Keramikiniai HVDC kontaktorių korpusai ir nauji energijos saugikliai: medžiagų savybės ir metalizavimas

Aukštos srovės kontaktorių keraminiams korpusams ir aukštos įtampos saugikliams keraminiams vamzdžiams reikalinga didesnė nei 15 kV/mm elektros izoliacija, stabilus mechaninis stiprumas veikiant terminiam ciklui ir patikimas metalo -keramikos sujungimas per ilgalaikį -DC pertraukimą. 95 % aliuminio oksido keramikos yra plačiai atrenkama, nes jos dielektrinis stiprumas ir atsparumas, šilumos laidumas, EVva sistema atitinka reikalavimus. ESS apsaugos blokai ir aukštos įtampos galios elektronika.

 

Naudojant HVDC, keramikos savybės priklauso ne tik nuo medžiagos sudėties, bet ir nuo metalizacijos storio, Mo{0}}Mn sukibimo kontrolės, litavimo temperatūros profilio ir matmenų tikslumo. Kvalifikuotas keramikos kėbulo gamintojas turi kontroliuoti visą proceso grandinę nuo keramikos formavimo iki CMM tikrinimo ir helio nuotėkio bandymo.

 

 

 

HVDC kontaktoriaus keraminio korpuso eksploatacinių savybių reikalavimai 900 V–1500 V nuolatinės srovės sistemose

 

Skirtingai nuo kintamosios srovės perjungimo įtaisų, HVDC kontaktoriai susiduria su nuolatine lanko energija, kai srovė nutrūksta, nes nuolatinė srovė neturi natūralaus nulio{0}}kirtimo taško. Keramikinis korpusas užtikrina elektros izoliaciją ir palaiko vidinio vakuumo ar dujų{2} sandarumo sąlygas.

 

Keraminis korpusas turi atlaikyti:

Nuolatinės įtampos izoliacijos reikalavimai nuo 450V iki 1500V baterijų platformoms

Pasikartojantys lanko nutraukimo ciklai virš 100 000 operacijų

Terminis šokas, kurį sukelia greiti temperatūros pokyčiai

Mechaninis įtempis dėl metalinių sandarinimo konstrukcijų

Vakuuminio nuotėkio reikalavimai mažesni nei 1×10⁻⁹ Pa·m³/s

 

Tipiški inžineriniai reikalavimai HVDC keramikos komponentams:

Parametras	Tipinis reikalavimas	Bandymo metodas
Keramikinė medžiaga	95 % aliuminio oksido (Al2O3)	Medžiagos sudėties analizė
Dielektrinis stiprumas	>15kV/mm	IEC 60243
Tūrio varža	>10¹⁴ Ω·cm	IEC 60093
Šilumos laidumas	20–25 W/m·K	ASTM E1461
Lankstumo stiprumas	>300 MPa	ISO 14704
Darbinė temperatūra	-55 laipsnių iki +200 laipsnio	Šiluminio dviračio testas
Matmenų tolerancija	±0,01 mm	CMM patikrinimas

 

95% aliuminio oksido keramikos sudėtyje yra maždaug 95% aliuminio oksido su kontroliuojamais stiklo fazės priedais. Mikrostruktūra užtikrina didesnį mechaninį stiprumą nei daugelis įprastų izoliacinių medžiagų, išlaikant stabilias elektrines savybes aukštesnėje temperatūroje.

 

Keraminės izoliacijos gedimo rizika HVDC kontaktoriuose ir saugiklių mazguose

 

Dažni keraminio korpuso gedimai yra susiję su:

Vidiniai mikro{0}}įtrūkimai, atsiradę dėl netinkamos sukepinimo temperatūros

Mažas metalizacijos sukibimo stiprumas

Litavimo tuštumos tarp keraminių ir varinių/metalinių gnybtų

Keraminių ir metalinių komponentų šiluminio plėtimosi neatitikimas

Šiluminio plėtimosi koeficientas turi būti kruopščiai suderintas:

 

Medžiaga	Šiluminio plėtimosi koeficientas (×10⁻⁶/K)	Taikymo svarstymas
95% aliuminio oksido keramika	6.5–7.5	Tinka Mo{0}}Mn metalizavimui ir litavimui
Varis C1100	16.5	Reikalingas kontroliuojamas litavimo įtempis
Kovaro lydinys	5.0–5.5	Įprastas keraminių mazgų sandarinimo lydinys
Nerūdijantis plienas 304	17.2	Reikalingas plėtimosi kompensavimo dizainas

 

Neatitikimas, viršijantis suprojektuotą diapazoną, gali sukelti liekamąjį įtempį aušinant po litavimo, todėl keramika gali įtrūkti.

 

 

 

Aukštos įtampos saugiklių keraminių vamzdžių ir kontaktorių korpusų medžiagų palyginimas

 

95% aliuminio oksido ir steatito keramikos yra elektros izoliacinės medžiagos, tačiau jų veikimas labai skiriasi aukštos įtampos nuolatinės srovės aplinkoje.

