Aplicación de cerámica avanzada en vehículos de nuevas energías
En la industria de vehículos de nuevas energías, la aplicación de diversos materiales avanzados es la base de toda la industria. En este artículo, exploraremos el papel cada vez más importante de la cerámica en el proceso de inteligenteización de los vehículos de nuevas energías.
En el motor principal de los vehículos de nuevas energías, el uso de dispositivos MOSFET de SiC proporciona un aumento de autonomía del 5% al 10% en comparación con los IGBT de Si tradicionales, y se espera que los reemplacen gradualmente en el futuro. Sin embargo, los chips MOSFET de SiC tienen un área pequeña y altos requisitos de disipación térmica. El laminado cerámico revestido de cobre es un material compuesto con una estructura de sándwich de cobre-cerámica-cobre. Se caracteriza por una buena disipación térmica, un alto aislamiento, una alta resistencia mecánica, una expansión térmica compatible con los chips, una alta capacidad de conducción de corriente, un buen rendimiento de soldadura y unión, y una alta conductividad térmica del cobre libre de oxígeno. Se ha convertido prácticamente en una opción indispensable para los MOSFET de SiC en el campo de los vehículos de nuevas energías. Los sustratos cerámicos de nitruro de silicio tienen una excelente capacidad de disipación térmica y una alta fiabilidad, lo que los convierte en uno de los materiales de encapsulado clave para los módulos MOSFET de SiC.
Sustrato de nitruro de silicio
Relés cerámicos
La tecnología de control electrónico es un indicador importante del nivel de desarrollo de los nuevos vehículos eléctricos de bajo consumo, y los relés cerámicos de CC de alto voltaje son los componentes principales de los sistemas de control electrónico. En un relé de vacío de CC de alto voltaje, el aislante cerámico se desliza entre el conjunto de contactos móviles y la varilla de accionamiento en una cámara de vacío sellada con metal y cerámica, lo que garantiza un buen aislamiento eléctrico entre los contactos móviles y fijos en cualquier estado de conducción o desconexión, mantiene un sistema de circuito magnético con las placas de yugo magnético y los núcleos de hierro del relé, etc., y garantiza la capacidad de extinción de arcos eléctricos del relé al conmutar cargas de CC de alto voltaje. Los arcos eléctricos son una de las principales causas de combustión en vehículos. Solo los relés que logran una conexión y desconexión sin arcos eléctricos pueden resolver fundamentalmente el problema de la combustión.
Carcasa de cerámica del relé
Fusibles cerámicos
Los fusibles son dispositivos que se utilizan para proteger los circuitos contra sobrecorrientes. Cuando están en funcionamiento, se conectan en serie en el circuito y la corriente de carga fluye a través de ellos. Cuando se produce un cortocircuito o una sobrecarga, el efecto térmico de la sobrecorriente funde y vaporiza el elemento fusible, creando un espacio que produce un arco eléctrico. El fusible corta el circuito defectuoso extinguiendo el arco, protegiendo así el circuito.
Los fusibles automotrices se dividen en fusibles de baja y alta tensión. La protección de alta tensión se aplica principalmente a vehículos de nueva energía. La tensión aplicada suele ser de 60 VCC a 1500 VCC, principalmente para proteger los circuitos principal y auxiliar de los fusibles de potencia (fusibles de alta tensión para vehículos de nueva energía). A medida que el mercado de vehículos de nueva energía entra en la era posterior a los subsidios y la demanda de consumo personal impulsa la plataforma de alta tensión de estos vehículos, es fundamental considerar los requisitos de seguridad en áreas de alta tensión, como la carga rápida, los motores, los dispositivos de potencia, etc. La estabilidad y la rápida capacidad de interrupción de los fusibles seguirán experimentando un rápido crecimiento en el rápido crecimiento de los vehículos de nueva energía.
Fusibles cerámicos
Condensadores cerámicos multicapa (MLCC)
Los condensadores cerámicos multicapa (MLCC) son conocidos como el ""rice"" de la industria electrónica y uno de los componentes electrónicos pasivos más utilizados a nivel mundial. Casi todos los productos electrónicos de consumo requieren el uso de componentes MLCC. En comparación con los vehículos tradicionales, el nivel de electrificación de los vehículos eléctricos ha aumentado considerablemente. Desde los nuevos sistemas de control electrónico y gestión de baterías hasta los sistemas de audio y entretenimiento, los sistemas ADAS y los sistemas de conducción autónoma, el aumento de la electrificación vehicular ha impulsado considerablemente el crecimiento de los MLCC automotrices.
