A nova indústria de energia está acelerando sua atualização, e o valor da aplicação de peças cerâmicas na eletrificação e em campos elétricos de alta-tensão continua a aumentar.

Com o rápido desenvolvimento de novos veículos de energia, armazenamento de energia, energia fotovoltaica, energia de hidrogênio e tecnologia eletrônica de alta-potência, novos equipamentos de energia apresentaram requisitos mais elevados para resistência a altas-temperaturas, isolamento, resistência à corrosão, resistência mecânica e estabilidade dimensional de materiais. Com seu excelente isolamento elétrico, resistência a altas temperaturas, resistência à corrosão, baixa perda dielétrica e boa estabilidade dimensional, os materiais cerâmicos estão entrando ainda mais em cenários de aplicação, como baterias de energia, sistemas de acionamento elétrico, eletricidade de alta{3}}tensão, inversores de armazenamento de energia e novos eletrônicos de potência de campos industriais tradicionais.

 

Em comparação com materiais metálicos, a cerâmica de engenharia geralmente é capaz de manter um desempenho relativamente estável sob alta temperatura, alta tensão, alta frequência e ambientes químicos complexos. Portanto, desempenham funções fundamentais como isolamento, isolamento, suporte estrutural, gestão térmica e proteção elétrica em alguns novos equipamentos energéticos. À medida que a densidade de potência dos novos sistemas de energia continua a aumentar, o escopo de aplicação das peças cerâmicas também se estende de componentes isolantes individuais a peças estruturais de precisão e componentes funcionais.

 

 

 

A bateria de energia é um dos sistemas centrais mais importantes dos veículos de nova energia. Seu ambiente de trabalho envolve alta tensão, grandes correntes, mudanças de temperatura e vibração mecânica-de longo prazo, por isso impõe requisitos rígidos de isolamento elétrico e segurança térmica. Dentro da bateria, os materiais cerâmicos podem participar da proteção de segurança em diversas formas, como revestimentos, separadores, peças estruturais isolantes e peças de vedação.

 

Os diafragmas{0}com revestimento cerâmico são uma das aplicações mais representativas. Ao introduzir partículas cerâmicas inorgânicas, como alumina e boemita, na superfície do filme base de poliolefina, a estabilidade dimensional e a resistência ao calor do separador sob condições de alta temperatura podem ser melhoradas. Quando a bateria está em alta temperatura ou em condições operacionais anormais, o revestimento cerâmico pode reduzir o risco de encolhimento significativo do separador, proporcionando assim condições de isolamento mais estáveis ​​entre os eletrodos positivos e negativos.

 

Em sistemas de baterias de alta-tensão, isoladores cerâmicos também podem ser usados ​​para isolamento elétrico entre eletrodos, terminais e outras estruturas condutoras. Por exemplo, o EV Fuse Ceramic Body precisa atender ao desempenho de isolamento, resistência mecânica e certa estabilidade térmica ao mesmo tempo. As propriedades do material afetarão diretamente a confiabilidade de funcionamento dos componentes de proteção de alta-tensão sob condições de corrente anormais.

 

À medida que a plataforma de tensão dos novos veículos de energia se desenvolve gradualmente para 800 V e superiores, o estresse de tensão suportado pelos componentes de proteção elétrica de alta-tensão continua a aumentar. As peças estruturais de cerâmica, como o Corpo Cerâmico para Fusível EV, precisam obter um isolamento confiável em um espaço limitado e, ao mesmo tempo, resistir ao choque térmico e ao estresse mecânico gerado durante o processo de fusão. Portanto, a formulação do material, o processo de sinterização e a precisão dimensional tornaram-se fatores importantes no design do produto.

 

 

Os sistemas de proteção-de alta tensão em veículos de energia nova e equipamentos de armazenamento de energia geralmente precisam cortar rapidamente a corrente sob condições anormais, como curtos-circuitos e sobrecargas. Como um importante componente de proteção contra sobrecorrente, os componentes cerâmicos internos dos fusíveis não apenas desempenham um papel isolante, mas também precisam ser combinados com materiais fundidos e de enchimento para completar a extinção do arco, isolamento térmico e suporte estrutural.

 

Em equipamentos elétricos industriais e de baixa tensão tradicionais, tubos cerâmicos, buchas cerâmicas e invólucros cerâmicos já têm uma base de aplicação relativamente madura. Com o desenvolvimento de sistemas de alta-tensão para novos veículos de energia, os materiais cerâmicos são ainda mais atualizados para alta tensão, compacidade e alta confiabilidade. Por exemplo, o tubo cerâmico de alumina para fusível EV de alta tensão precisa levar em consideração a alta rigidez dielétrica, resistência mecânica e resistência ao calor para se adaptar ao complexo ambiente de trabalho no circuito de alta-tensão de novos veículos de energia.

