新エネルギー車の電動化高度化における先進セラミックスの応用と技術的価値

新エネルギー車の従来の燃料動力から電気駆動、インテリジェント制御、高電圧電気システムへの変革は、車両の動力構造を変えるだけでなく、高電圧リレー、パワー半導体、モーター ベアリング、電子制御システムなどの主要コンポーネントの材料アップグレードも促進しました。- 800 V 以上の電圧プラットフォーム、高出力密度の電気駆動システム、高速充放電技術の継続的な開発により、コンポーネントはより高い電圧、電流、温度、周波数、信頼性の要件にも直面しています。-

 

この過程で、先進セラミックは、その高い絶縁耐力、高温耐性、耐食性、高い機械的強度、優れた寸法安定性により、従来の構造材料から高電圧電気、パワー エレクトロニクス、新エネルギー車の駆動システムへと徐々に拡大してきました。{0}そのアプリケーションは、高電圧 DC スイッチング デバイス、パワー半導体パッケージング、セラミック高電圧コンタクタ、モータ絶縁ベアリングに焦点を当てています。-

 

 

 

新エネルギー車の高電圧電気システムでは、通常、バッテリー パックとインバータ、モーター、充電システムなどの高電圧回路の間の接続、切断、安全な絶縁を実現するためにリレーやコンタクタが必要です。{{1}低電圧の自動車電気システムと比較すると、高電圧 DC 環境でのスイッチングはより複雑です。-特に大電流条件下で回路を切断する場合、接点間でアークが発生する可能性が高いため、絶縁構造と消弧能力に対する要求が高くなります。-。

 

セラミック材料は優れた電気絶縁特性と高温耐性を備えており、高電圧 DC リレーやコンタクタ内の絶縁シェル、絶縁スリーブ、シール構造に使用できます。{0}セラミックと金属材料の信頼性の高いシールにより、消弧媒体に必要なシール条件を提供しながら、高電圧の導電性コンポーネントと外部構造の間の安定した絶縁を維持するために、比較的閉じた内部作業空間を形成することができます。

 

高電圧スイッチング デバイスでは、アルミナ セラミックが最も一般的な絶縁材料の 1 つです。{0}さまざまな電圧レベル、機械的強度、熱特性、およびサイズ要件に基づいて、さまざまな純度および性能レベルのアルミナ システムをさらに選択できます。絶縁、機械的サポート、および金属シールの要件を同時に満たす必要がある部品の場合、アルミナメタライズドセラミックスは、セラミック表面のメタライゼーションおよびろう付けプロセスを通じて、セラミックと金属の間の信頼できる接続を実現できます。

 

このような製品におけるセラミック材料の価値は絶縁だけに限定されません。高電圧コンタクタの動作中に一時的な熱と機械的応力が発生するため、セラミック シェルには優れた熱安定性、寸法安定性、熱衝撃耐性も必要です。材料の選択、構造設計、メタライゼーションプロセスは、実際の動作電圧、電流、温度、寿命の要件に基づいて包括的に設計する必要があります。

 

 

 

新エネルギー車の電気駆動システムの中核の 1 つはパワー エレクトロニクス コントローラーであり、その主な機能は、パワー バッテリーの DC 電力とモーターに必要な AC 電力の間の効率的な変換を完了することです。電気駆動システムの電力密度が増加するにつれて、パワー半導体デバイスはより高い電流とより頻繁な熱サイクルに耐える必要があります。したがって、包装材料は優れた断熱特性を備えているだけでなく、放熱、機械的強度、熱膨張の適合性も考慮する必要があります。

 

セラミック銅-クラッド基板は通常、銅層、セラミック絶縁層、銅層で構成されます。セラミック層は電気絶縁と機械的サポート機能を担い、銅層は電流伝達、チップ接続、および放熱を担います。純粋な有機絶縁材料と比較して、セラミック基板は高温環境でも安定した電気的および機械的特性を維持できるため、高-電力-密度のパワー エレクトロニクス モジュールに適しています。

