux, des structures, des processus et une vérification de la fiabilité.

 

Premièrement, les matériaux céramiques appropriés doivent être sélectionnés en fonction de la tension de fonctionnement, de la température, du courant, de la charge mécanique et des conditions environnementales. Deuxièmement, les processus de moulage, de frittage, d’usinage de précision et de métallisation de surface doivent être déterminés en fonction de la structure du composant. Pour les dispositifs d'étanchéité à haute-pression, la correspondance de dilatation thermique entre les matériaux céramiques et métalliques et la contrainte résiduelle d'étanchéité doivent être davantage prises en compte.

 

Pour l’électronique de puissance, les substrats céramiques nécessitent également de se concentrer sur la durée de vie du cycle thermique et la fiabilité des interfaces. À mesure que les nouveaux véhicules énergétiques évoluent progressivement des IGBT traditionnels vers des semi-conducteurs de puissance à large bande interdite hautes-performances-, la vitesse de commutation et la densité de puissance des modules de puissance continuent d'augmenter, et les exigences en matière de matériaux isolants et de structures d'emballage vont également augmenter.

 

Les pièces de métallisation en céramique avancées de précision en alumine de haute pureté conviennent aux composants électroniques spéciaux qui nécessitent une pureté élevée, des performances d'isolation, une précision dimensionnelle et une fiabilité de métallisation. De tels produits nécessitent généralement un contrôle complet du processus depuis la poudre céramique, le moulage, le frittage, jusqu'à l'usinage de précision et la métallisation.

 

 

Du point de vue de l’orientation globale du développement technologique des véhicules à énergie nouvelle, l’application des céramiques avancées présente principalement trois tendances.

 

Premièrement, la haute tension augmente la demande de céramiques isolantes. Avec l'application progressive de plates-formes de 800 V et de tension supérieure, les exigences en matière de matériaux d'isolation dans les contacteurs, les relais, les modules d'alimentation et les systèmes de charge haute tension continuent d'augmenter. Les matériaux céramiques ont une rigidité diélectrique et une résistance à la chaleur élevées, ils ont donc une bonne base d'application dans les composants électriques à haute -tension.

 

Deuxièmement, la densité de puissance élevée favorise la mise à niveau des matériaux d’emballage en céramique. Les systèmes de propulsion électrique des véhicules à énergie nouvelle doivent atteindre une puissance de sortie plus élevée dans un espace plus petit, et la densité du flux thermique des semi-conducteurs de puissance continue d'augmenter. Par conséquent, les substrats céramiques et les matériaux d’emballage présentant une bonne conductivité thermique et une bonne fiabilité mécanique feront l’objet d’une plus grande attention.

 

Troisièmement, la fabrication de précision favorise le développement de pièces en céramique en structures complexes. Les pièces automobiles à énergie nouvelle ont des exigences de plus en plus élevées en matière de poids, d’espace et de fiabilité. Les composants céramiques assumeront non seulement des fonctions d'isolation traditionnelles, mais pourront également intégrer davantage des fonctions telles que le support, la dissipation thermique, l'emballage et la connexion électrique.

 

Dans l'ensemble, les céramiques avancées sont devenues un système de matériaux important dans les domaines de l'électricité haute tension et de l'électronique de puissance des véhicules à énergies nouvelles. Du boîtier isolant des relais haute tension-aux substrats en céramique recouverts de cuivre-des modules semi-conducteurs de puissance, en passant par les contacteurs haute-tension, les roulements isolants et les pièces de connexion en céramique métallisée, la céramique assume de plus en plus de fonctions clés dans l'architecture d'électrification des véhicules à énergies nouvelles.

 

À l'avenir, à mesure que les véhicules à énergie nouvelle évolueront vers une tension plus élevée, une densité de puissance plus élevée, une fiabilité plus élevée et une taille plus petite, la valeur deComposants en céramique d'alumine métallisés de précisionLes matériaux passeront de simples matériaux isolants à des matériaux structurels et fonctionnels à haute-performance. L'avancement continu des technologies telles que la formulation des matériaux, le moulage de précision, la métallisation, l'étanchéité céramique-sur-métal et les tests de fiabilité deviendront une base importante pour que les céramiques avancées pénètrent davantage dans la chaîne d'approvisionnement des pièces essentielles des véhicules à énergies nouvelles.