 

A cerâmica de alumina é um dos materiais cerâmicos de engenharia comuns em fusíveis de alta-tensão. Possui alta resistência de isolamento, resistência ao calor e estabilidade química, e pode ser transformado em estruturas tubulares, semelhantes a mangas ou em formato especial-através do processo de sinterização. O tubo cerâmico de alumina Al2O3 para fusível de alta-tensão pode ser usado como um componente isolante e de suporte estrutural em dispositivos de proteção de alta-tensão para fornecer isolamento estável para diferentes áreas condutoras dentro do fusível.

 

Para circuitos auxiliares automotivos e sistemas acessórios de alta-tensão, os invólucros de cerâmica também precisam se adaptar a espaços de instalação e requisitos de conexão mecânica mais complexos. Um corpo de cerâmica para um fusível auxiliar de veículo elétrico é uma dessas aplicações. Seu projeto não precisa apenas prestar atenção à distância de isolamento, mas também considerar tolerâncias dimensionais, métodos de montagem, aumento de temperatura e confiabilidade-de longo prazo.

 

 

 

Novos sistemas de acionamento elétrico para veículos de energia estão se desenvolvendo em direção a alta velocidade, alta densidade de potência e alta eficiência. Motores, inversores e módulos de potência relacionados foram expostos a comutação de alta-frequência e mudanças de temperatura por um longo período, e os materiais tradicionais podem ser gradualmente limitados em termos de isolamento, resistência ao calor e resistência ao desgaste.

 

Os rolamentos cerâmicos são uma aplicação representativa em sistemas de acionamento elétrico. Cerâmicas estruturais como o nitreto de silício possuem características de baixa densidade, alta dureza, boa resistência ao desgaste e excelentes propriedades de isolamento elétrico. Eles podem reduzir o atrito mecânico em ambientes de motores de alta-velocidade e reduzir o risco de corrosão elétrica causada pelas correntes do eixo.

 

Para sistemas de acionamento elétrico que usam semicondutores de potência de carboneto de silício, a frequência e a velocidade de comutação de energia foram aumentadas ainda mais, fazendo com que o sistema apresente requisitos mais rigorosos para materiais isolantes e estruturas de embalagem. Os substratos cerâmicos podem fornecer isolamento elétrico confiável entre estruturas condutoras e estruturas de dissipação de calor ao realizar tarefas de condução de calor, tornando-os um material básico importante para módulos eletrônicos de potência de alta-potência-densidade.

 

Além do substrato cerâmico dentro do sistema de acionamento elétrico, os componentes de proteção de fusíveis de alta-tensão também precisam ter uma estrutura de isolamento estável. Por exemplo, o corpo cerâmico do fusível de proteção contra sobrecarga e curto-circuito precisa manter um bom isolamento sob condições normais de operação e suportar grande estresse térmico transitório durante sobrecarga ou proteção contra curto-circuito.

 

 

Dispositivos semicondutores de potência em veículos de energia nova, conversores de armazenamento de energia e inversores fotovoltaicos geram uma grande quantidade de calor durante a operação. À medida que a densidade de potência do sistema aumenta, a dissipação de calor tornou-se um dos fatores importantes que limitam o desempenho dos dispositivos de potência.

 

Os substratos cerâmicos podem fornecer funções de isolamento elétrico e condução térmica, por isso são amplamente utilizados em embalagens de módulos de potência.

 

Materiais como óxido de alumínio e nitreto de alumínio têm diferentes propriedades de condutividade térmica e características de custo e podem ser selecionados com base na tensão operacional, nível de potência, requisitos de resistência térmica e custo de fabricação.

 

Entre eles, o nitreto de alumínio possui alta condutividade térmica e baixo coeficiente de expansão térmica, além de alto valor de aplicação na área de embalagens eletrônicas-de alta potência. Quando os materiais cerâmicos são combinados com condutores metálicos, como o cobre, eles podem formar uma estrutura composta com funções condutoras, de dissipação de calor e de isolamento, fornecendo uma base de empacotamento estável para dispositivos semicondutores de banda larga, como o SiC.

 

No campo da proteção elétrica de novas energias, os materiais cerâmicos para fusíveis automotivos DC podem utilizar a resistência ao calor e as características de isolamento dos materiais cerâmicos para fornecer suporte estrutural estável para fusíveis DC automotivos. À medida que a potência dos circuitos de alta-tensão CC dos novos veículos de energia continua a aumentar, as peças cerâmicas relacionadas precisam melhorar ainda mais sua resistência ao choque térmico, resistência mecânica e estabilidade dimensional.