 

現在、新エネルギー車のパワーモジュールに使用されている一般的なセラミック材料には、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、窒化ケイ素などがあります。酸化アルミニウムは、比較的手頃な価格、優れた絶縁性能、成熟したプロセスという特徴を持っています。窒化アルミニウムは熱伝導率が高く、高い熱放散要件が必要なシナリオで利点があります。窒化ケイ素は高い機械的強度、熱安定性、および熱サイクル耐性を備えており、高い長期信頼性を必要とするパワー エレクトロニクス用途に適しています。-

 

新エネルギー車のパワー モジュールが高電圧、大電流、小型化に向けて発展するにつれて、精密メタライズド セラミックスなどの高精度セラミック メタライズド部品の需要も増加しています。{0}セラミック表面のメタライゼーション層は、良好な接着強度と安定した電気的特性を備え、その後の溶接、ろう付け、熱サイクル中に発生する応力に耐えることができる必要があります。

 

パワー半導体のパッケージングでは、セラミック材料と銅層の間の熱膨張係数を一致させることが非常に重要です。実際の運転中、新エネルギー車は始動、加速、制動、急速充電、さまざまな環境温度変化を経験し、パワーモジュールは加熱と冷却を繰り返します。材料間の熱膨張の差が大きすぎる場合、長期間の熱サイクルにより界面疲労、亀裂、剥離が発生し、モジュールの寿命に影響を与える可能性があります。

 

したがって、新エネルギー車のパワーモジュールのセラミックパッケージング設計では、熱伝導率、絶縁強度、機械的強度、熱膨張整合性、加工精度を同時に考慮する必要があり、特定の材料性能だけを選択の基準とすることはできません。

 

 

セラミック自体は優れた絶縁特性を持っていますが、実際の電子デバイスでは通常、セラミックは金属導体、電極、またはパッケージ構造と接続する必要があります。したがって、セラミック表面のメタライゼーションは、セラミックと金属の信頼できる組み合わせを達成するための重要なプロセスとなっています。

 

セラミックメタライゼーションの基本的な考え方は、セラミック表面に一定の厚さと接着強度を備えた金属層を形成し、さらにろう付け、溶接、またはその他の接続処理を行うことができるようにすることです。メタライズ層は良好な導電性を有する必要があるだけでなく、セラミックマトリックスと安定した界面結合を形成する必要もあります。

 

新エネルギー車の高電圧デバイスの場合、メタライゼーション層の信頼性は、パッケージ構造の気密性、絶縁性能、機械的安定性に直接影響します。{0}たとえば、高電圧リレー内のセラミック絶縁体は、金属シェルと信頼性の高い接続を形成する必要があります。-パワー半導体モジュールのセラミック基板は、銅層と安定した接合を形成する必要があります。

 

高精度電子部品の中でも、アルミナ セラミック部品の精密機械加工は、複雑なサイズ、公差、穴の位置、端面の精度要件をさらに満たすことができます。-新エネルギー車用の高電圧デバイスの場合、セラミック部品は多くの場合、小型化、複雑な構造、高い信頼性の要件を同時に満たす必要があります。したがって、材料の準備と精密加工を連携して制御する必要があります。

 

 

 

高電圧コンタクタは、新エネルギー車の高電圧電気システムにおける重要なスイッチング部品です。-その主な機能は、車両の始動、停止、充電、および故障保護時の高電圧回路のスイッチングを制御することです。-新エネルギー車の電源バッテリーは通常、数百ボルト以上の DC 電圧を使用するため、高電圧コンタクタは高い電気的ストレス下でも信頼性の高い動作を維持する必要があります。-

 

HVDC コンタクタのセラミック エンクロージャは通常、内部絶縁、構造サポート、シールなどの複数の機能を実行します。セラミック ハウジングは、内部温度の変化や機械的ストレスに耐えながら、高電圧環境でも安定した絶縁を維持する必要があります。-