Condensadores cerámicos multicapa
La aplicación de rodamientos cerámicos en vehículos de nuevas energías se ha convertido en tendencia. Estos vehículos han impuesto mayores exigencias a los rodamientos automotrices. En primer lugar, en comparación con los rodamientos tradicionales, los rodamientos de motor presentan velocidades de rotación más altas y requieren materiales de menor densidad y mayor resistencia al desgaste. En segundo lugar, debido al campo electromagnético cambiante causado por las corrientes alternas en el motor, se requiere un mejor aislamiento para reducir la corrosión de los rodamientos causada por descargas eléctricas. En tercer lugar, la superficie de las bolas de los rodamientos debe ser más lisa y reducir el desgaste. Las bolas de cerámica presentan características como baja densidad, alta dureza y excelente resistencia al desgaste, lo que las hace adecuadas para la rotación a alta velocidad en entornos de alta temperatura, fuerte magnetismo y alto vacío. Son irremplazables en estos campos.
Los motores de Tesla utilizan cojinetes cerámicos para sus ejes de salida, concretamente cojinetes cerámicos híbridos diseñados por NSK, con 50 bolas de nitruro de silicio. El motor ATA250 de Audi también utiliza cojinetes cerámicos para sus dos cojinetes internos del rotor.
Cojinetes cerámicos
Discos de freno de cerámica de carbono
El material compuesto carbono-cerámico (C/C-SiC) es un nuevo tipo de material para pastillas de freno, desarrollado a partir de materiales compuestos de carbono/carbono. Utiliza un fieltro tridimensional de fibra de carbono punzonado como esqueleto reforzado y se compone mediante la deposición de carbono, SiC y silicio residual. Este material combina las propiedades físicas de la fibra de carbono y el carburo de silicio policristalino, presentando características como estabilidad a altas temperaturas, alta conductividad térmica y alto calor específico. Además, los frenos carbonocerámicos ofrecen ventajas como ligereza y resistencia al desgaste. No solo prolongan la vida útil de los discos de freno, sino que también evitan los problemas causados por la carga. Según estudios, un par de discos de freno carbonocerámicos puede reducir el peso del sistema de suspensión del vehículo en 20 kg en comparación con los discos de freno de hierro fundido del mismo tamaño, lo que puede aumentar la autonomía de los vehículos eléctricos en aproximadamente 50 km. En el contexto de las tendencias de electrificación, inteligencia y desarrollo de alta gama en la industria de vehículos de nuevas energías, los sistemas de freno carbonocerámicos pueden mejorar significativamente la velocidad de respuesta del vehículo, acortar la distancia de frenado y se espera que se conviertan en los mejores actuadores para el frenado controlado por línea. Pueden considerarse componentes ligeros clave para los futuros vehículos eléctricos.
Discos de freno cerámicos
Conectores de sellado de batería de cerámica
Los conectores cerámicos de sellado de baterías son un componente importante de los vehículos eléctricos de nueva energía. Se utilizan para formar conexiones selladas y conductoras entre la placa de cubierta de la batería y la columna de electrodos en estos vehículos.
La cerámica ofrece un aislamiento eléctrico y una resistencia mecánica superiores, lo que la hace cada vez más común en la industria electrónica como componente de sellado. En los últimos años, las principales empresas de baterías han sustituido gradualmente los sellos de plástico comunes por sellos de cerámica, mejorando significativamente la seguridad.
Conectores de sellado de batería
Separadores de batería de cerámica
Las membranas de poliolefina son actualmente las membranas más utilizadas, pero su estabilidad térmica es relativamente baja. Los puntos de fusión del polipropileno (PP) y el polietileno (PE) son de 165 °C y 135 °C, respectivamente, lo que puede causar posibles problemas de seguridad debido a que la membrana se contrae o se funde a altas temperaturas, lo que provoca cortocircuitos internos, incendios o incluso explosiones. Ante esta situación, se han adoptado diversos métodos para mejorar la estabilidad térmica de las membranas, y el recubrimiento de una capa de partículas cerámicas inorgánicas sobre membranas de PP o PE se considera el método más eficaz y económico. Los materiales cerámicos proporcionan una alta resistencia térmica, mientras que los adhesivos proporcionan adhesión para mantener la integridad estructural del recubrimiento y de toda la membrana compuesta. Por un lado, esta membrana con revestimiento cerámico mejora eficazmente la seguridad de las baterías de iones de litio al evitar cortocircuitos a altas temperaturas gracias a su mayor estabilidad térmica. Por otro lado, la membrana con revestimiento cerámico tiene buenas capacidades de humectación y retención de líquidos con electrolitos y materiales de electrodos positivos/negativos, lo que mejora considerablemente el rendimiento y la vida útil de la batería. Los materiales cerámicos más utilizados incluyen alfa-alúmina, boehmita, SiO2, CeO2, MgAl2O4, ZrO y TiO2.
Cerámico revestimiento capa
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