 

 

Os sistemas de armazenamento de energia geralmente precisam operar por um longo período e podem estar em ambientes complexos, como alta temperatura, baixa temperatura, umidade, poeira, etc. Inversores de armazenamento de energia, equipamentos de distribuição de energia CC, sistemas de gerenciamento de bateria e sistemas de proteção de alta-tensão, todos têm alta demanda por materiais isolantes.

 

Em conversores e inversores de armazenamento de energia, os substratos cerâmicos podem conectar dispositivos de potência e sistemas de dissipação de calor, garantindo isolamento elétrico e conduzindo rapidamente o calor gerado pelos dispositivos. Para sistemas de comutação de alta-frequência, as propriedades dielétricas dos materiais cerâmicos também afetam os parâmetros parasitas e a integridade do sinal, portanto, a seleção do material precisa ser avaliada de forma abrangente em conjunto com todo o sistema de eletrônica de potência.

 

Em aplicações de fusíveis, o corpo fundido cerâmico isolante de esteatita elétrica pode aproveitar as boas propriedades de isolamento elétrico e resistência ao calor de materiais como porcelana de esteatita para ser usado para isolamento e suporte estrutural de dispositivos de proteção elétrica específicos. Diferentes sistemas cerâmicos têm diferentes resistências dielétricas, propriedades mecânicas, coeficientes de expansão térmica e características de processamento, portanto, a seleção real precisa ser determinada de forma abrangente com base na tensão, corrente, temperatura e carga mecânica.

 

 

 

O inversor fotovoltaico é um importante dispositivo que conecta o sistema de geração de energia fotovoltaica e a rede elétrica CA. Ele contém um grande número de semicondutores de potência, dispositivos de filtro e componentes elétricos de alta-tensão. À medida que os níveis de potência dos sistemas fotovoltaicos continuam a aumentar, a gestão térmica e o design de isolamento dentro do equipamento tornam-se mais importantes.

 

O substrato revestido-de cobre cerâmico pode realizar a transmissão de corrente através da camada de metal e usar o dielétrico cerâmico para obter isolamento elétrico, enquanto transfere rapidamente o calor gerado pelo dispositivo de energia para a estrutura de dissipação de calor. Para IGBT de alta-potência, SiC MOSFET e outros dispositivos, a condutividade térmica, a correspondência de expansão térmica e o desempenho de isolamento do material de embalagem afetarão diretamente a confiabilidade-de longo prazo do módulo.

 

Ao mesmo tempo, fusíveis de alta-tensão e suas peças estruturais de cerâmica também desempenham um papel na proteção lateral CC fotovoltaica. O invólucro cerâmico do Fuse Link pode fornecer um invólucro isolante e suporte mecânico para o elemento fusível e suportar o estresse térmico e mecânico correspondente durante o processo de corte de falha-.

 

 

A cerâmica de alumina tem uma base de fabricação industrial madura. Seu sistema de materiais é estável, seu custo é relativamente controlável e pode fabricar estruturas complexas por meio de diferentes processos de moldagem e sinterização. Portanto, possui uma ampla gama de aplicações na área de novas energias e aparelhos elétricos.

 

Em novos fusíveis de alta-tensão para veículos de energia, o tubo isolante cerâmico de alumina para fusível pode ser usado para isolamento e isolamento entre diferentes partes condutoras. Para sistemas de proteção automotiva com níveis de tensão mais elevados, os tubos cerâmicos também precisam atender a requisitos abrangentes, como distância de fuga, folga elétrica, resistência ao choque térmico e montagem mecânica.

 

Para fusíveis automotivos de alta-tensão, a pureza do material também afeta as propriedades dielétricas e a estabilidade mecânica do produto.. 95% do tubo cerâmico de alumina para fusível de alta tensão é uma das formas comuns de aplicação de cerâmica de alumina. O sistema de material específico precisa ser compatível com a tensão de trabalho, temperatura, tamanho estrutural e processo de produção.

 

Com o desenvolvimento de plataformas automotivas de alta-tensão, o ambiente enfrentado pelo tubo cerâmico de alumina para fusíveis automotivos de alta-tensão tornou-se mais complexo, incluindo comutação de alta-frequência, picos de corrente, ciclos de temperatura e vibrações mecânicas. Portanto, simplesmente melhorar a resistência do isolamento dos materiais cerâmicos não é suficiente para atender aos requisitos. Também é necessário otimizar de forma abrangente a fórmula cerâmica, a densidade de sinterização, a precisão dimensional e o projeto estrutural.

 

 

O desenvolvimento inteligente de novos equipamentos energéticos também impulsionou a aplicação de sensores cerâmicos e materiais cerâmicos funcionais. Materiais como zircônia, cerâmica piezoelétrica e ferrita podem usar suas propriedades elétricas, térmicas e mecânicas especiais para detectar parâmetros como temperatura, pressão, concentração de gás e corrente.