 

高電圧コンタクタは通常、セラミックと金属のシール構造を使用します。-セラミックと金属の間の接続領域は、デバイス全体の信頼性の鍵の 1 つです。シール界面に欠陥がある場合、長期にわたる熱サイクル、機械的振動、または内部圧力変化の作用により、亀裂、漏れ、その他の問題が発生する可能性があります。-

 

したがって、セラミック高電圧コンタクタの製造では、通常、セラミック材料の純度、焼結品質、寸法精度、メタライゼーション層の品質、セラミック金属シール強度の制御に重点を置く必要があります。-高信頼性の製品には、気密性、電気絶縁性、耐電圧性、熱サイクルなどの検証も必要です。-

 

材料工学の観点から見ると、セラミック-と-金属の接続は単純な機械的な組み合わせではなく、材料の熱膨張係数、界面の濡れ性、はんだの選択、封止温度、残留応力の制御などの複数の要素が関係します。セラミックと金属の界面の安定した組み合わせを実現することによってのみ、長期動作における高電圧デバイスのシールと絶縁の信頼性を確保できます。-

 

 

New energy vehicle drive motors usually have high rotational speeds, and there is a complex electromagnetic environment inside the motor. Compared with traditional mechanical systems, in addition to bearing radial and axial loads, new energy vehicle motor bearings also need to face problems such as high-speed rotation, temperature rise, current, and electrical corrosion.

 

従来の金属ベアリングは、特定のモーター動作条件下でシャフト電流を生成する場合があります。軸受内部に電流が流れると、転動体と軌道面の接触部にアーク放電が発生し、孔食、エロージョン、表面損傷を引き起こし、最終的に軸受の寿命に影響を及ぼします。

 

セラミック転動体は、低密度、高硬度、優れた耐摩耗性、優れた電気絶縁性などの特徴を持っています。したがって、ハイブリッド セラミック ベアリングには、高速モーターや電動電力システムにおいて一定の応用価値があります。-セラミック転動体と金属フェルールを組み合わせると、ベアリングの構造強度を維持しながら転動体の品質を下げることができ、高速動作条件下での摩擦特性と電気絶縁特性を向上させることができます。-

 

新エネルギー車モーターのベアリングに対する要件により、高強度金属化セラミック部品などの高性能セラミック部品の開発も促進されています。{0}{1}{1}メタライズドセラミックスとモーターベアリングは異なる種類の用途に属しますが、セラミック材料の絶縁性、高強度、および高温耐性の特性を通じて、特定の使用条件下での従来の金属材料の性能限界を解決するという同じ材料開発トレンドを体現しています。

 

 

新エネルギー車の電圧プラットフォームが向上し続けるにつれて、先進セラミックの適用範囲は、単一の絶縁部品から高電圧スイッチ、パワー モジュール、センサー、接続構造、熱管理関連部品まで徐々に拡大しています。{0}{0}

 

高電圧電気部品では、電気部品用メタライズド アルミナ セラミックは、セラミック絶縁マトリックスとメタライズド導電層の組み合わせにより、絶縁、導電性、機械的接続機能の統合を実現できます。この構造は、限られたスペースと高い絶縁要件を持つ電気部品に特に適しています。

 

より高い寸法精度が必要な高電圧デバイスの場合、精密メタライズド アルミナ セラミック コンポーネントは、精密成形、焼結、メタライゼーション、機械加工プロセスを組み合わせて、複雑な構造と高精度の組み立て要件を満たすことができます。-新エネルギー自動車部品は小型化、軽量化、高出力密度を目指して開発が続けられており、それに伴いセラミック部品の寸法管理や加工の一貫性もより重要になっています。

 