Turtas	95% aliuminio oksido keramika	Steatito keramika
Al₂O3 kiekis	95%	30–45%
Dielektrinis stiprumas	>15kV/mm	8–12kV/mm
Lankstumo stiprumas	300–400 MPa	120–200 MPa
Šilumos laidumas	20–25W/m·K	2–4W/m·K
Atsparumas šiluminiam smūgiui	Aukštas	Vidutinis
Mechaninis tikslumas	Pasiekiamas ±0,01 mm	±0,03 mm tipiškas
Aukštos įtampos nuolatinės srovės taikymas	Rekomenduojama	Ribotas
Išlaidų lygis	Aukštesnis	Žemesnis

 

Aukštos{0}}tampos saugiklio keraminiams vamzdeliams, kurie veikia pagal IEC 60269 reikalavimus, aliuminio oksido keramika užtikrina didesnį atsparumą lanko -šilumai ir mechaniniams smūgiams.

Steatitinė keramika daugiausia naudojama žemos{0}}įtampos izoliacijos komponentuose, kur šiluminis ciklas ir dielektrinis įtempis yra mažesni.

 

Aukštos įtampos saugiklių keraminių vamzdžių konstrukcijos reikalavimai pagal IEC 60269 standartus

 

Nauji energijos saugiklio keraminiai vamzdžiai turi išlaikyti:

Lanko gesinimo galimybė

Atsparumas aukštai temperatūrai

Stabilus izoliacijos atstumas

Mechaninis stiprumas gedimo srovės pertraukimo metu

 

Įprastos programos apima:

EV akumuliatoriaus saugiklio apsauga

Energijos kaupimo akumuliatoriaus spintelės apsauga

Saulės keitiklio nuolatinės srovės apsaugos sistemos

Įkrovimo krūvos galios moduliai

Ličio baterijų apsaugos sistemose, kurių nuolatinė srovė viršija 500 A, keraminio vamzdžio konstrukcija tiesiogiai veikia pertrūkių patikimumą.

 

Prašyti nemokamo DFM įvertinimo ir pasiūlymo

 

 

Mo{0}}Mn metalizacijos sluoksnis su kontroliuojamu sukibimo stiprumu

Pati keramika negali tiesiogiai susijungti su variu, Kovaru ar nerūdijančiu plienu dėl skirtingos keramikos oksido struktūrų ir metalų paviršiaus chemijos.

Standartinis sprendimas yra Mo{0}}Mn metalizavimas.

Metalizavimo procesas apima:

Keraminių paviršių valymas ir aktyvinimas
Mo{0}}Mn pastos spausdinimas
Aukštos{0}}temperatūrinės vandenilio atmosferos deginimas
Nikeliavimas
Vakuuminio litavimo mazgas

 

Tipiški metalizavimo parametrai:

Proceso parametras	Valdymo diapazonas
Mo{0}}Mn sluoksnio storis	10–30μm
Nikeliavimo storis	1–5μm
Uždegimo temperatūra	1300–1450 laipsnių
Atmosfera	Vandenilis/azotas
Sukibimo stiprumas	>20 MPa

 

Molibdeno dalelės sukuria mechaninį inkaravimą keramikos porose, o mangano oksidas pagerina cheminį keramikos ir metalo ryšį.

 

Atsparumo litavimo ir aktyvaus litavimo procesų palyginimas

Procesas	Temperatūros diapazonas	Ryšio stiprumas	Tipiškas taikymas
Mo-Mn metalizavimas + litavimas	780–900 laipsnių	Aukštas	HVDC kontaktoriai
Aktyvus litavimas (Ag{0}}Cu-Ti)	850–950 laipsnių	Labai Aukštas	Keraminiai{0}}metaliniai vakuuminiai mazgai
Atsparus litavimas	700–850 laipsnių	Vidutinis{0}}Aukštas	Lokalizuotas metalo sujungimas

 

HVDC kontaktorių keraminiams korpusams pirmenybė teikiama kontroliuojamam krosnies litavimui, nes jis užtikrina vienodą temperatūros pasiskirstymą ir sumažina liekamąjį įtempį.