 

Em ambientes-de alta temperatura, os materiais cerâmicos apresentam boa estabilidade térmica e podem ser usados ​​em estruturas de proteção de sensores e componentes sensíveis. Alguns materiais cerâmicos também possuem propriedades de conversão piezoelétrica, dielétrica ou magnetoelétrica e podem ser usados ​​em sistemas de detecção em veículos de energia nova, controle industrial e equipamentos de energia inteligente.

 

Com o desenvolvimento contínuo de sistemas de direção autônoma, gerenciamento de bateria e monitoramento de armazenamento de energia, os requisitos de estabilidade de longo-prazo, interferência anti-ambiental e precisão dimensional dos sensores continuam a aumentar, o que também promove o desenvolvimento de cerâmicas funcionais na direção da precisão e integração.

 

 

 

Os novos equipamentos de energia geralmente precisam operar continuamente por muitos anos, portanto, as peças cerâmicas não só atendem aos indicadores de desempenho iniciais, mas também devem ter boa confiabilidade-de longo prazo. A seleção do material, o processo de moldagem, o processo de sinterização, o tratamento de superfície e o controle dimensional têm impacto no desempenho final.

 

Para cerâmicas isolantes de alta-tensão, é necessário focar em indicadores como rigidez dielétrica, resistividade volumétrica, distância de fuga e descarga parcial. Para peças estruturais cerâmicas submetidas a cargas mecânicas, é necessário focar na avaliação da resistência à flexão, tenacidade à fratura, desempenho ao choque térmico e tensão de montagem.

 

Além disso, a diferença no coeficiente de expansão térmica entre cerâmicas e metais também é uma questão importante que precisa ser considerada em projetos de engenharia. Quando o equipamento passa por ciclos frequentes de alta e baixa temperatura, pode ocorrer estresse térmico entre diferentes materiais. Se o projeto estrutural e a correspondência de materiais não forem razoáveis, o ciclo-de longo prazo pode levar a rachaduras na interface, delaminação e até mesmo falha no isolamento.

 

Portanto, durante o processo de desenvolvimento de componentes de isolamento de alta-tensão, como tubos cerâmicos isolados em fusíveis EV, é necessário realizar um projeto abrangente a partir de múltiplas dimensões de material, estrutura, fabricação e verificação, e a confiabilidade do produto não pode ser avaliada com base apenas em um único índice de desempenho do material.
 

 

Atualmente, a nova indústria energética está a mudar da simples expansão da capacidade instalada para a melhoria da densidade de energia, da eficiência do sistema e da fiabilidade operacional. Novos veículos de energia estão sendo desenvolvidos para plataformas de alta-tensão de 800 V, os sistemas de armazenamento de energia estão sendo atualizados para maior potência e vida útil mais longa, e os inversores fotovoltaicos continuam a melhorar a eficiência de conversão e a densidade de energia. Estas mudanças trouxeram novos requisitos técnicos para materiais cerâmicos.

 

No futuro, o desenvolvimento denovas peças cerâmicas de energiaprestará mais atenção à otimização colaborativa do desempenho dos materiais e do projeto estrutural. Por um lado, é necessário desenvolver materiais cerâmicos com maior condutividade térmica, maior rigidez dielétrica e melhor desempenho de expansão térmica; por outro lado, também é necessário melhorar a consistência dimensional do produto e a estabilidade do lote através de moldagem de precisão, sinterização avançada e inspeção automatizada.

 

Ao mesmo tempo, a aplicação de peças cerâmicas se expandirá gradualmente das tradicionais mangas, invólucros e substratos isolantes para conexões de alta-tensão, embalagens de módulos de potência, sensores, fusíveis e peças estruturais de precisão de novos equipamentos de energia. Para fusíveis de alta-tensão, os materiais cerâmicos continuarão sendo um importante sistema de materiais em novos veículos de energia e sistemas de proteção de armazenamento de energia devido às suas vantagens abrangentes em isolamento, resistência ao calor e suporte estrutural.

 

De modo geral, embora as peças cerâmicas geralmente não participem diretamente na conversão de energia, elas desempenham funções essenciais como isolamento, dissipação de calor, proteção, suporte e conexão confiável. Com o desenvolvimento contínuo de novos veículos de energia, armazenamento de energia, energia fotovoltaica e tecnologias de eletrônica de potência de alta-tensão, os materiais cerâmicos estão se transformando de materiais auxiliares tradicionais em materiais básicos importantes que afetam a segurança, a eficiência e a vida útil dos novos equipamentos de energia.

 

No futuro, a inovação da tecnologia cerâmica centrada em alta confiabilidade, alta condutividade térmica, alto isolamento, leveza e fabricação de precisão promoverá ainda mais o desenvolvimento de novos equipamentos de energia para alta densidade de potência, alta eficiência e operação confiável-de longo prazo.