一方で、パワー半導体の動作電圧とスイッチング周波数が増加するにつれて、セラミック絶縁材料もより高い電界強度とより速い電圧変化率に直面する必要があります。メタライズド セラミック絶縁管やメタライズド セラミック部品などの構造は、絶縁、導電接続、カプセル化機能の両方を必要とする特殊な電気部品に使用でき、高電圧電気システム用のよりコンパクトな構造ソリューションを提供します。-

 

 

 

新エネルギー自動車への先進セラミックスの適用は、単なる材料の置き換えではなく、材料、構造、プロセス、信頼性の検証を含む体系的なプロジェクトです。

 

まず、動作電圧、温度、電流、機械的負荷、環境条件に基づいて適切なセラミック材料を選択する必要があります。第二に、部品の構造に応じて、成形、焼結、精密機械加工、表面メタライゼーションのプロセスを決定する必要があります。高圧シール装置の場合、セラミックと金属材料間の熱膨張の一致とシールの残留応力をさらに考慮する必要があります。

 

パワーエレクトロニクスの場合、セラミック基板は熱サイクル寿命とインターフェースの信頼性にも重点を置く必要があります。新エネルギー車が従来の IGBT から高性能ワイドバンドギャップ パワー半導体へと徐々に発展するにつれて、パワー モジュールのスイッチング速度と電力密度は増加し続け、絶縁材料とパッケージ構造に対する要件もさらに増加し​​ます。

 

高純度アルミナ精密アドバンストセラミックメタライゼーション部品は、高純度、絶縁性能、寸法精度、メタライゼーションの信頼性が求められる特殊な電子部品に適しています。このような製品は通常、セラミック粉末、成形、焼結から精密機械加工、メタライゼーションに至るまで、完全なプロセス制御を必要とします。

 

 

新エネルギー自動車の全体的な技術開発の方向性の観点から、先進セラミックスの応用には主に3つの傾向が見られます。

 

まず、高電圧により絶縁セラミックの需要が増加します。 800V 以上の高電圧プラットフォームが段階的に適用されるにつれ、高電圧コンタクタ、リレー、パワー モジュール、充電システムにおける絶縁材料の要件が増加し続けています。-セラミック材料は高い絶縁耐力と耐熱性を備えているため、高電圧電気部品における優れた応用基盤となります。-

 

第 2 に、高出力密度によりセラミック パッケージング材料のアップグレードが促進されます。新エネルギー車の電気駆動システムは、より小さなスペースでより高い出力を達成する必要があり、パワー半導体の熱流密度は増加し続けています。したがって、優れた熱伝導性と機械的信頼性を備えたセラミック基板およびパッケージング材料がさらに注目されることになります。

 

第三に、精密製造により、セラミック部品の複雑な構造への開発が促進されます。新エネルギー自動車部品には、重量、スペース、信頼性に対する要求がますます高まっています。セラミック部品は従来の絶縁機能を担うだけでなく、サポート、放熱、パッケージング、電気接続などの機能もさらに統合する可能性があります。

 

全体として、先進的なセラミックは、新エネルギー車の高電圧電気およびパワー エレクトロニクス分野において重要な材料システムとなっています。{0}高電圧リレーの絶縁ケースから、パワー半導体モジュールのセラミック銅-クラッド基板、高電圧コンタクタ、絶縁ベアリング、金属化セラミック接続部品に至るまで、セラミックは新エネルギー車の電動化アーキテクチャにおいてますます重要な機能を担っています。-

 

将来、新エネルギー車が高電圧、高出力密度、高信頼性、小型化に向けて発展するにつれて、精密メタライズドアルミナセラミック部品材料はさらに、単純な断熱材料から高性能の構造材料や機能材料へと変化します。{0}材料配合、精密成形、メタライゼーション、セラミックと金属のシール、信頼性試験などの技術の継続的な進歩は、先進セラミックスが新エネルギー車のコア部品のサプライチェーンにさらに参入するための重要な基盤となるでしょう。