 

Keraminių metalizavimo ir litavimo jungčių kokybės kontrolė

Gamybos patikrinimas apima:

CMM matmenų matavimas

Metalizacijos sukibimo bandymas

Rentgeno spindulių patikrinimas, ar nėra kietojo litavimo tuštumų

Helio nuotėkio tyrimas

Šiluminio smūgio bandymas

Aukštos įtampos izoliacijos bandymas

 

Tipiški kokybės kriterijai:

Patikrinimo elementas	Priėmimo reikalavimas
Keramikos matmenys	±0,01 mm
Kietojo litavimo galios koeficientas	<5%
Helio nutekėjimas	<1×10⁻⁹ Pa·m³/s
Izoliacijos įtampa	>15kV/mm
Metalizavimo sukibimas	>20 MPa

 

 

 

Keramikos formavimo ir sukepinimo valdymas pagal ISO 9001 gamybos sistemas

Gamybos procesas apima:

Keraminių miltelių paruošimas
Sausas presavimas arba įpurškimas
Žalias apdirbimas
Aukštos temperatūros sukepinimas
Tikslus šlifavimas
Metalizavimas
Kietasis litavimas
Galutinė apžiūra

 

Pagrindiniai gamybos parametrai:

Gamybos etapas	Valdomas parametras
Miltelių maišymas	Dalelių pasiskirstymas
Paspauskite Formavimas	Tankio vienodumas
Sukepinimas	1600-1700 laipsnių
Šlifavimas	±0,01 mm paklaida
Metalizavimas	Sluoksnio storio valdymas
Apžiūra	CMM + elektrinis bandymas

 

Netinkamas sukepinimo valdymas gali sukelti:

Atviros poros

Sumažintas dielektrinis stiprumas

Paviršiaus įtrūkimai

Mažesnis mechaninis patikimumas

 

Kokybės vadybos reikalavimai automobilių ir energijos saugojimo klientams

Pasaulinėse EV ir ESS tiekimo grandinėse keraminių komponentų tiekėjai paprastai vadovaujasi:

IATF 16949 automobilių kokybės valdymas
ISO 9001 gamybos kontrolė
ISO 14001 aplinkos vadyba
PPAP 3 lygio pateikimas
RoHS ir REACH atitikimas

 

Tiekėjo kokybės dokumentuose paprastai yra:

Medžiagos sertifikatas
Proceso schema
Kontrolės planas
FMEA analizė
Matmenų patikrinimo aktas
Patikimumo bandymo ataskaita

 

 

EV baterijų sistemos su 400 V–1000 V aukštos įtampos platformomis

HVDC keraminiai komponentai naudojami:

Pagrindiniai akumuliatoriaus kontaktoriai
Išankstinio-įkrovimo kontaktoriai
DC greito įkrovimo moduliai
Akumuliatoriaus atjungimo įrenginiai

Reikalavimai:

Didelė dielektrinė izoliacija
Maža nuotėkio srovė
Ilgas perjungimo tarnavimo laikas
Atsparumas lanko erozijai

ESS ir PV inverterių apsaugos sistemos pagal IEC standartus

Energijos kaupimo sistemoms reikalingi keraminės izoliacijos komponentai:

Akumuliatoriaus stovo apsauga
DC kombainų dėžės
Galios konvertavimo sistemos
Aukštos{0}}tampos saugiklių rinkiniai

 

Įprastos darbo sąlygos:

Taikymas	Įtampos diapazonas	Dabartinis diapazonas
EV baterijų sistema	400-1000V DC	100–600A
ESS stovas	750-1500V DC	200–1000A
PV keitiklis	600-1500V DC	50–500A

 

Aliuminio oksido keramikos korpuso gamintojo pasirinkimas HVDC reikmėms

 

Kvalifikuotas tiekėjas turi pateikti:

95% aliuminio oksido keramikos medžiagos galimybė
Mo{0}}Mn metalizacijos technologija
Vakuuminio litavimo procesas
CMM tikrinimo galimybė
PPAP 3 lygio dokumentacija
Partijų atsekamumo sistema

 

Inžinierių komandoms, kuriančioms HVDC kontaktorius, saugiklių apsaugos įtaisus ir galios elektroninius modulius, keraminės medžiagos pasirinkimas turi būti įvertintas kartu su metalizavimo projektu, sandarinimo procesu ir eksploatavimo trukmės patikimumo reikalavimais.

 

 

 

1 klausimas: kokia yra rekomenduojama keraminė medžiaga HVDC kontaktorių keraminiams korpusams?

Rekomenduojama naudoti 95% aliuminio oksido keramiką, nes ji užtikrina didesnį nei 15 kV/mm dielektrinį stiprumą, didesnį nei 300 MPa lenkimo stiprumą ir stabilų veikimą šiluminio ciklo metu.

 

2 klausimas: Ar aliuminio oksido keramikos korpuso gamintojas gali pateikti PPAP 3 lygio dokumentus?

Taip. Automobilių tiekėjai gali pateikti PPAP 3 lygio paketus, įskaitant PFMEA, valdymo planą, matmenų ataskaitas, medžiagų sertifikatus ir patikimumo bandymų įrašus.

 

3 klausimas: kaip kontroliuojamas Mo{1}}Mn metalizacijos storiskeraminiai saugiklių vamzdeliai?

Mo-Mn metalizacijos storis paprastai kontroliuojamas 10–30 μm, naudojant šilkografijos parametrus, degimo sąlygas ir sukibimo bandymą po metalizacijos.